Inzicht in rotorwerveling en zweepinstabiliteiten

Definitie: Wat zijn Whirl en Whip?

Oliewerveling en Oliezweep zijn twee verwante en zeer gevaarlijke vormen van zelfopgewonden, subsynchroon Trillingen die optreden in sneldraaiende machines die zijn uitgerust met vloeistoffilmlagers. Het zijn geen gedwongen trillingen veroorzaakt door problemen zoals onbalans, maar rotorinstabiliteiten waarbij de beweging van de rotor zelf de krachten genereert die de trilling in stand houden en versterken. Beide worden gekenmerkt door het feit dat de rotoras "wervelt" – voorwaarts beweegt in een grote baan – binnen de speling van het lager.

Het mechanisme: hoe gebeurt het?

In een vloeistoffilmlager wordt de roterende as ondersteund door een hogedrukwig van olie. De as bevindt zich niet in het midden van het lager, maar loopt aan één kant omhoog. Terwijl de olie door de as wordt meegesleurd, circuleert de olie zelf met een gemiddelde snelheid van iets minder dan de helft van de oppervlaktesnelheid van de as.

Oliewerveling Dit gebeurt wanneer deze circulerende oliefilm de as rond het lager begint te "duwen", waardoor deze in een grote, voorwaartse baan precesseert. De frequentie van deze werveling wordt bepaald door de gemiddelde snelheid van de oliefilm, die doorgaans tussen de 100 en 150 ligt. 42% en 48% van de loopsnelheid van de as (0,42x tot 0,48x)Dit is een klassieke subsynchrone trillingssignatuur.

Oliewerveling: De voorloper

Oliewerveling is vaak het beginstadium van instabiliteit. De kenmerken ervan zijn:

• Frequentie: Verschijnt als een duidelijke piek in het FFT-spectrum tussen 0,42x en 0,48x RPM.
• Gedrag: De frequentie van de draaiing *zal toenemen* naarmate de snelheid van de machine toeneemt, en blijft altijd binnen het ~45%-bereik.
• Ernst: Het kan hevige, maar soms stabiele trillingen veroorzaken. Het kan verschijnen of verdwijnen als de machinebelasting, snelheid of olietemperatuur verandert. Hoewel het ongewenst is, is het niet altijd direct schadelijk.

Oliezweep: het kritieke gevaar

Oliezweep is een veel ernstiger en gevaarlijker probleem dat ontstaat door oliewerveling. Dit treedt op wanneer de snelheid van de machine toeneemt tot een punt waarop de oliewervelfrequentie (bij ~45% draaisnelheid) gelijk wordt aan de rotorfrequentie. eerste natuurlijke frequentie (zijn eerste kritische snelheid).

Wanneer dit gebeurt, "pakt" de oliewerveling zich vast op de eigen frequentie van de rotor en veroorzaakt een resonantie. De kenmerken van oliewerveling zijn:

• Frequentie: De trillingsfrequentie wordt “vastgezet” op de eerste eigen frequentie van de rotor en *neemt niet verder toe*, zelfs niet als de machine blijft versnellen.
• Amplitude: De trillingsamplitude wordt zeer groot en wordt heftig en instabiel.
• Gedrag: Olieklop is extreem destructief en verdwijnt niet door de snelheid verder te verhogen. Het kan in zeer korte tijd catastrofale schade aanrichten aan lagers, afdichtingen en de rotor zelf.

De snelheid waarbij de olieslag begint, is doorgaans iets meer dan twee keer de eerste kritische snelheid van de rotor. Een machine die last heeft van olieslag moet onmiddellijk worden uitgeschakeld.

Hoe je Whirl en Whip kunt herkennen

• Spectrumanalyse: Zoek naar een sterke subsynchrone piek. Als tijdens het opstarten de frequentie van de piek toeneemt met de snelheid, is er sprake van een whirl. Als de frequentie van de piek op een bepaald punt "afvlakt" terwijl de pieksnelheid bij 1x loopsnelheid blijft toenemen, is er sprake van een whip.
• Baanplot: De baan van de schacht zal een grote, voorwaarts precesserende cirkel of ellips zijn, vaak met de 1x loopsnelheidsvibratie eroverheen geprojecteerd, waardoor een "loop-the-loop"-effect ontstaat.
• Watervalperceel: Een watervaldiagram van een opstarttest geeft het duidelijkste mogelijke beeld. Hieruit blijkt dat de oliewervelingsfrequentie toeneemt met de snelheid totdat deze de eerste natuurlijke frequentie kruist en overgaat in oliewerveling.

Oorzaken en oplossingen

Deze instabiliteiten zijn complex en worden beïnvloed door het lagerontwerp, de rotorgeometrie, de viscositeit van de olie, de temperatuur en de belasting. Ze worden niet veroorzaakt door onbalans en kunnen niet worden opgelost door balanceren. Oplossingen zijn meestal ontwerpwijzigingen, zoals:

• Overstappen op een stabieler lagerontwerp (bijvoorbeeld een kantellager).
• Het veranderen van de viscositeit of temperatuur van de olie.
• Verhoging van de lagerbelasting.
• Het aanbrengen van groeven of dammen in het lager om de omtreksstroom van de olie te verstoren.

← Terug naar hoofdindex