Înțelegerea vârtejului de petrol
Vârtej de ulei este un tip de vibrație autoexcitată și instabilă care apare la mașinile echipate cu un film de fluid (journal) rulmenți — printre care turbine de mari dimensiuni, compresoare și pompe. Este o formă de vibrație indusă de fluid instabilitate în care pelicula de ulei care susține arborele începe să împingă arborele în jurul jocului rulmentului, într-o mișcare circulară înainte. Deoarece această rotație are loc la o frecvență mai mică decât viteza de funcționare a mașinii (1×), aceasta este o subsincron vibrație — și, fiind auto-excitată, nu are nevoie de o forță externă pentru a se menține.
1. Definiție: Ce este Oil Whirl?
Spre deosebire de dezechilibra, care este un sistem sincron (1×) vibrație forțată, vârtejul de ulei este un vibrație autoexcitată: energia care îl antrenează provine din rotația constantă a arborelui însuși, transmisă prin pelicula de ulei din rulment. Această distincție este importantă din punct de vedere diagnostic, deoarece instabilitățile autoexcitate pot apărea brusc, se pot amplifica rapid și nu pot fi „echilibrate” în același mod ca un dezechilibru de 1×.
2. Caracteristicile vârtejului de ulei
Vârtejul de ulei prezintă mai multe semnături distincte și identificabile în datele privind vibrațiile:
- Frecvenţă: cea mai evidentă caracteristică este un vârf de mare amplitudine la o frecvență puțin mai mică decât jumătate din viteza de alergare — de obicei între 0,4× și 0,48× (40%–48% din turația arborelui). La o mașină care funcționează la 3000 rpm (50 Hz), vârtejul de ulei ar apărea la aproximativ 1200–1440 rpm (20–24 Hz).
- Direcţie: vibrația este în principal radială (orizontală și verticală) și are adesea un caracter puternic direcțional.
- Orbit plot: vizualizat pe un grafic orbital în coordonate X–Y sonde de proximitate, vârtejul de ulei se prezintă sub forma unei orbite mari, cu precesie înainte, adesea deformată (necirculară), care conține o singură buclă internă bine definită.
- Behaviour: vârtejul de ulei nu este legat de o frecvență fixă. Pe măsură ce mașina accelerează, frecvența vârtejului se adaptează la aceasta, menținând întotdeauna raportul caracteristic de ~0,4–0,48 din noua viteză de funcționare. Acest comportament de adaptare la viteză reprezintă principalul element care o diferențiază de o rezonanță structurală, care funcționează la o frecvență fixă, indiferent de turația arborelui.
Pentru a surprinde aceste caracteristici cu precizie, este necesară o măsurare multicanal cu referință de fază. A grafic în cascadă înregistrat în timpul unei accelerare sau declinul în liberă circulație este deosebit de revelator, deoarece se observă că vârful subsincron nu rămâne fix, ci se deplasează odată cu viteza de alergare.
3. Mecanismul: Cum se produce vârtejul de ulei?
Vârtejul de ulei rezultă din dinamica penei hidrodinamice de ulei care susține arborele într-un lagăr cu alunecare. În condiții normale de funcționare, arborele rotativ antrenează uleiul într-un spațiu în formă de pană, creând un câmp de presiune care ridică și susține arborele. Arborele nu se află în centrul lagărului, ci se deplasează ușor decalat, formând un unghi de înclinare față de linia de sarcină.
Uleiul din interiorul acelei pene circulă în jurul rulmentului cu aproximativ jumătate din viteza de alunecare a arborelui — tocmai de aceea instabilitatea rezultată se situează puțin sub 0,5×. Dacă rulmentul este supus unei sarcini reduse sau are o cantitate excesivă de autorizație de circulație, forțele de stabilizare slăbesc. O mică perturbare poate determina atunci „capturarea” arborelui de către pelicula de lubrifiant în circulație, care începe să-l antreneze pe o traiectorie circulară în jurul rulmentului. Rezultatul este o vibrație autosusținută care poate atinge amplitudini foarte mari, adesea limitate doar de jocul propriu-zis al rulmentului — moment în care arborele începe să intre în contact cu suprafața rulmentului.
4. Bătăturile cauzate de ulei: forma mai gravă
Dacă mașina accelerează până în punctul în care frecvența vârtejului de ulei (~0,4–0,48×) coincide cu una dintre frecvențele rotorului frecvențe naturale — a viteză critică — starea se agravează dramatic. Aceasta se numește bici de ulei, elementul extrem al spectrului mai larg whirl-and-whip familia de instabilități.
- Frecvență blocată: vibrația se „sincronizează” cu frecvența naturală a rotorului și nu mai crește pe măsură ce mașina accelerează în continuare.
- Amplitudine mare: condiția de rezonanță determină o amplitudine extrem de mare.
- Pericol: „oil whip” este o stare extrem de periculoasă și instabilă care poate duce la defecțiuni catastrofale, inclusiv la distrugerea rulmenților și la avarii grave frecare rotor.
5. Cauze frecvente și soluții
- Cauze: rulmenți cu sarcină redusă, joc excesiv al rulmenților, vâscozitate prea scăzută a uleiului, presiune excesivă de alimentare cu ulei sau o construcție a mașinii care plasează viteza critică la aproximativ dublul vitezei de funcționare (astfel încât rotorul să atingă viteza critică exact în momentul în care se atinge frecvența de vârtej).
- Soluții: Măsurile de remediere vizează perturbarea peliculei instabile de ulei. Printre opțiuni se numără creșterea sarcinii rulmentului, corectarea vâscozității uleiului și reproiectarea rulmentului cu o geometrie anti-rotire — cu alezaj în formă de lămâie (eliptic), cu barieră de presiune sau cu lobi multipli și cu palete basculante modele care perturbă circulația simetrică a peliculei. Montarea unui amortizor cu peliculă de compresie poate contribui la stabilizarea amortizării la unele mașini.
Confirmarea unui diagnostic pe teren presupune măsurarea vârfului subsincron și a fazei acestuia, precum și excluderea cauzelor sincrone — dezechilibrul și nealiniere — în primul rând. Un analizor portabil cu două canale, cum ar fi Balanset-1A redă amplitudinea și fază across the spectrul de vibrații și verifică dacă componenta de 1× este acceptabilă; dacă reziduul de 1× este curat, dar persistă un vârf puternic de ~0,45× care variază odată cu turația, problema constă într-o instabilitate a filmului de fluid, cum ar fi vârtejul de ulei, și nu într-o defecțiune a echilibrării — iar soluția se află la rulment, nu la greutățile de corecție. Frecvențele caracteristice de instabilitate pot fi verificate prin comparație cu un Calculator de frecvență pentru lagăre cu alunecare (vârtej de ulei și bici de ulei).
