آشنایی با کمان حرارتی در ماشین آلات دوار
تعریف: کمان حرارتی چیست؟
کمان حرارتی (که به آن کمان داغ، خمیدگی حرارتی یا کمان شفت ناشی از دما نیز گفته می‌شود) یک انحنای موقت است که در ... روتور شفت به دلیل توزیع ناهموار دما در اطراف محیط شفت. هنگامی که یک طرف شفت گرمتر از طرف مقابل باشد، انبساط حرارتی باعث می‌شود که طرف گرم بلندتر شود و شفت را مجبور به خم شدن به شکل منحنی می‌کند که طرف گرم در سمت محدب (بیرونی) منحنی قرار می‌گیرد.
برخلاف دائمی کمان شفت در اثر آسیب مکانیکی، کمان حرارتی برگشت‌پذیر است - وقتی شفت به دمای یکنواخت برمی‌گردد، ناپدید می‌شود. با این حال، کمان حرارتی اثرات قابل توجهی ایجاد می‌کند. لرزش در طول دوره‌های گرم کردن و سرد کردن و در صورت شدت یا تکرار مکرر می‌تواند باعث آسیب دائمی شود.
مکانیسم فیزیکی
دیفرانسیل انبساط حرارتی
فیزیک پشت کمان حرارتی سرراست است:
- فلز هنگام گرم شدن منبسط می‌شود (ضریب انبساط حرارتی معمولاً برای فولاد 10-15 میکرومتر بر متر بر درجه سانتیگراد است)
- اگر دما در اطراف محیط یکنواخت باشد، انبساط متقارن است (میله طویل می‌شود اما مستقیم باقی می‌ماند)
- اگر یک طرف داغ‌تر باشد، آن طرف بیشتر از طرف سرد منبسط می‌شود
- انبساط دیفرانسیلی باعث انحنا می‌شود
- بزرگی کمان متناسب با اختلاف دما و طول شفت
تفاوت‌های دمایی معمول
- اختلاف دمای ۱۰ تا ۲۰ درجه سانتیگراد در قطر می‌تواند کمان قابل اندازه‌گیری ایجاد کند.
- در توربین‌های بزرگ، اختلاف دمای 30 تا 50 درجه سانتیگراد می‌تواند ارتعاش شدیدی ایجاد کند.
- این اثر در امتداد طول شفت تجمع می‌یابد - شفت‌های بلندتر مستعدتر هستند
علل شایع کمان حرارتی
۱. شرایط راه‌اندازی (رایج‌ترین)
- گرمایش نامتقارن: بخار، گاز یا سیال فرآیندی داغ با بالای شفت تماس پیدا می‌کند در حالی که پایین آن خنک‌تر می‌ماند
- گرمایش تابشی: گرمای ناشی از پوسته‌های داغ یا لوله‌کشی که قسمت بالایی شفت را گرم می‌کند
- اصطکاک یاتاقان: یکی از یاتاقان‌ها که داغ‌تر از بقیه کار می‌کند، بخش موضعی شفت را گرم می‌کند.
- راه اندازی سریع: زمان گرم شدن ناکافی باعث ایجاد گرادیان حرارتی می‌شود
۲. شرایط خاموشی (افت حرارتی)
- خاموش شدن سریع (Hot Shutdown): شفت در حالی که هنوز داغ است، از چرخش باز می‌ایستد
- افت گرانشی: گرما بالا می‌رود و باعث می‌شود بالای شفت افقی سریع‌تر از پایین آن خنک شود
- کمان قوسی حرارتی: قسمت پایین مدت بیشتری داغ می‌ماند، شفت به سمت پایین خم می‌شود
- دوره بحرانی: چند ساعت اول پس از خاموش شدن
۳. علل عملیاتی
- اصطکاک روتور-استاتور: اصطکاک ناشی از تماس، گرمای موضعی شدیدی ایجاد می‌کند
- خنک سازی ناهموار: جریان هوای خنک‌کننده نامتقارن یا اسپری آب
- گرمایش خورشیدی: تجهیزات فضای باز با تابش آفتاب از یک طرف
- اختلالات فرآیند: تغییرات ناگهانی دما در سیال عامل
علائم و تشخیص
ویژگی‌های ارتعاش
کمان حرارتی الگوهای ارتعاشی متمایزی تولید می‌کند:
- فرکانس: ۱× سرعت حرکت (لرزش همزمان)
- زمان‌بندی: در هنگام گرم شدن زیاد، با رسیدن به تعادل حرارتی کاهش می‌یابد
- تغییرات فاز: زاویه فاز ممکن است با رشد و حل شدن قوس، تغییر مکان دهد
- لرزش غلتکی آهسته: لرزش زیاد حتی در سرعت‌های بسیار پایین (برخلاف عدم تعادل)
- ظاهر: مشابه عدم تعادل اما وابسته به دما
تشخیص کمان حرارتی از عدم تعادل
| مشخصه | عدم تعادل | کمان حرارتی |
|---|---|---|
| فرکانس | ۱× سرعت دویدن | ۱× سرعت دویدن |
| حساسیت دما | نسبتاً پایدار | بالا بودن در حین گرم کردن/سرد کردن |
| چرخش آهسته (۵۰-۲۰۰ دور در دقیقه) | دامنه بسیار کم | دامنه بالا |
| فاز در مقابل دما | ثابت | با رشد کمان تغییر می‌کند |
| پشتکار | در هر زمان ثابت | موقت، در تعادل حرارتی برطرف می‌شود |
| پاسخ به متعادل‌سازی | لرزش کاهش یافته است | حداقل یا عدم بهبود |
آزمایش‌های تشخیصی
۱. تست ارتعاش غلتش آهسته
- شفت را با سرعت عملیاتی 5-10% بچرخانید
- اندازه‌گیری ارتعاش و تمام شدن
- ارتعاش زیاد و آهسته‌ی غلتش نشان دهنده‌ی کمان حرارتی یا مکانیکی است، نه عدم تعادل.
۲. پایش دما
- نظارت بر دمای شفت یا یاتاقان در هنگام راه اندازی
- اندازه‌گیری دما در چندین نقطه در اطراف محیط یاتاقان
- تغییرات ارتعاش را با گرادیان‌های دما مرتبط کنید
۳. روندهای ویبره استارتاپی
- نمودار دامنه ارتعاش در مقابل زمان در طول گرم شدن
- کمان حرارتی: در ابتدا زیاد، با نزدیک شدن به تعادل کاهش می‌یابد
- عدم تعادل: با سرعت افزایش می‌یابد، مستقل از دما
استراتژی‌های پیشگیری
رویه‌های عملیاتی
۱. روش‌های صحیح گرم کردن
- افزایش تدریجی دما: اجازه دهید شفت به طور یکنواخت گرم شود
- زمان گرم شدن طولانی: توربین‌های بزرگ ممکن است به ۲ تا ۴ ساعت زمان نیاز داشته باشند
- نظارت بر دما: دمای یاتاقان آهنگ و محفظه
- پایش ارتعاش: در حین گرم شدن دستگاه، دستگاه را زیر نظر داشته باشید و در صورت بالا بودن لرزش، افزایش سرعت را به تعویق بیندازید.
۲. عملکرد چرخ دنده گردان
- برای توربین‌های بزرگ، در طول گرم شدن و خنک شدن، از چرخ‌دنده چرخشی (چرخش آهسته، حدود ۳ تا ۱۰ دور در دقیقه) استفاده کنید.
- چرخش مداوم با توزیع یکنواخت گرما، از کمان حرارتی جلوگیری می‌کند.
- استاندارد صنعتی برای توربین‌های بخار > 50 مگاوات
- ممکن است در طول خنک شدن، چرخ دنده‌های چرخشی به مدت ۸ تا ۲۴ ساعت کار کنند.
۳. رویه‌های خاموش‌سازی
- خنک شدن تدریجی: قبل از خاموش کردن دستگاه، بار و دما را به آرامی کاهش دهید
- چرخ دنده چرخشی توسعه یافته: روتور را در حین خنک شدن به چرخش ادامه دهید
- از خاموش شدن‌های ناگهانی (Hot Shutdown) جلوگیری کنید: ترمزهای اضطراری، شفت را داغ و مستعد خم شدن می‌کنند
اقدامات طراحی
- عایق حرارتی: عایق‌بندی محفظه‌ها برای حفظ دمای یکنواخت
- کاپشن‌های گرمایشی: بخاری‌های خارجی برای گرم شدن اولیه یکنواخت
- زهکشی: جلوگیری از تجمع میعانات داغ در کف شفت
- تهویه: جریان هوای خنک‌کننده متقارن را تضمین کنید
پیامدهای کمان حرارتی
اثرات فوری
- لرزش بالا: می‌تواند در طول گرم کردن به ۵ تا ۱۰ برابر سطح نرمال برسد
- بارگیری بلبرینگ: کمان نامتقارن بارهای تحمل را افزایش می‌دهد
- مالش‌های مهر و موم: انحراف شفت ممکن است باعث تماس با آب‌بندها یا قطعات ثابت شود.
- تأخیر در شروع کار: قبل از افزایش سرعت، باید صبر کنید تا لرزش کاهش یابد
آسیب بلندمدت
- سایش بلبرینگ: ارتعاشات شدید مکرر، فرسودگی یاتاقان را تسریع می‌کند
- آسیب مهر و موم: سایش‌های مکرر، اجزای آب‌بند را از بین می‌برد
- خستگی: تنش‌های خمشی چرخه‌ای در طول هر بار راه‌اندازی، به خستگی کمک می‌کنند.
- مجموعه دائمی: کمان حرارتی شدید یا مکرر می‌تواند باعث تغییر شکل پلاستیک دائمی شود
اصلاح و کاهش اثرات
برای کمان حرارتی فعال
- زمان مجاز: قبل از افزایش سرعت، منتظر تعادل حرارتی باشید
- چرخش آهسته: در صورت امکان، به آرامی بچرخانید تا گرما به طور کامل پخش شود.
- سعی در ایجاد تعادل نکنید: متعادل‌سازی نمی‌تواند کمان حرارتی را اصلاح کند و بی‌اثر خواهد بود.
- منبع حرارت آدرس: شناسایی و حذف گرمایش نامتقارن
برای کمان قوسی حرارتی (پس از خاموش شدن)
- چرخ دنده چرخشی: روتور را در طول مدت خنک شدن به آرامی بچرخانید
- زمان رول تمدید شده: ممکن است به ۱۲ تا ۲۴ ساعت کار با چرخ‌دنده نیاز داشته باشد
- نظارت بر دما: ادامه دهید تا دمای شفت یکنواخت شود
- شروع مجدد با تأخیر: اگر قوس ایجاد شده است، قبل از شروع مجدد، منتظر صاف شدن طبیعی باشید
ملاحظات خاص صنعت
توربین‌های بخار
- به دلیل دمای بالا و روتورهای عظیم، بیشترین حساسیت را به کمان حرارتی دارد
- روش‌های استاندارد گرم کردن و سرد کردن را به تفصیل شرح دهید
- اجباری بودن چرخ‌دنده چرخشی برای واحدهای > ۵۰ مگاوات
- ممکن است به ۲ تا ۴ ساعت گرم شدن و ۱۲ تا ۲۴ ساعت خنک شدن با چرخ دنده چرخشی نیاز داشته باشد
توربین‌های گازی
- پاسخ حرارتی سریع‌تر به دلیل جرم کمتر
- کمان حرارتی در هنگام راه اندازی کمتر رایج است اما هنوز هم ممکن است
- گرمایش سمت احتراق می‌تواند عدم تقارن ایجاد کند
- معمولاً چرخه‌های گرم شدن سریع‌تری نسبت به توربین‌های بخار دارند
موتورها و ژنراتورهای الکتریکی بزرگ
- قوس حرارتی ناشی از حرارت سیم‌پیچ روتور یا اصطکاک یاتاقان
- تاسیسات فضای باز مشمول گرمایش خورشیدی
- ممکن است نیاز به تراشکاری یا گرمایش قبل از راه اندازی داشته باشد
نظارت و هشدار
پارامترهای کلیدی نظارت
- لرزش غلتکی آهسته: قبل از شروع به کار عادی، با سرعت کم اندازه‌گیری کنید
- اختلاف دمای یاتاقان: دما را در بالا و پایین مقایسه کنید
- ارتعاش در مقابل دما: نمودار دامنه ارتعاش در مقابل دمای یاتاقان
- زاویه فاز: تغییرات فاز ردیابی که نشان دهنده توسعه کمان است
معیارهای هشدار
- لرزش غلتشی آهسته > 2× خط پایه، آلارم را فعال می‌کند
- اختلاف دما > 15-20°C نشان دهنده عدم تعادل حرارتی است
- تغییرات سریع فاز (بیش از 30 درجه در 10 دقیقه) نشان دهنده ایجاد کمان است.
- افزایش لرزش در حین گرم شدن به جای کاهش
استراتژی‌های پیشرفته استارتاپی
شتاب کنترل‌شده
- چرخش آهسته اولیه: ارتعاش قابل قبول را در سرعت ۱۰۰-۲۰۰ دور در دقیقه بررسی کنید
- شتاب‌دهی مرحله‌ای: با نگه داشتن دکمه‌ها، سرعت را به حد متوسط (مثلاً 30%، 50%، 70% حالت عادی) افزایش دهید.
- دوره‌های خیساندن حرارتی: در هر مرحله به مدت ۱۵ تا ۳۰ دقیقه سرعت ثابتی را حفظ کنید.
- تأیید ارتعاش: در هر مرحله، قبل از ادامه، کاهش لرزش را تأیید کنید
- نظارت بر دما: اطمینان از کاهش گرادیان‌های حرارتی در طول فرآیند
سیستم‌های راه‌اندازی خودکار
سیستم‌های کنترل مدرن می‌توانند مدیریت کمان حرارتی را خودکار کنند:
- توالی‌های گرم شدن قابل برنامه‌ریزی
- دوره‌های توقف خودکار در صورت تجاوز از حد مجاز لرزش یا دما
- محاسبه‌ی بلادرنگ بزرگی کمان حرارتی از روی ارتعاش و دما
- پروفایل‌های سرعت تطبیقی بر اساس شرایط اندازه‌گیری شده
ارتباط با سایر پدیده‌ها
کمان حرارتی در مقابل کمان دائمی
- کمان حرارتی: موقت، در تعادل حرارتی از بین می‌رود
- کمان دائمی: تغییر شکل پلاستیک، حتی در حالت سرد نیز باقی می‌ماند
- ریسک: کمان حرارتی مکرر و شدید می‌تواند در نهایت باعث ایجاد گیر دائمی شود
کمان حرارتی و متعادل کننده
- تلاش برای تعادل در طول کمان حرارتی بیهوده است
- وزن‌های اصلاحی محاسبه‌شده برای شرایط کمان حرارتی، پس از رسیدن به تعادل، اشتباه خواهند بود.
- همیشه قبل از متعادل‌سازی، تثبیت حرارتی را در نظر بگیرید
- کمان حرارتی می‌تواند شرایط عدم تعادل واقعی را بپوشاند
بهترین شیوه‌های پیشگیری
برای نصب‌های جدید
- طراحی سیستم‌های گرمایش و سرمایش متقارن
- نصب چرخ دنده چرخشی برای تجهیزات > ۱۰۰ کیلووات یا طول شفت > ۲ متر
- برای جلوگیری از تجمع مایعات داغ، زهکشی کافی فراهم کنید
- عایق بندی برای به حداقل رساندن انتقال حرارت تابشی
برای تجهیزات موجود
- رویه‌های گرم کردن کتبی را تدوین و دقیقاً دنبال کنید
- اپراتورها را در مورد خطرات و علائم قوس حرارتی آموزش دهید
- نصب سیستم مانیتورینگ دما در مکان‌های مختلف
- برای شناسایی مشکلات حرارتی، از روند ارتعاش در طول راه‌اندازی استفاده کنید.
- مستندسازی داده‌های تاریخی برای بهینه‌سازی رویه‌ها
شیوه‌های نگهداری
- قبل از هر بار خاموش کردن دستگاه، عملکرد چرخ‌دنده‌های چرخشی را بررسی کنید.
- کالیبراسیون سنسورهای دمای یاتاقان را بررسی کنید
- سیستم‌های زهکشی را از نظر گرفتگی بررسی کنید
- بررسی سلامت عایق
- هرگونه منبع گرمایش نامتقارن را بررسی و از بین ببرید
کمان حرارتی، اگرچه موقت و برگشت‌پذیر است، اما یک چالش عملیاتی مهم برای ماشین‌آلات دوار بزرگ است. درک علل آن، تشخیص علائم آن و اجرای رویه‌های مناسب گرم کردن و خنک کردن برای عملکرد قابل اعتماد توربین‌های بخار، توربین‌های گازی و سایر تجهیزات دوار با دمای بالا ضروری است.
Categories:
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 