¿Qué es la “velocidad crítica” en una turbina de vapor o gas?

El material del eje de la turbina tiene su propia frecuencia natural, cuando la turbina gira a una velocidad tal que la frecuencia del eje se acerca a su frecuencia natural, la máquina produce ruido y altas vibraciones debido a la resonancia debido a la coincidencia de frecuencia. Se evita la ejecución de Steam “TURBINE” en esta velocidad y esto se llama velocidad crítica. Una turbina puede tener más de una velocidad crítica, que puede depender del número de acoplamientos.
Una segunda velocidad crítica es cuando las puntas de las palas de la turbina se acercan a la velocidad del sonido. Esto limita efectivamente la velocidad de una turbina y explica por qué las centrales eléctricas tienden a tener turbinas de la misma capacidad.

La velocidad crítica de la turbina es la velocidad del rotor a la que la frecuencia natural del rotor ensamblado (eje del rotor con discos, álabes, tiras protectoras, etc. en condiciones ensambladas) se iguala a la velocidad de funcionamiento. Esto generalmente se expresa como un rango (rango de velocidad crítica).

Hay múltiples velocidades críticas. Sin embargo, la velocidad de funcionamiento de la turbina puede estar por encima o por debajo de la primera / más baja velocidad crítica. En consecuencia, se llama rotor flexible o rígido.

  • La velocidad crítica de cualquier cuerpo giratorio se define como la velocidad donde la amplitud de la vibración es alta. Por ejemplo, en un instrumento de cuerda como Veena, sitar o violín, uno nota que hay una frecuencia natural para la cuerda donde la amplitud es máxima y esta es la frecuencia natural.
  • Imaginemos un eje delgado, tiene una desviación natural debido a su propio peso cuando gira alternativamente, el eje se flexiona hacia arriba y hacia abajo. En un eje simple, la vibración del eje por segundo es igual a las RPM por segundo. Por lo tanto, la frecuencia naural del eje y la frecuencia de rotación inducida coincidirán y esto se llama frecuencia crítica.
  • En la frecuencia Crítica, la amplitud de las vibraciones es máxima y triplica las rpm una vez más, la frecuencia coincidirá y la amplitud en el medio se denominará Frecuencias de tercer armónico y frecuencia de quinto armónico. Ocurren ocurrencias similares y todas se denominan frecuencias armónicas.
  • El efecto combinado en el cuerpo giratorio puede ser como un latigazo en el eje y podría ser bastante perjudicial para el cuerpo giratorio. Como el rotor es un cuerpo rotativo masivo de alta velocidad, podría causar daños enormes a sus equipos y alrededores. La vida útil adicional del rotor también se reducirá considerablemente. También tengo un equipo muy caro.
  • Siempre es el esfuerzo de todos los diseñadores evitar operar cerca de la frecuencia Crítica y mantenerse alejado de toda zona de peligro.
  • El rotor de la turbina es un equipo complejo y el diseñador utiliza algoritmos sofisticados para calcular varias frecuencias críticas de un rotor complejo y tiene una gran cantidad de conocimiento empírico y cálculos teóricos basados ​​en análisis finito.
  • La fiabilidad de estos conocimientos y experiencia es muy esencial para un fabricante de turbinas.

Esto también depende de la configuración de la turbina. Por ejemplo, tiene un eje sólido y ejes huecos. Los ejes huecos también se conocen como aeroderivados. Esto significa que el generador de gas (compresor) está acoplado hidráulicamente con la turbina. Entonces, ambas unidades y giran a diferentes velocidades. No obstante, las RPM críticas generalmente son dictadas por el generador eléctrico o la carga acoplada a la turbina. Suelen ser más críticos que las RPM críticas de la turbina. Como sugirió otro miembro, depende de las frecuencias y modos armónicos y naturales. Sin embargo, la turbina se acelera muy rápido y supera las velocidades y modos críticos en pocos segundos; Debería haber dicho milisegundos.

Finalmente, cada unidad es diferente y no hay una regla general para saberlo.

La velocidad crítica de una máquina rotativa es la velocidad a la que el eje resuena debido a su frecuencia natural que coincide con la frecuencia del sonido que conduce a una alta vibración, ruido y, por lo tanto, a una condición inestable.

Generalmente, habrá un rango de rpm entre el cual el eje es aceptable para lograr esta condición. Este rango es recurrente con un intervalo de fase constante. Sin embargo, la mayoría de las máquinas funcionan generalmente a un valor entre Primera velocidad crítica y Segunda velocidad crítica. Algunas veces las máquinas funcionan por encima de las velocidades críticas y por debajo de la tercera velocidad crítica.

El valor crítico de velocidad varía con,

  • Longitud del eje.
  • Diámetro del eje.
  • Material de construcción.
  • Posiciones del impulsor en el eje y
  • Carga de la máquina debido al fluido motriz a esas rpm.

Además, el rango de banda de velocidad crítica también depende del número de carcasas, ya que las bandas de velocidad crítica para los ejes de cada una de las carcasas deben contabilizarse individualmente.

Por ejemplo,

Velocidades críticas de la turbina: 2000–2100, 5000–5100, 8000–8100.

1ra carcasa del compresor: 2050–2150, 5050–5150, 8050–8150

Segunda carcasa del compresor: 2100–2600, 5100–5200, 8100–8200.

3ra carcasa del compresor: 2150–2250, 5150–5250, 8150–8250.

Velocidades críticas netas: 2000–2300, 5000–5300, 8000–8300 .

PD: El eje debe considerarse como una cadena o un segmento de una cadena.

TM.

Las rpm críticas de una turbina de vapor son todas esas rotaciones múltiples que harán que cualquier parte de la turbina resuene, por lo que podría romperse.
* FALLAS DE LA CUCHILLA EN LAS TURBINAS HP DE RMS QUEEN ELIZABETH 2. Las cuchillas originales fueron diseñadas para maximizar la potencia, al cortar el material en la raíz de las cuchillas y la falta de material en el lugar correcto causó una resonancia más fácil. El daño sufrido se describió como debido a la combinación fatiga / resonancia. Los aspectos de vibración en modo cuchilla establecieron los antecedentes teóricos y la respuesta de las cuchillas a la excitación externa y de vapor. La determinación de las frecuencias de resonancia de la cuchilla en las etapas afectadas sobre la base de mediciones en grupos de cuchillas se trató con cierta longitud, y se dedujo que una u otra de las etapas alcanzaría un estado de resonancia con la frecuencia del impulso de activación de la boquilla de vapor dentro del rango de velocidad de medio eje a velocidad máxima. Los modos particulares de vibración eran modos tangenciales de lotes conocidos como pinzados. Se concluyó que tal vibración era la causa principal de falla, agravada por las concentraciones de estrés. La rectificación de la falla se realizó mediante un rediseño, incorporando un cable de unión y menos economía en el material raíz de las cuchillas.
* El disco que contiene las cuchillas puede resonar a lo largo de su circunferencia debido a la colocación de la boquilla de vapor y las excitaciones, por lo que el diseño del disco debe velar por eso.
* El eje puede resonar en varias rotaciones debido al desequilibrio estático y dinámico y la vibración,
* Los ejes largos y pesados ​​de las turbinas grandes no pueden dejarse estáticos durante largos períodos, ya que el eje se arrastrará y doblará, por lo que se gira continuamente cuando se almacena.
* La carga eléctrica desequilibrada en el eje de una turbina de vapor puede inducir resonancia en algunas partes mecánicas.

El diseñador de la turbina de vapor tiene que mantenerse alejado de todas esas condiciones de resonancia que pueden excitar la turbina a vibraciones de resonancia, ya que incluso las vibraciones más pequeñas son muy potentes y las grietas se arrastrarán lentamente para causar la destrucción.

Muchos diseños de grandes turbinas de vapor de servicios públicos tienen rotores flexibles en el sentido de que tienen una resonancia de flexión (uno, pero algunos tienen más) por debajo de su velocidad de servicio normal. Una velocidad crítica es la velocidad de rotación que coincide con esta resonancia durante el arranque desde el reposo hasta la velocidad de operación. Como puede producirse una vibración excesiva, es habitual no retrasar el funcionamiento a una velocidad crítica.

Las rpm críticas se refieren a la velocidad del rotor. No se recomienda el funcionamiento de la turbina de vapor a esta velocidad, lo que se conoce como velocidad crítica.

La velocidad crítica de la turbina es la velocidad del rotor, a la cual la frecuencia natural del rotor ensamblado (eje del rotor con discos, álabes, tiras protectoras, etc. en condiciones ensambladas) se iguala a la velocidad de operación.

Fuente de la imagen: Google Images.

La velocidad crítica (o velocidades) son aquellas frecuencias instantáneas (equivalencia de velocidad) de la turbina de vapor en las que coinciden (o se acercan críticamente) a la frecuencia natural del turboeje.

Como con todos los materiales, si las oscilaciones instantáneas coinciden con la frecuencia natural del sistema, se amplifica la amplitud que puede conducir a una catástrofe.

Algunos valores de diseño son 1650 rpm, 2750 rpm, 6000 rpm (en bombas turboalimentadas), etc.

Las rpm críticas no son de la turbina (como una unidad) sino que son la fuerza dominante, es decir, el rotor.

Cada rotor tiene muchos modos de vibración.
1 °, 2 °, 3 °
y cuando cualquier modo de vibración / frecuencia / rpm coincide con el modo natural de frecuencia del rotor, la fuerza resultante crea un desequilibrio de amplitud infinita (en teoría) causaría un nivel crítico / alto de vibración.
Por lo general, el rotor funciona entre la segunda y la tercera velocidad crítica y durante el arranque (al cruzar esas rpm particulares) el rotor se acelera a una velocidad de rampa de 30-40 rpm / seg para cruzar esa zona rápidamente.

Estas son las rpm donde la frecuencia natural de su rotor coincide con la frecuencia de excitación

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