Wyjaśnienie prędkości krytycznej w dynamice wirnika

Definicja: Czym jest prędkość krytyczna?

A prędkość krytyczna to prędkość obrotowa odpowiadająca naturalnej częstotliwości drgań wirnika. Gdy maszyna pracuje z prędkością krytyczną lub zbliżoną do niej, występuje zjawisko rezonans Powoduje to gwałtowne i często niebezpieczne wzmocnienie drgań wirnika, ponieważ nawet niewielkie niewyważenie resztkowe może generować ogromne siły odśrodkowe. Każdy układ wirnika ma wiele prędkości krytycznych, odpowiadających jego różnym trybom drgań (np. pierwszy tryb zginania, drugi tryb zginania itd.).

Dlaczego prędkość krytyczna jest tak ważna?

Zrozumienie i zarządzanie prędkościami krytycznymi jest jednym z najważniejszych aspektów projektowania i analizy maszyn wirujących. Eksploatacja maszyny z prędkością krytyczną, nawet przez krótki czas, może mieć katastrofalne skutki. Konsekwencje obejmują:

• Nadmierne wibracje: Amplitudy mogą wzrosnąć dziesięcio-, dwudziesto- lub nawet bardziej zależnie od tłumienia układu.
• Awaria komponentu: Wysokie wibracje i ugięcie wału mogą powodować awarię łożysk, uszkodzenia uszczelnień oraz ocieranie się części obrotowych i nieruchomych.
• Katastrofalna awaria wału: W poważnych przypadkach naprężenia zginające mogą przekroczyć granicę wytrzymałości zmęczeniowej materiału, powodując pęknięcie lub złamanie wału.
• Zagrożenia bezpieczeństwa: Awaria maszyny przy dużej prędkości stanowi poważne zagrożenie dla personelu i znajdującego się w pobliżu sprzętu.

Z tych powodów maszyny są zawsze projektowane tak, aby działały z pewnym „marginesem separacji”, co oznacza, że ich normalna prędkość robocza jest celowo utrzymywana w bezpiecznej odległości od wszelkich prędkości krytycznych.

Wirniki sztywne i elastyczne

Koncepcja prędkości krytycznej odróżnia wirnik „sztywny” od „elastycznego”:

• Sztywny wirnik: Wirnik, który pracuje *poniżej* swojej pierwszej prędkości krytycznej. Jego wał nie ulega znaczącemu ugięciu podczas pracy. Są to zazwyczaj wolniejsze, bardziej masywne wirniki.
• Elastyczny wirnik: Wirnik zaprojektowany do pracy *powyżej* swojej pierwszej (a czasem drugiej lub trzeciej) prędkości krytycznej. Jego wał będzie się uginał i zginał podczas przechodzenia przez prędkości krytyczne podczas rozruchu i wyłączania. Wysokoobrotowe, smukłe wirniki, takie jak te w turbinach i sprężarkach, to wirniki elastyczne.

Zarządzanie prędkościami krytycznymi w eksploatacji maszyn

Ponieważ często nie jest praktyczne projektowanie maszyn o dużej prędkości, które utrzymują się poniżej swojej pierwszej prędkości krytycznej, inżynierowie stosują kilka strategii, aby sobie z tym poradzić:

1. Margines separacji

Najpopularniejszą strategią jest zapewnienie, aby ciągła prędkość robocza maszyny nie była zbyt bliska żadnej prędkości krytycznej. Typowy margines separacji wynosi ±20–30%. Na przykład, jeśli prędkość krytyczna wynosi 3000 obr./min, maszyna nie powinna pracować w sposób ciągły z prędkością od 2400 do 3600 obr./min.

2. Szybkie przyspieszanie/zwalnianie

W przypadku elastycznych wirników, które muszą osiągać prędkości krytyczne, procedury rozruchu i wyłączania są zaprojektowane tak, aby jak najszybciej przechodzić przez zakresy prędkości krytycznych. Utrzymywanie się przy prędkości krytycznej pozwala na wzrost amplitudy drgań do niebezpiecznych poziomów. Szybkie przejście minimalizuje czas potrzebny do wystąpienia tego wzmocnienia.

3. Tłumienie

Tłumienie to rozpraszanie energii drgań i to ono ogranicza amplitudę szczytową w rezonansie. Łożyska, zwłaszcza łożyska z warstwą cieczy, stanowią główne źródło tłumienia w układach wirników. Optymalizując konstrukcję łożysk, inżynierowie mogą kontrolować szczyt drgań przy prędkości krytycznej do bezpiecznego i kontrolowanego poziomu.

4. Precyzyjne wyważanie

Drgania przy prędkości krytycznej są wzmocnioną reakcją na niewyważenie. Im lepsze wyważenie wirnika, tym mniejsza będzie funkcja wymuszająca, a tym samym niższy będzie szczyt drgań przy przechodzeniu przez prędkość krytyczną. W przypadku wirników elastycznych wymagane są specjalne techniki wyważania wielopłaszczyznowego.

Jak identyfikuje się prędkości krytyczne?

Prędkości krytyczne identyfikuje się za pomocą kilku metod:

• Analiza dynamiki wirnika (RDA): Modele komputerowe (często wykorzystujące analizę elementów skończonych) tworzone są na etapie projektowania w celu przewidywania prędkości krytycznych i kształtów drgań wirnika.
• Testy rozbiegowe/wybiegowe: Najpopularniejsza metoda eksperymentalna. Amplituda i faza drgań są wykreślane w funkcji prędkości podczas rozruchu lub wyłączania maszyny. Prędkość krytyczną identyfikuje się za pomocą wyraźnego piku amplitudy, któremu towarzyszy charakterystyczne przesunięcie fazy o 180 stopni. Testy te generują wykresy diagnostyczne, takie jak: Wykres Bodego oraz Działka wodospadu.
• Badanie odporności na uderzenia (test uderzeniowy): Uderzanie w wirnik młotkiem z odpowiednim przyrządem pomiarowym, gdy ten jest w spoczynku, może wzbudzić jego naturalne częstotliwości, które odpowiadają prędkościom krytycznym.

← Powrót do indeksu głównego