Oliewerveling begrijpen
Oliewerveling is een soort zelfopgewekte, onstabiele trilling die optreedt in machines die zijn uitgerust met een vloeistoffilm (tijdschrift) lagers — waaronder grote turbines, compressoren en pompen. Het is een vorm van vloeistofgeïnduceerde instabiliteit waarbij de oliefilm die de as ondersteunt, de as binnen de lagerspeling in een voorwaartse cirkelvormige beweging begint te duwen. Omdat dit ronddraaien plaatsvindt met een frequentie die lager is dan het toerental van de machine (1×), is het een subsynchroon trilling — en omdat het zelfopgewekt is, heeft het geen externe aandrijving nodig om in stand te blijven.
1. Definitie: Wat is Oil Whirl?
Anders dan onevenwicht, wat een synchrone (1×) geforceerde trilling, een oliewervel is een zelfopgewekte trilling: de aandrijfkracht is afkomstig van de constante rotatie van de as zelf, die via de oliefilm in het lager wordt overgebracht. Dit onderscheid is van belang voor de diagnose, omdat zelfopgewekte instabiliteiten plotseling kunnen optreden, snel kunnen toenemen en niet op dezelfde manier kunnen worden ‘gecompenseerd’ als een 1×-onbalans.
2. Kenmerken van de oliewervel
De oliewervel vertoont verschillende, duidelijk herkenbare kenmerken in de trillingsgegevens:
- Frequentie: het meest opvallende kenmerk is een piek met een grote amplitude bij een frequentie die iets lager ligt dan de helft van de loopsnelheid — doorgaans tussen 0,4× en 0,48× (40% tot 48% van het toerental). Bij een machine die draait met 3000 tpm (50 Hz) zou er bij ongeveer 1200–1440 tpm (20–24 Hz) oliewerveling optreden.
- Richting: de trilling is voornamelijk radiaal (horizontaal en verticaal) en is vaak sterk gericht.
- Baanplot: weergegeven in een X-Y-diagram nabijheidssondes, een oliewervel verschijnt als een grote, naar voren precesserende, vaak vervormde (niet-cirkelvormige) baan met daarin één enkele, duidelijk afgebakende interne lus.
- Gedrag: De oliewerveling is niet gebonden aan een vaste frequentie. Naarmate de machine sneller gaat draaien, past de frequentie van de werveling zich daaraan aan, waarbij altijd de kenmerkende verhouding van ongeveer 0,4 tot 0,48 ten opzichte van de nieuwe draaisnelheid behouden blijft. Dit gedrag, waarbij de frequentie zich aanpast aan de snelheid, is het belangrijkste onderscheidende kenmerk ten opzichte van een structurele resonantie, die op een vaste frequentie blijft, ongeacht het toerental van de as.
Om deze kenmerken nauwkeurig vast te leggen, is een fasegerichte meerkanaalsmeting nodig. A cascade-grafiek genomen tijdens een aanloop of kustafwaarts is bijzonder veelzeggend, omdat te zien is dat de subsynchrone piek meebeweegt met de loopsnelheid in plaats van op zijn plaats te blijven.
3. Het mechanisme: hoe ontstaat een oliewerveling?
Oliewerveling ontstaat door de dynamica van de hydrodynamische oliewig die de as in een glijlager ondersteunt. Bij normaal bedrijf zuigt de draaiende as olie in een wigvormige spleet, waardoor een drukveld ontstaat dat de as optilt en ondersteunt. De as ligt niet precies in het midden van het lager, maar draait enigszins verschoven, onder een hoek ten opzichte van de belastingslijn.
De olie in die wig circuleert zelf rond het lager met ongeveer de helft van de oppervlaktesnelheid van de as — en dat is precies de reden waarom de daaruit voortvloeiende instabiliteit net onder 0,5× ligt. Als het lager licht belast is of te veel opruiming, nemen de stabiliserende krachten af. Een kleine verstoring kan er dan toe leiden dat de as door de circulerende film wordt ‘opgeslokt’, waardoor deze in een cirkelvormige baan rond het lager begint te draaien. Het gevolg is een zichzelf in stand houdende trilling die kan uitgroeien tot een zeer grote amplitude, vaak alleen beperkt door de speling van het lager zelf — op dat moment komt de as in contact met het lageroppervlak.
4. Olie-whip: de ernstigere vorm
Als de machine zodanig versnelt dat de frequentie van de oliewerveling (~0,4–0,48×) samenvalt met een van de natuurlijke frequenties - a kritische snelheid — de toestand verslechtert drastisch. Dit wordt olie zweep, het extreme uiteinde van het bredere wervel-en-zwiep reeks instabiliteiten.
- Vaste frequentie: de trilling ‘klikt vast’ op de eigenfrequentie van de rotor en neemt niet langer toe naarmate de machine verder optoert.
- Hoge amplitude: door de resonantie wordt de amplitude extreem hoog.
- Gevaar: Een oil whip is een zeer gevaarlijke, onstabiele toestand die kan leiden tot catastrofale defecten, waaronder het vastlopen van lagers en ernstige rotor wrijven.
5. Veelvoorkomende oorzaken en oplossingen
- Oorzaken: licht belaste lagers, te grote lagerspeling, een te lage olieviscositeit, een te hoge olietoevoerdruk, of een machineontwerp waarbij de kritische snelheid ongeveer het dubbele van de bedrijfssnelheid bedraagt (zodat de rotor precies op het moment dat de wervelfrequentie wordt bereikt, zijn kritische snelheid bereikt).
- Oplossingen: de oplossingen zijn erop gericht de onstabiele oliefilm te verstoren. Mogelijkheden zijn onder meer het verhogen van de lagerbelasting, het aanpassen van de olieviscositeit en het herontwerpen van het lager met een anti-whirl-geometrie — lemon-bore (elliptisch), pressure-dam of meerbladig en kantelklep ontwerpen die de symmetrische filmcirculatie doorbreken. Het aanbrengen van een squeeze-film-demper kan in sommige machines voor extra stabiliteit zorgen.
Om een diagnose ter plaatse te bevestigen, moet de subsynchrone piek en de fase daarvan worden gemeten en moeten de synchrone oorzaken — onbalans en verkeerde uitlijning — ten eerste. Een draagbare tweekanaalsanalysator zoals de Balans-1a geeft de amplitude weer en fase over de trillingsspectrum en controleert of de 1×-component acceptabel is; als de resterende 1×-component zuiver is, maar er toch een sterke piek van ongeveer 0,45× blijft bestaan die de snelheid volgt, is het probleem een instabiliteit van de vloeistoffilm, zoals een oliewerveling, en geen balansfout — en ligt de oplossing bij het lager, niet bij correctiegewichten. De karakteristieke instabiliteitsfrequenties kunnen worden vergeleken met een Frequentiecalculator voor glijlagers (oliewerveling en olieslag).
