Vysvetlenie kritickej rýchlosti v dynamike rotora

Definícia: Čo je kritická rýchlosť?

A kritická rýchlosť je rýchlosť otáčania, ktorá zodpovedá prirodzenej frekvencii vibrácií rotora. Keď stroj pracuje na jednej zo svojich kritických rýchlostí alebo v jej blízkosti, jav rezonancia dochádza. To spôsobuje dramatické a často nebezpečné zosilnenie vibrácií rotora, pretože aj nepatrné množstvo zvyškovej nevyváženosti môže generovať obrovské odstredivé sily. Každý rotorový systém má viacero kritických rýchlostí, ktoré zodpovedajú jeho rôznym režimom vibrácií (napr. prvý režim ohybu, druhý režim ohybu atď.).

Prečo je kritická rýchlosť taká dôležitá?

Pochopenie a riadenie kritických rýchlostí je jedným z najzákladnejších aspektov návrhu a analýzy rotačných strojov. Prevádzka stroja pri kritickej rýchlosti, a to aj na krátky čas, môže byť katastrofálna. Dôsledky zahŕňajú:

• Nadmerné vibrácie: Amplitúdy sa môžu zvýšiť 10-, 20-krát alebo aj viackrát v závislosti od tlmenia systému.
• Porucha komponentu: Vysoké vibrácie a vychýlenie hriadeľa môžu viesť k poruche ložiska, poškodeniu tesnenia a treniu medzi rotujúcimi a stacionárnymi časťami.
• Katastrofické zlyhanie hriadeľa: V závažných prípadoch môže ohybové namáhanie prekročiť medzu únavy materiálu, čo spôsobí prasknutie alebo zlomenie hriadeľa.
• Bezpečnostné riziká: Porucha stroja pri vysokej rýchlosti predstavuje značné riziko pre personál a okolité zariadenia.

Z týchto dôvodov sú stroje vždy navrhnuté tak, aby fungovali s „oddelovacou rezervou“, čo znamená, že ich normálna prevádzková rýchlosť je zámerne udržiavaná v bezpečnej vzdialenosti od akýchkoľvek kritických rýchlostí.

Pevné vs. flexibilné rotory

Koncept kritickej rýchlosti je to, čo odlišuje „tuhý“ rotor od „flexibilného“:

• Pevný rotor: Rotor, ktorý pracuje *pod* svojou prvou kritickou rýchlosťou. Jeho hriadeľ sa počas prevádzky výrazne neohýba. Zvyčajne ide o pomalšie, zavalitejšie rotory.
• Flexibilný rotor: Rotor, ktorý je navrhnutý tak, aby pracoval *nad* svojou prvou (a niekedy aj druhou alebo treťou) kritickou rýchlosťou. Jeho hriadeľ sa bude ohýbať a prehýbať pri prechode kritickými rýchlosťami počas spúšťania a vypínania. Vysokorýchlostné, štíhle rotory, ako sú tie v turbínach a kompresoroch, sú flexibilné rotory.

Riadenie kritických rýchlostí v prevádzke stroja

Keďže často nie je praktické navrhnúť vysokorýchlostný stroj, ktorý zostáva pod svojou prvou kritickou rýchlosťou, inžinieri používajú na ich riadenie niekoľko stratégií:

1. Oddeľovacia rezerva

Najbežnejšou stratégiou je zabezpečiť, aby nepretržitá prevádzková rýchlosť stroja nebola príliš blízko žiadnej kritickej rýchlosti. Typická separačná rezerva je ±20 – 301 TP3T. Napríklad, ak je kritická rýchlosť 3 000 ot./min., stroj by nemal byť prevádzkovaný nepretržite medzi 2 400 ot./min. a 3 600 ot./min.

2. Rýchle zrýchlenie/spomalenie

Pre flexibilné rotory, ktoré musia prejsť kritickými rýchlosťami, sú postupy spúšťania a vypínania navrhnuté tak, aby čo najrýchlejšie prešli rozsahmi kritických rýchlostí. Zotrvanie na kritickej rýchlosti umožňuje, aby amplitúdy vibrácií dosiahli nebezpečné úrovne. Rýchly prechod minimalizuje čas potrebný na toto zosilnenie.

3. Tlmenie

Tlmenie je rozptyl vibračnej energie a to je to, čo obmedzuje amplitúdu píku pri rezonancii. Ložiská, najmä ložiská s fluidným filmom, sú primárnym zdrojom tlmenia v rotorových systémoch. Optimalizáciou konštrukcie ložísk môžu inžinieri kontrolovať vibračný vrchol pri kritickej rýchlosti na bezpečnú a zvládnuteľnú úroveň.

4. Presné vyváženie

Vibrácie pri kritickej rýchlosti sú zosilnenou reakciou na nevyváženosť. Čím lepšie je rotor vyvážený, tým menšia bude nútiaca funkcia, a preto tým nižšia bude špičková vibrácia pri prechode kritickou rýchlosťou. Pre flexibilné rotory sú potrebné špeciálne techniky vyvažovania vo viacerých rovinách.

Ako sa identifikujú kritické rýchlosti?

Kritické rýchlosti sa určujú niekoľkými metódami:

• Dynamická analýza rotora (RDA): Počítačové modely (často využívajúce analýzu konečných prvkov) sa vytvárajú počas fázy návrhu na predpovedanie kritických rýchlostí a tvarov režimov rotora.
• Skúšky rozbehu/dobehu: Najbežnejšia experimentálna metóda. Amplitúda a fáza vibrácií sa znázorňujú v závislosti od rýchlosti pri spúšťaní alebo vypínaní stroja. Kritická rýchlosť sa identifikuje zreteľným vrcholom amplitúdy sprevádzaným charakteristickým fázovým posunom o 180 stupňov. Tieto testy generujú diagnostické grafy, ako napríklad Bodeho graf a Vodopádový pozemok.
• Skúška nárazom (bump test): Údery kladiva s prístrojmi na rotor, keď je v pokoji, môžu vyvolať jeho vlastné frekvencie, ktoré zodpovedajú kritickým rýchlostiam.

← Späť na hlavný index