Pochopení tepelného oblouku v rotačních strojích

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

$2,358.31

Díly

Snímač vibrací

$107.47

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

$148.07

Zařízení

Balanset-4

$8,123.32

Díly

Magnetický stojan Insize-60-kgf

$54.93

Díly

Reflexní páska

$11.94

Zařízení

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definice: Co je to termální luk?

Tepelný luk (také nazývané horké zakřivení, tepelné ohýbání nebo teplotně indukované zakřivení hřídele) je dočasné zakřivení, které se vyvíjí v rotor hřídele v důsledku nerovnoměrného rozložení teploty po obvodu hřídele. Když je jedna strana hřídele teplejší než opačná strana, tepelná roztažnost způsobí, že se horká strana prodlouží, což nutí hřídel ohnout se do zakřiveného tvaru s horkou stranou na konvexní (vnější) straně křivky.

Na rozdíl od trvalých luk hřídele V důsledku mechanického poškození je tepelné prohnutí vratné – zmizí, když se hřídel vrátí k rovnoměrné teplotě. Tepelné prohnutí však vytváří značné vibrace během zahřívací a ochlazovací fáze a při závažném nebo častém opakování může způsobit trvalé poškození.

Fyzikální mechanismus

Tepelný roztažný rozdíl

Fyzika tepelného oblouku je jednoduchá:

• Kov se při zahřívání roztahuje (koeficient tepelné roztažnosti je u oceli obvykle 10–15 µm/m/°C)
• Pokud je teplota po obvodu rovnoměrná, je roztažnost symetrická (hřídel se prodlužuje, ale zůstává rovná)
• Pokud je jedna strana teplejší, roztahuje se více než chladnější strana.
• Diferenciální expanze způsobuje zakřivení
• Velikost úhlu úměrná teplotnímu rozdílu a délce hřídele

Typické teplotní rozdíly

• Teplotní rozdíl 10-20 °C napříč průměrem může vytvořit měřitelné prohnutí
• U velkých turbín může rozdíl 30–50 °C způsobit silné vibrace.
• Účinek se hromadí podél délky hřídele – delší hřídele jsou náchylnější

Časté příčiny tepelného oblouku

1. Podmínky spuštění (nejběžnější)

• Asymetrické vytápění: Horká pára, plyn nebo procesní kapalina přichází do kontaktu s horní částí hřídele, zatímco spodní část zůstává chladnější
• Sálavé vytápění: Teplo z horkých plášťů nebo potrubí ohřívající horní část hřídele
• Tření v ložisku: Jedno ložisko se zahřívá více než ostatní a zahřívá lokální část hřídele.
• Rychlé spuštění: Nedostatečná doba zahřívání umožňuje vznik teplotních gradientů

2. Podmínky vypnutí (tepelný pokles)

• Horké vypnutí: Hřídel se přestane otáčet, dokud je ještě horká
• Gravitační pokles: Teplo stoupá, což způsobuje, že horní část vodorovné šachty se ochlazuje rychleji než spodní část
• Tepelně prohnutá stuha: Spodní strana zůstává déle teplejší, hřídel se prohýbá dolů
• Kritické období: Prvních několik hodin po vypnutí

3. Provozní příčiny

• Tření rotoru a statoru: Tření způsobené kontaktem generuje intenzivní lokální ohřev
• Nerovnoměrné chlazení: Asymetrický proud chladicího vzduchu nebo vodní sprcha
• Solární vytápění: Venkovní vybavení s vystavením slunci na jedné straně
• Poruchy procesu: Náhlé změny teploty pracovní kapaliny

Příznaky a detekce

Vibrační charakteristiky

Tepelný oblouk vytváří charakteristické vibrační vzory:

• Frekvence: 1× rychlost chodu (synchronní vibrace)
• Načasování: Vysoká během zahřívání, klesá s dosažením tepelné rovnováhy
• Fázové změny: Fázový úhel může se měnit s vývojem a odezněním luku
• Pomalé vibrace při rolování: Vysoké vibrace i při velmi nízkých rychlostech (na rozdíl od nevyváženost)
• Vzhled: Podobné jako nevyváženost, ale závislé na teplotě

Rozlišování tepelného oblouku od nevyváženosti

Charakteristický	Nevyváženost	Tepelný luk
Frekvence	1× rychlost běhu	1× rychlost běhu
Teplotní citlivost	Relativně stabilní	Vysoká během zahřívání/ochlazování
Pomalé otáčení (50–200 ot./min.)	Velmi nízká amplituda	Vysoká amplituda
Fáze vs. teplota	Konstantní	Změny s vývojem luku
Perzistence	Konstantní za všech okolností	Dočasné, odezní v tepelné rovnováze
Reakce na vyvažování	Snížené vibrace	Minimální nebo žádné zlepšení

Diagnostické testy

1. Zkouška pomalých vibrací při valení

• Otáčejte hřídelí provozní rychlostí 5-10%
• Měření vibrací a doběh
• Vysoká vibrace pomalého valení indikuje tepelné nebo mechanické prohýbání, nikoli nevyváženost

2. Monitorování teploty

• Sledování teploty hřídele nebo ložiska během spouštění
• Změřte teplotu na více místech po obvodu ložiska
• Korelujte změny vibrací s teplotními gradienty

3. Trendy vibrací startupů

• Zobrazení amplitudy vibrací v závislosti na čase během zahřívání
• Tepelný oblouk: zpočátku vysoký, klesá s blížením se k rovnováze
• Nevyváženost: zvyšuje se s rychlostí, nezávisle na teplotě

Preventivní strategie

Provozní postupy

1. Správné postupy zahřívání

• Postupné zvyšování teploty: Nechte hřídel rovnoměrně zahřát
• Prodloužená doba zahřívání: Velké turbíny mohou vyžadovat 2–4 hodiny
• Monitorování teploty: Teploty ložisek a pláště kolejnice
• Monitorování vibrací: Sledujte během zahřívání, v případě vysokých vibrací zpožděte zvýšení otáček.

2. Obsluha soustružení

• U velkých turbín používejte během zahřívání a chlazení otáčecí zařízení (pomalé otáčení, ~3-10 ot./min.).
• Neustálé otáčení zabraňuje tepelnému prohnutí rovnoměrným rozložením tepla
• Průmyslový standard pro parní turbíny > 50 MW
• Může ovládat otáčení po dobu 8–24 hodin během ochlazování

3. Postupy vypnutí

• Postupné ochlazování: Před vypnutím pomalu snižujte zatížení a teplotu
• Prodloužené soustružnické zařízení: Nechte rotor běžet v rotaci, dokud se neochladí
• Vyhněte se zahřátí: Nouzové zastavení způsobuje, že hřídel je horká a náchylná k prohýbání

Konstrukční opatření

• Tepelná izolace: Izolujte pouzdra pro udržení rovnoměrné teploty
• Topné pláště: Externí ohřívače pro rovnoměrné předehřívání
• Odvodnění: Zabraňte hromadění horkého kondenzátu na spodní straně hřídele
• Větrání: Zajistěte symetrické proudění chladicího vzduchu

Důsledky tepelného oblouku

Okamžité účinky

• Vysoké vibrace: Během zahřívání může dosáhnout 5–10× normálních hodnot
• Zatížení ložiska: Asymetrický oblouk zvyšuje zatížení ložiska
• Těsnicí tmely: Vychýlení hřídele může způsobit kontakt s těsněními nebo pevnými částmi
• Zpoždění při spuštění: Před zvýšením rychlosti je nutné počkat, až vibrace poklesnou

Dlouhodobé poškození

• Opotřebení ložiska: Opakované vysoké vibrace urychlují opotřebení ložisek
• Poškození těsnění: Opakované tření ničí těsnicí součásti
• Únava: Cyklické ohybové namáhání během každého spuštění přispívá k únavě materiálu
• Trvalá sada: Silné nebo opakované tepelné prohýbání může způsobit trvalou plastickou deformaci.

Náprava a zmírnění

Pro aktivní termální luk

• Povolit čas: Před zvýšením rychlosti počkejte na tepelnou rovnováhu
• Pomalý válec: Pokud je to možné, pomalu otáčejte, aby se teplo rovnoměrně rozložilo
• Nepokoušejte se o vyvážení: Vyvažování nemůže korigovat tepelné prohýbání a bude neúčinné.
• Adresa Zdroj tepla: Identifikujte a eliminujte asymetrické vytápění

Pro tepelný průhyb (po vypnutí)

• Soustružnické zařízení: Během ochlazování udržujte rotor pomalu otáčející se
• Prodloužená doba rolování: Může vyžadovat 12–24 hodin provozu soustruhu
• Monitorování teploty: Pokračujte, dokud se teplota hřídele nestane rovnoměrnou.
• Zpožděný restart: Pokud se vytvořila prohnutá část těla, počkejte na přirozené narovnání, než znovu začnete

Specifické aspekty odvětví

Parní turbíny

• Nejvíce náchylné k tepelnému výkyvu kvůli vysokým teplotám a masivním rotorům
• Propracujte standardní postupy rozcvičky a ochlazování
• Pro jednotky > 50 MW je povinné otočné zařízení
• Může vyžadovat 2–4 hodiny zahřívání, 12–24 hodin ochlazování s otočným podvozkem

Plynové turbíny

• Rychlejší tepelná odezva díky menší hmotnosti
• Tepelný výkyv během spouštění je méně častý, ale stále možný
• Ohřev na straně spalování může způsobit asymetrie
• Typicky rychlejší cykly zahřívání než parní turbíny

Velké elektromotory a generátory

• Tepelné prohnutí způsobené teplem vinutí rotoru nebo třením ložiska
• Venkovní instalace vystavené solárnímu ohřevu
• Může vyžadovat soustružení nebo ohřev před spuštěním

Monitorování a alarmování

Klíčové monitorovací parametry

• Pomalé vibrace při rolování: Před normálním spuštěním změřte při nízkých otáčkách
• Teplotní rozdíl ložiska: Porovnání teplot nahoře a dole
• Vibrace vs. teplota: Graf amplitudy vibrací v závislosti na teplotě ložiska
• Fázový úhel: Změny fáze sledování indikující vývoj luku

Kritéria alarmu

• Pomalé vibrace > 2× základní hodnota spustí alarm
• Teplotní rozdíl > 15–20 °C naznačuje tepelnou nerovnováhu
• Rychlé fázové změny (> 30° za 10 minut) naznačují rozvoj prohnutí
• Vibrace se během zahřívání spíše zvyšují než snižují

Pokročilé strategie pro startupy

Řízená akcelerace

1. Počáteční pomalý válec: Ověřte přijatelné vibrace při 100–200 ot./min.
2. Postupné zrychlení: Zvýšení na střední rychlosti (např. 30%, 50%, 70% normální rychlosti) s podržením
3. Doby tepelné izolace: V každé fázi udržujte konstantní rychlost po dobu 15–30 minut
4. Ověření vibrací: V každé fázi před pokračováním ověřte, zda vibrace klesají.
5. Monitorování teploty: Zajistěte snížení teplotních gradientů v průběhu celého procesu

Automatizované spouštěcí systémy

Moderní řídicí systémy mohou automatizovat řízení tepelného oblouku:

• Programovatelné zahřívací sekvence
• Automatické doby výdrže při překročení limitů vibrací nebo teploty
• Výpočet velikosti tepelné křivky v reálném čase z vibrací a teploty
• Adaptivní rychlostní profily založené na naměřených podmínkách

Vztah k jiným jevům

Termální luk vs. permanentní luk

• Tepelný luk: Dočasné, mizí při teplotní rovnováze
• Trvalý luk: Plastická deformace, která přetrvává i za studena
• Riziko: Silné opakované tepelné prohnutí může nakonec způsobit trvalé ztuhnutí

Tepelný oblouk a vyvážení

• Pokus o váhy během tepelného oblouku je marné
• Korekční váhy vypočítané pro stav tepelného oblouku budou po dosažení rovnováhy nesprávné.
• Před vyvážením vždy nechte tepelnou stabilizaci
• Tepelný oblouk může maskovat skutečný stav nevyváženosti

Osvědčené postupy prevence

Pro nové instalace

• Navrhněte symetrické systémy vytápění a chlazení
• Instalace otočného ústrojí pro zařízení > 100 kW nebo > 2 metry délky hřídele
• Zajistěte dostatečný odtok vody, aby se zabránilo hromadění horké tekutiny
• Izolujte pro minimalizaci přenosu sálavého tepla

Pro stávající zařízení

• Vypracovat a striktně dodržovat písemné postupy pro rozcvičku
• Školení operátorů o rizicích a příznacích tepelného oblouku
• Instalace monitorování teploty na více místech
• Využijte sledování trendů vibrací během spouštění k identifikaci tepelných problémů
• Dokumentace historických dat pro optimalizaci postupů

Postupy údržby

• Před každým vypnutím zkontrolujte funkci otočného ústrojí
• Zkontrolujte kalibraci snímačů teploty ložisek
• Zkontrolujte odvodňovací systémy, zda nejsou ucpané
• Ověřte neporušenost izolace
• Zkontrolujte a odstraňte všechny zdroje asymetrického ohřevu

Tepelné prohnutí, ačkoli je dočasné a reverzibilní, představuje pro velké rotační stroje významnou provozní výzvu. Pochopení jeho příčin, rozpoznání jeho symptomů a zavedení správných postupů zahřívání a ochlazování je nezbytné pro spolehlivý provoz parních turbín, plynových turbín a dalších rotačních zařízení s vysokými teplotami.

---

← Zpět na hlavní index