Kritische snelheid in rotordynamiek uitgelegd
Definitie: Wat is een kritische snelheid?
A kritische snelheid is een rotatiesnelheid die overeenkomt met de natuurlijke trillingsfrequentie van een rotor. Wanneer een machine op of nabij een van zijn kritische snelheden werkt, treedt het fenomeen resonantie Dit veroorzaakt een dramatische en vaak gevaarlijke versterking van de trillingen van de rotor, aangezien zelfs een kleine hoeveelheid resterende onbalans enorme centrifugale krachten kan genereren. Elk rotorsysteem heeft meerdere kritische snelheden, die overeenkomen met de verschillende trillingsmodi (bijv. eerste buigmodus, tweede buigmodus, enz.).
Waarom is kritische snelheid zo belangrijk?
Het begrijpen en beheersen van kritische snelheden is een van de meest fundamentele aspecten van het ontwerp en de analyse van roterende machines. Het laten draaien van een machine op een kritische snelheid, zelfs gedurende een korte periode, kan catastrofaal zijn. De gevolgen zijn onder andere:
- Overmatige trillingen: Amplitudes kunnen met een factor 10, 20 of zelfs meer toenemen, afhankelijk van de demping van het systeem.
- Componentstoring: De sterke trillingen en de doorbuiging van de as kunnen leiden tot lagerschade, schade aan de afdichting en wrijving tussen roterende en stilstaande onderdelen.
- Catastrofale asbreuk: In ernstige gevallen kunnen de buigspanningen de vermoeiingsgrens van het materiaal overschrijden, waardoor de as kan scheuren of breken.
- Veiligheidsrisico's: Een machinestoring op hoge snelheid vormt een groot risico voor personeel en de apparatuur in de omgeving.
Om deze redenen worden machines altijd ontworpen om te werken met een ‘scheidingsmarge’. Dat wil zeggen dat de normale draaisnelheid opzettelijk op een veilige afstand van kritische snelheden wordt gehouden.
Stijve versus flexibele rotoren
Het concept van kritische snelheid is wat een ‘starre’ rotor onderscheidt van een ‘flexibele’:
- Stijve rotor: Een rotor die *onder* zijn eerste kritische snelheid draait. De as buigt tijdens bedrijf niet significant. Dit zijn doorgaans langzamere, stevigere rotoren.
- Flexibele rotor: Een rotor die ontworpen is om *boven* zijn eerste (en soms tweede of derde) kritische snelheid te werken. De as zal buigen en plooien tijdens het bereiken van de kritische snelheid tijdens het opstarten en uitschakelen. Hogesnelheids- en slanke rotoren, zoals die in turbines en compressoren, zijn flexibele rotoren.
Het beheren van kritische snelheden tijdens de machinebediening
Omdat het vaak niet praktisch is om een hogesnelheidsmachine te ontwerpen die onder de eerste kritische snelheid blijft, gebruiken ingenieurs verschillende strategieën om dit te beheren:
1. Scheidingsmarge
De meest voorkomende strategie is ervoor te zorgen dat de continue bedrijfssnelheid van de machine niet te dicht bij een kritische snelheid ligt. Een typische scheidingsmarge is ±20-30%. Als een kritische snelheid bijvoorbeeld 3000 tpm is, mag de machine niet continu tussen 2400 en 3600 tpm draaien.
2. Snelle acceleratie/deceleratie
Voor flexibele rotoren die kritische snelheden moeten bereiken, zijn de opstart- en uitschakelprocedures ontworpen om zo snel mogelijk door de kritische snelheidsbereiken te gaan. Langdurig aanhouden bij een kritische snelheid kan ervoor zorgen dat de trillingsamplitudes tot gevaarlijke niveaus oplopen. Een snelle doorgang minimaliseert de tijd waarin deze versterking optreedt.
3. Demping
Demping is de dissipatie van trillingsenergie en beperkt de piekamplitude bij resonantie. Lagers, met name vloeistoffilmlagers, vormen een belangrijke bron van demping in rotorsystemen. Door het lagerontwerp te optimaliseren, kunnen ingenieurs de trillingspiek bij de kritische snelheid tot een veilig en beheersbaar niveau beperken.
4. Precisiebalancering
De trilling bij een kritische snelheid is een versterkte reactie op onbalans. Hoe beter een rotor gebalanceerd is, hoe kleiner de forcerende functie zal zijn en dus hoe lager de piektrilling zal zijn wanneer deze de kritische snelheid passeert. Voor flexibele rotoren zijn speciale multi-plane balanceringstechnieken vereist.
Hoe worden kritieke snelheden geïdentificeerd?
Kritische snelheden worden op verschillende manieren geïdentificeerd:
- Rotordynamische analyse (RDA): Computermodellen (vaak met behulp van eindige-elementenanalyse) worden tijdens de ontwerpfase gemaakt om de kritische snelheden en modelvormen van een rotor te voorspellen.
- Opstart-/uitlooptests: De meest voorkomende experimentele methode. De amplitude en fase van de trilling worden uitgezet tegen de snelheid tijdens het opstarten of uitschakelen van een machine. Een kritische snelheid wordt bepaald door een duidelijke amplitudepiek, vergezeld van een karakteristieke faseverschuiving van 180 graden. Deze tests genereren diagnostische grafieken zoals de Bode-plot en Watervalperceel.
- Impacttest (stoottest): Als u met een hamer op de rotor slaat terwijl deze stilstaat, kunnen de eigenfrequenties ervan worden geactiveerd. Deze frequenties komen overeen met de kritische snelheden.