Forstå dampvirvel i turbomaskiner

Enheter

Bærbart balanse- og vibrasjonsanalyseapparat Balanset-1A

$2,358.31

Deler

Vibrasjonssensor.

$107.47

Deler

Optisk sensor (lasertakometer)

$148.07

Enheter

Balanset-4.

$8,123.32

Deler

Magnetisk stativ Insize-60-kgf.

$54.93

Deler

Reflekterende tape.

$11.94

Enheter

Dynamisk balanseringsenhet "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definisjon: Hva er en dampvirvel?

Dampvirvel (også kalt aerodynamisk krysskoblingsinstabilitet eller tetningsvirvel) er en selveksitert vibrasjon fenomen som oppstår i dampturbiner og gassturbiner når aerodynamiske krefter i labyrinttetninger, bladspissklaringer eller andre ringformede passasjer skaper destabiliserende tangentielle krefter på Rotor. Liker oljevirvel I hydrodynamiske lagre er dampvirvel en form for rotorinstabilitet der energi kontinuerlig utvinnes fra den jevne strømmen av damp eller gass og omdannes til vibrasjonsbevegelse.

Dampvirvel manifesterer seg vanligvis som subsynkron med høy amplitude vibrasjon med en frekvens nær en av rotorenes naturlige frekvenser, og det kan føre til katastrofale feil hvis det ikke oppdages og korrigeres raskt.

Fysisk mekanisme

Hvordan dampvirvel utvikler seg

Mekanismen involverer væskedynamikk i de smale klaringene til turbintetningene:

1. Klaring av labyrinttetninger

• Damp eller gass strømmer gjennom smale ringformede passasjer mellom roterende og stasjonære tetningskomponenter
• Høytrykksforskjell over tetninger (ofte 50–200 bar)
• Små radiale klaringer (typisk 0,2–0,5 mm)
• Damp virvler rundt når den strømmer gjennom tetningene

2. Aerodynamisk krysskobling

Når rotoren er forskjøvet fra sentrum:

• Klaringen blir asymmetrisk (mindre på den ene siden, større på motsatt side)
• Dampstrømmen og trykkfordelingen blir ujevn
• Netto aerodynamisk kraft har en tangentiell komponent (vinkelrett på forskyvning)
• Denne tangentielle kraften fungerer som en destabiliserende “negativ stivhet”

3. Selvopphisset vibrasjon

• Tangensiell kraft får rotoren til å gå i bane
• Banefrekvens vanligvis nær en naturlig frekvens (subsynkron)
• Energi som kontinuerlig utvinnes fra dampstrømmen for å opprettholde vibrasjon
• Amplituden vokser inntil den begrenses av klaringer eller katastrofal svikt

Forhold som fremmer dampvirvel

Geometriske faktorer

• Tette tetningsklaringer: Mindre klaringer skaper sterkere aerodynamiske krefter
• Lange tetningslengder: Flere tetninger eller lengre tetningsseksjoner øker destabiliserende krefter
• Høy virvelhastighet: Damp som kommer inn i tetninger med høy tangentiell hastighetskomponent
• Store tetningsdiametre: Større radius forsterker momentet fra aerodynamiske krefter

Driftsforhold

• Høye trykkdifferensialer: Større trykkfall over tetningene øker kreftene
• Høy rotorhastighet: Sentrifugaleffekter og virvelhastighet øker med hastighet
• Lav lagerdemping: Utilstrekkelig demping kan ikke motvirke destabiliserende tetningskrefter
• Lett belastning: Lave lagerbelastninger reduserer effektiv demping

Rotoregenskaper

• Fleksible rotorer: Drift over kritiske hastigheter mer mottakelig
• Lavdempingssystemer: Minimal strukturell eller lagerdemping
• Høyt lengde-til-diameter-forhold: Slanke rotorer mer utsatt for ustabilitet

Diagnostiske kjennetegn

Vibrasjonssignatur

Dampvirvelen produserer særegne mønstre som kan identifiseres gjennom vibrasjonsanalyse:

Parameter	Karakteristisk
Hyppighet	Subsynkron, vanligvis 0,3–0,6× kjørehastighet, låser seg ofte ved naturlig frekvens
Amplitude	Høy, ofte 5–20 ganger normal ubalansevibrasjon
Utbrudd	Plutselig hastighet eller trykk over terskelverdien
Hastighetsavhengighet	Frekvensen kan låses og ikke spores med hastighetsendringer
Bane	Stor sirkulær eller elliptisk, fremoverpresesjon
Spektrum	Dominant subsynkron topp

Differensiering fra andre ustabiliteter

• vs. oljevirvel/-pisk: Dampvirvel forekommer i turbiner med labyrinttetninger; oljevirvel i glidelager
• vs. ubalanse: Dampvirvelen er subsynkron; ubalansen er 1× synkron
• vs. Gni: Dampvirvel kan oppstå uten kontakt; frekvensen er mer stabil enn gnidningsindusert vibrasjon

Forebygging og avbøtende metoder

Modifikasjoner av tetningsdesign

1. Antivirvelsystemer (virvelbremser)

• Stasjonære skovler eller ledeplater oppstrøms for tetninger
• Fjern tangentiell hastighetskomponent fra dampstrømmen
• Reduser krysskoblingskreftene betydelig
• Den mest effektive og vanlige løsningen

2. Honeycomb-tetninger

• Bytt ut glatte labyrinttetningsflater med bikakestruktur
• Skaper turbulens som sprer virvelenergi
• Øker effektiv demping i tetningsområdet
• Brukes i moderne gassturbiner

3. Økt tetningsklaring

• Større radialklaringer reduserer aerodynamiske krefter
• Avveining: reduserer turbineffektiviteten på grunn av økt lekkasje
• Brukes vanligvis kun som et midlertidig tiltak

4. Spjeldtetninger

• Spesialiserte tetningsdesign som gir demping under tetting
• Lommespjeldtetninger, hullmønstertetninger
• Legg til stabiliserende krefter for å motvirke krysskobling

Forbedringer av lagersystemet

• Øk lagerdemping: Bruk vippelager eller legg til klemfilmdempere
• Lagerforspenning: Øker effektiv stivhet og demping
• Optimalisert lagerdesign: Velg lagertype og konfigurasjon for maksimal stabilitet

Driftskontroller

• Fartsgrenser: Begrens driftshastigheter til under ustabilitetsterskelen
• Lasthåndtering: Unngå lett belastning som reduserer lagerdemping
• Trykkkontroll: Reduser trykkforskjellene i tetningene når det er mulig
• Kontinuerlig overvåking: Vibrasjonsovervåking i sanntid med subsynkrone alarmer

Deteksjon og nødrespons

Tidlige varseltegn

• Små subsynkrone topper som vises i vibrasjonsspekteret
• Intermitterende høyfrekvente komponenter
• Gradvis økning i det totale vibrasjonsnivået når hastigheten nærmer seg terskel
• Endringer i bane form

Umiddelbare tiltak når dampvirvel oppdages

1. Reduser hastigheten: Reduser hastigheten umiddelbart under terskel
2. Ikke utsett: Amplituden kan vokse fra akseptabel til destruktiv på 30–60 sekunder
3. Nødstopp: Hvis reduksjonen er utilstrekkelig eller ikke mulig
4. Dokumenthendelse: Registrer hastighet ved start, frekvens, maksimal amplitude, forhold
5. Ikke start på nytt: Inntil den underliggende årsaken er identifisert og korrigert

Bransjer og applikasjoner

Dampvirvel er spesielt viktig i:

• Kraftproduksjon: Store dampturbingeneratorer
• Petrokjemisk: Dampdrevne kompressorer og pumper
• Gassturbiner: Flymotorer, industrielle gassturbiner
• Prosessindustrier: Enhver høyhastighetsturbomaskin med labyrinttetninger

Forholdet til andre fenomener

• Oljevirvel: Lignende mekanisme, men i lageroljefilmer i stedet for tetninger
• Skaftpisk: Frekvenslåsing ved naturlig frekvens, lignende oppførsel
• Rotorinstabilitet: Dampvirvel er en type selvopphisset rotorinstabilitet

Dampvirvel er fortsatt en viktig faktor i moderne turbindesign og -drift. Selv om fremskritt innen tetningsteknologi og lagersystemer har redusert forekomsten, er forståelse av dette fenomenet avgjørende for ingeniører og operatører som arbeider med høyhastighets- og høytrykksturbomaskineri.

---

← Tilbake til hovedindeksen