Rotoriaus sūkurio ir plaktuko nestabilumo supratimas
Sūkurys ir bičas — dažniausiai pasitaiko kaip naftos sūkurys ir naftos sūkurys — tai dvi susijusios ir itin pavojingos savaiminio sužadinimo formos, subsinchroninis vibracija kurios atsiranda greitai besisukančiuose mechanizmuose, veikiančiuose skysčio plėvelėje (žurnalas) guoliai. Jie nėra priverstiniai virpesiai dėl tokių trūkumų kaip disbalansas arba nesutapimas; vietoj to jie yra rotoriaus nestabilumas kai pats rotoriaus judėjimas sukuria jėgas, kurios palaiko ir sustiprina vibraciją. Abiem atvejais velenas „sukasi“ – jis precesuoja į priekį didele orbita savo guolio tarpo ribose, nubrėždamas trajektoriją, kuri visiškai nesutampa su jo pačio sukimosi trajektorija.
1. Apibrėžimas: kas yra „Whirl“ ir „Whip“?
Verta atskirti dvi sąvokas, kurias kasdieniniame kalboje vartojamas žodis „sūkurys“ supainioja. Spin ar rotorius sukasi aplink savo geometrinę ašį. Sūkurys (arba precesija) – tai visos ašies sukimasis aplink didesnį apskritimą guolio viduje – įsivaizduokite besisukantį monetą, kurios centras taip pat sukasi aplink stalą. Visi rotoriai šiek tiek sukasi; problemos prasideda tada, kai šis sukimasis nustoja būti nekenksminga reakcija į likutinis disbalansas and becomes self-excited, gaunantis energiją iš nuolatinio sukimosi, o ne iš kokių nors išorinių jėgų. „Aliejaus sūkurys“ – tai savaiminis precesijos reiškinys, kurį sukelia guolio aliejaus plėvelė; „aliejaus botagas“ – tai smarkus rezonansas, į kurį jis gali peraugti. Kadangi energijos šaltinis yra pats sukimasis, šių nestabilumų neįmanoma kompensuoti – tai esminis skirtumas, palyginti su sinchronizavimo problemomis.
2. Mechanizmas: kaip tai vyksta?
Skysčio plėvelės guolyje besisukantis velenas remiasi ne metalų sąlyčiu, o aukšto slėgio alyvos sluoksniu. Velenas nėra įtvirtintas guolio centre; jis pasislinkęs į vieną pusę, stumiamas jo nešamos apkrovos. Kadangi veleno paviršius traukia alyvą aplink žiedinį tarpą, tepalas cirkuliuoja vidutinis greitis, šiek tiek mažesnis nei pusė veleno paviršiaus greičio — skystis, liečiantis veleną, juda veleno greičiu, o prie nejudančios guolio sienelės esantis skystis beveik nejuda, o vidutinis masės greitis yra šiek tiek mažesnis nei 0,5×.
Alyvos sūkurys susidaro, kai ši cirkuliuojanti plėvelė pradeda „stumti“ priešais save esantį nedidelės apkrovos veleną, nunešdama jį į didelę priekinę orbitą aplink guolį. Sūkuriavimo dažnį nulemia vidutinis alyvos plėvelės greitis, kuris paprastai svyruoja tarp 42 % ir 48 % bėgimo greičio (0,42–0,48 karto). Tas išskirtinis sub-sinchroninis bruožas — beveik, bet niekada ne visiškai lygus pusei darbinis greitis — tai tas „pirštų atspaudas“, kurio ieško analitikai. (Dėl to, kad šis skaičius yra „šiek tiek mažesnis nei pusė“, aliejaus sūkurys kartais neoficialiai vadinamas „pusiau greičio sūkuriuku“, nors tikroji vertė niekada nepasiekia 0,5×.)
3. „Oil Whirl“: pirmtakas
Naftos sūkurys paprastai yra nestabilumo pradinė stadija – tai įspėjimas, o ne katastrofa. Jo požymiai yra šie:
- Dažnis: matomas kaip aiškus pikas FFT spektras nuo 0,42× iki 0,48× apsisukimų per minutę.
- Elgesys: sūkurio dažnis increases mašinai greitėjant, visada išlaikydama tą ~45 % santykį su važiavimo greičiu. Įsibėgėjimo metu ji kyla kaip nesinchroninė „šešėlinė“ linija žemiau 1× linijos.
- Sunkumas: ji gali sukelti stiprius, bet kartais pastovius virpesius, kurie gali atsirasti arba išnykti keičiantis apkrovai, greičiui ar alyvos temperatūrai. Tai, be abejo, nepageidaujama, tačiau ne visada iš karto žalinga.
- Jautrumas: Dažniausiai kaltininkai yra per mažai apkrauti, per dideli arba susidėvėję guoliai, nes esant mažai savajai apkrovai alyvos sluoksnis lemia veleno padėtį.
4. „Oil Whip“: kritinis pavojus
„Oil whip“ – tai kur kas rimtesnė būklė, kuri kyla tiesiogiai iš „oil whirl“ reiškinio. Ji pasireiškia, kai mašina įsibėgėja iki tokio greičio, kad „oil whirl“ dažnis (siekdamas maždaug 45 % darbinio greičio) pakyla iki rotoriaus first savasis dažnis — its first kritinis greitis. Tuo metu sūkurys „susižeria“ su savituoju dažniu ir sukelia visavertį rezonansas. Jo savybės yra tokios:
- Dažnis: vibracija susidaro rotoriaus pirmuoju savituoju dažniu ir nebekyla, net ir tada, kai mašina vis greitėja — taigi sub-sinchroninis pikas „išsilygina“, o 1× pikas toliau auga.
- Amplitudė: vibracija labai sustiprėja, tampa smarki ir nestabili.
- Elgesys: naftos srautas yra itin griaunantis ir ne tai tampa akivaizdu, kai greitis dar labiau padidėja. Tai gali per labai trumpą laiką sugadinti guolius, sandariklius ir patį rotorių, kartais dėl didelio rotoriaus trynimas kai orbita užpildo tarpą.
Paprastai šis reiškinys prasideda praėjus šiek tiek daugiau nei dvigubai didesnis už rotoriaus pirmąjį kritinį greitį — taškas, kuriame ~0,5× sūkurio linija kerta pirmąjį savąjį dažnį. Mašina, kurią ištiko alyvos virpėjimas, turi būti nedelsiant išjungimas; būtent toks scenarijus mašinų apsauga šios sistemos sukurtos tam, kad jas būtų galima išjungti.
5. Kaip atpažinti „Whirl“ ir „Whip“
- Spektro analizė: ieškokite ryškaus subsinchroninio piko. Jei paleidimo metu šio piko dažnis didėja kartu su greičiu, tai yra sūkurinis reiškinys; jei jis išlieka pastovus, o 1× piko dažnis toliau didėja, tai reiškia, kad reiškinys perėjo į virpėjimo būseną.
- Orbitos sklypas: Ašies orbita yra didelis, į priekį precesuojantis apskritimas arba elipsė, dažnai su 1× komponentu, kuris susideda su ja ir sukuria būdingą „kilpos“ formos modelį.
- Krioklio sklypas: krioklio (arba Kaskada) start-up funkcijos grafikas pateikia aiškiausią įmanomą vaizdą, parodydamas, kaip sukimosi dažnis didėja kartu su greičiu, kol susikerta su pirmuoju savuoju dažniu ir įsijungia virpėjimo režimas. Būtent šių susikirtimų atvaizdavimas yra tai, ką Campbello diagrama is for.
Kadangi sūkurio ir plaktuko greitis yra mažesnis nei 1×, analizatorius turi pasiekti greitį, kuris yra gerokai mažesnis už darbinį, ir tiksliai nustatyti fazę. Nešiojamas dviejų kanalų prietaisas, pavyzdžiui, Balanset-1A atspindi sinchronizuotą amplitudė ir fazė važiavimo greičio komponento pokyčių įsibėgėjimo arba išsibėgėjimo metu, o tai leidžia inžinieriui vietoje įsitikinti, kad sunkiai pašalinamas žemo dažnio pikas yra tikras guolio nestabilumas, o ne įprastas disbalansas, ir – kas taip pat labai naudinga – atmesti balansavimo problemą, prieš imantis sprendimo, kuris niekada nebūtų padėjęs.
6. Priežastys ir sprendimai
Šiuos nestabilumus lemia guolių konstrukcija, rotoriaus geometrija, alyvos klampumas, temperatūra ir apkrova – sudėtingas sąveikų kompleksas, formaliai apibūdintas rotoriaus dinamika. Jų priežastis nėra pusiausvyros sutrikimas, todėl jų negalima išgydyti balansavimas; šios priemonės apima pakeitimus projektavimo lygiu:
- Pereikite prie stabilesnės guolio geometrijos, pavyzdžiui, pasvirančiojo įdėklo slydimo guolio.
- Pakeiskite alyvos klampumą arba darbinę temperatūrą, kad pakeistumėte plėvelės savybes.
- Padidinkite savitąją guolio apkrovą, kad velenas tvirtai priglustų ir alyvos pleištas nebegalėtų daryti lemiamos įtakos.
- Įrengti griovelius, ašinius pertvarus arba „citrinų skylės“ formos išpjovas, kurios sutrikdo aplinkinę alyvos srovę, maitinančią sūkurį.
Labai panašus nestabilumas, garų sūkurys, kyla dėl aerodinaminių, o ne alyvos plėvelės jėgų turbinose, tačiau sukuria panašų savaiminio sužadinimo subsinchroninį vaizdą – tai primena, kad „sūkurys“ yra reiškinių grupė, kurią vienija viena savybė: rotorius, tiekiantis energiją į savo pačios orbitą.
