我第一次听到“临界速度”这个词是在大学力学课上。我最初认为这与星际飞船企业号或安全速度范围有关，安全速度范围高于公布的速度限制，但低于州警的速度。我在这两方面都错了。
如果你在发电厂或炼油厂操作高能量设备，你会意识到临界速度，因为有许多多级泵和其他高能量设备，如涡轮机和压缩机。BETVICTOR体育官网
对于日常的泵操作员或技术人员来说，你不需要担心临界速度，因为其他人已经计算出来了。但是，我建议您至少了解这个术语，并对这个概念有基本的理解。本专栏的目的是在一般层面上开始讨论临界速度的概念，并解释为什么它对安全可靠的设备运行很重要。如果您不知道您的泵的临界转速，请询问制造商。
临界转速
任何由弹性材料制成的结构都有自然共振频率。在我们的例子中，结构是泵转子。金属有弹性的事实一开始可能很难理解，虽然需要一些明显的力，但金属会偏转、弯曲和振动。如果你仍然认为金属是一种弹性材料，刷新你的材料科学背景，快速回顾杨氏弹性模量，记住大多数泵轴的金属弹性模量都在29x106磅/平方英寸(psi)左右的小范围内。
临界速度是发生自然振动(共振)的速度。共振是指当单元受到不成比例的(小)刺激时产生高振动。从另一个角度来看，你可能记得的一个例子是旧的电视广告或其他使用声音或乐器共振来打碎酒杯的本能例子。
转子动力学
所有旋转设备都有一个临界速度(风扇、鼓风机、发电机、电机、涡轮机、膨胀器和压缩机)。在本专栏中，我们将只关注离心泵。BETVICTOR体育官网对于一般的单级泵，临界转速会远远高于运行转速，因此不太需要考虑。例如，除少数例外情况外，美国国家标准协会(ANSI) (OH-1) S、M和L框架尺寸的泵的第一临界转速均超过10,000转/分钟(rpm)，远远高于任何允许的运行速度。BETVICTOR体育官网代替OH-1泵的临界转速，更重要的是要注意一个相关参数，即泵轴刚度系BETVICTOR体育官网数，也被称为“L / d比”，或更准确地称为L3./ D4比率。l / d比是由静力学中使用的梁挠度公式推导出来的，它是一个参数，有助于预测给定水力径向力下轴挠度的大小。
当然，泵中的轴偏转并不是一个理想的反应，因为它会导致机械密封、轴承和轴的故障。在考虑l / d比率时，重要的是要理解比率越低越好。在处理多级泵时，l / d比值几乎不需要考虑。BETVICTOR体育官网
临界转速是旋转元件由于其结构和缺陷而产生的固有振动水平。在某些速度(rpm)，转子将开始表现出明显的振动，由于自然共振。例如，设想一个系统启动，您将一个大型泵在一个变速驱动器(VSD)或涡轮机上加速。在我们的例子中，当我们从0转到2,000转时，泵将平稳运行，但随后它将在接近2,050转(临界转速)的地方剧烈振动。当我们继续将转速提高到2050转/分以上时，振动就会消散。请注意，这里提到的速度仅供举例。
再次，意识到是角速度(想想速度)激发转子的固有频率。临界转速也可以认为是动态性使转子以其固有频率振动的转速。泵的固有频率是转子刚度(k)和质量(m)的函数。一种表示固有频率的方法见式1。临界速度(以弧度/秒表示)等于刚度除以质量的平方根。
凹凸/影响测试
所有转子都有一个固有频率，您可以通过进行称为“碰撞方法”(又名“冲击测试”或“碰撞测试”)的测试来确定。我并不打算深入研究这些方法的细节。你可以从各种专门从事振动监测/分析的公司和/或振动研究所(vi-institute.org)找到大量信息。
简单的解释是，如果你用仪器撞击一个结构或转子，它会以其固有频率共振。您将需要适当的仪器来检测和测量振动级别和相应的频率。测量通常至少在两个平面/方向上进行。测试通常在闲置设备上进行，但有些仪器系统允许您在设备运行时进行测试，这是一个主要的好处。一些泵装置和系统的设计也允许在滑行过程中进行测试。
撞击设备可能会造成损坏，所以要小心撞击设备的地方。使用软面锤或木块。大多数情况下，你不需要非常用力地撞击机器。许多检测系统包括一个校准的打击锤。
临界速度会有所不同
没有一个泵转子是完美制造的，总是有一些不平衡或微小的缺陷，特别是如果涉及到铸件，这些缺陷在多个阶段会被放大。值得注意的是，“转子缺陷”也可能是由于液压径向力偏离了泵的首选工作范围。由于转子偏心引起的偏转在一定速度下会超过转子的弹性恢复极限，这将导致转子振动，就好像它是不平衡的。
临界转速将随流体特性、泵磨损(环配合)、轴长、轴直径、轴承类型/位置和联轴器类型而变化。
临界速度——不止一个
对于给定的转子，临界速度事件发生不止一次。通常我们只关心第一临界速度及其与运行速度的关系和裕度。第二和第三临界速度几乎总是远远高于运行速度。
速度，转速和角速度
临界转速是所有旋转设备都有的现象。它是一种通常以rpm表示的速度，在此速度下，由于旋转元件固有的固有频率，该单元将表现出最高水平的振动。另一种表达rpm的方法是角速度，它只是单位的速度，但因为它是在一个圆(希望)而不是直线上运行。
从技术上讲，转速通常以rpm为单位，而角速度则以弧度/秒(或其他时间单位)表示。我们也可以将速度表示为每秒度(或其他时间单位)。
Lomakin效应
由于涉及到许多因素，泵的临界转速很难计算。一个主要原因是泵轴在其长度上有许多不同的直径。另一个主要因素是叶轮与封闭环适合的地方，液体被“捕获”在间隙，并像阻尼轴承(又名洛马金效应)，所以阻尼效应的工作，以减轻临界速度振动的转子加强。洛马金效应对临界速度影响较大，效应越大，临界速度越高。
洛马金阻尼效应也可以通过填料、衬套和其他紧密间隙组件来产生。请注意，随着泵运行时间的推移，间隙由于磨损而打开，阻尼效果减弱，临界转速将降低。
由于磨损导致的临界转速下降是不要忽视对高能多级泵进行维护的一个很好的理由。BETVICTOR体育官网虽然不太可能，但有可能将临界速度降低到机组的工作范围，并造成严重损坏。大型鼓风机、涡轮机和压缩机不能从这种洛马金阻尼效应中受益，因为在密闭间隙中的空气/气体是可压缩的。
刚性转子vs.柔性转子&静态vs.动态
第一个临界转速高于工作转速的转子被称为“刚性转子”。刚性转子并不意味着很少或没有径向偏转(在运行期间)和/或转子凹陷时，泵静态/怠速。
警告:我曾目睹操作人员犯过代价高昂的错误，因为他们认为转子僵硬意味着转子不会凹陷，因此，当泵怠速或处于静态状态时，叶轮环不会接触到套管环。由于多级转子在静止时有凹陷，在泵内没有液体的情况下绝不能旋转它们(即使用手也不要旋转)。泵里没有液体，环就会磨损。
关于泵轴-刚性和柔性-这一主题的详细信息，我推荐Ulrich Bolleter和Arno Frei在第十届泵用户研讨会上发表的一篇技术论文。
备注和评论
在临界速度下运行是要尽量避免的，因为过度振动放大可能造成损害。在临界转速下，泵对任何剩余的不平衡都更加敏感。
临界速度现象发生在转子的固有频率，也称为固有频率，有时也称为激励速度。
转子的临界转速无论垂直还是水平都是一样的。
对于燃气/空气涡轮、压缩机、风扇和鼓风机机组，临界转速计算相当简单，但对于涉及液体的机组则要困难得多。
空气和气体装置的临界速度计算的正确率通常在百分之几以内。
大型多级泵结合长轴，简单地容纳所需BETVICTOR体育官网数量的叶轮。泵设计者可以设计更大直径的轴，以防止泵在静止时转子下垂。然而，对于直径较大的轴，叶轮的眼面积减小。叶轮眼面积的减小增加了泵所需的净正吸扬程(NPSHr)，同时也降低了泵的效率。
如果您的泵仍然使用油环进行润滑(旧设计)，要知道油环通常以接近转子速度50%的速度旋转。在多级泵上，第一个临界转速低BETVICTOR体育官网于工作转速是很常见的。然后，油膜轴承中的环和/或油速度可能处于转子的临界速度。当然，这种情况是不可取的，会导致转子过度振动。还要注意，转子临界转速和润滑油速度可以发生在没有油环的轴承中。这种现象被称为旋转或油旋不稳定性。
临界速度可以计算出来，然后表示为湿速或干速。干燥速度也称为空气速度。通常情况下，如果对泵的临界转速没有额外的描述，可以假设它是湿临界转速。对于泵的应用，我建议您忽略基于干燥值的临界转速计算，因为您可以确保液体的存在将改变该值，并且您将不会在干燥条件下操作泵。一些工程师会计算干值作为一个兴趣点和好奇心。干速度计算可能适用于核和军事应用中进行的一些灾难场景计算。
如果泵速因电动VSD发动机或涡轮而变化，应注意机组的第一个临界转速，并采取措施避免该转速区域。
泵的计算临界转速可以通过放置在管道系统中简单地改变。系统将同时改变单元的质量和刚度值。将泵作为一个整体系统来评估管道和基础设计的另一个原因。
企业号星舰NCC 1701-D的第一个临界速度远高于曲速9.9，约为每小时40亿英里或光速的21.5倍。避免超速罚单的最佳地点仍然难以捉摸。
参考文献
S. Gopalakrishnan等人1982年发表的ASME论文82-GT-277
速度与速度
有些人错误地把速度和速度弄错了。在一些不经意的谈话中，我们都会犯这样的错误。速度是在某个方向(矢量)上的位置在一段时间内的变化率。线速度只是在一条直线上，而角速度与旋转的速度有关。速度和速度的区别在于速度有确定的方向。速度是标量，而速度是矢量。例如，你可以说你的游艇正以30节的速度行驶，这是速度，但如果你说游艇正以30节的速度向南行驶180度，这是速度。