Razumevanje vrtinčenja rotorja in nestabilnosti biča
Vrtinec in . bič - se najpogosteje pojavljajo kot oljni vrtinec in oljni bič - sta dve sorodni in zelo nevarni obliki samovzbujanja, subsinhrono vibracije ki se pojavljajo v hitro vrtečih se strojih, ki se gibljejo v tekočem filmu (revija) ležajev. Niso prisilne vibracije zaradi napak, kot so neravnovesje ali neusklajenost; namesto tega so nestabilnosti rotorja kjer gibanje rotorja samo po sebi ustvarja sile, ki vzdržujejo in krepijo vibracije. V obeh primerih se gred “vrtinči” - v veliki orbiti se premika naprej znotraj svojega ležajnega prostora in sledi poti, ki je povsem ločena od njenega lastnega vrtenja.
1. Opredelitev: Kaj sta Whirl in Whip?
Vredno je ločiti dve ideji, ki ju vsakdanji izraz “vrtinec” združuje. Spin je rotor, ki se vrti okoli svoje geometrijske osi. Vrtinec (ali precesija) je kroženje te osi kot celote okoli večjega kroga znotraj ležišča - predstavljajte si vrteči se kovanec, katerega središče prav tako kroži okoli mize. Vsi rotorji se malo vrtijo; težave se začnejo, ko vrtenje preneha biti blagodejen odziv na preostala neuravnoteženost in postane samovzbujanje, ki energijo črpa iz enakomernega vrtenja in ne iz zunanjih dejavnikov. Oljni vrtinec je samovzbujena precesija, ki jo poganja oljna plast ležaja, oljni bič pa je silovita resonanca, v katero lahko preraste. Ker je vir energije samo vrtenje, teh nestabilnosti ni mogoče uravnotežiti, kar je v nasprotju s sinhronimi težavami.
2. Mehanizem: kako se to zgodi?
V ležaju s tekočinsko plastjo vrteča se gred ni podprta s stikom kovine s kovino, temveč z visokotlačnim klinom olja. Gred ne leži na sredini ležaja, temveč se pomika po eni strani, saj jo premika obremenitev, ki jo prenaša. Ker čepna površina vleče olje po obročasti vrzeli, mazivo kroži s hitrostjo povprečna hitrost, ki je nekoliko manjša od polovice površinske hitrosti gredi. - tekočina, ki se dotika gredi, se giblje s hitrostjo gredi, tekočina ob steni mirujočega ležaja je skoraj nepremična, povprečni volumen pa se giblje malo manj kot 0,5×.
Oljni vrtinec nastane, ko ta krožeči film začne “potiskati” rahlo obremenjeno gred pred sabo in jo pomika v velikem krogu naprej okoli ležaja. Pogostost vrtinčenja je odvisna od povprečne hitrosti oljnega filma, ki je običajno med 42% in 48% hitrosti teka (0,42× do 0,48×). Ta značilen podsinhroni podpis - blizu polovice, vendar nikoli natančno, vrednosti hitrost teka - je prstni odtis, ki ga analitiki iščejo. (Zaradi številke “malo manj kot polovica” se oljni vrtinec včasih prosto imenuje “vrtinec s polovično hitrostjo”, čeprav prava vrednost nikoli ne doseže 0,5×.)
3. Oljni vrtinec: Predhodnik
Naftni vrtinec je običajno začetna faza nestabilnosti - opozorilo, še ne katastrofa. Njegove značilnosti so:
- Pogostost: se pojavi kot izrazit vrh v Hitra pretvorba (FFT) spekter med 0,42× in 0,48× vrtljajev na minuto.
- Obnašanje: frekvenca vrtinčenja poveča . ko se stroj pospeši, vedno sledi deležu ~45% tekoče hitrosti. Pri zagonu se vzpenja kot podsinhrona senca pod črto 1×.
- Resnost: lahko povzroči visoke, vendar včasih stabilne vibracije, ki se lahko pojavijo ali izginejo ob spremembi obremenitve, hitrosti ali temperature olja. Vsekakor nezaželeno, vendar ne vedno takoj uničujoče.
- Občutljivost: Običajni krivci so rahlo obremenjeni, preveliki ali obrabljeni ležaji, saj majhna specifična obremenitev omogoča, da oljni klin prevladuje nad položajem gredi.
4. Oljni bič: Kritična nevarnost
Oljni bič je veliko hujše stanje, ki se razvije neposredno iz oljnega vrtinca. Nastane, ko stroj pospeši do točke, ko se frekvenca oljnega vrtinca (pri približno 45% obratovalne hitrosti) povzpne do frekvence rotorja. prvi naravna frekvenca - svojo prvo kritična hitrost. V tem trenutku se vrtinec “priklopi” na naravno frekvenco in vzbudi popolno resonanca. Njegove značilnosti so:
- Pogostost: se vibracije zaklenejo pri prvi lastni frekvenci rotorja in ne narašča več., čeprav stroj še naprej pospešuje - tako da se podsinhroni vrh “izravna”, medtem ko 1× vrh napreduje.
- Amplituda: se vibracije zelo povečajo, postanejo silovite in nestabilne.
- Obnašanje: oljni bič je izredno uničujoč in bo ne jasno z nadaljnjim pospeševanjem. V zelo kratkem času lahko uniči ležaje, tesnila in sam rotor, včasih zaradi hudih poškodb. drgnjenje rotorja ko orbita zapolni prostor.
Hitrost, s katero se začne pojavljati bič, je običajno nekaj več kot dvakratnik prve kritične hitrosti rotorja - v točki, kjer ~0,5× vrtinčna črta prečka prvo naravno frekvenco. Stroj, ki je v primežu oljnega biča, potrebuje takojšnjo zaustavitev; prav to je scenarij, ki zaščita strojev sistemi so zasnovani tako, da se na njih lahko spotaknemo.
5. Kako prepoznati Whirl in Whip
- Analiza spektra: iskanje močnega podsinhronega vrha. Če se frekvenca tega vrha med vzpenjanjem povečuje s hitrostjo, gre za vrtinec; če se “izravna” pri fiksni vrednosti, medtem ko se 1× vrh vzpenja, gre za prehod v vrtinec.
- Orbitalni načrt: orbita gredi je velik krog ali elipsa, ki se premika naprej, pogosto s komponento 1×, ki se prekriva z značilnim vzorcem “zanka-zanka”.
- Slapna parcela: slap (ali kaskada) izris pri zagonu daje najjasnejšo možno sliko, saj kaže, da frekvenca vrtinca narašča s hitrostjo, dokler ne preseka prve lastne frekvence in se zaklene v bič. Prikaz teh presečišč je natanko to, kar Campbellov diagram je namenjen.
Ker sta vrtinec in bič pod 1×, mora analizator dosegati hitrosti, ki so precej nižje od hitrosti delovanja, in natančno razločiti fazo. Prenosni dvokanalni instrument, kot je npr. Balanset-1A zajame sinhronizirano amplituda in . faza komponente hitrosti med vzletanjem ali spuščanjem, kar inženirju omogoča, da na kraju samem potrdi, da je trdovratni nizkofrekvenčni vrh prava nestabilnost ležaja in ne navadna neuravnoteženost, in prav tako koristno izključi težavo z uravnoteženjem, preden začne iskati rešitev, ki nikoli ne bo delovala.
6. Vzroki in rešitve
Te nestabilnosti so odvisne od zasnove ležaja, geometrije rotorja, viskoznosti olja, temperature in obremenitve - gre za zapleten niz medsebojnih vplivov, ki so formalno opisani v dinamika rotorja. Niso posledica neravnovesja in jih ni mogoče odpraviti z uravnoteženje; sredstva so spremembe na ravni zasnove:
- Preklopite na stabilnejšo geometrijo ležaja, kot je ležaj s čepom z nagibno ploščico.
- Spremenite viskoznost olja ali delovno temperaturo, da spremenite obnašanje filma.
- Povečajte specifično obremenitev ležaja, da gred trdno sedi in oljni klin ne more več prevladovati.
- Dodajte žlebove, osne pregrade ali profile z limoninimi luknjami, ki prekinejo obodni tok olja, ki napaja vrtinec.
Tesno povezana nestabilnost, parni vrtinec, ki je posledica aerodinamičnih sil in ne sil oljne folije v turbinah, vendar ustvarja podobno samovzbujeno podsinhrono sliko - opomnik, da je “vrtinec” družina pojavov, ki jih združuje ena lastnost: rotor, ki energijo dovaja v svojo lastno orbito.
