Oil Whirl & Oil Whip

با درود و مزید احترام

هدف از این پست، معرفی دو پدیده منجر به خرابی دائم در ژورنال برینگ ها است که در ادبیات مهندسی با عناوین Oil Whirl (چرخش روغن) و Oil Whip (شلاق روغن) شناخته می شوند. لازم به توضیح است که از دیدگاه آنالیز خرابی، هر دو پدیده چرخش و شلاق روغن از جمله پدیده های مشترک بین آنالیز روغن و ارتعاش یک تجهیز محسوب شده و در واقع با اصول پایداری هیدرودینامیک یک تجهیز سروکار دارند.

الف) شرح مساله:

همانگونه که پیش از این گفته بودیم، یکی از وظایف فیلم روغن در ژورنال برینگ ها کمک به انتقال حرارت ناشی از اصطکاک بین سطوح فلزی شفت و ژورنال است که این مهم با تکیه بر دو مکانیزم هدایت (Conduction) و جابجایی (Convection) در لایه مرزی فیلم روغن بین دو سطح انجام می شود. اما، باید توجه داشت که فیلم روغنی که اطراف شفت در جریان است و ضخامت آن نیز بهیچوجه متقارن نیست (شکل های 1 و 2 را ببینید) را نمی توان ثابت فرض کرد. بلکه، این فیلم نامتقارن از روغن همانند شفتی که در حال خنک کاری آن است، در حال چرخش می باشد. اما، نکته اینجا است که سرعت این چرخش با سرعت دوران شفت یکی نیست و چیزی کمتر از نصف آن را تشکیل می دهد.

شکل 1: شماتیکی از چرخش (دوران نامتقارن) شفت درون ژورنال

می دانیم که چرخش شفت از پیک گرادیان فشار روغن ناشی می شود. اما، این حرکت دورانی، بدلیل تراکم ناپذیری روغن، با اندکی حرکت درج جهت عمودی همراه است که موجب عدم تقارن و هم مرکزی حرکت دورانی نسبت به مرکز دوران می گردد. این حرکت عمودی شفت را «خیز دورانی» می نامند که شدت یا ارتفاع آن تابعی از سرعت روتور، وزن روتور، و فشار روغن است. حال اگر شفت در حین حرکت دورانی نامتقارن خود، کنش های نامنظمی (اعم از سِرج یا شوک مکانیکی) را دریافت کند، میزان خیز دورانی آن به تناسب دامنه زمانی شوک دریافتی افزایش خواهد یافت و همین، تعادل مکانیکی بین حرکت شفت و ضخامت فیلم روغن را برهم خواهد زد.

شکل2: شماتیکی از گرادیان فشار روغن و نقطه پیک آن در تقابل با بخش های مختلف ژورنال و شفت

بمنظور جبران این عدم تعادل گذرا بین چرخش شفت و ضخامت فیلم روغن (که با فشار روغن ارتباط مستقیم دارد)، پمپ روغن بصورت اتوماتیک کسری روغن را با پمپاژ روغن اضافی به فضای خالی بین شفت و ژورنال جبران می کند. بدین ترتیب، فشار روغن افزایش یافته و به تبع آن، ضخامت فیلم روغن بین شفت و ژورنال نیز افزایش خواهد یافت که در نتیجه آن، نقطه پیک گرادیان فشار روغن اصلاح شده و الگوی دوران نامتقارن شفت حول نقطه مرکزی برینگ اصلاح خواهد شد. این اصلاح رفتار دورانی، نتیجه میراگری فیلم روغن در برابر ارتعاشات حاصل از ناپایداری های لحظه ای وارده به الگوی دورانی نامتقارن سیستم شفت و ژورنال برینگ است. حال اگر بنا به دلایلی که در ذیل راجع به آنها بحث خواهد شد میراگری فیلم روغن ناکافی بوده یا اصلا وجود نداشته باشد، ارتعاش القا شده به رفتار این سیستم دورانی تشدید شده و به مرور منجر به حرکت دوارنی خشن شفت با ضربات شلاقی کوتاه (اما شدید!) به دیواره ژورنال خواهد شد که می تواند بسته به نوع سیستم، الگوی بارگذاری، و حساسیت آن، صدمات جبران ناپذیری را به همراه داشته باشد.

1. چرخش روغن (Oil Whirl):

بنا به آنچه که در شرح مساله گفته شد، چرخش روغن می توان از عوامل زیر نشات گرفته و یا توسط آنها تشدید شود:

• وجود بارگذاری دینامیک (سبک یا سنگین) یا پیش بار؛

• فاصله بیش از حد مجاز بین ژورنال و شفت (لقی) که می تواند ناشی از مونتاژ نادرست یا سایش باشد؛

• تغییر در خواص روغن (بویژه ویسکوزیته برشی)؛

• هرگونه افزایش یا کاهش در فشار و دمای روغن؛

• عدم طراحی صحیح برینگ (گاهی Overdesign انجام شده برای حصول اطمینان از عملکرد صحیح زیر بار سنگین شفت نیز می تواند در این رده جای گیرد)؛

• نشت یا فرار روغن از آببند (Seal) های مکانیکی؛

• هرگونه تغییر در ضریب میرایی سیستم چرخشی (میرایی پس ماند، یا اصطکاک خشک)؛

• اثرات حرکت جایروسکوپیک (بویژه در پمپ های OH)

  در کنار عوامل فوق، برخی تجهیزات گاه بصورت موردی و تحت تاثیر ارتعاشات القایی ناشی از اتفاقات فرآیندی که حتی ممکن است خارج از یونیت اتفاق افتاده و بواسطه اقلامی چون پایپینگ، اتصالات فرآیندی، یا حتی فونداسیون به تجهیز انتقال یابند، از خود رفتار های ارتعاشی دال بر چرخش روغن نشان می دهند. رفتار هایی از این دست بیشتر ناشی از یکسان بودن یا همپوشانی دامنه فرکانسی ارتعاش وارده به سیستم دورانی با فرکانس رفتار چرخش روغن است. آنچه که شایان توجه است، گذرا بودن این الگوی ناهنجار است و در غیر اینصورت بنا به حساسیت تجهیز، اقدام به ایزوله نمودن آن نمود.

  البته، ارتعاشات ناشی از چرخش روغن براحتی و با آنالیز فرکانسی رفتار ارتعاشی تجهیز قابل شناسایی است. اگرچه، در این خصوص، بین منابع مختلف اختلافاتی هست، اما در مجموع، می توان گفت که فرکانس چرخش روغن بین 40 تا 48 درصد سرعت دوران شفت (برحسب RPM) اتفاق می افتد. به گفته برخی منابع، احتمال وقوع فرکانس ارتعاشی ناشی از چرخش روغن در حد فاصل 40 تا 43 درصد سرعت دوران شفت (RPM) بیشتر از بقیه موارد است (شکل 3 را ببینید). نمودار شکل 3 مراحل آغاز ارتعاش ناشی از چرخش روغن و سپس توسعه آن به شلاق روغن را ازابتدای دوران شفت تا رسیدن سرعت چرخش آن به دور های بالا نشان می دهد.

  

  شکل 3: نمودار رفتار ارتعاشی حین دوران شفت و رسیدن به دو پدیده ناپایداری حاصل از چرخش، و سپس، شلاق روغن

  همانطور که از نمودار مندرج در شکل 3 پیداست، شفت از دور تقریبا 1800RPM وارد منطقه چرخش روغن شده و تا رسیدن به دور 4000RPM در آن منطقه باقی می ماند. در نمودار فوق، سه حالت سرعت دورانی شفت به نمایش درآمده است: 0.5X، 1X، و 2X. منظور از این سه حالت، تمایل به حفظ آهنگ دوران در شفت است. بدین ترتیب که خط 1X رفتار فرکانسی شفتی را نشان می دهد که با یک برابر سرعت دورانی آغازین به سرعت های بالاتر دست می یابد. همین ترتیب را می توان در شفت های با الگوی دورانی 0.5X و 2X مشاهده کرد. با توجه به نمودار شکل 3، می توان دید که در دور 4000RPM، شفتی که از الگوی دورانی 1X در افزایش سرعت دورانی خود پیروی می کند، به منطقه رزونانس وارد شده (به مقیاس محور عمودی سمت راست نمودار توجه کنید) و به همین دلیل، از نیروی کافی بمنظور غلبه بر فرکانس حرکت چرخشی روغن برخوردار می گردد. اما، بمحض خروج تجهیز از مرحله رزونانس (تقریبا پس از 5200RPM) دوباره شاهد بازگشت ارتعاش ناشی از چرخش روغن هستیم.

  بطور کلی، ارتعاشات ناشی از چرخش روغن در محدوده 40 تا 50 درصدی لقی (Clearance) معمول برینگ ها به بیشترین شدت خود رسیده و اقدامات اصلاحی، اعم از تنظیم دمای روغن (یا به بیان بهتر: ویسکوزیته سینماتیک آن)، اصلاح نابالانسی یا ناهمترازی (بمنظور اصلاح الگوی بارگذاری)، اصلاح موقتی الگوی همترازی با توسل به گرم یا سرد کردن پایه های نگهدارنده تجهیز، شیار دار کردن یا اصلاح هندسه شیار برینگ (بمنظور اصلاح پیک گرادیان فشار روغن)، یا تنظیم فشار روغن، در این مورد را می طلبند. اما، چنین اقداماتی تنها بصورت موقت مشکل ارتعاش ناشی از چرخش روغن را حل می کنند و بمنظور حل دائمی این مشکل می توان راهکار هایی اعم از نصب یک پوسته جدید در ژورنال (بمنظور ایجاد لقی یا Clearance جدید)، ایجاد پیش بار در برینگ با توسل به ایجاد موانع مکانیکی برای تنظیم فشار داخلی روغن، یا حتی تعویض کامل برینگ با یک نوع متفاوتی از برینگ که حساسیت کمتری به ارتعاشات ناشی از چرخش روغن داشته باشد (مانند برینگ های با شیار محوری، برینگ های چند بخشی، و برینگ های معروف به tilting pad)، را در نظر داشت.

  

  شکل 4: نمونه ای از برینگ های thrust pad

  حساسیت به بروز ارتعاش حاصل از چرخش روغن در برینگ های tilting pad از آن جهت کمتر محسوب می شود که در ساختار این تیپ از برینگ ها چندین پد یا سگمنت بکار رفته است که هر یک الگوی توزیع فشار مستقلی از فیلم روغن را برای خود داشته و از این رو، نیرو های بیشتری در تراز کردن الگوی دوران شفت در ژورنال دخیل می شوند. همین موضوع به دستیابی الگوی یکنواخت تری از میرایی منجر شده و پایداری کلی سیستم دورانی را بهبود می بخشد.

ج) شلاق روغن (Oil Whip):

با توجه به نمودار شکل های 3 و 5، ارتعاشات ناشی از شلاق روغن وابسته به دو شرط زیر است:

• وجود ارتعاشات ناشی از چرخش روغن (شرط لازم)؛ و

• تقارن فرکانسی چرخش روغن با فرکانس طبیعی سیستم (شرط کافی)

  

  شکل 5: تصویر ساده شده ای از نمودار شکل 3

  البته، در مورد شرط کافی، ذکر این نکته لازم است که برای تقارن فرکانسی، وجود فرکانس طبیعی همیشه لازم نیست! بلکه، گاه (بنا به شرایط تجهیز) فرکانس بالانس روتور یا سرعت بحرانی دوران می تواند جایگزین فرکانس طبیعی سیستم شود. بعنوان مثال، به شکل های 3 و 5 دقت کنید: با رسیدن دور شفت (روتور) به 9200RPM و سپس عبور از آن، فرکانس طبیعی آن با فرکانس طبیعی حاصل از دوران در سرعت 2X در حالت بالانس منطبق می گردد. در این زمان، فرکانس ناشی از ارتعاش چرخش روغن که حدود 43 درصد از RPM را تشکیل می داد، با این سرعت بحرانی تلفیق شده و ناگهان ناپایداری دینامیکی که تاکنون ناشی از چرخش روغن بود، در یک لحظه به ناپایداری حاصل از شلاق روغن ارتقا مقام می یابد! جالب توجه است که فرکانس ناشی از شلاق روغن، برخلاف فرکانس حاصل از چرخش روغن، ثابت بوده و از سرعت دوران روتور (RPM) کاملا مستقل است. بدین ترتیب، حتی در صورتیکه سرعت دوران تجهیز بیشتر شود (حتی تا 12000RPM) نیز فرکانس حاصل از شلاق روغن همان خواهد بود!

  وقتی یک سیستم دورانی وارد محدوده ارتعاشی شلاق روغن می شود، کلیه عوامل موثر بر پایداری دینامیکی آن حذف شده و تنها دو عامل جرم و سماجت مکانیکی (Stiffness) آن در لیست باقی می مانند. در میان عوامل موثر بر دامنه نوسان آن نیز، تنها لقی (Clearance) برینگ های آن است که بر پایداری دینامیکی آن تاثیر می گذارد. بدین ترتیب، اگر تجهیز وارد مرحله ارتعاشی شلاق روغن شده و فرکانس آن کنترل یا تصحیح نشود، ارتعاشات وارده به سیستم دورانی آن می تواند اثرات بسیار مخربی داشته باشد.

  اما، این همه ماجرا نیست! در برخی از تجهیزات که مدار روغنرسانی آنها به ژورنال برینگ ها نشتی داشته باشد یا از روانکار اشتباه در آنها استفاده شده باشد، عیب ارتعاشی دیگری با عنوان «شلاق خشک» رخ می دهد که از نظر تطابق فرکانسی و اثرات مخرب آن، کاملا قابل مقایسه با شلاق روغن است. اما، دلیل بوجود آمدن آن چیز دیگری است. چراکه ارتعاش ناشی از شلاق خشک زمانی اتفاق می افتد که اصطکاک شدیدی بین برینگ ثابت و ژورنال متحرک رخ داده باشد. این اصطکاک، که بدلیل فقدان یا کمبود فیلم روغن (در اثر Clearance زیاد یا نشت روغن یا عدم پایداری حرارتی روغن، در صورت انتخاب یا شارژ اشتباه) رخ می دهد، اثرات ارتعاشی را تشدید کرده و از نظر تخریبی، اثربخشی زودهنگام نسبت به شلاق روغن دارد.

  شلاق خشک درست مانند کشیدن انگشت تر روی سطح خشک یک شیشه است. با انجام این عمل، خیلی زود متوجه ارتعش و صدای زوزه مانند خواهید شد که رفتار اصطکاکی المان های برینگ خشک را تداعی می کند. در صورت تشخیص شلاق خشک در رفتار ارتعاشی یک تجهیز، ابتدا باید وضعیت شارژ روغن و نوع آن را مورد بررسی قرار داده و سپس بدنبال مواردی چون نشت مدار و Clearance برینگ ها بود.

Case Study شماره 1: ارتعاش ناشی از چرخش روغن در یک Chiller Unit

برینگ های داخلی یک توربین بخار که تاسیسات مربوط به چیلر یونیت یک مجتمع دانشگاهی در ایالات متحده را بکار می انداخت چندین بار پشت سر هم خراب شد. بازرسی ها نشان می داد که نیمه فوقانی برینگ ها طوری ساییده شده است که بابیت از سطح داخلی برینگ جدا شده و در بخشی از برینگ عملا دیگر بابیتی وجود ندارد. نمودار های طیفی (اسپکتروم) ارتعاشی نشان دهنده رفتار ارتعاشی Subsynchronous بودند که نشان از وقوع چرخش روغن در کوپلینگ ها بود. با بازرسی های بیشتر، احتمال ناهمترازی مطرح شد. اما، اندازه گیری های انجام شده حاکی از تناسب خوب وضعیت دورانی سیستم بود. در نهایت، با اندازه گیری لیزری وضعیت حرکتی دو تجهیز (چیلر و توربین) مشخص شد که این چیلر است که رفتار دورانی نامتقارنی از خود نشان می دهد و عیب از برینگ های توربین نیست. با توسل به آنالیز خرابی (روش Root Cause)، مشخص شد که سرد شدن یونیت در چیلر، حرکات انقباضی ناشی از سرمایش منجر به کشیده شدن شفت برینگ ها به سمت چیلر می گردد و همین باعث ایجاد خیز در شفت متصل به برینگ های توربین شده و موجب ناپایداری الگوی دورانی برینگ های توربین می گردد.

Case Study شماره 2: ارتعاش ناشی از شلاق روغن در یک توربین 500 مگاواتی

یک توربین نیروگاهی رفتار بسیار غریبی از خود نشان می داد. بدین ترتیب که عملکرد آن برای چند ماه کاملا نرمال و طبیعی بود. اما، پس از توقف بمنظور بازدید های دوره ای (که چند ساعت بیشتر طول نمی کشید)، راه اندازی مجدد آن عملا غیرممکن بود. با بازرسی های انجام شده مشخص شد که ارتعاشات بسیار شدید ناشی از شلاق روغن در برینگ های روتور LP مانع از راه اندازی مجدد توربین است. جالب اینجا بود که اگر توربین را بمدت یکی دو روز به حال خود رها می کردند، توربین براحتی Restart می شد! یک آزمایش نشان داد که با آفلاین کردن توربین، راه اندازی مجدد براحتی امکانپذیر بود! همه این نشانه ها دال بر یک مشکل حرارتی در همترازی این سیستم دورانی بود. از آنجا که امکان نصب و بکار گیری ابزار اندازه گیری همترازی روی یک توربین در حال کار فراهم نبود، از یک سیستم ابتکاری بمنظور پایش جابجایی های صورت گرفته در حین کار توربین استفاده شد. بدین ترتیب، امکان اندازه گیری و نظارت بر خیز عمودی برینگ ها فراهم شد. این اندازه گیری ها نشان داد که با اعمال بارگذاری خلا در کل سیستم، برینگ های روتور LP به میزان زیادی بسمت پایین حرکت کرده و اصطلاحا خود را می اندازند! و وقتی که بارگذاری ناشی از برقراری خلا برداشته شد و یونیت شروع به خنک شدن کرد (بخش LP سریعتر از بخش HP خنک می شد) انقباض نامتقارن بوجود آمده در سیستم دورانی باعث بار برداری زودتر از موعد از برینگ های LP شده و رفتار ارتعاشی ناشی از چرخش روغن را در آنها باعث می شد. در مرحله بعد، با سرعت گرفتن سیستم، فرکانس ارتعاشی حاصل از چرخش روغن با فرکانس طبیعی اول روتور منطبق شده و به رفتار ارتعاشی شلاق روغن بدل می شد. بدین ترتیب، و بمنظور جلوگیری از هات استارت آپ در روتور LP، برینگ های آن بطور کامل با نوع Tilting Pad عوض شدند.