Razlaga kritične hitrosti v dinamiki rotorja

Definicija: Kaj je kritična hitrost?

A kritična hitrost je vrtilna hitrost, ki ustreza naravni frekvenci vibracij rotorja. Ko stroj deluje pri eni od svojih kritičnih hitrosti ali blizu nje, se pojavi pojav resonanca pride do tega. To povzroči dramatično in pogosto nevarno povečanje vibracij rotorja, saj lahko že majhna količina preostale neuravnoteženosti ustvari ogromne centrifugalne sile. Vsak rotorski sistem ima več kritičnih hitrosti, ki ustrezajo njegovim različnim načinom vibracij (npr. prvi način upogibanja, drugi način upogibanja itd.).

Zakaj je kritična hitrost tako pomembna?

Razumevanje in upravljanje kritičnih hitrosti je eden najpomembnejših vidikov načrtovanja in analize rotacijskih strojev. Delovanje stroja s kritično hitrostjo, tudi za kratek čas, je lahko katastrofalno. Posledice vključujejo:

• Prekomerne vibracije: Amplitude se lahko povečajo za faktor 10, 20 ali celo več, odvisno od dušenja sistema.
• Okvara komponente: Visoke vibracije in upogib gredi lahko povzročijo okvaro ležajev, poškodbo tesnil in trenje med vrtečimi se in mirujočimi deli.
• Katastrofalna odpoved gredi: V hujših primerih lahko upogibne napetosti presežejo mejo utrujanja materiala, kar povzroči razpokanje ali zlom gredi.
• Varnostne nevarnosti: Okvara stroja pri visoki hitrosti predstavlja znatno tveganje za osebje in okoliško opremo.

Zaradi teh razlogov so stroji vedno zasnovani tako, da delujejo z "ločilno mejo", kar pomeni, da je njihova normalna hitrost delovanja namerno vzdrževana na varni razdalji od kritičnih hitrosti.

Togi v primerjavi s fleksibilnimi rotorji

Koncept kritične hitrosti je tisto, kar loči "togi" rotor od "fleksibilnega":

• Togi rotor: Rotor, ki deluje *pod* svojo prvo kritično hitrostjo. Njegova gred se med delovanjem bistveno ne upogiba. To so običajno počasnejši, bolj čokati rotorji.
• Fleksibilen rotor: Rotor, ki je zasnovan za delovanje *nad* svojo prvo (in včasih drugo ali tretjo) kritično hitrostjo. Njegova gred se bo med zagonom in zaustavitvijo upogibala in krivila, ko bo prehajala skozi kritične hitrosti. Visokohitrostni, vitki rotorji, kot so tisti v turbinah in kompresorjih, so fleksibilni rotorji.

Upravljanje kritičnih hitrosti pri delovanju strojev

Ker pogosto ni praktično zasnovati visokohitrostnega stroja, ki ostane pod svojo prvo kritično hitrostjo, inženirji uporabljajo več strategij za njihovo upravljanje:

1. Ločilna marža

Najpogostejša strategija je zagotoviti, da neprekinjena delovna hitrost stroja ni preblizu nobeni kritični hitrosti. Tipična meja ločitve je ±20-30%. Če je na primer kritična hitrost 3000 vrt/min, stroja ne smete neprekinjeno uporabljati med 2400 in 3600 vrt/min.

2. Hitro pospeševanje/zaviranje

Za fleksibilne rotorje, ki morajo preiti kritične hitrosti, so postopki zagona in zaustavitve zasnovani tako, da čim hitreje preidejo skozi območja kritičnih hitrosti. Vztrajanje pri kritični hitrosti omogoča, da se amplitude vibracij povečajo do nevarnih ravni. Hiter prehod skozi območje skrajša čas, potreben za to ojačanje.

3. Dušenje

Dušenje je razpršitev vibracijske energije in omejuje amplitudo vrhov pri resonanci. Ležaji, zlasti ležaji s fluidnim filmom, so glavni vir dušenja v rotorskih sistemih. Z optimizacijo zasnove ležajev lahko inženirji nadzorujejo vrh vibracij pri kritični hitrosti na varno in obvladljivo raven.

4. Precizno uravnoteženje

Vibracije pri kritični hitrosti so ojačan odziv na neuravnoteženost. Bolje kot je rotor uravnotežen, manjša bo prisilna funkcija in zato nižja bo najvišja vibracija pri prehodu skozi kritično hitrost. Za fleksibilne rotorje so potrebne posebne tehnike uravnoteženja v več ravninah.

Kako se prepoznajo kritične hitrosti?

Kritične hitrosti se določijo z več metodami:

• Dinamična analiza rotorja (RDA): Računalniški modeli (pogosto z uporabo metode končnih elementov) se ustvarijo med fazo načrtovanja za napovedovanje kritičnih hitrosti in oblik rotorja.
• Preizkusi zagona/iztekanja: Najpogostejša eksperimentalna metoda. Amplituda in faza vibracij se prikažeta v odvisnosti od hitrosti, ko se stroj zažene ali ustavi. Kritična hitrost je določena z izrazitim vrhom amplitude, ki ga spremlja značilen fazni premik za 180 stopinj. Ti testi ustvarijo diagnostične diagrame, kot je Bodejeva zgodba in . Slapna parcela.
• Preizkus udarcev (preizkus z udarci): Udarjanje rotorja z instrumentiranim kladivom, ko je v mirovanju, lahko vzbudi njegove naravne frekvence, ki ustrezajo kritičnim hitrostim.

← Nazaj na glavno kazalo