Kritisk hastighet i rotordynamikk forklart

Definisjon: Hva er en kritisk hastighet?

A kritisk hastighet er en rotasjonshastighet som samsvarer med en rotors naturlige vibrasjonsfrekvens. Når en maskin opererer ved eller nær en av sine kritiske hastigheter, oppstår fenomenet resonans oppstår. Dette forårsaker en dramatisk og ofte farlig forsterkning av rotorens vibrasjon, ettersom selv en liten mengde gjenværende ubalanse kan generere enorme sentrifugalkrefter. Hvert rotorsystem har flere kritiske hastigheter, som tilsvarer dets forskjellige vibrasjonsmoduser (f.eks. første bøyemodus, andre bøyemodus osv.).

Hvorfor er kritisk hastighet så viktig?

Å forstå og håndtere kritiske hastigheter er et av de mest grunnleggende aspektene ved design og analyse av roterende maskiner. Å betjene en maskin med kritisk hastighet, selv i en kort periode, kan være katastrofalt. Konsekvensene inkluderer:

• Overdreven vibrasjon: Amplitudene kan øke med en faktor på 10, 20 eller enda mer, avhengig av systemets demping.
• Komponentfeil: Den høye vibrasjonen og akselavbøyningen kan føre til lagersvikt, skade på tetninger og gnaging mellom roterende og stasjonære deler.
• Katastrofal akselfeil: I alvorlige tilfeller kan bøyespenningene overstige materialets utmattingsgrense, noe som fører til at akselen sprekker eller brekker.
• Sikkerhetsfarer: En maskinfeil ved høy hastighet utgjør en betydelig risiko for personell og omkringliggende utstyr.

Av disse grunnene er maskiner alltid konstruert for å operere med en «separasjonsmargin», som betyr at den normale driftshastigheten bevisst holdes i trygg avstand fra kritiske hastigheter.

Stive vs. fleksible rotorer

Konseptet med kritisk hastighet er det som skiller en "stiv" rotor fra en "fleksibel":

• Stiv rotor: En rotor som opererer *under* sin første kritiske hastighet. Akselen bøyes ikke betydelig under drift. Disse er vanligvis tregere og mer kompakte rotorer.
• Fleksibel rotor: En rotor som er konstruert for å operere *over* sin første (og noen ganger andre eller tredje) kritiske hastighet. Akselen vil bøye seg og bøye seg når den passerer gjennom de kritiske hastighetene under oppstart og nedstengning. Høyhastighets, slanke rotorer som de i turbiner og kompressorer er fleksible rotorer.

Håndtering av kritiske hastigheter i maskindrift

Siden det ofte ikke er praktisk å designe en høyhastighetsmaskin som holder seg under sin første kritiske hastighet, bruker ingeniører flere strategier for å håndtere dem:

1. Separasjonsmargin

Den vanligste strategien er å sørge for at maskinens kontinuerlige driftshastighet ikke er for nær noen kritisk hastighet. En typisk separasjonsmargin er ±20-30%. Hvis for eksempel en kritisk hastighet er på 3000 o/min, bør ikke maskinen kjøres kontinuerlig mellom 2400 o/min og 3600 o/min.

2. Rask akselerasjon/retardasjon

For fleksible rotorer som må passere kritiske hastigheter, er oppstarts- og avstengningsprosedyrer utformet for å bevege seg gjennom de kritiske hastighetsområdene så raskt som mulig. Hvis man holder seg ved en kritisk hastighet, kan vibrasjonsamplituder bygge seg opp til farlige nivåer. En rask gjennomgang minimerer tiden det tar for denne forsterkningen å skje.

3. Demping

Demping er spredning av vibrasjonsenergi, og det er det som begrenser toppamplituden ved resonans. Lagre, spesielt væskefilmlagre, er en primær kilde til demping i rotorsystemer. Ved å optimalisere lagerdesign kan ingeniører kontrollere vibrasjonstoppen ved kritisk hastighet til et trygt og håndterbart nivå.

4. Presisjonsbalansering

Vibrasjonen ved en kritisk hastighet er en forsterket respons på ubalanse. Jo bedre en rotor er balansert, desto mindre vil tvangsfunksjonen være, og derfor desto lavere vil toppvibrasjonen være når den passerer gjennom den kritiske hastigheten. For fleksible rotorer kreves det spesielle flerplansbalanseringsteknikker.

Hvordan identifiseres kritiske hastigheter?

Kritiske hastigheter identifiseres ved hjelp av flere metoder:

• Rotordynamisk analyse (RDA): Datamodeller (ofte ved bruk av endelig elementanalyse) lages i designfasen for å forutsi de kritiske hastighetene og modusformene til en rotor.
• Oppkjørings-/friløpstester: Den vanligste eksperimentelle metoden. Vibrasjonsamplitude og -fase plottes mot hastighet når en maskin starter eller slår seg av. En kritisk hastighet identifiseres av en tydelig topp i amplitude ledsaget av et karakteristisk 180-graders faseskift. Disse testene genererer diagnostiske plott som Bode-plottet og Fosstomt.
• Støttest (støttest): Å slå på rotoren med en instrumentert hammer når den er i ro, kan eksitere dens naturlige frekvenser, som tilsvarer de kritiske hastighetene.

← Tilbake til hovedindeksen