Wat is Shaft Whip? Ernstige rotorinstabiliteit uitgelegd • Draagbare balancer, trillingsanalysator "Balanset" voor het dynamisch balanceren van brekers, ventilatoren, mulchers, vijzels op maaidorsers, assen, centrifuges, turbines en vele andere rotoren. Wat is Shaft Whip? Ernstige rotorinstabiliteit uitgelegd • Draagbare balancer, trillingsanalysator "Balanset" voor het dynamisch balanceren van brekers, ventilatoren, mulchers, vijzels op maaidorsers, assen, centrifuges, turbines en vele andere rotoren.

Wat is aszweep? Ernstige rotorinstabiliteit uitgelegd

Gepubliceerd door admin op

Inzicht in aszweep in roterende machines

Definitie: Wat is Shaft Whip?

Schacht zweep (ook wel oliezweep genoemd wanneer het voorkomt in hydrodynamische lagers) is een ernstige vorm van rotorinstabiliteit gekenmerkt door gewelddadige zelfopgewekte trilling die optreedt wanneer een rotor die in vloeistoffilmlagers werkt een kritische drempelsnelheid overschrijdt, doorgaans ongeveer twee keer de eerste kritische snelheid. Zodra er een zweep ontstaat, wordt de trillingsfrequentie 'vastgezet' op de eerste rotor natuurlijke frequentie en blijft daar, ongeacht verdere snelheidstoenames, waarbij de amplitude alleen wordt beperkt door de speling van de lagers of een catastrofale storing.

Aszweep is een van de gevaarlijkste omstandigheden bij snel roterende machines, omdat het zich plotseling ontwikkelt, binnen enkele seconden tot vernietigende amplitudes groeit en niet kan worden gecorrigeerd door balanceren of andere conventionele methoden. Het vereist onmiddellijke uitschakeling en aanpassingen aan het lagersysteem om herhaling te voorkomen.

De progressie: van oliewerveling tot aszweep

Fase 1: Stabiele werking

  • Rotor werkt onder de instabiliteitsdrempel
  • Alleen normale geforceerde trillingen van onevenwicht cadeau
  • Lageroliefilm zorgt voor stabiele ondersteuning

Fase 2: begin van oliewerveling

Als de snelheid toeneemt tot voorbij ongeveer 2× de eerste kritische snelheid:

  • Oliewerveling ontwikkelt zich - subsynchrone trilling bij ~0,43-0,48× assnelheid
  • De amplitude is aanvankelijk gematigd en afhankelijk van de snelheid
  • De frequentie neemt evenredig toe met de assnelheid
  • Kan met tussenpozen of continu zijn
  • Kan samengaan met normale 1X-trillingen door onbalans

Fase 3: Whip-overgang

Wanneer de wervelfrequentie van de olie toeneemt tot de eerste natuurlijke frequentie:

  • Frequentievergrendeling: Trillingsfrequentie blijft op natuurlijke frequentie vergrendeld
  • Resonante versterking: De amplitude neemt dramatisch toe als gevolg van resonantie
  • Plotseling begin: De overgang van werveling naar zweep kan onmiddellijk plaatsvinden
  • Snelheidsonafhankelijkheid: Verdere snelheidsverhogingen veranderen de frequentie niet, alleen de amplitude

Fase 4: Shaft Whip (Kritieke toestand)

  • Trilling met constante frequentie (eerste natuurlijke frequentie, meestal 40-60 Hz)
  • Amplitude 5-20 keer hoger dan normale onbalanstrilling
  • De as kan de spelingslimieten van het lager raken
  • Snelle verwarming van lagers en olie
  • Potentieel voor catastrofale storing binnen enkele minuten indien niet uitgeschakeld

Fysisch mechanisme

Hoe oliezweep ontstaat

Het mechanisme omvat vloeistofdynamica in de lageroliefilm:

  1. Vorming van een oliewig: Als de as draait, sleept hij olie rond het lager, waardoor een drukwig ontstaat
  2. Tangentiële kracht: De oliewig oefent een kracht uit loodrecht op de radiale richting (tangentiaal)
  3. Baanbeweging: Tangentiële kracht zorgt ervoor dat het midden van de as met een snelheid van ongeveer de halve as draait
  4. Energiewinning: Het systeem haalt energie uit de asrotatie om de orbitale beweging in stand te houden
  5. Resonantievergrendeling: Wanneer de baanfrequentie overeenkomt met de natuurlijke frequentie, versterkt resonantie de trillingen
  6. Limietcyclus: Trillingen nemen toe totdat ze worden beperkt door lagerspeling of een defect

Diagnostische identificatie

Trillingssignatuur

Aszweep produceert karakteristieke patronen in trillingsgegevens:

  • Spectrum: Grote piek bij subsynchrone frequentie (eerste natuurlijke frequentie), constant ongeacht snelheidsveranderingen
  • Watervalperceel: Subsynchrone component verschijnt als verticale lijn (constante frequentie) in plaats van diagonaal (snelheidsevenredig)
  • Orderanalyse: Fractionele orde die afneemt naarmate de snelheid toeneemt (bijvoorbeeld verandert van 0,5× naar 0,4× naar 0,35×)
  • Baan: Grote cirkelvormige of elliptische baan op natuurlijke frequentie

Aanzetsnelheid

  • Typische drempel: 2,0-2,5× eerste kritische snelheid
  • Afhankelijk van lager: De specifieke drempel varieert afhankelijk van het lagerontwerp, de voorspanning en de viscositeit van de olie
  • Plotseling begin: Een kleine snelheidsverhoging kan een snelle overgang van stabiel naar onstabiel veroorzaken

Preventiestrategieën

Wijzigingen in het lagerontwerp

1. Kantelpadlagers

  • Meest effectieve oplossing om schachtzweep te voorkomen
  • Pads draaien onafhankelijk van elkaar, waardoor destabiliserende kruiskoppelingskrachten worden geëlimineerd
  • Inherent stabiel over brede snelheidsbereiken
  • Industriestandaard voor hogesnelheidsturbomachines

2. Drukdamlagers

  • Gemodificeerd cilindrisch lager met groeven of dammen
  • Verhoogt de effectieve demping en stijfheid
  • Goedkoper dan kantelpad, maar minder effectief

3. Lagervoorspanning

  • Door radiale voorspanning op lagers toe te passen, wordt de stijfheid vergroot
  • Verhoogt de drempelsnelheid voor instabiliteit
  • Kan worden bereikt door middel van offset boringontwerpen

4. Knijpfilmdempers

  • Extern dempingselement rondom het lager
  • Biedt extra demping zonder het lagerontwerp te veranderen
  • Effectief voor retrofit-toepassingen

Operationele maatregelen

  • Snelheidsbeperking: Beperk de maximale bedrijfssnelheid tot onder de drempelwaarde (meestal < 1,8× eerste kritische)
  • Belastingbeheer: Werk indien mogelijk met hogere lagerbelastingen (verhoogt de demping)
  • Olietemperatuurregeling: Een lagere olietemperatuur verhoogt de viscositeit en demping
  • Monitoring: Continue trillingsbewaking met alarmen ingesteld voor subsynchrone componenten

Gevolgen en schade

Onmiddellijke effecten

  • Hevige trillingen: Amplitudes kunnen enkele millimeters (honderden mils) bedragen
  • Lawaai: Luid, kenmerkend geluid dat verschilt van normale werking
  • Snelle lagerverwarming: Lagertemperaturen kunnen binnen enkele minuten met 20-50°C stijgen
  • Oliedegradatie: Hoge temperaturen en afschuiving tasten het smeermiddel aan

Mogelijke fouten

  • Lager afvegen: Het dragende babbitmateriaal smelt en wordt weggeveegd
  • Schade aan de schacht: Kerven, vreten of permanent buigen
  • Afdichtingsfout: Overmatige asbeweging vernietigt afdichtingen
  • Schachtbreuk: Hoogcyclische vermoeidheid door hevige oscillatie
  • Koppelingsschade: Overgedragen krachten beschadigen koppelingen

Verwante verschijnselen

Oliewerveling

Oliewerveling is de voorloper van zweep:

  • Hetzelfde mechanisme, maar de frequentie is niet gekoppeld aan de natuurlijke frequentie
  • Minder ernstige amplitude
  • Frequentie evenredig met de snelheid (~0,43-0,48×)
  • Kan in sommige toepassingen draaglijk zijn

Stoomwerveling

Vergelijkbare instabiliteit in stoomturbines veroorzaakt door aerodynamische krachten in labyrintafdichtingen in plaats van in oliefilms van lagers. Vertoont vergelijkbare subsynchrone trillingen die zich vastzetten op de eigenfrequentie.

Droge wrijvingszweep

Kan optreden bij afdichtingen of bij contact tussen rotor en stator:

  • Wrijvingskrachten zorgen voor een destabiliserend mechanisme
  • Minder gebruikelijk dan oliezweep, maar even gevaarlijk
  • Vereist een andere corrigerende aanpak (contact elimineren, afdichtingsontwerp verbeteren)

Casestudy: Compressor-aszweep

Scenario: Hogesnelheidscentrifugaalcompressor met glijcilinderlagers

  • Normale werking: 12.000 RPM met trillingen van 2,5 mm/s
  • Snelheidsverhoging: Operator verhoogd naar 13.500 RPM voor hogere capaciteit
  • Begin: Bij 13.200 toeren per minuut ontstonden plotseling hevige trillingen
  • Symptomen: Trilling van 25 mm/s bij 45 Hz (constant), de lagertemperatuur steeg van 70°C naar 95°C in 3 minuten
  • Noodmaatregel: Onmiddellijke uitschakeling voorkwam lagerschade
  • Grondoorzaak: De eerste kritische snelheid was 2700 RPM (45 Hz); de zweepgrens bij 2× kritische snelheid = 5400 RPM werd overschreden
  • Oplossing: Vervangen van glijlagers door kantellagers, waardoor een veilige werking tot 15.000 tpm mogelijk is

Normen en industriële praktijken

  • API 684: Vereist stabiliteitsanalyse voor hogesnelheidsturbomachines
  • API 617: Specificeert lagertypen en stabiliteitsvereisten voor compressoren
  • ISO 10814: Biedt begeleiding bij de keuze van lagers voor stabiliteit
  • Industriële praktijk: Kantelpadlagers zijn standaard voor apparatuur die boven de 2× eerste kritische snelheid werkt

Aszweep is een catastrofale storing die moet worden voorkomen door de juiste lagerkeuze en -ontwerp. Herkenning van de kenmerkende subsynchrone, frequentieafhankelijke trillingssignatuur maakt een snelle diagnose en adequate noodrespons mogelijk, waardoor kostbare schade aan kritieke, snel draaiende apparatuur wordt voorkomen.

← Terug naar hoofdindex

Categorieën:
WhatsApp