Wat is stoomwerveling? Aerodynamische instabiliteit in turbines • Draagbare balancer, trillingsanalysator "Balanset" voor het dynamisch balanceren van brekers, ventilatoren, mulchers, vijzels op maaidorsers, assen, centrifuges, turbines en vele andere rotoren. Wat is stoomwerveling? Aerodynamische instabiliteit in turbines • Draagbare balancer, trillingsanalysator "Balanset" voor het dynamisch balanceren van brekers, ventilatoren, mulchers, vijzels op maaidorsers, assen, centrifuges, turbines en vele andere rotoren.

Wat is stoomwerveling? Aerodynamische instabiliteit in turbines

Gepubliceerd door admin op

Stoomwerveling in turbomachines begrijpen

Definitie: Wat is Steam Whirl?

Stoomwerveling (ook wel aerodynamische kruiskoppelingsinstabiliteit of afdichtingswerveling genoemd) is een zelfopgewekte trilling fenomeen dat optreedt in stoomturbines en gasturbines wanneer aerodynamische krachten in labyrintafdichtingen, speling tussen de bladpunten of andere ringvormige doorgangen destabiliserende tangentiële krachten op de turbine creëren. rotor. Leuk vinden oliewerveling in hydrodynamische lagers is stoomwerveling een vorm van rotorinstabiliteit waarbij energie continu wordt onttrokken aan een constante stroom stoom of gas en wordt omgezet in trillingsbeweging.

Stoomwerveling manifesteert zich doorgaans als subsynchrone hoge-amplitude trillingen op een frequentie dicht bij een van de rotoren natuurlijke frequenties, en het kan tot catastrofale mislukkingen leiden als het niet snel wordt ontdekt en gecorrigeerd.

Fysisch mechanisme

Hoe stoomwerveling ontstaat

Het mechanisme omvat vloeistofdynamica in de nauwe spelingen van turbineafdichtingen:

1. Afstanden tussen labyrintafdichtingen

  • Stoom of gas stroomt door smalle ringvormige doorgangen tussen roterende en stationaire afdichtingscomponenten
  • Hoge drukverschillen over de afdichtingen (vaak 50-200 bar)
  • Kleine radiale speling (meestal 0,2-0,5 mm)
  • Stoom wervelt terwijl het door de afdichtingstanden stroomt

2. Aerodynamische kruiskoppeling

Wanneer de rotor uit het midden wordt verplaatst:

  • De speling wordt asymmetrisch (kleiner aan de ene kant, groter aan de andere kant)
  • Stoomstroom en drukverdeling worden niet-uniform
  • De netto aerodynamische kracht heeft een tangentiële component (loodrecht op de verplaatsing)
  • Deze tangentiële kracht werkt als een destabiliserende “negatieve stijfheid”

3. Zelfopgewekte trilling

  • Tangentiële kracht zorgt ervoor dat de rotor in een baan om de aarde komt
  • Baanfrequentie meestal in de buurt van de natuurlijke frequentie (subsynchroon)
  • Er wordt continu energie uit de stoomstroom gehaald om de trillingen in stand te houden
  • De amplitude groeit totdat deze wordt beperkt door spelingen of een catastrofale storing

Omstandigheden die stoomwerveling bevorderen

Geometrische factoren

  • Ruimte voor goede afdichting: Kleinere spelingen creëren sterkere aerodynamische krachten
  • Lange afdichtingslengtes: Meer afdichtingstanden of langere afdichtingssecties verhogen de destabiliserende krachten
  • Hoge wervelsnelheid: Stoomintredeafdichtingen met een hoge tangentiële snelheidscomponent
  • Grote afdichtingsdiameters: Grotere straal versterkt moment van aerodynamische krachten

Bedrijfsomstandigheden

  • Hoge drukverschillen: Een grotere drukval over de afdichtingen verhoogt de krachten
  • Hoge rotorsnelheid: Centrifugale effecten en wervelsnelheid nemen toe met de snelheid
  • Lage lagerdemping: Onvoldoende demping kan de destabiliserende afdichtingskrachten niet tegengaan
  • Lichte belastingsomstandigheden: Lage lagerbelastingen verminderen de effectieve demping

Rotorkenmerken

  • Flexibele rotoren: Boven werken kritische snelheden vatbaarder
  • Systemen met lage demping: Minimale structurele of lagerdemping
  • Hoge lengte-diameterverhouding: Slanke rotoren zijn gevoeliger voor instabiliteit

Diagnostische kenmerken

Trillingssignatuur

Stoomwerveling produceert kenmerkende patronen die herkenbaar zijn door trillingsanalyse:

Parameter Kenmerkend
Frequentie Subsynchroon, doorgaans 0,3-0,6× loopsnelheid, blokkeert vaak op de natuurlijke frequentie
Amplitude Hoge, vaak 5-20 keer normale onbalanstrilling
Begin Plotselinge, boven de drempelwaarde liggende snelheid of druk
Snelheidsafhankelijkheid De frequentie kan vastlopen en niet worden gevolgd bij snelheidsveranderingen
Baan Grote cirkelvormige of elliptische, voorwaartse precessie
Spectrum Dominante subsynchrone piek

Differentiatie van andere instabiliteiten

  • vs. Olie Whirl/Whip: Stoomwerveling treedt op in turbines met labyrintafdichtingen; oliewerveling in glijlagers
  • vs. Onbalans: Stoomwerveling is subsynchroon; onbalans is 1× synchroon
  • vs. Wrijven: Stoomwerveling kan zonder contact optreden; frequentie stabieler dan door wrijving veroorzaakte trillingen

Preventie- en mitigatiemethoden

Wijzigingen in het afdichtingsontwerp

1. Anti-swirl-apparaten (swirl-remmen)

  • Stationaire schoepen of schotten stroomopwaarts van de afdichtingen
  • Verwijder de tangentiële snelheidscomponent uit de stoomstroom
  • Verminder de kruiskoppelingskrachten aanzienlijk
  • Meest effectieve en meest voorkomende oplossing

2. Honingraatafdichtingen

  • Vervang gladde labyrintafdichtingsgebieden door honingraatstructuur
  • Creëert turbulentie die wervelenergie verspreidt
  • Verhoogt de effectieve demping in het afdichtingsgebied
  • Gebruikt in moderne gasturbines

3. Grotere afdichtingsspeling

  • Grotere radiale spelingen verminderen de aerodynamische krachten
  • Nadeel: de turbine-efficiëntie wordt verlaagd door een verhoogde lekkage
  • Wordt doorgaans alleen als tijdelijke maatregel gebruikt

4. Demperafdichtingen

  • Gespecialiseerde afdichtingsontwerpen die demping bieden tijdens het afdichten
  • Zakdemperafdichtingen, gatenpatroonafdichtingen
  • Voeg stabiliserende krachten toe om kruiskoppeling tegen te gaan

Verbeteringen aan het lagersysteem

  • Lagerdemping verhogen: Gebruik kantelpadlagers of voeg squeezefilmdempers toe
  • Lagervoorspanning: Verhoogt de effectieve stijfheid en demping
  • Geoptimaliseerd lagerontwerp: Selecteer het lagertype en de configuratie voor maximale stabiliteit

Operationele controles

  • Snelheidsbeperkingen: Beperk de bedrijfssnelheden tot onder de instabiliteitsdrempel
  • Belastingbeheer: Vermijd lichte belasting, waardoor de lagerdemping afneemt
  • Drukregeling: Verminder waar mogelijk de drukverschillen in de afdichting
  • Continue monitoring: Realtime trillingsbewaking met subsynchrone alarmen

Detectie en noodrespons

Vroege waarschuwingssignalen

  • Kleine subsynchrone pieken die in het trillingsspectrum verschijnen
  • Intermitterende hoogfrequente componenten
  • Geleidelijke toename van het algehele trillingsniveau naarmate de snelheid de drempelwaarde nadert
  • Veranderingen in baan vorm

Onmiddellijke maatregelen bij detectie van stoomwerveling

  1. Snelheid verlagen: Verlaag onmiddellijk de snelheid onder de drempelwaarde
  2. Wacht niet langer: De amplitude kan binnen 30-60 seconden van acceptabel naar destructief groeien
  3. Noodstop: Als reductie onvoldoende of niet mogelijk is
  4. Documentgebeurtenis: Recordsnelheid bij aanvang, frequentie, maximale amplitude, omstandigheden
  5. Niet opnieuw opstarten: Totdat de grondoorzaak is geïdentificeerd en verholpen

Industrieën en toepassingen

Stoomwerveling is met name een probleem bij:

  • Energieopwekking: Grote stoomturbinegeneratoren
  • Petrochemie: Stoomgedreven compressoren en pompen
  • Gasturbines: Vliegtuigmotoren, industriële gasturbines
  • Procesindustrieën: Elke hogesnelheidsturbomachine met labyrintafdichtingen

Relatie tot andere verschijnselen

  • Oliewerveling: Vergelijkbaar mechanisme, maar dan in lageroliefilms in plaats van afdichtingen
  • Shaft Whip: Frequentievergrendeling op natuurlijke frequentie, vergelijkbaar gedrag
  • Rotorinstabiliteit: Stoomwerveling is een type zelfopgewekte rotorinstabiliteit

Stoomwerveling blijft een belangrijke factor bij het ontwerp en de werking van moderne turbines. Hoewel vooruitgang in afdichtingstechnologie en lagersystemen de frequentie ervan heeft verminderd, is inzicht in dit fenomeen essentieel voor ingenieurs en operators die werken met hogesnelheids- en hogedrukturbomachines.

← Terug naar hoofdindex

Categorieën:
WhatsApp