Hiểu về sự xoáy của rotor và sự bất ổn định của roi
Xoáy and whip — most often encountered as xoáy dầu và dầu whip — là hai dạng liên quan và cực kỳ nguy hiểm của các dao động tự kích thích, không đồng bộ rung động xảy ra trong máy móc quay với tốc độ cao chạy trong các vòm bi lỏng (journal) vòm bi. Chúng không phải là rung động cưỡng bức driven by faults such as mất cân bằng hoặc sự không thẳng hàng; thay vào đó chúng là sự bất ổn của rôto trong đó chuyển động của rotor chính nó tạo ra những lực chính xác đó duy trì và khuếch đại rung động. Trong cả hai trường hợp, trục “quay vòng” — nó tiến hành chuyển động tiền cảnh trong quỹ đạo lớn bên trong vòm bi của nó, vạch một con đường hoàn toàn tách biệt từ spins của nó.
1. Định nghĩa: Whirl và Whip là gì?
Nó đáng giá để tách biệt hai ý tưởng mà thuật ngữ hàng ngày “whirl” làm cho không rõ ràng. Spin là rotor quay quanh trục hình học của riêng nó. Xoáy (hoặc tiền cảnh) là quỹ đạo của trục đó như một toàn thể xung quanh một vòng tròn lớn hơn bên trong vòm bi — hình dung một đồng xu quay mà tâm của nó cũng vòng quanh bàn. Tất cả các rotor đều quay vòng một chút; rắc rối bắt đầu khi quay vòng ngừng là một phản ứng lành tính đối với mất cân bằng còn lại and becomes self-excited, lấy năng lượng của nó từ vòng quay liên tục thay vì từ bất kỳ lực bên ngoài nào. Dầu whirl là chuyển động tiền cảnh tự kích thích được điều khiển bởi lớp dầu vòm bi; dầu whip là cộng hưởng bạo lực nó có thể phát triển thành. Bởi vì nguồn năng lượng là vòng quay chính nó, những bất ổn này không thể được cân bằng — một sự tương phản rõ ràng với các vấn đề đồng bộ.
2. Cơ chế: Nó xảy ra như thế nào?
Trong một vòng bi chứa dầu (fluid-film bearing), trục quay được hỗ trợ không phải bằng tiếp xúc kim loại-kim loại mà bằng một nêm dầu áp suất cao. Trục không nằm ở tâm của vòng bi; nó trượt lên một phía, bị dịch chuyển bởi tải nó mang. Khi bề mặt trục báo kéo dầu xung quanh khoảng hẫng hình vành khuyên, chất bôi trơn lưu thông với tốc độ tốc độ trung bình thấp hơn một chút so với nửa tốc độ bề mặt của trục — chất lỏng tiếp xúc với trục chuyển động ở tốc độ trục, chất lỏng chống lại tường vòng bi cố định gần như đứng yên, và giá trị trung bình tổng thể hạ mục tiêu ngay dưới 0,5×.
Vòng xoáy dầu xảy ra khi bộ phim lưu thông này bắt đầu “đẩy” trục được tải nhẹ phía trước, quét nó vào một quỹ đạo phía trước lớn xung quanh vòng bi. Tần số của vòng xoáy được xác định bởi vận tốc trung bình của bộ phim dầu, thường nằm trong khoảng 42% và 48% tốc độ chạy (0,42× đến 0,48×). Chữ ký dưới đồng bộ riêng biệt đó — gần bằng nhưng không bao giờ chính xác, một nửa của tốc độ vận hành — là dấu tay mà các nhà phân tích tìm kiếm. (Con số “thấp hơn một chút so với nửa” cũng là lý do tại sao vòng xoáy dầu đôi khi được gọi một cách lỏng lẻo là “vòng xoáy nửa tốc độ,” mặc dù giá trị thực không bao giờ đạt đến 0,5×.)
3. Vòng Xoáy Dầu: Tiền Chỉ
Vòng xoáy dầu thường là giai đoạn mở đầu của sự không ổn định — một cảnh báo, chưa phải là một thảm họa. Các đặc tính của nó là:
- Tính thường xuyên: xuất hiện như một đỉnh riêng biệt trong FFT quang phổ giữa 0,42× và 0,48× của RPM.
- Behaviour: the whirl frequency increases khi máy tăng tốc độ, luôn theo dõi tỷ lệ ~45% đó của tốc độ chạy. Trên một chạy lên, nó leo lên như một bóng dưới đồng bộ dưới đường 1×.
- Mức độ nghiêm trọng: nó có thể tạo ra rung động cao nhưng đôi khi ổn định, và nó có thể xuất hiện hoặc biến mất khi tải, tốc độ hoặc nhiệt độ dầu thay đổi. Không mong muốn, chắc chắn — nhưng không phải lúc nào cũng có tính chất phá hủy ngay lập tức.
- Độ nhạy: các vòng bi được tải nhẹ, kích thước quá lớn hoặc mòn là những thủ phạm thường xuyên, vì tải cụ thể thấp cho phép nêm dầu thống trị vị trí của trục.
4. Vòng Xoáy Dầu: Nguy Hiểm Tới Hạn
Vòng xoáy dầu là một tình trạng nghiêm trọng hơn nhiều phát triển trực tiếp từ vòng xoáy dầu. Nó xảy ra khi máy tăng tốc đến điểm mà tần số vòng xoáy dầu (khoảng 45% tốc độ chạy) leo lên để gặp first tần số tự nhiên — its first tốc độ tới hạn. Tại thời điểm đó, xoáy “khóa vào” tần số tự nhiên và tạo ra một sự cộng hưởng. Các đặc điểm của nó là:
- Tính thường xuyên: rung động khóa vào tần số tự nhiên đầu tiên của rotor và does not rise any further, thậm chí khi máy tiếp tục tăng tốc — vì vậy đỉnh sub-synchronous “phẳng ra” trong khi đỉnh 1× tiếp tục tăng.
- Biên độ: rung động trở nên rất lớn, trở nên bạo lực và không ổn định.
- Behaviour: xoáy dầu cực kỳ có tính phá hoại và sẽ không rõ ràng bằng cách tăng tốc thêm. Nó có thể phá hủy các vòng bi, dây niêm phong và rotor trong một khoảng thời gian rất ngắn, đôi khi qua tiếng kêu do cánh quạt cọ xát khi quỹ đạo lấp đầy không gian trống.
Tốc độ mà tại đó xoáy bắt đầu thường chỉ vừa vặn gấp đôi tốc độ tới hạn đầu tiên của rotor — điểm mà tại đó đường xoáy ~0,5× cắt tần số tự nhiên đầu tiên. Một máy bị xoáy dầu khống chế cần phải tắt máy; đây chính xác là tình huống mà bảo vệ máy móc các hệ thống được xây dựng để kích hoạt.
5. Cách Xác Định Xoáy và Xoáy Dầu
- Phân tích phổ: tìm kiếm một đỉnh sub-synchronous mạnh. Trong quá trình khởi động, nếu tần số của đỉnh đó tăng theo tốc độ thì đó là xoáy; nếu nó “phẳng ra” tại một giá trị cố định trong khi đỉnh 1× tiếp tục tăng, nó đã chuyển thành xoáy dầu.
- Orbit plot: quỹ đạo trục là một hình tròn hoặc elip lớn, xoáy về phía trước, thường có thành phần 1× chồng lên trên để tạo ra một mô hình “vòng lặp” đặc trưng.
- Khu vực thác nước: một biểu đồ thác nước (hoặc cascade) từ một khởi động cho hình ảnh rõ ràng nhất có thể, cho thấy tần số xoáy tăng theo tốc độ cho đến khi nó cắt tần số tự nhiên đầu tiên và khóa vào xoáy dầu. Lập bản đồ những giao điểm đó chính xác là những gì mà Biểu đồ Campbell is for.
Bởi vì xoáy và xoáy dầu nằm dưới 1×, bộ phân tích phải đạt tốc độ chạy thấp hơn nhiều và giải quyết pha chính xác. Một dụng cụ di động hai kênh như Balanset-1A captures the synchronised biên độ and giai đoạn của thành phần tốc độ chạy trong quá trình khởi động hoặc hạ cánh, cho phép một kỹ sư xác nhận tại chỗ rằng một đỉnh tần số thấp cố chấp là một độ không ổn định của vòm bi thực sự chứ không phải là mất cân bằng thông thường — và, cũng hữu ích như vậy, loại bỏ một vấn đề cân bằng trước khi theo đuổi một bản sửa mà không bao giờ sẽ hoạt động.
6. Nguyên nhân và Giải pháp
Các sự bất ổn định này được chi phối bởi thiết kế vòng bi, hình học rotor, độ nhớt dầu, nhiệt độ và tải trọng — một tập hợp các tương tác phức tạp được nắm bắt chính thức trong động lực học rôto. Chúng không được gây ra bởi mất cân bằng và không thể được khắc phục bằng cân bằng; các giải pháp là những thay đổi ở cấp độ thiết kế:
- Chuyển sang một hình học vòng bi ổn định hơn, chẳng hạn như vòng bi trục tilting-pad.
- Thay đổi độ nhớt dầu hoặc nhiệt độ hoạt động để thay đổi hành vi của màng.
- Tăng tải trọng vòng bi cụ thể để trục ngồi chắc chắn hơn và nêm dầu không còn có thể thống trị.
- Thêm rãnh, đập trục hoặc hình dáng lemon-bore để phá vỡ dòng chảy dầu chu vi mà cung cấp cho whirl.
A closely related instability, xoáy nước, phát sinh từ các lực khí động học hơn là các lực màng dầu trong tua-bin nhưng tạo ra một bức tranh sub-đồng bộ tự kích thích tương tự — một lời nhắc nhở rằng “whirl” là một gia đình các hiện tượng được thống nhất bởi một đặc điểm: rotor cung cấp năng lượng cho quỹ đạo của chính nó.
