Zrozumienie niestabilności typu wirowanie i bicie wirnika
Wirowanie oraz Biczowanie — najczęściej spotykane jako wir olejowy oraz bicz olejowy — to dwie powiązane ze sobą i niezwykle niebezpieczne formy samowzbudnych drgań podsynchronicznych — znane też jako podsynchroniczny wibracja — występujące w szybkoobrotowych maszynach wykorzystujących łożyska ślizgowe z warstwą płynną (czopowe). Nie są one wibracje wymuszone spowodowane takimi usterkami jak niewyważenie lub niewspółosiowość; zamiast tego są niestabilności wirnika w których ruch samego wirnika wywołuje siły, które podtrzymują i wzmacniają drgania. W obu przypadkach wał „wiruje” — wykonuje ruch precesyjny do przodu po szerokiej orbicie w granicach luzu łożyska, opisując tor zupełnie niezależny od własnego ruchu obrotowego.
1. Definicja: Czym są wirowanie i biczowanie?
Warto rozróżnić dwie koncepcje, które w potocznym znaczeniu pojęcia wirowania są ze sobą zlewane. Obroty to ruch wirnika wokół własnej osi geometrycznej. Wirowanie (lub precesja) to ruch całej osi po większym okręgu wewnątrz łożyska — wyobraź sobie wirującą monetę, której środek również krąży po stole. Wszystkie wirniki nieco krążą; kłopoty zaczynają się, gdy to krążenie przestaje być łagodną reakcją na niewyważenie resztkowe i staje się samowzbudne, czerpiąc energię z samego ruchu obrotowego, a nie z jakichkolwiek czynników zewnętrznych. Wir olejowy to samowzbudna precesja napędzana przez warstwę oleju w łożysku; bicz olejowy to gwałtowne zjawisko rezonansowe, do którego może on doprowadzić. Ponieważ źródłem energii jest sam ruch obrotowy, takich niestabilności nie da się wyeliminować poprzez wyważanie — co stanowi zasadniczą różnicę w porównaniu z problemami synchronicznymi.
2. Mechanizm: jak to działa?
W łożysku z warstwą oleju wał obrotowy nie jest podparty przez bezpośredni kontakt metal-metal, lecz przez warstwę oleju pod wysokim ciśnieniem. Wał nie znajduje się w środku łożyska; przesuwa się on wzdłuż jednej z jego ścianek, wypychany przez przenoszone obciążenie. Gdy powierzchnia czopu wału przeciąga olej wzdłuż pierścieniowej szczeliny, smar krąży ze średnią prędkością nieco mniejszą niż połowa prędkości obwodowej wału — ciecz stykająca się z wałem porusza się z prędkością wału, ciecz przylegająca do nieruchomej ścianki łożyska jest niemal w bezruchu, a średnia prędkość dla całej masy wynosi nieco poniżej 0,5×.
Wir olejowy powstaje, gdy ta krążąca warstwa zaczyna „popychać” lekko obciążony wał przed sobą, wprowadzając go na szeroki tor ruchu do przodu wokół łożyska. Częstotliwość wiru zależy od średniej prędkości warstwy olejowej, która zazwyczaj wynosi od 42% i 48% prędkości obrotowej (0,42× do 0,48×). Ten charakterystyczny sygnał poniżej częstotliwości synchronicznej — zbliżony do połowy, ale nigdy dokładnie równy połowie tego, czym jest prędkość obrotowa — to właśnie ten charakterystyczny wzór, którego poszukują analitycy. (Właśnie z powodu tej wartości „nieco poniżej połowy” wir olejowy nazywany jest czasem potocznie „wirem o połowie prędkości”, choć rzeczywista wartość nigdy nie osiąga dokładnie 0,5×.)
3. Wir oleju: Prekursor
Wir olejowy stanowi zazwyczaj początkowy etap niestabilności — jest to sygnał ostrzegawczy, a nie jeszcze katastrofa. Jego cechy charakterystyczne to:
- Częstotliwość: pojawia się jako wyraźny pik, jaki pokazuje FFT widmo od 0,42× do 0,48× prędkości obrotowej.
- Zachowanie: częstotliwość wiru wzrasta w miarę przyspieszania maszyny, zawsze utrzymując ten ~45-procentowy udział w prędkości roboczej. Podczas rozruchu wznosi się jako cień o częstotliwości niższej od synchronicznej, poruszając się poniżej linii 1×.
- Nasilenie: może powodować silne, choć niekiedy stabilne drgania, które mogą pojawiać się lub znikać wraz ze zmianą obciążenia, prędkości lub temperatury oleju. Jest to z pewnością niepożądane — ale nie zawsze od razu prowadzi do uszkodzeń.
- Czułość: Najczęstszą przyczyną są łożyska o zbyt małym obciążeniu, zbyt duże lub zużyte, ponieważ niskie obciążenie właściwe powoduje, że klin olejowy decyduje o położeniu wału.
4. Bicz olejowy: poważne zagrożenie
Bicz olejowy to znacznie poważniejsze zjawisko, które wynika bezpośrednio z wirów olejowych. Dochodzi do niego, gdy maszyna przyspiesza do momentu, w którym częstotliwość wirów olejowych (przy około 45% prędkości roboczej) wzrasta, aż zrówna się z poziomem, jakim jest pierwsza częstotliwość własna wirnika — jego pierwsza prędkość krytyczna. W tym momencie wir „dostraja się” do częstotliwości drgań własnych i wywołuje pełny rezonans. Jego cechy to:
- Częstotliwość: drgania ustabilizują się na pierwszej częstotliwości drgań własnych wirnika i nie rosną już dalej, nawet gdy maszyna wciąż przyspiesza — w związku z czym wartość szczytowa poniżej częstotliwości synchronicznej pozostaje stała, podczas gdy wartość szczytowa 1× nadal rośnie.
- Amplituda: drgania stają się bardzo silne, gwałtowne i niestabilne.
- Zachowanie: bicz olejowy jest niezwykle niszczycielski i może nie ustąpić wraz z dalszym przyspieszaniem. Może to doprowadzić do uszkodzenia łożysk, uszczelek i samego wirnika w bardzo krótkim czasie, czasami poprzez poważne zjawisko, jakim jest tarcie wirnika gdy orbita wypełnia wolną przestrzeń.
Prędkość, przy której bicz zaczyna działać, wynosi zazwyczaj nieco ponad dwukrotność pierwszej prędkości krytycznej wirnika — punkt, w którym linia wiru o współczynniku ~0,5 przecina pierwszą częstotliwość drgań własnych. Maszyna dotknięta zjawiskiem „oil whip” wymaga, aby natychmiast nastąpiło wyłączenie; jest to dokładnie scenariusz ochrony maszyn — na jaki systemy zabezpieczeń mają reagować.
5. Jak rozpoznać wirowanie i biczowanie
- Analiza widma: poszukaj wyraźnego piku subsynchronicznego. Jeśli podczas przyspieszania częstotliwość tego piku rośnie wraz z prędkością, mamy do czynienia z wirowaniem; jeśli natomiast utrzymuje się na stałym poziomie, podczas gdy pik 1× nadal rośnie, oznacza to przejście w tryb biczowania.
- Wykres orbity: orbita wału to duży okrąg lub elipsa, której oś obraca się do przodu, często z nałożonym składowym 1×, co nadaje jej charakterystyczny kształt przypominający "pętlę".
- Wykres wodospadowy: wodospadowy (lub kaskadowy) wykres z rozruchu daje najdokładniejszy możliwy obraz sytuacji, pokazując, jak częstotliwość wirowania rośnie wraz z prędkością, aż do momentu, gdy przecina pierwszą częstotliwość drgań własnych i przechodzi w zjawisko „whip”. Do zaznaczania takich punktów przecięcia właśnie Diagram Campbella służy.
Ponieważ zjawiska wirowania i biczowania występują przy prędkościach poniżej 1×, analizator musi osiągnąć prędkość znacznie niższą od prędkości roboczej i dokładnie określić fazę. Przenośny przyrząd dwukanałowy, taki jak Balanset-1A ukazuje, jak zsynchronizowane są amplituda oraz faza składowej prędkości obrotowej podczas rozruchu lub wyhamowywania, co pozwala inżynierowi na miejscu potwierdzić, że uporczywy szczyt o niskiej częstotliwości wynika z rzeczywistej niestabilności łożyska, a nie ze zwykłego niewyważenia — a co równie ważne, wykluczyć problem z wyważeniem, zanim zacznie się szukać rozwiązania, które i tak nie zadziała.
6. Przyczyny i rozwiązania
Na te niestabilności wpływają konstrukcja łożyska, geometria wirnika, lepkość oleju, temperatura oraz obciążenie — skomplikowany zestaw wzajemnych zależności, który został formalnie ujęty w dziedzinie znanej jako dynamika wirnika. Nie są one spowodowane niewyważeniem i nie można ich wyleczyć poprzez równoważenie; rozwiązaniem są zmiany na poziomie projektu:
- Zastosuj łożysko o bardziej stabilnej geometrii, na przykład łożysko ślizgowe z podkładką przechylną.
- Zmień lepkość oleju lub temperaturę roboczą, aby wpłynąć na właściwości warstwy smarnej.
- Zwiększ obciążenie właściwe łożyska, tak aby wałek był stabilnie osadzony, a klin olejowy nie miał już decydującego wpływu.
- Dodaj rowki, przegrody osiowe lub profile typu „lemon-bore”, które zakłócają obwodowy przepływ oleju zasilającego wir.
Zjawisko niestabilności ściśle z tym powiązane, wir parowy, wynika raczej z sił aerodynamicznych niż z sił wynikających z działania warstwy oleju w turbinach, ale daje podobny obraz samowzbudzającego się ruchu subsynchronicznego — co przypomina, że „wir” to grupa zjawisk, które łączy jedna cecha: wirnik dostarczający energię do własnego ruchu obrotowego.
