The Thermal Unbalance Effect Induced by a Journal Bearing in Rigid and Flexible Rotors: Experimental Analysis

Dit artikel presenteert experimentele analyses van thermische onbalans veroorzaakt door een journallager in stijve en flexibele rotors, waarbij wordt aangetoond dat de opstarttijd een kritieke factor is die kan leiden tot stabiliteit of tot instabiliteit en lagercontact.

De kern

De "Thermische Dans" van een Rotor: Waarom Machines soms gaan Trillen

Stel je voor dat je een lange, flexibele staaf (een rotor) laat ronddraaien, ondersteund door een paar lagers. Dit is hoe veel grote machines werken, zoals turbines of compressoren. Normaal gesproken draait zo'n ding rustig rond. Maar in dit onderzoek ontdekten de auteurs iets verrassends: soms begint de staaf te trillen, niet omdat hij kapot is, maar omdat hij te warm wordt.

Dit fenomeen heet de Morton-effect. Laten we het uitleggen alsof we een verhaal vertellen, met een paar simpele vergelijkingen.

1. Het Verhaal van de "Hete Vlek" en de "Kromme Staaf"

Stel je voor dat je een lange, dunne ijzeren staaf in een badje met olie draait.

• Het probleem: De olie wrijft tegen de staaf. Omdat de staaf niet perfect in het midden zit (dat is normaal), is de olie aan de ene kant dikker dan aan de andere kant.
• De hitte: Waar de olie het dunst is, is de wrijving het grootst. Hier ontstaat een hete vlek op de staaf.
• De kromming: Net zoals een ijzeren staaf die aan één kant wordt verwarmd, gaat kromtrekken (denk aan een bimetaal in een thermostaat), gaat ook deze draaiende staaf buigen.
• De cyclus: Omdat de staaf nu krom is, gaat hij nog meer trillen. Door die trilling wordt de hitte nog erger, waardoor hij nog meer kromtrekt. Het is een opwaartse spiraal: trillen maakt warm, warm maakt krom, krom maakt trillen.

In de wereld van de techniek noemen ze dit de Newkirk-effect als er direct contact is (wrijving), en de Morton-effect als het alleen door de olie-wrijving komt.

2. De Experimenten: De "Stijve" vs. De "Flexibele" Rotor

De onderzoekers bouwden twee proefopstellingen om dit te testen:

A. De Stijve Rotor (De "Korte Staaf")

• Het karakter: Dit was een korte, stevige staaf.
• Wat er gebeurde: Ze draaiden hem op hoge snelheid. De staaf werd warm, krom een beetje, en de trillingen namen toe.
• Het resultaat: De trillingen groeiden, maar stopten uiteindelijk op een veilig niveau. Het was als een auto die een beetje gaat schommelen op een hobbelig weggetje, maar dan weer stabiliseert.
• De les: Zelfs als de trillingen groot werden, bleef de machine veilig. De "kromming" was niet sterk genoeg om de machine te laten crashen.

B. De Flexibele Rotor (De "Lange Staaf")

• Het karakter: Dit was een veel langere, soepelere staaf met zware schijven eraan.
• Het scenario 1 (Langzaam starten): Als ze de machine heel rustig opstartten (in 180 seconden), gebeurde er hetzelfde als bij de korte staaf: de trillingen namen toe, maar stabiliseerden. Alles bleef veilig.
• Het scenario 2 (Snel starten): Maar toen ze de starttijd halveerden (in 80 seconden), ging het mis.
  • De analogie: Stel je voor dat je een lange, slappe slinger heel snel laat zwaaien. Als je te snel begint, gaat hij wild zwaaien en kan hij tegen de muur slaan.
  • Het resultaat: De trillingen groeiden explosief. De staaf werd zo krom dat hij tegen de behuizing sloeg (contact). De machine moest direct worden gestopt om schade te voorkomen.

3. De Belangrijkste Ontdekkingen

De onderzoekers leerden ons drie belangrijke dingen:

1. De tijd is cruciaal: Het is niet alleen de snelheid die telt, maar hoe snel je opstart. Een snelle start geeft de hitte geen tijd om zich gelijkmatig te verdelen, waardoor de "hete vlek" te heet wordt en de staaf te krom trekt.
2. De vorm van de staaf maakt uit: Een stijve, korte staaf kan dit probleem goed aan. Een lange, flexibele staaf is veel gevoeliger. Vooral de zware schijven aan het uiteinde (de "overhung" disk) zorgden voor de grootste kromming.
3. Het teken van de trilling: Ze keken naar de richting waarin de trillingen draaiden.
   • Bij een stabiele situatie draaide de trilling soms tegen de draairichting in.
   • Bij de gevaarlijke situatie (snel starten) draaide de trilling plotseling mee met de draairichting, als een danser die uit balans raakt en gaat spinnen. Dit was een duidelijk waarschuwingssignaal.

Conclusie in Eenvoudige Woorden

Deze studie laat zien dat machines soms niet breken door mechanische defecten, maar door thermische onbalans. Het is alsof de machine zichzelf "verwarmt" tot hij uit balans raakt.

• Als je een machine langzaam opstart, heeft het systeem tijd om zich aan te passen en blijft het veilig.
• Als je een machine te snel opstart (vooral als hij lang en flexibel is), kan een kleine hitte-opbouw leiden tot een rampzalige kettingreactie van trillingen.

De onderzoekers zeggen: "Weet hoe je machine opstart, want de snelheid waarmee je de knop indrukt, kan het verschil maken tussen een rustige draai en een catastrofe."

Technische samenvatting

Titel

Het thermische onbalanseffect veroorzaakt door een glijlager bij stijve en flexibele rotoren: Experimentele analyse.

1. Het Probleem

Thermische onbalans (bekend als het Morton-effect) is een instabiliteit in rotordynamica waarbij warmte gegenereerd in een gesmeerde glijlager leidt tot een niet-uniforme temperatuurverdeling rond de rotor. Dit veroorzaakt een thermische kromming (bow) van de rotor, wat op zijn beurt de mechanische onbalans verhoogt en leidt tot toenemende synchrone trillingen.

• Uitdaging: Bestaande numerieke tools zijn moeilijk te valideren vanwege gebrek aan industriële testdata. Het effect ontwikkelt zich langzaam (thermische tijdschaal) en kan leiden tot gevaarlijke trillingen of contact tussen rotor en lager.
• Doel: Het experimenteel analyseren van dit effect op zowel een stijve (korte) als een flexibele (lange) rotor om de stabiliteitsgrenzen en het gedrag onder verschillende startcondities te begrijpen.

2. Methodologie

De auteurs hebben een testopstelling ontworpen met twee verschillende rotorconfiguraties, aangedreven door een 1,8 kW DC-motor en ondersteund door een kogellager en een cilindrisch glijlager.

• Testopstelling:
  • Stijve rotor (kort): Lengte 430 mm, draagafstand 198,5 mm. Werkt ver weg van de eerste elastische kritische snelheid.
  • Flexibele rotor (lang): Lengte 700 mm, draagafstand 520 mm. Werkt dicht bij de eerste elastische kritische snelheid (6,6 krpm). Deze rotor heeft zware overhangende schijven.
  • Lager: Cilindrisch glijlager met Teflon-geïncrusteerde brons, radiale speling 52,2 µm, gesmeerd met ISO VG 32 turbineolie.
• Instrumentatie:
  • Inductieve nabijheidssensoren voor trillingen (X en Y richting) aan beide uiteinden.
  • Thermokoppels (T-type) in het lager en op de rotor (via een slipring) om temperatuurverschillen en "hot spots" te meten.
  • Optische sensor voor toerental en fasereferentie.
• Procedures:
  • Langdurige tests bij constante snelheid (7 krpm voor de korte rotor, 6,6 krpm voor de lange rotor).
  • Start-up en afloop-tests (coast-down) met variërende starttijden (180 s vs. 80 s) om het effect van thermische traagheid te onderzoeken.
  • Analyse van synchrone trillingsamplitudes, fasen, temperatuurverschillen en de faseverschuiving tussen de "hot spot" (maximale temperatuur) en de "high spot" (minimale filmspeling).

3. Belangrijkste Bijdragen

• Experimentele Validatie: Het biedt zeldzame experimentele data die het Morton-effect direct koppelt aan temperatuurverschillen in de rotor en het lager.
• Vergelijking Stijf vs. Flexibel: Het toont aan hoe de rotorstijfheid en de relatie met de kritische snelheid het effect beïnvloeden.
• Invloed van Startscenario: Het demonstreert dat de startduur een kritieke factor is voor het triggeren van instabiliteit, zelfs bij dezelfde eindsnelheid.
• Fase-relaties: Gedetailleerde analyse van de faseverschuiving tussen hot spot en high spot, wat inzicht geeft in de aard van de thermische vervorming.

4. Resultaten

A. Stijve (Korte) Rotor bij 7 krpm

• Gedrag: Toonde een stabiele thermische onbalans.
• Trillingen: De synchrone amplitudes namen toe van ca. 14-19 µm naar 26-40 µm, maar stabiliseerden na verloop van tijd. De fase veranderde slechts licht.
• Temperatuur: Het temperatuurverschil op de rotor nam toe van 5,5°C naar 12,5°C. Er was een sterke correlatie (R² = 0,91) tussen het temperatuurverschil en de trillingsamplitude.
• Hysteresis: Tijdens het afremmen (coast-down) was er een duidelijke hysteresis in de trillingsamplitudes, wat bevestigt dat het effect thermisch van aard is en niet direct dynamisch.
• Conclusie: De stijve rotor kon de instabiliteit "absorberen" zonder catastrofale gevolgen, zelfs bij trillingen dicht bij de speling.

B. Flexibele (Lange) Rotor bij 6,6 krpm

• Scenario 1 (Starttijd 180 s):
  • Toonde een stabiel gedrag vergelijkbaar met de korte rotor. Amplitudes en temperaturen stabiliseerden.
  • Hysteresis was aanwezig bij start/stop, wat de thermische oorsprong bevestigde.
• Scenario 2 (Starttijd 80 s - Snelle Start):
  • Triggerde een onstabiele respons. De trillingsamplitudes namen exponentieel toe en de rotor moest na slechts 23 seconden worden afgeremd om contact te voorkomen.
  • De trillingsvectoren draaiden plotseling mee met de rotatierichting (in plaats van er tegenin), wat wijst op een dominante thermische kromming in het overhangende deel van de rotor.
  • Het temperatuurverschil op de rotor nam snel toe (van 6°C naar 12°C), terwijl het lager temperatuurverschil daalde door de grotere trillingen die de temperatuur in het lager homogeniseerden.
• Scenario 3 (Contact):
  • Bij een nog langere duur van de onstabiele fase ontstond licht contact tussen rotor en lager.
  • Dit leidde tot een verdere toename van de gemiddelde temperatuur, maar een afname van het temperatuurverschil in het lager.
  • De faseverschuiving tussen hot spot en high spot naderde 0°, wat aangeeft dat het effect evolueerde naar het Newkirk-effect (direct contact/wrijving) omdat de warmteproductie door contact groter is dan door smeerfilmwrijving.

5. Betekenis en Conclusies

• Startduur is cruciaal: Het onderzoek toont aan dat een snellere start (80 s vs 180 s) de thermische onbalansinstabiliteit kan triggeren, zelfs als de eindsnelheid en de rotorconfiguratie identiek zijn. Dit heeft grote implicaties voor de bedieningsprocedures van industriële machines.
• Rolverdeling rotor: Bij de flexibele rotor was de instabiliteit voornamelijk veroorzaakt door thermische kromming in het overhangende deel (de zware schijf), wat de gevoeligheid voor dit effect verhoogt wanneer de werksnelheid dicht bij de kritische snelheid ligt.
• Overgang naar Newkirk: Het Morton-effect kan evolueren naar het Newkirk-effect (contact) als de trillingen te groot worden, wat de diagnose en het beheer van dit probleem complexer maakt.
• Toekomst: Deze experimentele resultaten vormen de basis voor verdere theoretische modellering en stabiliteitsanalyses (het tweede deel van het onderzoek), wat essentieel is voor het voorspellen en voorkomen van dergelijke instabiliteiten in de industrie.

Kortom, dit artikel levert bewijs dat thermische onbalans niet alleen afhankelijk is van de snelheid en het ontwerp, maar ook sterk beïnvloed wordt door de dynamiek van het opstartproces en de flexibiliteit van de rotor.