Forståelse af termisk bøjning i roterende maskineri

Enheder

Bærbar afbalanceringsenhed og vibrationsanalysator Balanset-1A.

$2,358.31

Dele

Vibrationssensor

$107.47

Dele

Optisk sensor (laser-tachometer)

$148.07

Enheder

Balanset-4

$8,123.32

Dele

Magnetisk stativ i størrelse 60 kgf

$54.93

Dele

Reflekterende tape

$11.94

Enheder

Dynamisk afbalancering "Balanset-1A" OEM.

$2,071.73

Definition: Hvad er termisk bue?

Termisk sløjfe (også kaldet varm bøjning, termisk bøjning eller temperaturinduceret skaftbøjning) er en midlertidig krumning, der udvikler sig i en Rotor aksel på grund af ujævn temperaturfordeling omkring akselens omkreds. Når den ene side af akselen er varmere end den modsatte side, forårsager termisk udvidelse, at den varme side bliver længere, hvilket tvinger akselen til at bøje sig til en buet form med den varme side på den konvekse (ydre) side af kurven.

I modsætning til permanent skaftbøjle Fra mekanisk skade er termisk bøjning reversibel – den forsvinder, når akslen vender tilbage til en ensartet temperatur. Termisk bøjning skaber dog betydelig vibrationer i opvarmnings- og nedkølingsperioder og kan forårsage permanent skade, hvis den er alvorlig eller gentages ofte.

Fysisk mekanisme

Termisk ekspansionsforskel

Fysikken bag termisk bue er ligetil:

• Metal udvider sig ved opvarmning (termisk udvidelseskoefficient typisk 10-15 µm/m/°C for stål)
• Hvis temperaturen er ensartet omkring omkredsen, er udvidelsen symmetrisk (skaftet forlænges, men forbliver lige)
• Hvis den ene side er varmere, udvider den side sig mere end den kolde side
• Differentiel ekspansion forårsager krumning
• Buestørrelse proportional med temperaturforskel og aksellængde

Typiske temperaturforskelle

• Temperaturforskel på 10-20°C på tværs af diameteren kan skabe målbar bøjning
• I store turbiner kan en forskel på 30-50 °C forårsage kraftige vibrationer
• Effekten akkumuleres langs skaftets længde – længere skafter er mere modtagelige

Almindelige årsager til termisk bøjning

1. Opstartsbetingelser (mest almindelige)

• Asymmetrisk opvarmning: Varm damp, gas eller procesvæske kommer i kontakt med toppen af akslen, mens bunden forbliver køligere
• Strålevarme: Varme fra varme foringer eller rør, der opvarmer den øverste del af skaftet
• Lejefriktion: Et leje, der kører varmere end andre, opvarmer den lokale akselsektion
• Hurtig opstart: Utilstrækkelig opvarmningstid tillader udvikling af termiske gradienter

2. Nedlukningsforhold (termisk sænkning)

• Varm nedlukning: Akslen stopper med at rotere, mens den stadig er varm
• Tyngdekraftsnedgang: Varmen stiger, hvilket får toppen af den vandrette aksel til at afkøle hurtigere end bunden
• Termisk sænkning: Undersiden forbliver varm længere, skaftet bøjer nedad
• Kritisk periode: De første par timer efter nedlukning

3. Operationelle årsager

• Rotor-stator-gnidning: Friktion fra kontakt genererer intens lokal opvarmning
• Ujævn afkøling: Asymmetrisk køleluftstrøm eller vandspray
• Solvarme: Udendørsudstyr med soleksponering på den ene side
• Procesforstyrrelser: Pludselige temperaturændringer i arbejdsvæsken

Symptomer og detektion

Vibrationsegenskaber

Termisk bue producerer karakteristiske vibrationsmønstre:

• Frekvens: 1× kørehastighed (synkron vibration)
• Tidspunkt: Høj under opvarmning, falder når termisk ligevægt opnås
• Faseændringer: Fasevinkel kan ændre sig efterhånden som buen udvikler sig og forsvinder
• Langsom rullevibration: Høj vibration selv ved meget lave hastigheder (i modsætning til ubalance)
• Udseende: Ligner ubalance, men temperaturafhængig

At skelne mellem termisk bue og ubalance

Karakteristisk	Ubalance	Termisk sløjfe
Frekvens	1× løbehastighed	1× løbehastighed
Temperaturfølsomhed	Relativt stabil	Høj under opvarmning/nedkøling
Langsom rulning (50-200 o/min)	Meget lav amplitude	Høj amplitude
Fase vs. Temperatur	Konstant	Ændringer efterhånden som buen udvikler sig
Udholdenhed	Konstant til enhver tid	Midlertidig, opløses ved termisk ligevægt
Svar på balancering	Reduceret vibration	Minimal eller ingen forbedring

Diagnostiske tests

1. Langsom rullevibrationstest

• Drej akslen ved 5-10% driftshastighed
• Mål vibrationer og udløb
• Høj langsom rullevibration indikerer termisk eller mekanisk bøjning, ikke ubalance

2. Temperaturovervågning

• Overvåg aksel- eller lejetemperaturer under opstart
• Mål temperaturen flere steder langs lejets omkreds
• Korrelér vibrationsændringer med temperaturgradienter

3. Trending af vibrationer ved opstart

• Afbild vibrationsamplitude vs. tid under opvarmning
• Termisk bøjning: høj i starten, aftager når ligevægten nærmer sig
• Ubalance: øges med hastigheden, uafhængigt af temperaturen

Forebyggelsesstrategier

Operationelle procedurer

1. Korrekt opvarmningsprocedure

• Gradvis temperaturstigning: Lad akslen opvarmes jævnt
• Forlænget opvarmningstid: Store turbiner kan kræve 2-4 timer
• Temperaturovervågning: Temperaturer i sporlejer og -hus
• Vibrationsovervågning: Overvåg under opvarmning, forsink hastighedsforøgelse hvis vibrationen er høj

2. Drejegearets betjening

• For store turbiner skal drejegearet (langsom rotation, ~3-10 omdr./min.) bruges under opvarmning og nedkøling.
• Kontinuerlig rotation forhindrer termisk bøjning ved at fordele varmen jævnt
• Industristandard for dampturbiner > 50 MW
• Kan betjene drejeudstyr i 8-24 timer under nedkøling

3. Nedlukningsprocedurer

• Gradvis nedkøling: Reducer belastning og temperatur langsomt før nedlukning
• Udvidet drejegear: Hold rotoren roterende, mens den køler af
• Undgå varme nedlukninger: Nødstop efterlader akslen varm og tilbøjelig til at hænge ned

Designforanstaltninger

• Termisk isolering: Isoler huse for at opretholde ensartet temperatur
• Varmejakker: Eksterne varmelegemer for ensartet forvarmning
• Dræning: Forhindrer ophobning af varmt kondensat på bunden af skaftet
• Ventilation: Sørg for symmetrisk køleluftstrøm

Konsekvenser af termisk bøjning

Øjeblikkelige virkninger

• Høj vibration: Kan nå 5-10 gange normale niveauer under opvarmning
• Lejebelastning: Asymmetrisk bøjning øger lejebelastningen
• Forseglingsgnidninger: Akseludbøjning kan forårsage kontakt med tætninger eller stationære dele
• Opstartsforsinkelser: Man skal vente på, at vibrationerne aftager, før man øger hastigheden

Langvarig skade

• Lejeslid: Gentagen høj vibration accelererer lejeforringelse
• Beskadigelse af tætning: Gentagen gnidning ødelægger tætningskomponenter
• Træthed: Cykliske bøjningsspændinger under hver opstart bidrager til udmattelse
• Permanent sæt: Alvorlig eller gentagen termisk bøjning kan forårsage permanent plastisk deformation

Korrektion og afbødning

Til aktiv termisk bue

• Tillad tid: Vent på termisk ligevægt, før du øger hastigheden
• Langsom rulning: Drej langsomt for at fordele varmen, hvis det er muligt
• Forsøg ikke at balancere: Afbalancering kan ikke korrigere termisk bøjning og vil være ineffektiv
• Adresse varmekilde: Identificer og eliminer asymmetrisk opvarmning

Til termisk nedbøjning (efter nedlukning)

• Drejeudstyr: Hold rotoren langsomt roterende under nedkøling
• Forlænget rulletid: Kan kræve 12-24 timers drift af drejeudstyr
• Temperaturovervågning: Fortsæt indtil akseltemperaturen er ensartet
• Forsinket genstart: Hvis der er opstået en bue, skal du vente på naturlig udretning, før du genoptager behandlingen.

Branchespecifikke overvejelser

Dampturbiner

• Mest modtagelig for termisk bøjning på grund af høje temperaturer og massive rotorer
• Udarbejd standardpraksis for opvarmnings- og nedkølingsprocedurer
• Drejeudstyr obligatorisk for enheder > 50 MW
• Kan kræve 2-4 timers opvarmning, 12-24 timers nedkøling med drejeudstyr

Gasturbiner

• Hurtigere termisk respons på grund af mindre masse
• Termisk bøjning under opstart mindre almindelig, men stadig mulig
• Opvarmning på forbrændingssiden kan skabe asymmetrier
• Typisk hurtigere opvarmningscyklusser end dampturbiner

Store elektriske motorer og generatorer

• Termisk bøjning fra rotorviklingsvarme eller lejefriktion
• Udendørs installationer med solvarme
• Kan kræve drejning eller opvarmning før opstart

Overvågning og alarmering

Vigtige overvågningsparametre

• Langsom rullevibration: Mål ved lav hastighed før normal opstart
• Lejetemperaturforskel: Sammenlign temperaturer øverst vs. nederst
• Vibration vs. temperatur: Afbild vibrationsamplitude vs. lejetemperatur
• Fasevinkel: Sporfaseændringer, der indikerer bueudvikling

Alarmkriterier

• Langsom rullevibration > 2× baseline udløser alarm
• Temperaturforskel > 15-20°C indikerer termisk ubalance
• Hurtige faseændringer (> 30° på 10 minutter) tyder på udvikling af bøjning
• Vibrationer stiger under opvarmning i stedet for at falde

Avancerede opstartsstrategier

Kontrolleret acceleration

1. Indledende langsom rulning: Bekræft acceptabel vibration ved 100-200 o/min.
2. Trinvis acceleration: Øg til mellemhastigheder (f.eks. 30%, 50%, 70% eller normal) med hold
3. Termisk iblødsætningsperioder: Hold konstant hastighed i 15-30 minutter på hver etape
4. Vibrationsverifikation: Bekræft ved hvert trin, at vibrationen falder, før du fortsætter
5. Temperaturovervågning: Sørg for at reducere termiske gradienter gennem hele processen

Automatiserede opstartssystemer

Moderne styresystemer kan automatisere styring af termisk bue:

• Programmerbare opvarmningssekvenser
• Automatiske holdeperioder, hvis vibrations- eller temperaturgrænser overskrides
• Realtidsberegning af termisk bøjningsstørrelse ud fra vibrationer og temperatur
• Adaptive hastighedsprofiler baseret på målte forhold

Forholdet til andre fænomener

Termisk bue vs. permanent bue

• Termisk bue: Midlertidig, forsvinder ved termisk ligevægt
• Permanent bue: Plastisk deformation, bevares selv når den er kold
• Risiko: Alvorlig gentagen termisk bøjning kan i sidste ende forårsage permanent sætning

Termisk bue og balancering

• Forsøger at balance under termisk bue er nytteløs
• Korrektionsvægte beregnet for termisk bøjningstilstand vil være forkerte, når ligevægt er nået
• Tillad altid termisk stabilisering før afbalancering
• Termisk bue kan maskere ægte ubalancetilstand

Bedste praksis for forebyggelse

Til nye installationer

• Design af symmetriske varme- og kølesystemer
• Installer drejeudstyr til udstyr > 100 kW eller > 2 meter aksellængde
• Sørg for tilstrækkelig dræning for at forhindre ophobning af varm væske
• Isoler for at minimere strålevarmeoverførsel

For eksisterende udstyr

• Udvikle og følg nøje skriftlige opvarmningsprocedurer
• Træn operatører i risici og symptomer på termisk bøjning
• Installer temperaturovervågning flere steder
• Brug vibrationstendenser under opstarter til at identificere termiske problemer
• Dokumentér historiske data for at optimere procedurer

Vedligeholdelsespraksis

• Kontroller drejemekanismens funktion før hver nedlukning
• Kontroller kalibrering af lejetemperatursensorer
• Undersøg afløbssystemer for blokeringer
• Bekræft isoleringens integritet
• Kontroller for og fjern eventuelle kilder til asymmetrisk opvarmning

Termisk bøjning er, selvom den er midlertidig og reversibel, en betydelig driftsudfordring for store roterende maskiner. Forståelse af årsagerne, genkendelse af symptomerne og implementering af korrekte opvarmnings- og nedkølingsprocedurer er afgørende for pålidelig drift af dampturbiner, gasturbiner og andet roterende udstyr ved høje temperaturer.

---

← Tilbage til hovedindekset