Verständnis der thermischen Verformung in rotierenden Maschinen

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Definition: Was ist ein Thermalbogen?

Thermobogen (auch als Heißbiegung, thermische Biegung oder temperaturinduzierte Schaftbiegung bezeichnet) ist eine vorübergehende Krümmung, die sich in einem Rotor Die Welle verformt sich aufgrund ungleichmäßiger Temperaturverteilung entlang ihres Umfangs. Wenn eine Seite der Welle heißer ist als die gegenüberliegende, führt die Wärmeausdehnung zu einer Verlängerung der heißen Seite. Dadurch wird die Welle gekrümmt, wobei die heiße Seite auf der konvexen (äußeren) Seite der Krümmung liegt.

Im Gegensatz zu permanent Schaftbogen Durch mechanische Beschädigung verursachte thermische Verformung ist reversibel – sie verschwindet, sobald der Schaft wieder eine gleichmäßige Temperatur erreicht hat. Allerdings verursacht thermische Verformung erhebliche Schäden. Vibration während der Aufwärm- und Abkühlphasen und können bei starker oder häufiger Wiederholung dauerhafte Schäden verursachen.

Physikalischer Mechanismus

Wärmeausdehnungsdifferenz

Die Physik hinter der thermischen Verformung ist einfach:

• Metall dehnt sich bei Erwärmung aus (typischer Wärmeausdehnungskoeffizient 10-15 µm/m/°C für Stahl).
• Bei gleichmäßiger Temperaturverteilung entlang des Umfangs ist die Ausdehnung symmetrisch (der Schaft verlängert sich, bleibt aber gerade).
• Wenn eine Seite wärmer ist, dehnt sich diese Seite stärker aus als die kühlere Seite.
• Unterschiedliche Ausdehnung verursacht Krümmung
• Die Biegungsgröße ist proportional zur Temperaturdifferenz und zur Schaftlänge

Typische Temperaturdifferenzen

• Eine Temperaturdifferenz von 10-20°C über den Durchmesser kann eine messbare Wölbung erzeugen.
• Bei großen Turbinen können Temperaturunterschiede von 30-50°C starke Vibrationen hervorrufen.
• Der Effekt verstärkt sich entlang der Schaftlänge – längere Schäfte sind anfälliger.

Häufige Ursachen für thermische Verformung

1. Anlaufbedingungen (am häufigsten)

• Asymmetrische Erwärmung: Heißer Dampf, Gas oder Prozessflüssigkeit gelangt an die Oberseite des Schachts, während die Unterseite kühler bleibt.
• Strahlungsheizung: Wärme von heißen Gehäusen oder Rohrleitungen erwärmt den oberen Teil des Schachts
• Lagerreibung: Ein Lager, das heißer läuft als die anderen, erhitzt einen lokalen Wellenabschnitt.
• Schneller Start: Eine unzureichende Aufwärmzeit ermöglicht die Entstehung von Temperaturgradienten.

2. Abschaltbedingungen (Thermischer Abfall)

• Heißabschaltung: Die Welle hört auf, sich zu drehen, obwohl sie noch heiß ist.
• Gravitationsbedingter Durchhang: Da Wärme nach oben steigt, kühlt der obere Teil des horizontalen Schachts schneller ab als der untere.
• Thermischer Durchhangbogen: Die Unterseite bleibt länger heiß, der Schaft biegt sich nach unten
• Kritische Phase: Die ersten Stunden nach der Abschaltung

3. Betriebsbedingte Ursachen

• Rotor-Stator-Reibung: Durch die Reibung beim Kontakt entsteht eine intensive lokale Erwärmung.
• Ungleichmäßige Kühlung: Asymmetrischer Kühlluftstrom oder Wassersprühnebel
• Solarheizung: Outdoor-Ausrüstung mit einseitiger Sonneneinstrahlung
• Prozessstörungen: Plötzliche Temperaturänderungen im Arbeitsmedium

Symptome und Erkennung

Schwingungseigenschaften

Der Thermalbogen erzeugt charakteristische Vibrationsmuster:

• Frequenz: 1× Laufgeschwindigkeit (synchrone Vibration)
• Timing: Hoch während der Aufwärmphase, sinkt mit Erreichen des thermischen Gleichgewichts.
• Phasenübergänge: Phasenwinkel kann sich im Laufe der Entwicklung und Auflösung des Bogens verändern
• Vibration bei langsamer Rollbewegung: Starke Vibrationen auch bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten (im Gegensatz zu Unwucht)
• Aussehen: Ähnlich wie ein Ungleichgewicht, aber temperaturabhängig

Unterscheidung zwischen thermischer Verformung und Unwucht

Merkmal	Unwucht	Thermischer Bogen
Frequenz	1× Laufgeschwindigkeit	1× Laufgeschwindigkeit
Temperaturempfindlichkeit	Relativ stabil	Hoch während des Aufwärmens/Abkühlens
Langsames Rollen (50-200 U/min)	Sehr geringe Amplitude	Hohe Amplitude
Phase vs. Temperatur	Konstante	Veränderungen im Laufe der Bogenentwicklung
Beharrlichkeit	stets konstant	Vorübergehend, löst sich im thermischen Gleichgewicht auf
Reaktion auf den Ausgleich	Vibrationen reduziert	Minimale oder keine Verbesserung

Diagnosetests

1. Vibrationstest bei langsamer Rollbewegung

• Drehen Sie die Welle mit der Betriebsdrehzahl 5-10%.
• Vibration messen und Auslaufen
• Starke, langsame Rollschwingungen deuten auf eine thermische oder mechanische Verformung hin, nicht auf eine Unwucht.

2. Temperaturüberwachung

• Überwachen Sie die Wellen- oder Lagertemperaturen während des Anlaufs.
• Messen Sie die Temperatur an mehreren Stellen entlang des Lagerumfangs
• Korrelation von Schwingungsänderungen mit Temperaturgradienten

3. Trendanalyse der Startvibrationen

• Zeichnen Sie die Schwingungsamplitude über die Zeit während des Aufwärmens auf.
• Thermische Wölbung: anfänglich hoch, nimmt mit Annäherung an das Gleichgewicht ab
• Ungleichgewicht: nimmt mit der Geschwindigkeit zu, unabhängig von der Temperatur

Präventionsstrategien

Betriebsabläufe

1. Richtige Aufwärmprozeduren

• Allmählicher Temperaturanstieg: Welle gleichmäßig erwärmen
• Verlängerte Aufwärmzeit: Große Turbinen benötigen möglicherweise 2-4 Stunden.
• Temperaturüberwachung: Temperaturen der Gleislager und des Gehäuses
• Schwingungsüberwachung: Überwachen Sie die Aufwärmphase und verzögern Sie die Geschwindigkeitserhöhung, falls die Vibrationen hoch sind.

2. Drehgetriebebetrieb

• Bei großen Turbinen sollte das Drehgetriebe während der Aufwärm- und Abkühlphase (langsame Drehzahl, ca. 3-10 U/min) betrieben werden.
• Die kontinuierliche Rotation verhindert thermische Verformungen durch gleichmäßige Wärmeverteilung.
• Industriestandard für Dampfturbinen > 50 MW
• Das Drehwerk kann während der Abkühlphase 8-24 Stunden lang betrieben werden.

3. Abschaltverfahren

• Allmähliche Abkühlung: Reduzieren Sie Last und Temperatur langsam vor dem Abschalten.
• Verlängertes Drehgetriebe: Den Rotor während des Abkühlens weiterdrehen lassen.
• Vermeiden Sie Heißabschaltungen: Notstopps lassen den Schaft heiß werden und erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Durchbiegens.

Designmaßnahmen

• Wärmedämmung: Isolieren Sie die Gehäuse, um eine gleichmäßige Temperatur zu gewährleisten.
• Heizjacken: Externe Heizgeräte für gleichmäßiges Vorwärmen
• Drainage: Verhindern Sie die Ansammlung von heißem Kondenswasser am Schachtboden.
• Belüftung: Für einen symmetrischen Kühlluftstrom sorgen

Folgen der thermischen Verformung

Sofortige Auswirkungen

• Hohe Vibration: Kann während des Aufwärmens das 5- bis 10-fache des Normalwerts erreichen
• Lagerbelastung: Asymmetrische Biegung erhöht die Lagerbelastungen
• Dichtungsabrieb: Durch die Wellendurchbiegung kann es zum Kontakt mit Dichtungen oder stationären Teilen kommen.
• Anlaufverzögerungen: Man muss warten, bis die Vibrationen nachlassen, bevor man die Geschwindigkeit erhöht.

Langzeitschäden

• Lagerverschleiß: Wiederholte starke Vibrationen beschleunigen den Lagerverschleiß.
• Siegelschaden: Wiederholtes Reiben zerstört Dichtungskomponenten
• Ermüdung: Zyklische Biegebeanspruchungen während jedes Anlaufs tragen zur Materialermüdung bei.
• Permanenter Satz: Starke oder wiederholte thermische Verformung kann zu dauerhafter plastischer Verformung führen.

Korrektur und Minderung

Für aktiven thermischen Bogen

• Zeit einplanen: Warten Sie auf das thermische Gleichgewicht, bevor Sie die Geschwindigkeit erhöhen.
• Langsames Rollen: Wenn möglich, langsam drehen, um die Wärme gleichmäßig zu verteilen.
• Versuchen Sie nicht, das Gleichgewicht zu halten: Durch Auswuchten lässt sich die thermische Wölbung nicht korrigieren und es ist wirkungslos.
• Adresse der Wärmequelle: Asymmetrische Erwärmung erkennen und beseitigen

Bei thermischer Durchbiegung (nach Abschaltung)

• Drehmechanismus: Rotor während der Abkühlphase langsam drehen lassen
• Verlängerte Rollzeit: Möglicherweise sind 12-24 Stunden Drehgetriebebetrieb erforderlich.
• Temperaturüberwachung: Fahren Sie fort, bis die Wellentemperatur gleichmäßig ist
• Verzögerter Neustart: Falls sich eine Biegung entwickelt hat, warten Sie, bis sich das Handgelenk auf natürliche Weise begradigt, bevor Sie es neu starten.

Branchenspezifische Überlegungen

Dampfturbinen

• Am anfälligsten für thermische Verformung aufgrund hoher Temperaturen und massiver Rotoren
• Ausführliche Aufwärm- und Abkühlprozeduren sind Standardpraxis
• Drehvorrichtung für Anlagen > 50 MW obligatorisch
• Möglicherweise sind 2-4 Stunden Aufwärmzeit und 12-24 Stunden Abkühlzeit mit Drehmechanismus erforderlich.

Gasturbinen

• Schnellere thermische Reaktion aufgrund geringerer Masse
• Thermische Verformung beim Startvorgang ist seltener, aber dennoch möglich.
• Die Erwärmung auf der Verbrennungsseite kann Asymmetrien erzeugen.
• Typischerweise schnellere Aufwärmzyklen als Dampfturbinen

Große Elektromotoren und Generatoren

• Thermische Verformung durch Wärme der Rotorwicklung oder Lagerreibung
• Außenanlagen, die der Solarheizung ausgesetzt sind
• Vor dem Start kann ein Einschalten oder Erhitzen erforderlich sein.

Überwachung und Alarmierung

Wichtige Überwachungsparameter

• Vibration bei langsamer Rollbewegung: Messung bei niedriger Drehzahl vor dem normalen Start
• Lagertemperaturdifferenz: Vergleichen Sie die Temperaturen oben und unten.
• Vibration vs. Temperatur: Schwingungsamplitude gegen Lagertemperatur auftragen
• Phasenwinkel: Verfolgen Sie Phasenänderungen, die die Bogenentwicklung anzeigen.

Alarmkriterien

• Vibrationen bei langsamer Rollbewegung > 2× Basiswert lösen Alarm aus
• Temperaturdifferenzen von mehr als 15–20 °C deuten auf ein thermisches Ungleichgewicht hin.
• Schnelle Phasenänderungen (> 30° in 10 Minuten) deuten auf eine sich entwickelnde Bogenbildung hin
• Die Vibrationen nehmen während der Aufwärmphase zu, anstatt abzunehmen.

Fortgeschrittene Startup-Strategien

Kontrollierte Beschleunigung

1. Anfängliche Langsamkeit: Prüfen Sie, ob die Vibrationen bei 100-200 U/min akzeptabel sind.
2. Stufenweise Beschleunigung: Erhöhung auf Zwischengeschwindigkeiten (z. B. 30%, 50%, 70% der normalen Geschwindigkeit) mit Haltezeiten
3. Thermische Einwirkzeiten: Halten Sie in jeder Phase 15-30 Minuten lang eine konstante Geschwindigkeit.
4. Schwingungsprüfung: Prüfen Sie in jedem Arbeitsschritt, ob die Vibrationen abnehmen, bevor Sie fortfahren.
5. Temperaturüberwachung: Sicherstellen, dass die thermischen Gradienten während des gesamten Prozesses reduziert werden

Automatisierte Startsysteme

Moderne Steuerungssysteme können die thermische Bogenregulierung automatisieren:

• Programmierbare Aufwärmsequenzen
• Automatische Haltezeiten bei Überschreitung der Vibrations- oder Temperaturgrenzwerte
• Echtzeitberechnung der thermischen Verformungsgröße aus Vibration und Temperatur
• Adaptive Geschwindigkeitsprofile basierend auf gemessenen Bedingungen

Beziehung zu anderen Phänomenen

Thermischer Bogen vs. Permanenter Bogen

• Thermischer Bogen: Vorübergehend, verschwindet im thermischen Gleichgewicht
• Dauerbogen: Plastische Verformung, bleibt auch im kalten Zustand erhalten
• Risiko: Starke, wiederholte thermische Verformung kann schließlich zu einer dauerhaften Verformung führen.

Thermische Biegung und Auswuchtung

• Der Versuch, Gleichgewicht Bei thermischer Böe ist ein Bogen sinnlos
• Die für den thermischen Verformungszustand berechneten Korrekturgewichte werden nach Erreichen des Gleichgewichts fehlerhaft sein.
• Vor dem Auswuchten stets eine thermische Stabilisierung gewährleisten.
• Thermische Wölbung kann einen tatsächlichen Unwuchtzustand verschleiern

Best Practices zur Prävention

Für Neuinstallationen

• Symmetrische Heiz- und Kühlsysteme entwerfen
• Installieren Sie Drehvorrichtungen für Anlagen mit einer Leistung von über 100 kW oder einer Wellenlänge von über 2 Metern.
• Sorgen Sie für ausreichende Entwässerung, um die Ansammlung heißer Flüssigkeiten zu verhindern.
• Dämmen Sie, um die Wärmestrahlung zu minimieren.

Für vorhandene Geräte

• Entwickeln und befolgen Sie strikt schriftliche Aufwärmprozeduren.
• Zugbetreiber über Risiken und Symptome von Thermikböen
• Installieren Sie Temperaturüberwachung an mehreren Standorten
• Nutzen Sie Vibrationstrendanalysen während des Startvorgangs, um thermische Probleme zu identifizieren.
• Historische Daten dokumentieren, um Verfahren zu optimieren

Wartungspraktiken

• Überprüfen Sie vor jedem Abschalten die Funktion der Drehteile.
• Kalibrierung der Lagertemperatursensoren prüfen
• Überprüfen Sie die Entwässerungssysteme auf Verstopfungen.
• Isolationsintegrität prüfen
• Prüfen und beseitigen Sie alle Quellen asymmetrischer Erwärmung.

Die thermische Verformung ist zwar vorübergehend und reversibel, stellt aber eine erhebliche betriebliche Herausforderung für große rotierende Maschinen dar. Das Verständnis ihrer Ursachen, das Erkennen ihrer Symptome und die Anwendung geeigneter Aufwärm- und Abkühlverfahren sind unerlässlich für den zuverlässigen Betrieb von Dampfturbinen, Gasturbinen und anderen rotierenden Hochtemperaturanlagen.

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