Zrozumienie wirnika w maszynach wirujących

Definicja: Czym jest wirnik?

A wirnik to główny zespół obrotowy w maszynie. Zazwyczaj składa się z centralnego wału, na którym zamontowane są inne elementy – takie jak wirniki, łopatki, magnesy lub tworniki. Cały zespół jest podparty łożyskami i ma za zadanie przenoszenie momentu obrotowego oraz wykonywanie pracy. Badanie zachowania wirnika podczas obrotu, w tym jego drgań i ugięcia, jest znane jako… dynamika wirnika, kluczowej dziedziny inżynierii mechanicznej.

Podstawowa klasyfikacja: wirniki sztywne i elastyczne

Najważniejszym rozróżnieniem w dynamice wirnika jest to, czy wirnik zachowuje się jak ciało „sztywne”, czy „elastyczne”. Klasyfikacja ta nie opiera się na właściwościach materiału, lecz na relacji między prędkością roboczą maszyny a prędkością obrotową wirnika. prędkości krytyczne (jego naturalne częstotliwości zginania).

Wirniki sztywne

Rozważany jest wirnik sztywny jeśli jego prędkość robocza jest znacznie niższa niż pierwsza prędkość krytyczna zginania (zwykle mniejsza niż 70% pierwszej prędkości krytycznej). Przy tych prędkościach wał nie ulega znaczącemu zgięciu ani ugięciu pod wpływem sił dynamicznych. Można założyć, że cały wirnik obraca się jako pojedyncza, sztywna masa.

• Charakterystyka: Zazwyczaj są krótsze, bardziej krępe i poruszają się z mniejszą prędkością.
• Równoważenie: Można to całkowicie skorygować za pomocą dwupłaszczyznowe dynamiczne wyważanie zgodnie z zasadami mechaniki ciała sztywnego.
• Przykłady: Większość standardowych silników elektrycznych, wentylatory wolnoobrotowe, tarcze szlifierskie i wiele wirników pomp.

Elastyczne wirniki

Rozważany jest wirnik elastyczny jeśli jest zaprojektowany do pracy z prędkością zbliżoną do, równą lub wyższą od jednej lub kilku z jego prędkości krytycznych zginania. Gdy wirnik zbliża się do prędkości krytycznej, wał zaczyna się znacząco uginać i wyginać. Kształt tego zginania jest znany jako „kształt modalny”.

• Charakterystyka: Zazwyczaj są długie, smukłe i poruszają się z dużą prędkością.
• Równoważenie: Wyważanie dwupłaszczyznowe jest niewystarczające. Elastyczne wirniki wymagają bardziej zaawansowanych, wielopłaszczyznowych technik wyważania, uwzględniających ugięcia wału. Może to obejmować „wyważanie modalne” (wyważanie każdego kształtu modalnego osobno) lub wyważanie współczynników wpływu wielu prędkości.
• Przykłady: Duże turbiny parowe i gazowe, sprężarki szybkoobrotowe, długie wały napędowe i wirniki generatorów.

Projektowanie i analiza elastycznych wirników jest o wiele bardziej złożona, ponieważ ich zachowanie dynamiczne zmienia się w zależności od prędkości.

Typowe elementy zespołu wirnika

Wirnik to coś więcej niż tylko wał. Typowy zespół może obejmować:

• Wał: Centralny element przenoszący moment obrotowy.
• Wirniki, łopatki lub kierownice: Elementy mające wpływ na przepływ cieczy (w pompach, wentylatorach, turbinach).
• Wirnik/Uzwojenia: Obrotowa część silnika elektrycznego lub generatora.
• Czasopisma: Wysoce wypolerowane części wału umieszczone w łożyskach.
• Sprzęgła: Piasty służące do łączenia wirnika z inną maszyną.
• Kołnierze oporowe: Elementy pochłaniające siły osiowe.
• Pierścienie lub płaszczyzny równoważące: Wyznaczone miejsca, w których dodaje się ciężarki korekcyjne podczas wyważania.

Typowe problemy związane z wirnikami

Analiza drgań jest stosowana w celu wykrycia szerokiego zakresu problemów mających swoje źródło w zespole wirnika:

• Brak równowagi: Najczęstszy problem, spowodowany nierównomiernym rozłożeniem masy.
• Wygięty wał: Fizyczne wygięcie lub łuk trzonu.
• Pęknięcie wału: Rozwijające się pęknięcie zmęczeniowe, które może doprowadzić do poważnej awarii.
• Niewspółosiowość: Choć stanowi problem pomiędzy wirnikami, powoduje duże naprężenia wewnątrz zespołu wirnika.
• Tarcie wirnika i stojana: Kontakt pomiędzy obracającymi się i nieruchomymi częściami maszyny.
• Rozluźnienie: Luźne dopasowanie elementu (np. wirnika) do wału.

← Powrót do indeksu głównego