சுழலும் இயந்திரங்களில் ஷாஃப்ட் விப்பைப் புரிந்துகொள்ளுதல்
Shaft whip — known as oil whip இது ஹைட்ரோடைனமிக் பேரிங்குகளில் தோன்றும்போது — ஒரு கடுமையான வடிவமாகும் சுழலி অস্திரத்தன்மை marked by violent சுய-உத்தேজிত அதிர்வு. ஃப்ளூயிட்-ஃபிலிம் பேரிங்குகளில் இயங்கும் ஒரு ரோட்டார் ஒரு க்ரிட்டிகல் த்ரெஷோல்டு வேகத்தை, பொதுவாக முதல் வேகத்தின் இரண்டு மடங்கைச் சுற்றி, தாண்டும்போது இது தோன்றுகிறது critical speed. விப் ஒருமுறை பிடித்தவுடன், அதிர்வு அதிர்வெண் ரோட்டாரின் முதல் மீது “லாக்” ஆகிறது இயல்பு அதிர்வெண் மேலும் வேகம் எவ்வளவு அதிகரித்தாலும் அதே இடத்திலேயே நிலைத்திருக்கும், அதன் அலைவீச்சு (amplitude) தாங்கி இடைவெளியால் (bearing clearance) மட்டுமே — அல்லது பேரழிவு தோல்வியால் மட்டுமே — வரம்பிடப்படும். இது அதிவேக இயந்திரங்களில் மிகவும் ஆபத்தான நிலைகளில் ஒன்றாகும், ஏனெனில் இது திடீரென உருவாகி, சில வினாடிகளுக்குள் அழிவுகரமான அளவிற்கு வளர்ந்துவிடும், மேலும் இதை சமநிலைப்படுத்துதல் அல்லது வேறு எந்த வழக்கமான திருத்தத்தாலும் சரிசெய்ய முடியாது. இது உடனடியாக இயந்திரத்தை நிறுத்தவும், மீண்டும் ஏற்படாமல் தடுக்க தாங்கி அமைப்பில் மாற்றங்களைச் செய்யவும் கோருகிறது.
1. வளர்ச்சிப் போக்கு: எண்ணெய் சுழற்சியிலிருந்து (Oil Whirl) தண்டு சாட்டையடி (Shaft Whip) வரை
சாட்டையடி (Whip) எச்சரிக்கையின்றி அரிதாகவே வருகிறது — இது நான்கு கட்ட வளர்ச்சிப் போக்கின் இறுதிப் புள்ளியாகும், கவனமுள்ள ஓர் ஆய்வாளர் இதை அழிவுகரமான கட்டத்திற்கு நீண்ட காலத்திற்கு முன்பே தடுத்துநிறுத்த முடியும்.
Stage 1 — Stable Operation
- ரோட்டார் (rotor) நிலையற்ற நிலை வாயிலுக்குக் கீழே இயங்குகிறது.
- Only normal கட்டாயமான அதிர்வு from unbalance is present.
- தாங்கி எண்ணெய் படலம் (oil film) நிலையான, நன்கு அமுக்கப்பட்ட (well-damped) ஆதரவை வழங்குகிறது.
Stage 2 — Oil Whirl Onset
வேகம் முதல் கிரிட்டிக்கல் வேகத்தின் (first critical speed) தோராயமாக 2× ஐ தாண்டி உயரும்போது, oil whirl begins:
- A sub-synchronous vibration appears at about 0.43–0.48× shaft speed.
- அலைவீச்சு (amplitude) ஆரம்பத்தில் மிதமானதாகவும் வேகத்தைச் சார்ந்ததாகவும் இருக்கும்.
- சுழற்சி அதிர்வெண் (whirl frequency) தண்டு வேகத்திற்கு விகிதாசாரமாக உயர்கிறது.
- It may be intermittent or continuous.
- இது சமநிலையின்மையால் (unbalance) ஏற்படும் சாதாரண 1× அதிர்வுடன் இணைந்து நிலவ முடியும்.
கட்டம் 3 — சாட்டையடி மாற்றம் (Whip Transition)
உயரும் எண்ணெய் சுழற்சி அதிர்வெண் முதல் இயற்கை அதிர்வெண்ணுடன் (first natural frequency) பொருந்தும் அளவிற்கு போதுமான தூரம் உயரும்போது, செயல்பாடு திடீரென தன் தன்மையை மாற்றிக்கொள்கிறது:
- அதிர்வெண் பூட்டுதல் (Frequency lock-in): அதிர்வு அதிர்வெண் வேகத்தைப் பின்தொடர்வதை நிறுத்தி, இயற்கை அதிர்வெண்ணுடன் தன்னைப் பிணைத்துக்கொள்கிறது.
- Resonant amplification: அலைவீச்சு வியத்தகு அளவில் வளர்கிறது, ஏனெனில் இந்த அமைப்பு இப்போது resonance.
- Sudden onset: சுழற்சியிலிருந்து சாட்டையடிக்கு (whirl to whip) ஏற்படும் மாற்றம் கிட்டத்தட்ட உடனடியாக நிகழக்கூடியது.
- வேக சார்பற்ற: மேலதிக வேக அதிகரிப்புகள் இனி அதிர்வெண்ணை மாற்றாது — அலைவீச்சை மட்டுமே மாற்றும்.
Stage 4 — Shaft Whip (Critical Condition)
- அதிர்வு ஒரு நிலையான அதிர்வெண்ணில் — முதல் இயற்கை அதிர்வெண்ணில், பொதுவாக 40–60 Hz இல் — நிலைபெறுகிறது.
- அலைவீச்சு சாதாரண சமநிலையின்மை அதிர்வை விட 5–20 மடங்கு அளவை அடைகிறது.
- தண்டு அதன் தாங்கி-இடைவெளி வரம்புகளை மோதக்கூடும்.
- தாங்கிகளும் எண்ணெயும் வேகமாக வெப்பமடைகின்றன.
- இயந்திரம் நிறுத்தப்படாவிட்டால் சில நிமிடங்களுக்குள் பேரழிவு தோல்வி ஏற்படலாம்.
2. இயற்பியல் பொறிமுறை
சாட்டையடி தாங்கி எண்ணெய் படலத்தின் திரவ இயக்கவியலால் (fluid dynamics) இயக்கப்படுகிறது, இதனால்தான் இதை சமநிலைப்படுத்தி அகற்ற முடியாது — நிலைகுலைக்கும் ஆற்றல் கனமான இடத்திலிருந்து அல்ல, மசகு எண்ணெயிலிருந்து வருகிறது. வரிசைமுறை பின்வருமாறு நடைபெறுகிறது:
- எண்ணெய்-ஆப்பு உருவாக்கம் (Oil-wedge formation): சுழலும் தண்டு தாங்கியைச் சுற்றி மசகு எண்ணெயை இழுத்து, அழுத்தப்பட்ட ஆப்பை (pressurised wedge) உருவாக்குகிறது.
- தொடுகோட்டு விசை (Tangential force): அந்த ஆப்பு ஜர்னலின் (journal) மீது ஆரைய நகர்வுக்கு (radial offset) செங்குத்தான திசையில் தள்ளுகிறது — ஒரு குறுக்கு-இணைந்த, தொடுகோட்டு விசை.
- சுற்றுப்பாதை இயக்கம் (Orbit motion): தொடுகோட்டு விசை தண்டு மையத்தை whirl in an orbit at roughly half shaft speed.
- ஆற்றல் பிரித்தெடுத்தல் (Energy extraction): சுற்றுப்பாதை இயக்கம் தன்னைத் தக்கவைத்துக்கொள்ள தண்டின் சுழற்சியிலிருந்து ஆற்றலை இழுத்துக்கொள்கிறது — இது தன்னைத்தானே தூண்டும் அதிர்வின் (self-excited vibration) தனிச்சிறப்பு அடையாளமாகும்.
- Resonance lock: சுற்றுப்பாதை அதிர்வெண் இயற்கை அதிர்வெண்ணுடன் ஒத்துப்போகும்போது, ஒத்ததிர்வு (resonance) இயக்கத்தை பெருக்குகிறது.
- வரம்பு சுழற்சி (Limit cycle): அலைவீச்சு தாங்கி இடைவெளியால் அல்லது தோல்வியால் வரம்பிடப்படும் வரை வளர்கிறது.
தூண்டும் விசை மசகு எண்ணெயின் நடத்தைக்கு ஏற்ப அளவிடப்படுவதால், எண்ணெய்-படல விறைப்பை (oil-film stiffness) அல்லது அமைப்பின் damping நிலையற்ற நிலை தொடங்கும் வேகத்தை உயர்த்துகிறது.
3. Diagnostic Identification
தண்டு சாட்டையடி அதிர்வு தரவில் தவறவிட முடியாத ஒரு தனித்த அடையாளத்தை விட்டுச்செல்கிறது, இது சரியான வரைபடங்கள் ஆய்வு செய்யப்பட்டால் ஆரம்பகால அடையாளம் காண்பதை சாத்தியமாக்குகிறது.
அதிர்வண கையொப்பம்(Vibration Signature)
- Spectrum: வேக மாற்றங்கள் எதுவாக இருந்தாலும் அதே இடத்தில் நிலைத்திருக்கும் துணை-ஒத்திசைவு (sub-synchronous) (முதல் இயற்கை) அதிர்வெண்ணில் ஒரு பெரிய உச்சம் (peak).
- Waterfall plot: துணை-ஒத்திசைவு (sub-synchronous) கூறு வேகத்திற்கு விகிதாசாரமான கூறின் மூலைவிட்டக் கோடாக அல்லாமல், செங்குத்துக் கோடாக (மாறா அதிர்வெண்) தோன்றுகிறது.
- Order analysis: ஒரு பின்னவரிசை (fractional order) வரிசை, இது decreases வேகம் உயரும்போது — எடுத்துக்காட்டாக 0.5×-இலிருந்து 0.4×-ஆகவும் பின்னர் 0.35×-ஆகவும் நகர்வது — ஏனெனில் வேகம் ஏறும்போது அதிர்வெண் நிலையானதாக இருக்கிறது.
- Orbit: இயற்கை அதிர்வெண்ணில் ஒரு பெரிய வட்ட அல்லது நீள்வட்ட சுற்றுப்பாதை (orbit).
A Bode plot taken on coastdown ஒரு உண்மையான அதிர்வுறுதலை (resonance) ஒரு whip-இலிருந்து மேலும் வேறுபடுத்துகிறது, ஏனெனில் பூட்டப்பட்ட துணை-ஒத்திசைவுக் கோடு ஒத்திசைவு முக்கிய-வேகச் சிகரத்திலிருந்து மிகவும் வேறுபட்டு செயல்படுகிறது.
Onset Speed
- Typical threshold: முதல் முக்கிய வேகத்தைப் போல் 2.0–2.5× மடங்கு.
- Bearing-dependent: சரியான வரம்பு bearing வடிவமைப்பைப் பொறுத்து மாறுபடுகிறது, preload, மற்றும் எண்ணெய் பாகுத்தன்மை (viscosity).
- Sudden onset: ஒரு சிறிய வேக அதிகரிப்பு rotor-ஐ நிலையானதிலிருந்து முழுமையாக நிலையற்ற நிலைக்குத் தள்ளிவிடலாம்.
4. தடுப்பு உத்திகள்
whip-ஐ சமப்படுத்த (balance) முடியாது என்பதால், தடுப்பு என்பது இருக்கை தாங்கி மற்றும் இயந்திரம் எவ்வாறு இயக்கப்படுகிறது என்பதில் கவனம் செலுத்துகிறது.
Bearing Design Modifications
1. Tilting-pad bearings — மிகவும் பயனுள்ள தீர்வு. பேட்கள் தனித்தனியாக சுழல்கின்றன, நிலையற்றதன்மையை ஏற்படுத்தும் குறுக்கு-இணைப்பு (cross-coupling) விசையை நீக்குகின்றன; அவை பரந்த வேக வரம்பு முழுவதும் இயல்பாகவே நிலையானவை மற்றும் அதிவேக turbomachinery-க்கு தொழில்துறை தரநிலையாகும்.
2. Pressure-dam bearings — பயனுள்ள damping மற்றும் விறைப்பை (stiffness) உயர்த்தும் ஒரு பள்ளம் அல்லது dam கொண்ட மாற்றியமைக்கப்பட்ட உருளை வடிவ (cylindrical) bearing; tilting-pad-ஐ விட மலிவானது ஆனால் குறைவான பயனுள்ளது.
3. Bearing முன்சுமை (preload) — ஆரைய (radial) முன்சுமையைப் பயன்படுத்துவது (பெரும்பாலும் ஒரு offset-bore வடிவமைப்பின் வழியாக) விறைப்பை உயர்த்தி, நிலையற்றதன்மை வரம்பை மேலும் உயர்த்துகிறது.
4. Squeeze-film dampers — bearing-ஐ மறுவடிவமைக்காமல் damping-ஐ சேர்க்கும், bearing-ஐ சுற்றியுள்ள ஒரு வெளிப்புற damping உறுப்பு, retrofit-களுக்கு நன்கு பொருந்துகிறது.
Operational Measures
- Speed limitation: அதிகபட்ச வேகத்தை வரம்பிற்குக் கீழே வைத்திருங்கள் — பொதுவாக முதல் முக்கிய வேகத்தைப் போல் 1.8×-க்குக் கீழே.
- சுமை மேலாண்மை: run at higher bearing loads where possible, since load increases damping.
- எண்ணெய்-வெப்பநிலைக் கட்டுப்பாடு: குளிர்ந்த எண்ணெய் அதிக பாகுத்தன்மை கொண்டது மற்றும் அதிக நிலைப்படுத்தும் தன்மை கொண்டது.
- Monitoring: continuous அதிர்வு கண்காணிப்பு குறிப்பாக துணை-ஒத்திசைவு பட்டையை (band) கண்காணிக்கும் எச்சரிக்கைகளுடன்.
5. விளைவுகள் மற்றும் சேதம்
Immediate Effects
- கடுமையான அதிர்வு: வீச்சுகள் (amplitudes) பல மில்லிமீட்டர்களை (நூற்றுக்கணக்கான mils) எட்டலாம்.
- Noise: a loud, distinctive sound quite unlike normal operation.
- வேகமான bearing வெப்பமாதல்: வெப்பநிலைகள் சில நிமிடங்களில் 20–50 °C உயரலாம்.
- எண்ணெய் சிதைவு: அதிக வெப்பநிலை மற்றும் தீவிரமான வெட்டுதல் (shearing) மசகுப்பொருளை (lubricant) சிதைக்கிறது.
Potential Failures
- Bearing wipe: babbitt பூச்சு உருகி அழிக்கப்படுகிறது.
- Shaft damage: scoring, galling, or permanent bending.
- Seal failure: excessive shaft motion destroys seals.
- Shaft breakage: high-cycle fatigue from the violent oscillation.
- Coupling damage: பரவும் விசைகள் இணைப்பிகளை (couplings) சேதப்படுத்துகின்றன.
6. தொடர்புடைய நிகழ்வுகள்
Oil Whirl
Oil whirl whip-இன் முன்னோடியாகும்: அதே வழிமுறை, ஆனால் அதிர்வெண் இன்னும் இயற்கை அதிர்வெண்ணில் பூட்டப்படவில்லை. அதன் வீச்சு குறைவாக உள்ளது, அதன் அதிர்வெண் ~0.43–0.48×-இல் வேகத்தைப் பின்தொடர்கிறது, மேலும் சில பயன்பாடுகளில் இது பொறுத்துக்கொள்ளக்கூடியது.
Steam Whirl
Steam whirl நீராவி டர்பைன்களில் (steam turbines) ஏற்படும் ஒரு ஒத்த நிலையற்றதன்மை ஆகும், இது bearing எண்ணெய் படலத்தைக் காட்டிலும் labyrinth seal-களில் உள்ள வளிமூலவியல் (aerodynamic) விசைகளால் இயக்கப்படுகிறது. இது இயற்கை அதிர்வெண்ணில் பூட்டப்படும் அதே துணை-ஒத்திசைவு அதிர்வைக் காட்டுகிறது.
Dry-Friction Whip
இந்த வகை seal இடங்களில் அல்லது ரோட்டர்-স্ટேটர் தொடர்பு. உராய்வு (friction) நிலையற்றதன்மை வழிமுறையை வழங்குகிறது; இது oil whip-ஐ விட குறைவாகவே காணப்படுகிறது ஆனால் அதே அளவு ஆபத்தானது, மேலும் ஒரு வேறுபட்ட தீர்வைக் கோருகிறது — தொடர்பை நீக்குதல் அல்லது seal-ஐ மேம்படுத்துதல்.
7. Case Study: Compressor Shaft Whip
Scenario: எளிய உருளை வடிவ (cylindrical) bearing-களில் இயங்கும் ஒரு அதிவேக மைய விலகு (centrifugal) சுருக்கி (compressor).
- இயல்பான இயக்கம்: 2.5 mm/s அதிர்வுடன் 12,000 rpm.
- Speed increase: இயக்குநர் அதிக கொள்ளளவுக்காக 13,500 rpm வரை தள்ளினார்.
- Onset: at 13,200 rpm a sudden violent vibration developed.
- Symptoms: 25 mm/s at a constant 105 Hz; bearing temperature rose from 70 °C to 95 °C in three minutes.
- அவசரகால நடவடிக்கை: immediate shutdown averted a bearing failure.
- Root cause: the first critical speed was 6,300 rpm (105 Hz); at 13,200 rpm the rotor crossed the whip threshold of roughly 2× critical ≈ 12,600 rpm, and the vibration locked onto the 105 Hz first natural frequency.
- தீர்வு: சாதாரண பேரிங்குகள் டில்டிங்-பேட் பேரிங்குகளால் மாற்றப்பட்டன, இது 15,000 rpm வரை பாதுகாப்பான இயக்கத்தை அனுமதித்தது.
8. தரநிலைகள், நடைமுறை மற்றும் கள கருவிகள்
- API 684: அதிவேக டர்போமெஷினரிக்கு ரோட்டர்டைனமிக் நிலைத்தன்மை பகுப்பாய்வு தேவைப்படுகிறது.
- API 617: சென்ட்ரிஃபியூகல் கம்ப்ரசர்களுக்கான பேரிங் வகைகள் மற்றும் நிலைத்தன்மைத் தேவைகளைக் குறிப்பிடுகிறது.
- ISO 10814: நிலைத்தன்மைக்கான பேரிங் தேர்வு குறித்த வழிகாட்டுதலை வழங்குகிறது.
- Industry practice: முதல் கிரிட்டிகல் ஸ்பீடின் 2× க்கு மேல் இயங்கும் உபகரணங்களுக்கு டில்டிங்-பேட் பேரிங்குகள் தரநிலையாகும்.
களத்தில், ரோட்டர் விப் நிலையை அடைவதற்கு முன்பே முன்னறிகுறியைப் பிடிப்பதே அன்றாடப் பாதுகாப்பாகும். பின்வரும் போன்ற ஒரு போர்ட்டபிள் இரு-சேனல் அனலைசர் Balanset-1A lets an engineer record amplitude, phase மற்றும் ஸ்பெக்ட்ரத்தைக் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட ரன்-அப்பின் போது சப்-சின்க்ரோனஸ் பேண்டை நேரடியாகக் கண்காணிக்கவும் — ஒரு நிலையான 1× கையொப்பம் திடீரென முதல் இயற்கை அதிர்வெண்ணுக்கு அருகில் ஒரு பூட்டப்பட்ட, வேக-சார்பற்ற உச்சத்தை வளர்த்தால், ரோட்டர் விப்பின் விளிம்பில் உள்ளது, மேலும் வேகத்தைக் குறைக்க வேண்டும். அதே கருவி, அடிப்படை அன்பேலன்ஸ் சகிப்புத்தன்மை வரம்பிற்குள் உள்ளது என்பதைப் பின்னர் உறுதிப்படுத்துகிறது, அதை ஒரு பங்களிக்கும் தூண்டுதலாக நீக்குகிறது. ஷாஃப்ட் விப் என்பது சரியான பேரிங் தேர்வு மற்றும் வடிவமைப்பினால் சிறப்பாகக் கையாளப்படும் ஒரு பேரழிவு செயலிழப்பு முறையாகவே இருக்கிறது; அதன் தனித்துவமான சப்-சின்க்ரோனஸ், அதிர்வெண்-பூட்டப்பட்ட கையொப்பத்தை அடையாளம் காண்பதே விரைவான கண்டறிதலையும், விலையுயர்ந்த அதிவேக உபகரணங்களைப் பாதுகாக்கும் தீர்க்கமான அவசர பதிலையும் சாத்தியமாக்குகிறது.
