Kritinis greitis rotoriaus dinamikoje paaiškintas
A kritinis greitis yra sukimosi greitis, kuriuo rotoriaus darbo dažnis sutampa su vienu iš jo savieji dažniai dėl vibracijos. Kai mašina veikia kritiniu greičiu arba beveik pasiekusi jį, rezonansas įsivyrauja, ir netgi mikroskopinis kiekis likutinis disbalansas yra sustiprinamas iki didelio, potencialiai pavojingo vibracija. Kadangi kiekvienas rotorius turi keletą savųjų dažnių – po vieną kiekvienam virpėjimo režimui, pavyzdžiui, pirmajam lenkimo režimui, antrajam lenkimo režimui ir pan. – jis taip pat turi keletą kritinių greičių. Šių greičių prognozavimas, išvengimas ir saugus perėjimas per juos yra viena iš pagrindinių rotoriaus dinamika.
1. Apibrėžimas: kas yra kritinis greitis?
Sukasi rotorius iš esmės yra masės ir standumo sistema, ir, kaip ir bet kuri tokia sistema, jis turi savus dažnius, kuriais linkęs vibruoti. Darbo greitis sukuria vieną kartą per apsisukimą jėgos impulsą dėl disbalanso. Kai darbo greitis sutampa su savituoju dažniu, tas jėgos impulsas sutampa su rotoriaus pačios svyravimo dažniu, energija kaupiasi ciklas po ciklo, o amplitudė smarkiai padidėja. Tas sutapimo taškas yra kritinis greitis.
Forma, kurią įgauna rotorius, kai sukasi kritiniu greičiu, yra jo režimo forma, o susidarantis šoninis sukamasis judesys yra elgesio tipas, aprašytas skyriuje whirl and whip. Svarbiausia, kad kritinis greitis nėra disbalanso savybė — disbalansas tik excites Tai. Pats greitis priklauso nuo rotoriaus masės, geometrijos bei jo veleno ir atramų standumo.
2. Kodėl kritinis greitis yra toks svarbus
Mašinos eksploatavimas kritiniu greičiu, net ir trumpą laiką, gali turėti katastrofiškų pasekmių. Tarp pasekmių yra:
- Per didelė vibracija: amplitudės gali padidėti 10, 20 ar daugiau kartų, priklausomai nuo to, kiek slopinimas the system has.
- Komponento gedimas: didelis vibracijos lygis ir veleno išlinkis sukelia guolio gedimą, sandariklio pažeidimą ir trina tarp besisukančių ir nejudančių dalių.
- Katastrofiškas šachtos gedimas: sunkiuose atvejais kintantis lenkimo įtempis viršija medžiagos nuovargio ribą, dėl to atsiranda įtrūkimų arba lūžta velenas.
- Saugos pavojai: gedimas važiuojant dideliu greičiu kelia pavojų darbuotojams ir šalia esančiai įrangai.
Dėl visų šių priežasčių mašinos projektuojamos taip, kad būtų atskyrimo riba: įprastas nuolatinis važiavimo greitis išlaikomas saugiu atstumu nuo kiekvieno kritinio greičio.
3. Kieti ir lankstūs rotoriai
Kritinis greitis – tai būtent ta sąvoka, pagal kurią rotoriai skirstomi į dvi klases:
- Rigid rotor: operates žemiau savo pirmojo kritinio greičio. Jos velenas eksploatacijos metu beveik nesilenkia — paprastai tai yra lėtesnės, tvirtesnės mašinos, subalansuotos taip, kad ISO 21940-11 tolerances.
- Flexible rotor: designed to run above savo pirmąjį (o kartais ir antrąjį ar trečiąjį) kritinį greitį. Jo velenas išlinksta ir sulinksta, kai paleidimo ir išjungimo metu pasiekiamas kiekvienas kritinis greitis. Ploni, didelio greičio turbinų ir kompresorių rotoriai yra lankstūs rotoriai, todėl jiems reikalingas daugiaplanis balansavimas aprašytos technikos ISO 21940-12.
4. Kritinių greičių valdymas eksploatacijos metu
Kadangi dažnai neįmanoma suprojektuoti greitaeigės mašinos, kuri visą laiką veiktų neviršydama savo pirmojo kritinio greičio, inžinieriai taiko keletą strategijų, kad galėtų saugiai dirbti su tokiomis mašinomis.
4.1 Atskirimo atsarga
Pagrindinė taisyklė – užtikrinti, kad nuolatinis darbo greitis nesiektų kritinio greičio, paliekant įprastą ±20–30 % atsargą. Jei kritinis greitis yra 3 000 aps/min, mašina neturėtų nuolat veikti esant greičiui nuo maždaug 2 400 iki 3 600 aps/min.
4.2 Staigus greitėjimas ir stabdymas
Lankstieji rotoriai, kurie turi pasiekti kritinį greitį, paleidžiami ir greitai sustabdomi per pavojingą greičio intervalą. Ilgai išbūnant kritiniame greityje amplitudė gali išaugti iki pavojingo lygio; greitas pravažiavimas neleidžia rezonansui sustiprėti.
4.3 Damping
Slopinimas išsklaido vibracijos energiją ir riboja didžiausią amplitudę rezonanso metu. Guoliai – ypač skysčio plėvelės slankiojantys guoliai — yra pagrindinis slopinimo šaltinis; esant poreikiui, slopinimą dar labiau sustiprina slėginės plėvelės slopintuvai. Optimizavus guolių konstrukciją, kritinio greičio pikas išlaikomas saugiu ir valdomu lygiu.
4.4 Tikslus balansavimas
Kadangi vibracija kritiniu greičiu yra sustiprintas atsakas į disbalansą, kuo geriau subalansuotas rotorius, tuo mažesnė jo jėgos funkcija ir tuo mažesnė jos amplitudė, kai rotorius praeina per rezonansą. Lanksčių rotorių atveju modaliniai ir daugiakrypčiai metodai taikomi kiekvienam modui paeiliui.
5. Kaip nustatomi kritiniai greičiai
Kritiniai greičiai nustatomi tiek teoriniu būdu, tiek bandymų salėje:
- Rotoriaus dinamikos analizė (RDA): Projektavimo etape sukurti baigtinių elementų modeliai leidžia numatyti kritinius greičius ir svyravimo formas dar prieš pradedant pjaustyti metalą. Mūsų Rotoriaus kritinio greičio skaičiuoklė leidžia greitai apskaičiuoti variklio veleno mažiausią kritinį greitį, remiantis jo geometrija ir atramomis.
- Paleidimo ir stabdymo bandymai: dažniausiai taikomas eksperimentinis metodas, kurio metu greičio funkcija vaizduojama pagal amplitudę ir fazę paleidimas arba pakrantės žemyn. Kritinis greitis pasireiškia aiškia amplitudės smailė, kurią lydi būdingas 180° fazė perjungimas, rodomas Bode'o sklypas arba krioklio sklypas.
- Atsparumo smūgiams (susidūrimams) bandymai: Smūgis į nejudančią rotoriaus dalį specialiu plaktuku sužadina jo savuosius dažnius, kurie atitinka jo kritinius greičius — žr. smūgio testas.
Mašinoms, veikiančioms įvairiais greičiais, ryšį tarp sužadinimo eilės ir savųjų dažnių geriausiai iliustruoja Campbello diagrama; sankryžas galite greitai pažymėti naudodami Campbell diagramos skaičiuoklė.
6. Maržos patvirtinimas lauke
Kritinio greičio prognozavimas – tai tik pusė darbo; kita pusė – patikrinti, ar tikroji mašina elgiasi taip, kaip buvo prognozuota. Nešiojamas dviejų kanalų analizatorius, pavyzdžiui, Balanset-1A užfiksuoja 1× amplitudę ir fazę, priklausančias nuo apsisukimų skaičiaus per minutę (rpm) greitėjimo arba stabdymo metu, todėl tikrąją kritinio greičio vietą ir rezonanso piko aukštį galima tiesiogiai nustatyti iš kreivės. Jei duomenys rodo, kad mašina veikia pernelyg arti kritinio greičio, tas pats prietaisas leidžia atlikti balansavimą vietoje, kuris sumažina priverstinę jėgą ir sušvelnina piką – taip galite patikrinti atsargos koeficientą guoliuose, kuriuose rotorius iš tiesų veiks.
