هر قطعهای از ماشین آلات صرف نظر از اندازه یا پیکربندی دارای فرکانسی طبیعی یا تشدید است، کمپرسورها هم از این قاعده مستثنی نیستند. تکنیکهای مختلفی برای تحلیل و پیشبینی ارتعاشات کمپرسور در مراحل طراحی و بهرهبرداری به کار گرفته میشود. اگر فرکانس تشدید یا سرعت بحرانی کمتر از فرکانس یا سرعت عملیاتی باشد، کمپرسور دارای شافت منعطف و اگر این فرکانس بالاتر از سرعت عملیاتی و کاری باشد، دارای شافت سخت فرض میشود. تقریبا تمام کمپرسورهای محوری شافت انعطاف پذیر دارند و این بدان معناست که سرعت کاری آنها بالاتر از سرعت تشدید یا سرعت بحرانی میرا نشده است. فرکانس تشدید در کمپرسورهای سانتریفیوژ به تعداد پروانهها و اندازهی شافت بستگی دارد. این کمپرسورها بر اساس پارامترهای مذکور هم در دستهی شافتهای منعطف و هم در دستهی شافتهای سخت طبقهبندی میشود. بلوئرها، کمپرسورهای پیستونی و کمپرسورهای اسکرو عموما در دستهی شافت سخت قرار میگیرند و این به موجب سرعت پایینتر عملیات آنهاست. البته برخی از مدلهای کمپرسور پیستونی که موتور و کمپرسور مجزا دارد بسته به تعداد سیلندر و نوع محرک در دستهی شافتهای منعطف قرار میگیرد.
طراحی روتور کمپرسور چه ربطی به ارتعاشات آن دارد؟
ارتعاشات کمپرسور از جمله عوامل موثر بر طراحی روتور کمپرسور است و این مسئله در مدلهای مختلف کمپرسور بسیار متفاوت است. عوامل فیزیکی مختلفی از جمله تعداد، اندازه و چیدمان پروانهها یا پیستونها، فواصل بیرینگها، طراحی محفظهی بیرینگ، ضروریات گشتاور کمپرسور، انتخاب کوپلینگ و پارامترهای سیستمی مانند جریان حجمی، نسبت فشار المنت یا ایرند و محدودهی سرعت کاری همگی بر فرکانس طبیعی و در نتیجه طراحی روتور کمپرسور موثر است.
موتور و سیستم محرکهی کمپرسور و تمامی اجزای آن و تمام قطعات متصل مکانیکی بایستی با تحلیلهای دقیق ارتعاشات بررسی شود. پیچیدگی روتور کمپرسور اهمیتی نداشته و تحلیلهای ارتعاشات جانبی و پیچشی همزمان باید بر روی اقسام ساده و پیچیدهی روتور کمپرسور اعمال شود. تحلیل پایداری دینامیکی برای روتور کمپرسور و تکیهگاه آن ضروری بوده و این مهم در تمام شرکتهای تولیدکنندهی کمپرسور هوا مورد توجه است.
چرا تحلیل پایداری دینامیکی روتور در مواجهه با ارتعاشات کمپرسور ضروری است؟
تحلیل پایداری دینامیکی روتور به دنبال علل احتمالی ناپایداری فرکانس جزئی یا حرکت تقدیمی نامنظم است که از جملهی آن میتوان به مولفهی ارتعاشی بزرگی در نزدیکی نخستین موقعیت خمشی اشاره کرد. چنین مولفهای ارتعاشات بیش از حد و خطرناکی را برای روتور و مواجهه با آن خطر خروج سیستم از کنترل و بزرگی ارتعاشات در حد جابجایی کمپرسور بر روی فونداسیون یا تخریب آن را به همراه دارد. هیچکس دوست ندارد کمپرسور داخل کمپرسورخانه همچون لباسشویی قدیمی داخل آشپزخانه راه بیفتد.
شکل زیر مسیرهای چرخشی ناپایداری هیدرودینامیکی بیرینگ یا یاتاقان کمپرسور را نشان میدهد. با این روش ژورنال شافت دوار و گوهی روغن در داخل یاتاقان را مشاهده میکنند. استاندارد ۶۱۸ موسسه نفت ایالات متحده محدودهی ۱۰ درصدی سرعت شافت کاری را به عنوان محدودهی ایمن برای فرکانسهای طبیعی پیچشی سیستم محرک و کمپرسور تعیین کرده است. سیستم ترکیبی محرک و کمپرسور شامل کوپلینگها و تمام دندههاست. همچنین محدودهی ۵ درصدی سایر مضارب سرعت شافت در سیستم دوار نیز ایمن فرض میشود. برای کمپرسورهایی که از الکتروموتور بهره میبرد فرکانس طبیعی پیچشی باید با همان حاشیه ایمنی از مضرب اول و دوم فرکانس برق تفکیک شود.
سامانهی روتور کمپرسور مطابق با اشکالی که در ادامه خواهد آمد، از شافت، پروانهها، درام تعادل و سیستم تکیهگاهی آن که به یاتاقان، سیلندر و غیره تشکیل شده است. این سامانه در طراحی زیر تحلیل پاسخ فرکانس طبیعی جانبی آن قرار داده میشود و محدودهی سرعت کاری بحرانیترین قسمت آن بررسی میشود. توجه ضروری است که محدودهی سرعت به نقاط عملکرد پیشبینی شده و بدون حاشیه ایمنی زیاد محدود شود.
شناسایی فرکانسهای طبیعی جانبی به دلیل تعدد فراوان عوامل موثر فرآیندی بسیار دشوار است و تجربیات گذشته کمک چشمگیری به ما میکند تا بدانیم کجا را باید نگاه کنیم. برای مثال، کمپرسور بشکهای سانتریفیوژ معمولا بین اولین و دومین موقعیت خمشی جانبی کار میکند و در صورت نیاز به تغییرات فرکانس، میتوان با دستکاری پیکربندی کمپرسور یا سفت کردن شافت روتور به هدف مورد نظر رسید. فرکانس مذکور با جذر ثابت فنر المنت نسبت مستقیم و با جذر جرم آن نسبت معکوس دارد:
در این رابطه امگا فرکانس طبیعی بر حسب رادیان بر ثانیه، K ثابت یا مدول الاستیک فنر بر حسب پاوند بر اینچ و m جرم بر حسب مجذور ثانیه بر اینچ است. اندازهگیریهای ارتعاشات شامل دامنه با واحد اینچ، سرعت با واحد اینچ بر ثانیه، شتاب با واحد اینچ بر مجذور ثانیه یا g میشود. این اندازهگیریها با ابزارآلاتی چون تجهیزات اندازهگیری لرزهای دامنه و ابزارهای مجاورتی که سرعت را تخمین میزند انجام میشود. همچنین شتابسنج نیز شتاب را اندازه میگیرد.
جدولی که درادامه آمده منابع معمول ارتعاشات در پکیج کمپرسور را شرح داده است:
توجه اکید داشته باشید: عدم تعادل روتور در سرعت کاری دیده میشود اما ناهمترازی آن تنها در دو برابر سرعت کاری قابل رویت است.
عدم تعادل و ناهمترازی ناشی از شل شدگی به دلیل فاصلهی بیش از حد یاتاقان یا تکیهگاه آن در دو برابر سرعت کاری دیده میشود، البته این مشاهده در بررسی افقی یا عمودی رخ داده و در بررسی محوری نمایان نیست. ناپایداری روغن یاتاقان ژورنال هیدرودینامیکی در ۰/۴۲ سرعت کاری دیده شده و شدید و پراکنده است. در ۰/۵ سرعت کاری تشدید صفحهی پایه رخ میدهد. تشدید صفحهی پایه عمدتا توسط ابزار سنجش عمودی دریافت میشود.
نویز دنده در چه سرعتی دیده میشود؟
نویز دندهی کمپرسور با تعداد دندانههای آن رابطه مستقیمی دارد و در سرعت کاری ضرب در تعداد دندانههای دندهی کمپرسور مشاهده میشود. توجه داشته باشید که دامنه به هیچ وجه معیار خوبی برای داوری در مورد ارتعاش کمپرسور نیست. دامنهی بالا ممکن است برای دستگاهی با دور پایین اوکی و قابل قبول باشد اما همان دامنه برای دستگاهی که با دور بالا کار میکند خطرناک و غیرقابل قبول است. در شکل زیر شدت ارتعاش و منابع آن آمده است.
از جمله دیگر نمودارهای مفید برای بررسی ارتعاش کمپرسور نقشهی ارتعاش است. این نمودار نیمه لگاریتمی دور بر دقیقه و هرتز یا سیکل بر ثانیه را در مقیاس افقی و ارتعاش را در حسب میل یا یک هزارم اینچ ، سرعت با واحد اینچ بر ثانیه و شتاب G در مقیاس عمودی ارائه میکند. استفاده از این نمودار برای تبدیل از یک سیستم به سیستم دیگر آسان است.
این نمودار همچنین به تعیین نوع ارتعاش که طبیعی، صاف یا ناهموار است، کمک میکند. همانطور که در نمودار نمایش داده شده هنگامی که سرعت زیر سه صدم اینچ بر ثانیه باشد ماشین نرم کار کرده و زمانی که این سرعت به فراتر از ۲ دهم اینچ بر ثانیه میرسد ناهمواری همواره رخ میدهد.
