Разбирање на нестабилностите на роторот од тип вител (whirl) и камшик (whip)
Виорење и бич — најчесто среќавани како маслен вител и маслен камшик — се два поврзани и крајно опасни облици на самопобудена, суб-синхрони вибрации што се јавуваат кај високобрзински ротирачки машини што работат во лежишта со флуиден филм (лизгачко лежиште). Тие не се принудни вибрации предизвикани од дефекти како што се дебаланс или неосовиненост; напротив, тие се нестабилностите на роторот во кои самото движење на роторот ги генерира токму тие сили што ја одржуваат и ја засилуваат вибрацијата. Во двата случаја вратилото “вртложи” — прецесира нанапред во голема орбита во рамките на зазорот на лежиштето, следејќи патека сосема одвоена од сопственото вртење.
1. Дефиниција: Што се вртложење и камшик?
Вреди да се разделат две идеи што секојдневниот термин “вртложење” ги меша заедно. Вртење е ротацијата на роторот околу сопствената геометриска оска. Виорење (или прецесија) е орбитирањето на таа оска како целина околу поголем круг во внатрешноста на лежиштето — замислете паричка што се врти чиј центар исто така кружи околу масата. Сите ротори малку вртложат; проблемот започнува кога вртложењето престанува да биде безопасен одговор на заостанат дебаланс и станува самопобудено, црпејќи ја својата енергија од рамномерното вртење, а не од некое надворешно побудување. Масленото вртложење е самопобудена прецесија предизвикана од маслениот филм на лежиштето; маслениот камшик е насилната резонанца во која тоа може да прерасне. Бидејќи изворот на енергија е самото вртење, овие нестабилности не можат да се избалансираат — суштинска разлика во однос на синхроните проблеми.
2. Механизмот: Како се случува?
Во лежиште со флуиден филм ротирачкото вратило не се потпира на контакт метал-на-метал, туку на клин од масло под висок притисок. Вратилото не седи во центарот на лежиштето; се качува на едната страна, поместено од товарот што го носи. Додека површината на ракавецот го влече маслото околу прстенестиот зазор, мазивото циркулира со просечна брзина малку помала од половина од површинската брзина на вратилото — флуидот што го допира вратилото се движи со брзината на вратилото, флуидот наспроти неподвижниот ѕид на лежиштето е речиси неподвижен, а вкупниот просек паѓа непосредно под 0.5×.
Масленото вртложење се јавува кога овој циркулирачки филм започнува да го “турка” лесно оптовареното вратило пред себе, зафаќајќи го во голема орбита нанапред околу лежиштето. Фреквенцијата на вртложењето е одредена од просечната брзина на маслениот филм, која вообичаено се движи меѓу 42% и 48% од работната брзина (0.42× до 0.48×). Тој карактеристичен субсинхрон потпис — близок до, но никогаш точно, половина од работна брзина — е отпечатокот што го бараат аналитичарите. (Вредноста “малку помалку од половина” е и причината зошто масленото вртложење понекогаш непрецизно се нарекува “вртложење на половина брзина,” иако вистинската вредност никогаш сосема не достигнува 0.5×.)
3. Маслено вртложење: претходникот
Масленото вртложење обично е почетната фаза на нестабилноста — предупредување, сè уште не катастрофа. Неговите карактеристики се:
- Фреквенција: се појавува како јасен врв во FFT спектар меѓу 0.42× и 0.48× од RPM.
- Однесување: фреквенцијата на вртложењето се зголемува како што машината забрзува, секогаш следејќи ја таа пропорција од ~45% од работната брзина. При забрзување се качува како субсинхрона сенка под линијата 1×.
- Сериозност: може да предизвика висока, но понекогаш стабилна вибрација, и може да се појави или да исчезне со промената на товарот, брзината или температурата на маслото. Несакано, секако — но не секогаш веднаш разорно.
- Чувствителност: лесно оптоварените, предимензионираните или истрошените лежишта се вообичаените виновници, бидејќи нискиот специфичен товар му дозволува на маслениот клин да доминира со положбата на вратилото.
4. Маслен камшик: критичната опасност
Маслениот камшик е далеку потешка состојба што израснува директно од масленото вртложење. Настапува кога машината забрзува до точката во која фреквенцијата на масленото вртложење (на приближно 45% од работната брзина) се качува за да ја сретне роторовата прво природна фреквенција — неговата прва критична брзина. Во тој момент вртложењето се “заклучува” на сопствената фреквенција и предизвикува целосно развиена резонанца. Неговите карактеристики се:
- Фреквенција: вибрацијата се заклучува на роторовата прва сопствена фреквенција и не се зголемува понатаму, дури и додека машината продолжува да забрзува — така што субсинхрониот врв “се израмнува” додека врвот 1× продолжува да напредува.
- Амплитуда: вибрацијата многу нараснува, станувајќи бурна и нестабилна.
- Однесување: маслениот камшик е крајно разорен и нема да не исчезне со натамошно забрзување. Може да ги уништи лежиштата, заптивките и самиот ротор за многу кратко време, понекогаш преку силно триење на ротор додека орбитата го исполнува зазорот.
Брзината при која настапува камшикот вообичаено е малку над двапати од роторовата прва критична брзина — точката каде што линијата на вртложење од ~0.5× ја пресекува првата сопствена фреквенција. Машина во стисокот на маслениот камшик има потреба од итно исклучување; ова е токму сценариото за кое machinery-protection системите се направени да реагираат со исклучување.
5. Како да се препознаат вител и камшик
- Спектрална анализа: барајте силен субсинхрон врв. При забрзувањето, ако фреквенцијата на тој врв расте со брзината, тоа е вител; ако “се израмни” на фиксна вредност додека врвот 1× продолжува да се качува, тоа преминало во камшик.
- Орбитен дијаграм: орбитата на вратилото е голем круг или елипса со прецесија нанапред, честопати со суперпонирана 1× компонента што дава карактеристичен образец од типот “јамка-во-јамка”.
- Водопаден дијаграм: водопаден (или каскаден) дијаграм од стартување ја дава најјасната можна слика, покажувајќи како фреквенцијата на вителот расте со брзината сè додека не ја пресече првата сопствена фреквенција и не се заклучи во камшик. Мапирањето на тие пресеци е токму она за што служи Кембелов дијаграм е наменет.
Бидејќи вителот и камшикот се наоѓаат под 1×, анализаторот мора да достигне добро под работната брзина и прецизно да ја разреши фазата. Преносен двоканален инструмент како што е Balanset-1A ги доловува синхронизираните амплитуда и фаза на компонентата со работна брзина при забрзување или успорување, што му овозможува на инженерот да потврди на самото место дека тврдоглавиот нискофреквентен врв е вистинска нестабилност на лежиштето, а не обичен дебаланс — и, исто толку корисно, да исклучи проблем со балансирање пред да брка поправка што и онака никогаш немало да успее.
6. Причини и решенија
Овие нестабилности зависат од дизајнот на лежиштето, геометријата на роторот, вискозноста на маслото, температурата и оптоварувањето — заплеткан сплет од интеракции формално опфатени во динамика на ротори. Тие не се предизвикани од дебаланс и не можат да се излечат со балансирање; мерките се промени на ниво на дизајн:
- Префрлете се на постабилна геометрија на лежиштето, како што е лизгачко лежиште со навалувачки сегменти (tilting-pad).
- Изменете ја вискозноста на маслото или работната температура за да го промените однесувањето на филмот.
- Зголемете го специфичното оптоварување на лежиштето за да седне вратилото цврсто и масловниот клин повеќе да не може да доминира.
- Додадете жлебови, аксијални брани или профили со лимон-отвор (lemon-bore) што го прекинуваат обиколниот проток на масло што го храни вителот.
Тесно поврзана нестабилност, парен вител, произлегува од аеродинамички сили наместо од силите на масловниот филм кај турбините, но создава слична самопобудена субсинхрона слика — потсетник дека “вителот” е фамилија на феномени обединети со една особина: роторот што внесува енергија во сопствената орбита.
