Forstå rotorvirvel- og piskeinstabiliteter
Virvel og pisk — som oftest forekommer som oljevirvel og oljepisk — er to beslektede og svært farlige former for selvutløst, subsynkron vibrasjon som oppstår i høyhastighets roterende maskiner som går i væskefilm (tidsskrift) lagre. De er ikke tvungne vibrasjoner forårsaket av feil som ubalanse eller feiljustering; i stedet er de rotorinstabiliteter der rotorens egen bevegelse genererer nettopp de kreftene som opprettholder og forsterker vibrasjonen. I begge tilfeller «virvler» akselen – den precesserer fremover i en stor bane innenfor lagerets klaring, og følger en bane som er helt atskilt fra sin egen rotasjon.
1. Definisjon: Hva er «whirl» og «whip»?
Det er verdt å skille mellom to begreper som det dagligdagse uttrykket «virvel» blander sammen. Spin roterer rotoren rundt sin egen geometriske akse. Virvel (eller presesjon) er at hele denne aksen beveger seg i en bane rundt en større sirkel inne i lageret – tenk deg en mynt som snurrer, og hvor midten også beveger seg i en bane rundt bordet. Alle rotorer snurrer litt; problemene oppstår når denne snurringen slutter å være en ufarlig reaksjon på gjenværende ubalanse and becomes self-excited, og henter sin energi fra den jevne rotasjonen snarere enn fra noen ytre påvirkning. Oljevirvel er den selvdrevne presesjonen som drives av oljefilmen i lageret; oljepisk er den voldsomme resonansen den kan utvikle seg til. Siden energikilden er selve rotasjonen, kan disse ustabilitetene ikke balanseres ut – noe som utgjør en avgjørende forskjell fra synkrone problemer.
2. Mekanismen: Hvordan skjer det?
I et væskefilm-lager støttes den roterende akselen ikke ved metall-mot-metall-kontakt, men av en oljekile under høyt trykk. Akselen ligger ikke i midten av lageret; den glir opp langs den ene siden, forskyvet av belastningen den bærer. Når akseloverflaten fører oljen rundt i det ringformede spalten, sirkulerer smøremiddelet med en en gjennomsnittshastighet på litt under halvparten av akselens overflatehastighet — væsken som kommer i kontakt med akselen beveger seg med akselens hastighet, væsken mot den stasjonære lagerveggen står nesten helt stille, og gjennomsnittshastigheten for væskemassen ligger på litt under 0,5×.
Det oppstår oljevirvler når denne sirkulerende filmen begynner å «skyve» den lett belastede akselen foran seg, slik at den føres inn i en stor bane forover rundt lageret. Frekvensen til virvelen bestemmes av oljefilmens gjennomsnittshastighet, som vanligvis ligger mellom 42 % og 48 % av løpehastigheten (0,42× til 0,48×). Den karakteristiske subsynkrone signaturen — nær, men aldri helt, halvparten av løpehastighet — er det kjennetegnet analytikerne ser etter. (Tallet «litt under halvparten» er også grunnen til at oljevirvelen noen ganger uformelt kalles «halvhastighetsvirvel», selv om den faktiske verdien aldri helt når 0,5×.)
3. Oljevirvel: Forløperen
Oljevirvler er vanligvis det første stadiet i ustabiliteten – en advarsel, ikke en katastrofe ennå. Kjennetegnene er:
- Hyppighet: vises som en tydelig topp i FFT spektrum mellom 0,42× og 0,48× av turtallet.
- Oppførsel: virvelfrekvensen increases etter hvert som maskinen øker farten, holder den alltid den andelen på rundt 45 % av kjørehastigheten. Under oppkjøringen beveger den seg oppover som en sub-synkron skygge under 1×-linjen.
- Alvorlighetsgrad: Det kan forårsake kraftige, men til tider stabile vibrasjoner, og disse kan oppstå eller forsvinne når belastningen, hastigheten eller oljetemperaturen endres. Det er selvsagt uønsket – men ikke alltid ødeleggende med en gang.
- Følsomhet: Lett belastede, for store eller slitte lagre er de vanligste årsakene, fordi en lav spesifikk belastning gjør at oljekilen får avgjørende innflytelse på akselens posisjon.
4. Oljepisk: Den kritiske faren
Oljesvingninger er en langt mer alvorlig tilstand som oppstår som en direkte følge av oljevirvler. Fenomenet oppstår når maskinen akselererer til et punkt hvor frekvensen for oljevirvler (ved omtrent 45 % av driftshastigheten) stiger til et nivå som samsvarer med rotorens first naturlig frekvens — its first kritisk hastighet. I det øyeblikket «låser» virvelen seg fast på egenfrekvensen og setter i gang en fullstendig resonans. Dens kjennetegn er:
- Hyppighet: vibrasjonen stabiliserer seg ved rotorens første egenfrekvens og stiger ikke lenger, selv om maskinen fortsetter å øke hastigheten — slik at den subsynkrone toppen «flater ut», mens 1×-toppen fortsetter å stige.
- Amplitude: vibrasjonen blir svært kraftig, og tar til å bli voldsom og ustabil.
- Oppførsel: oljesprut er ekstremt ødeleggende og vil ikke dette ved å øke hastigheten ytterligere. Det kan ødelegge lagre, tetninger og selve rotoren på svært kort tid, noen ganger på grunn av alvorlig rotor gni når banen fyller ut rommet.
Hastigheten som pisken stivner med, er vanligvis litt over dobbel rotorens første kritiske hastighet — det punktet der ~0,5×-virvelinjen krysser den første naturlige frekvensen. En maskin som er rammet av oljepisking, trenger umiddelbar nedleggelse; dette er nettopp det scenariet som maskinbeskyttelse systemer er laget for å slå seg av.
5. Hvordan gjenkjenne virvel og pisk
- Spektrumanalyse: Se etter en sterk subsynkron topp. Hvis frekvensen til denne toppen stiger med hastigheten under oppkjøringen, er det snakk om «whirl»; hvis den «flater ut» på et fast nivå mens 1×-toppen fortsetter å stige, har den gått over til «whip».
- Baneplott: Akselbanen er en stor sirkel eller ellipse som precesserer fremover, ofte med en 1×-komponent lagt over, noe som gir et karakteristisk «loop-the-loop»-mønster.
- Fosstomt: et fossefall (eller kaskade) en kurve fra en oppstart gir det klareste bildet, og viser at virvelfrekvensen øker med hastigheten inntil den krysser den første egenfrekvensen og går over i pisking. Å kartlegge disse krysspunktene er nettopp det en Campbell-diagrammet is for.
Siden virvel- og piskfrekvensene ligger under 1×, må analysatoren nå godt under driftshastigheten og bestemme fasen nøyaktig. Et bærbart tokanalsinstrument som for eksempel Balanset-1A fanger den synkroniserte amplitude og fase av hastighetskomponenten under oppkjøring eller utkjøring, noe som gjør det mulig for en ingeniør å bekrefte på stedet at en hardnakket lavfrekvent topp skyldes en reell lagerstabilitetsfeil og ikke vanlig ubalansering — og, like nyttig, å utelukke et balanseringsproblem før man setter i gang med en løsning som uansett ikke ville fungert.
6. Årsaker og løsninger
Disse ustabilitetene påvirkes av lagerkonstruksjon, rotorgeometri, oljeviskositet, temperatur og belastning – et sammensatt sett av vekselvirkninger som formelt er beskrevet i rotordynamikk. De skyldes ikke ubalanse og kan ikke kureres ved balansering; løsningene består i endringer på designnivå:
- Bytt til en mer stabil lagergeometri, for eksempel et vippepute-glidelager.
- Endre oljens viskositet eller driftstemperaturen for å endre filmens oppførsel.
- Øk den spesifikke lagerbelastningen slik at akselen sitter godt fast og oljekilen ikke lenger kan få overtaket.
- Legg til riller, aksiale sperrer eller «lemon-bore»-profiler som bryter opp den sirkulære oljestrømmen som driver virvelen.
En nært beslektet ustabilitet, dampvirvel, skyldes aerodynamiske krefter snarere enn oljefilmkrefter i turbiner, men gir et lignende bilde av selvdrevne subsynkrone svingninger — noe som minner oss om at «virvel» er en gruppe fenomener som har ett fellestrekk: at rotoren tilfører energi til sin egen bane.
