ローター旋回と鞭状不安定性の理解

定義: Whirl と Whip とは何ですか?

オイルワール そして オイルホイップ これらは2つの関連した非常に危険な自己興奮の形態であり、 同期していない 流体膜（ジャーナル）軸受を備えた高速回転機械で発生する振動。アンバランスなどに起因する強制振動ではなく、 ローターの不安定性 ローター自体の動きが振動を維持・増大させる力を生み出します。どちらの場合も、ローターシャフトがベアリングクリアランス内で「旋回」、つまり大きな軌道を描いて前方に前進する動作を特徴としています。

メカニズム：どのように起こるのか？

流体膜軸受では、回転軸は高圧の油のくさびによって支持されます。軸は軸受の中心ではなく、片側に沿って移動します。油は軸に引きずられるため、油自体は軸の表面速度の半分弱の平均速度で循環します。

オイルワール この循環する油膜が軸をベアリングの周囲に「押し出し」、軸を大きく前方に回転させることによって、軸の回転が発生します。この回転の周波数は、油膜の平均速度によって決まり、通常は 42%と48%のシャフトの回転速度（0.42倍から0.48倍）これは典型的な亜同期振動の特徴です。

オイル・ワール：その先駆者

オイルワールは不安定性の初期段階であることが多い。その特徴は以下のとおりである。

• 頻度： FFT スペクトルでは、0.42 倍から 0.48 倍の RPM の間に明確なピークとして表示されます。
• 行動： 機械の速度が上がると、旋回の周波数も増加しますが、常に ~45% の範囲に留まります。
• 重大度： 高い振動を引き起こすことがありますが、時には安定した振動となることもあります。機械の負荷、速度、油温の変化に応じて、振動が現れたり消えたりすることがあります。望ましくない現象ではありますが、必ずしも直ちに破壊的な影響を与えるわけではありません。

オイルウィップ：重大な危険

オイルホイップ オイルホワールによって発生する、はるかに深刻で危険な状態です。これは、機械の速度が上昇し、オイルホワール周波数（運転速度が約45%の時）がローターの周波数と等しくなるまで上昇すると発生します。 第一固有振動数 （最初の臨界速度）。

これが起こると、オイルホイップはローターの固有振動数に「ロックオン」し、共振を励起します。オイルホイップの特徴は以下のとおりです。

• 頻度： 振動周波数はローターの最初の固有周波数で「ロック」され、機械が加速し続けても*それ以上増加しません*。
• 振幅： 振動の振幅が非常に大きくなり、激しく不安定になります。
• 行動： オイルウィップは非常に破壊的な現象であり、速度を上げても消えることはありません。非常に短時間でベアリング、シール、そしてローター自体に壊滅的な損傷を与える可能性があります。

オイルホイップが発生する速度は、通常、ローターの最初の危険速度の2倍強です。オイルホイップが発生した機械は、直ちに停止する必要があります。

渦巻きと鞭打ちの見分け方

• スペクトル分析: 強い亜同期ピークを探してください。始動時に、ピークの周波数が速度とともに増加する場合、それはホイルです。1倍速走行時のピークが上昇し続ける一方で、ピークの周波数が特定の時点で「平坦化」する場合、ホイップに移行しています。
• 軌道プロット: シャフトの軌道は、前方に歳差運動する大きな円または楕円になり、多くの場合、1 倍の動作速度の振動が重ね合わされて、「ループ・ザ・ループ」のような外観になります。
• 滝プロット: 始動テストのウォーターフォール プロットは、最も明確な画像を提供し、オイル ワール周波数が速度とともに増加し、最初の固有周波数と交差してオイル ホイップに移行することを示しています。

原因と解決策

これらの不安定性は複雑であり、軸受設計、ローター形状、オイル粘度、温度、負荷などの影響を受けます。これらはアンバランスによって引き起こされるものではなく、バランス調整では解決できません。解決策としては、通常、設計レベルの変更が挙げられます。例えば、以下のような変更です。

• より安定したベアリング設計（例：ティルトパッドベアリング）に変更します。
• オイルの粘度や温度を変えること。
• ベアリング負荷の増加。
• ベアリングに溝やダムなどの機構を導入して、オイルの円周方向の流れを妨げます。

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