ارتعاش یکی از مهمترین مشکلات در توربوماشینهاست که باعث کاهش عمر مفید، افت راندمان، آسیب مکانیکی و تولید نویز میشود. هرگونه ارتعاش بیش از حد نشاندهندهی خرابی یا ضعف در اجزای ماشین است. این مقاله دلایل اصلی ارتعاش، آزمایشهای انجامشده و نتایج به دست آمده در ماشینهای مختلف را مرور میکند.
عوامل کلی ایجاد ارتعاش
کاویتاسیون:
کاویتاسیون پدیدهای است که در پمپها، پروانهها یا تجهیزات هیدرولیکی رخ میدهد، زمانی که فشار موضعی سیال به کمتر از فشار بخار آن برسد. در این حالت، حبابهای بخار تشکیل شده و سپس در نواحی با فشار بالاتر ناگهان متلاشی میشوند. ترکیدن این حبابها باعث ایجاد امواج ضربهای و فشارهای لحظهای بسیار زیاد میشود که ارتعاش، صدا و حتی آسیب سطحی به اجزای فلزی را به دنبال دارد.
عدم بالانس روتور:
وقتی توزیع جرم در روتور یکنواخت نباشد، مرکز جرم از محور دوران فاصله میگیرد. این موضوع باعث ایجاد نیروی گریز از مرکز در هر دور چرخش میشود که شدت آن با سرعت دوران افزایش مییابد. چنین وضعیتی منجر به ارتعاش شدید، کاهش عمر یاتاقانها و حتی شکست مکانیکی در سیستم میشود.
بار دینامیکی و رزونانس:
بارهای متناوب یا متغیر در طول کارکرد ماشین میتوانند بهطور پیوسته بر سیستم اثر بگذارند. اگر فرکانس این بارها با فرکانس طبیعی اجزای مکانیکی همپوشانی پیدا کند، پدیدهی رزونانس رخ میدهد. در این حالت دامنه ارتعاش به شدت افزایش یافته و ممکن است باعث خرابیهای فاجعهآمیز در سازه یا ماشین شود.
جابجایی یا ناهممحوری شفت:
وقتی شفت بهدرستی مونتاژ نشود یا تحت تغییرات حرارتی و مکانیکی جابجا شود، تراز بین اجزا به هم میخورد. این ناهممحوری باعث میشود بار بهطور نامتقارن روی یاتاقانها و کوپلینگها وارد شود. در نتیجه ارتعاشات غیرعادی، سایش سریع و کاهش بازدهی سیستم رخ خواهد داد.
کاهش یکپارچگی مکانیکی:
سیستمهای مکانیکی برای عملکرد پایدار به اتصالات محکم و اجزای سالم نیاز دارند. شل شدن پیچها، ترکهای سازهای، خوردگی قطعات یا خرابی یاتاقانها یکپارچگی مکانیکی را تضعیف میکند. این ضعف موجب افزایش ارتعاشات، بروز لقی در اجزا و در نهایت توقف یا خرابی کامل سیستم میشود.
سایش مکانیکی:
سایش در اجزایی مانند بلبرینگها و یاتاقانهای لغزشی به مرور باعث تغییر شکل سطح و افزایش لقی میشود. با این فرسودگی، پایداری فیلم روانکار مختل شده و تماس فلز با فلز رخ میدهد. این وضعیت ارتعاشات شدید، افزایش دما و حتی قفل شدن اجزای دوار را در پی خواهد داشت.
ارتعاش در توربینها
ارتعاش در توربینها یکی از مهمترین موضوعات در نگهداری و بهرهبرداری این تجهیزات است. در این میان، سلامت شفت و پرهها نقش حیاتی دارد، چرا که هرگونه آسیب در این بخشها میتواند عملکرد کل سامانه را مختل کند و منجر به هزینههای سنگین تعمیر یا توقف فرایند شود.
یکی از چالشهای اصلی در این زمینه، پدیده رزونانس است. اگر فرکانس طبیعی پرهها با محدوده کاری توربین همپوشانی داشته باشد، رزونانس رخ میدهد و این موضوع میتواند شکست پرهها و خستگی سیکلی بالا (HCF) را به دنبال داشته باشد. به همین دلیل، طراحی و بهرهبرداری باید به گونهای باشد که از قرار گرفتن در این شرایط اجتناب شود.
برای پیشگیری از خرابی زودرس، تحلیل ارتعاش پرهها بهوسیله روش تحلیل المان محدود (FEM) و همچنین آزمایشهای ارتعاش اجباری انجام میگیرد. این بررسیها امکان پیشبینی رفتار پرهها در شرایط مختلف را فراهم کرده و راهکارهایی برای بهبود دوام آنها ارائه میدهد.
در توربینهای محوری، برهمکنش بین روتور و استاتور اصلیترین عامل تحریک پرهها به شمار میرود. این برهمکنش میتواند منجر به ارتعاشات شدیدی شود که در صورت کنترل نشدن، عملکرد کلی دستگاه را مختل خواهد کرد.
در مقابل، در توربینهای شعاعی، ارتعاش پرهها بیشتر تحت تأثیر نوسانات گشتاور و تحریکهای آیرودینامیکی قرار دارد. مطالعه و کنترل این عوامل کمک میکند تا از بروز مشکلات مکانیکی و کاهش عمر مفید توربین جلوگیری شود.
ارتعاش در کمپرسورها
ارتعاش در کمپرسورها یکی از مهمترین مشکلاتی است که بر عملکرد و طول عمر این تجهیزات اثر میگذارد. علت اصلی این ارتعاشات معمولاً به دو عامل اساسی بازمیگردد: بیثباتی آیرودینامیکی جریان هوا و عدم بالانس پرهها. وقتی جریان هوا در داخل کمپرسور ناپایدار باشد یا پرهها بهطور یکنواخت توزیع جرم نداشته باشند، نیروهای نامتقارن ایجاد شده و به ارتعاشات شدید منجر میشود.
در یک سری آزمایشها که روی روتور کمپرسور مدل Rolls-Royce Spey انجام شد، مشاهده گردید که توزیع نامنظم جرم پرهها و ضعف در میزان میرایی سیستم، از دلایل اصلی ارتعاش شدید هستند. در واقع، وجود عدم بالانس کوچک در یک پره میتواند به دلیل سرعت بسیار بالای دوران، اثر بزرگی بر کل سیستم بگذارد و یاتاقانها و اجزای پشتیبان را تحت فشار قرار دهد.
نتایج تحلیلهای تئوری و تجربی نیز نشان دادند که تمامی پرهها لزوماً بار و تنش یکسانی تحمل نمیکنند. حتی ممکن است یک پره نسبت به سایر پرهها تنش بسیار بیشتری را تجربه کند. این موضوع میتواند منجر به خستگی زودرس آن پره شده و در صورت شکست، صدمات جدی به کل کمپرسور وارد کند. بنابراین، کنترل دقیق شرایط کاری و استفاده از روشهای بالانس دینامیکی، برای کاهش ارتعاشات و جلوگیری از شکست پرهها اهمیت فراوان دارد.
ارتعاش در پمپها
ارتعاش در پمپها میتواند از دو منبع اصلی ناشی شود: عوامل مکانیکی و عوامل هیدرولیکی. عوامل مکانیکی شامل مشکلاتی مانند شفت خمیده، بالانس نبودن قطعات چرخان و خرابی یاتاقانها هستند که باعث ایجاد لرزش در ساختار پمپ میشوند. از سوی دیگر، عوامل هیدرولیکی همچون کاویتاسیون، جدایش جریان و پدیده چکش آبی نیز از دلایل مهم ارتعاش در پمپها به شمار میروند.
علاوه بر این موارد رایج، دو علت غیرمعمول نیز در ایجاد ارتعاش نقش دارند. نخست حلقههای سایش (Wear Rings) که در صورت آسیبدیدگی یا خرابی، موجب ناپایداری و لرزش در سیستم میشوند. دوم، کارکرد پمپ دور از نقطه بیشترین راندمان (BEP) است که در این شرایط، نیروهای نامتقارن به پروانه وارد شده و وضعیت مکانیکی ناپایداری ایجاد میکنند.
برای کنترل و تشخیص این ارتعاشات، از روشهای متنوع پایش وضعیت استفاده میشود. مهمترین این روشها عبارتند از: بهکارگیری شتابسنجهای پیزوالکتریک جهت اندازهگیری لرزش، استفاده از تحلیل جریان–سازه (FSI) برای بررسی برهمکنش هیدرولیک و سازه، و همچنین تحلیل سیگنال جریان موتور که میتواند به شناسایی زودهنگام مشکلات کمک کند.
ارتعاش در فنها
ارتعاش در فنها یک پدیده اجتنابناپذیر است، زیرا این تجهیزات به دلیل دوران مداوم همواره در معرض نیروهای دینامیکی قرار دارند. با این حال، اگر دامنه ارتعاش از حد مجاز فراتر رود، مشکلات جدی به وجود میآید. ارتعاش بیش از حد میتواند منجر به خرابی بلبرینگها و از بین رفتن روانکار شود، همچنین فشارهای اضافی ناشی از ارتعاش زمینهساز شکستهای سازهای خواهد بود.
علاوه بر این، ارتعاش شدید باعث تولید نویز قابل توجهی میشود که نهتنها برای اپراتورها آزاردهنده است، بلکه میتواند به آلودگی صوتی در محیط صنعتی نیز دامن بزند. همچنین، افزایش ارتعاش موجب کاهش بازدهی موتورهای القایی متصل به فن شده و راندمان کلی سیستم را کاهش میدهد. در نتیجه، پایش ارتعاش و کنترل آن برای اطمینان از عملکرد پایدار فنها اهمیت ویژهای دارد.
نتایج آزمایشهای تجربی نشان دادهاند که در دورهای بالا، فشارهای مکانیکی ناشی از ارتعاش باعث ایجاد ترک در پرهها میشوند. این ترکها معمولاً در لبههای انتهایی یا نقاط اتصال پرهها به دیسک رخ میدهند و در صورت بیتوجهی میتوانند به شکست کامل پره منجر شوند. بنابراین، استفاده طولانیمدت از فنها در سرعتهای بیش از حد توصیهشده، خطرات جدی به همراه دارد.
برای پایش و تشخیص ارتعاش در فنها، استفاده از حسگرهای دقیق ضروری است. در میان حسگرهای موجود، شتابسنج ICP بهترین گزینه معرفی شده است. این نوع شتابسنج به دلیل حساسیت بالا، توانایی ثبت ارتعاشات با دامنه کم و مقاومت در شرایط محیطی سخت، انتخاب مناسبی برای صنایع محسوب میشود. بهکارگیری چنین ابزارهایی امکان تشخیص زودهنگام خرابیها را فراهم کرده و از توقفهای ناگهانی و هزینههای سنگین تعمیرات جلوگیری می کند.
مقایسه ارتعاشات در توربوماشینهای مختلف
| ماشین | عامل بحرانی |
عوامل اصلی ارتعاش |
| توربین | تماس روتور-استاتور |
عدم بالانس، ناهممحوری، کمبود روانکاری، تماس روتور-استاتور |
| کمپرسور |
عدم بالانس پرهها |
تحریک آیرودینامیکی، ناهمگنی پرهها، نسبت جرم–فرکانس |
| پمپ |
کاویتاسیون |
کاویتاسیون، شفت خمیده، یاتاقان خراب، چکش آبی |
| فن | عدم بالانس روتور |
شفت معیوب، پره نامتقارن، یاتاقان خراب، انباشت ذرات |
جمعبندی
- کاویتاسیون و رزونانس دو عامل اصلی ارتعاش در بیشتر توربوماشینها هستند. کاویتاسیون با تشکیل و انفجار حبابها در سیال، شوکهای محلی ایجاد کرده و باعث لرزش شدید میشود، در حالیکه رزونانس زمانی رخ میدهد که فرکانس تحریک با فرکانس طبیعی سیستم همپوشانی داشته باشد. این دو پدیده بیشترین سهم را در بروز ارتعاشات مخرب و کاهش عمر تجهیز دارند.
- در توربینهای محوری، فشار سیال ورودی عامل اصلی ارتعاش محوری است. تغییرات فشار در ورودی پرهها نیروهای نوسانی به شفت وارد میکند و موجب ارتعاشات محوری میشود. این ارتعاشها در صورت کنترل نشدن، به یاتاقانها و آببندها آسیب میرسانند.
- در توربینهای شعاعی، فقط مودهای جفتشده پره–دیسک تحریک میشوند. به دلیل کوچک بودن جرم پره نسبت به کل روتور، تحریک ارتعاشی بیشتر در مودهای ترکیبی پره و دیسک رخ میدهد. این پدیده نشان میدهد که طراحی و پایش پرهها برای جلوگیری از شکست اهمیت زیادی دارد.
- در کمپرسورها، نامیزانی پرهها بیشترین نقش را در ارتعاش دارد. حتی یک پره نامیزان میتواند باعث ایجاد تنشهای بالاتر از سایر پرهها شود. این وضعیت در سرعتهای بالا منجر به خستگی زودرس و احتمال شکست پره میشود و کل سیستم را تحت تأثیر قرار میدهد.
- در پمپها، ارتعاشات مکانیکی، هیدرولیکی و جانبی همگی نقش دارند. مشکلاتی مانند شفت خمیده، کاویتاسیون، جدایش جریان و چکش آبی از منابع اصلی ارتعاش هستند. ترکیب این عوامل نهتنها موجب خرابی اجزا میشود بلکه راندمان هیدرولیکی پمپ را نیز کاهش میدهد.
- در فنها، کارکرد طولانیمدت در دور بالا میتواند ترک در پرهها ایجاد کند. فشارهای مکانیکی مداوم در سرعتهای بالا به تدریج باعث ایجاد ترک در نقاط اتصال یا لبه پرهها میشود. این ترکها اگر شناسایی نشوند، به شکست کامل پره و توقف ناگهانی فن منجر خواهند شد.
- پایش وضعیت و استفاده از حسگرهای ارتعاش و شبیهسازی عددی برای جلوگیری از خرابی زودهنگام ضروری است. روشهای نوین مانند نصب شتابسنجها، آنالیز ارتعاشات و مدلسازی عددی میتوانند مشکلات را پیش از وقوع خرابی جدی شناسایی کنند. این اقدامات از توقف ناخواسته تجهیزات و هزینههای تعمیراتی سنگین جلوگیری میکنند.
مراجع
Doshi, Shivam, et al. “A review on vibrations in various turbomachines such as fans, compressors, turbines and pumps.” Journal of Vibration Engineering & Technologies 9.7 (2021): 1557-1575.