サーマルボウとは？温度誘起シャフト曲げ• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、マルチャー、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用されます。 サーマルボウとは？温度誘起シャフト曲げ• ポータブルバランサー、振動分析装置「Balanset」は、破砕機、ファン、マルチャー、コンバインのオーガー、シャフト、遠心分離機、タービン、その他多くのローターの動的バランス調整に使用されます。

サーマルボウとは？温度誘起シャフト曲げ

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回転機械における熱変形の理解

定義: Thermal Bow とは何ですか?

サーマルボウ （ホットボウ、熱曲げ、または温度誘起シャフトボウとも呼ばれる）は、 ローター シャフトの円周上の温度分布が不均一なため、シャフトの片側が反対側よりも高温になると、熱膨張により高温側が長くなり、シャフトは湾曲した形状に曲がります。湾曲した形状では、高温側が曲線の凸側（外側）になります。.

永久とは異なり シャフトボウ 機械的損傷による熱変形は可逆的であり、シャフトが均一な温度に戻ると消えます。しかし、熱変形は大きな問題を引き起こします。 振動 ウォームアップおよびクールダウン期間中に発生する可能性があり、重度または頻繁に繰り返される場合は永久的な損傷を引き起こす可能性があります。.

物理的メカニズム

熱膨張差

サーマルボウの背後にある物理学は単純です。

  • 金属は加熱すると膨張します（鋼鉄の熱膨張係数は通常10～15 µm/m/°C）
  • 温度が円周上で均一であれば、膨張は対称的になります（シャフトは長くなりますが、まっすぐなままです）。
  • 片側が熱い場合は、その側は冷たい側よりも膨張します
  • 差動膨張は曲率を引き起こす
  • 弓形の大きさは温度差とシャフトの長さに比例する

典型的な温度差

  • 直径全体で10～20℃の温度差があると、測定可能な反りが生じる可能性がある。
  • 大型タービンでは、30～50℃の差で激しい振動が発生する可能性がある。
  • 影響はシャフトの長さに応じて蓄積され、シャフトが長いほど影響を受けやすい

熱弓の一般的な原因

1. 起動条件（最も一般的）

  • 非対称加熱： 高温の蒸気、ガス、またはプロセス流体がシャフトの上部に接触し、下部は冷たいままです。
  • 輻射暖房: 高温のケーシングや配管からの熱がシャフトの上部を温める
  • ベアリング摩擦: 1つのベアリングが他のベアリングよりも高温になり、シャフト部分が加熱される
  • 高速起動: ウォームアップ時間が不十分だと温度勾配が生じてしまう

2. シャットダウン条件（熱サグ）

  • ホットシャットダウン: シャフトがまだ熱いうちに回転が止まる
  • 重力サグ: 熱が上昇し、水平シャフトの上部が下部よりも早く冷える
  • サーマルサグボウ： 下側はより長く熱くなり、シャフトは下向きに曲がります
  • 臨界期: シャットダウン後の最初の数時間

3. 運用上の原因

  • ローター・ステーター摩擦: 接触による摩擦により局所的に激しい加熱が発生する
  • 不均一な冷却： 非対称冷却空気流または水スプレー
  • 太陽熱暖房: 片側が日光に当たる屋外用具
  • プロセスの混乱: 作動流体の急激な温度変化

症状と検出

振動特性

サーマルボウは特徴的な振動パターンを生成します。

  • 頻度： 1倍速走行（同期振動）
  • タイミング： ウォームアップ中は高く、熱平衡に達すると低下する
  • フェーズの変更: 位相角 弓状変形が進行し解消するにつれて変化する可能性がある
  • スローロール振動: 非常に低速でも振動が大きい（ アンバランス)
  • 外観： アンバランスに似ているが温度に依存する

熱弓と不均衡の区別

特性 アンバランス サーマルボウ
頻度 走行速度の1倍 走行速度の1倍
温度感度 比較的安定している ウォームアップ/クールダウン中は高い
スローロール（50～200 RPM） 非常に低い振幅 高振幅
位相と温度 絶え間ない 弓の発達に伴う変化
粘り強さ 常に一定 一時的、熱平衡で解消
バランス調整への対応 振動の低減 改善はほとんどまたは全くない

診断テスト

1. スローロール振動試験

  • シャフトを5-10%の動作速度で回転させる
  • 振動を測定し、 なくなる
  • 高いスローロール振動は、アンバランスではなく、熱または機械的な曲がりを示しています。

2. 温度監視

  • 起動時にシャフトまたはベアリングの温度を監視する
  • ベアリング円周の複数の場所で温度を測定
  • 振動の変化と温度勾配を相関させる

3. スタートアップバイブレーショントレンド

  • ウォームアップ中の振動振幅と時間のプロット
  • 熱弓形：最初は高いが、平衡に近づくにつれて減少する
  • アンバランス: 温度に関係なく、速度とともに増加する

予防戦略

運用手順

1. 適切なウォームアップ手順

  • 徐々に温度が上昇する： シャフトを均一に加熱する
  • ウォームアップ時間の延長: 大型タービンでは2～4時間かかる場合があります
  • 温度監視: トラックベアリングとケーシングの温度
  • 振動監視: ウォームアップ中に監視し、振動が大きい場合は速度増加を遅らせる

2. 回転ギア操作

  • 大型タービンの場合、ウォームアップとクールダウン中に回転ギア（低速回転、約3～10 RPM）を作動させる
  • 連続回転により熱を均等に分散し、熱歪みを防ぎます。
  • 50MWを超える蒸気タービンの業界標準
  • 冷却中に8～24時間ターニングギアを操作できる

3. シャットダウン手順

  • 段階的なクールダウン: シャットダウン前に負荷と温度をゆっくりと下げる
  • 拡張旋回ギア: ローターが冷えるまで回転を続ける
  • ホットシャットダウンを回避する: 緊急停止によりシャフトが熱くなり、たわみが生じやすくなります。

設計対策

  • 断熱性: 均一な温度を維持するためにケースを断熱する
  • 加熱ジャケット: 均一な予熱のための外部ヒーター
  • 排水： シャフト底部の高温凝縮水の蓄積を防ぐ
  • 換気： 対称的な冷却空気の流れを確保する

サーマルボウの影響

即時的な影響

  • 高振動: ウォームアップ中に通常の5～10倍のレベルに達する可能性がある
  • ベアリング荷重: 非対称の船首は支持荷重を増大させる
  • アザラシのこすり傷: シャフトのたわみによりシールや固定部品との接触が生じる可能性があります
  • 起動遅延: 速度を上げる前に振動が減少するまで待たなければなりません

長期的な損傷

  • ベアリングの摩耗: 繰り返しの高振動はベアリングの劣化を加速させる
  • シールの損傷: 繰り返しの摩擦によりシール部品が破損する
  • 倦怠感： 起動時の周期的な曲げ応力が疲労の原因となる
  • 永久セット: 重度の熱変形や繰り返しの熱変形は永久的な塑性変形を引き起こす可能性がある。

修正と緩和

アクティブサーマルボウ用

  • 時間を許可: 速度を上げる前に熱平衡を待つ
  • スローロール： 可能であれば、熱を分散させるためにゆっくり回転させます
  • バランス調整を試みないでください: バランス調整では熱による反りを修正できず、効果がない。
  • 熱源アドレス: 非対称加熱を特定し排除する

サーマルサグボウ（シャットダウン後）

  • ターニングギア: クールダウン中はローターをゆっくり回転させ続ける
  • 延長ロールタイム: 12～24時間の回転ギア操作が必要な場合があります
  • 温度監視: シャフト温度が均一になるまで続ける
  • 遅延再起動: 弓状変形が進行している場合は、自然に矯正されるまで待ってから再開してください。

業界固有の考慮事項

蒸気タービン

  • 高温と巨大なローターによる熱変形の影響を受けやすい
  • 入念なウォームアップとクールダウンの手順が標準的な実践である
  • 50MWを超えるユニットには回転装置が必須
  • ギアを回転させると、2～4 時間のウォームアップと 12～24 時間のクールダウンが必要になる場合があります。

ガスタービン

  • 質量が小さいため熱応答が速い
  • 起動時の熱反りはそれほど一般的ではないが、起こり得る
  • 燃焼側の加熱により非対称性が生じる可能性がある
  • 通常、蒸気タービンよりもウォームアップサイクルが速い

大型電気モーターと発電機

  • ローター巻線の熱またはベアリングの摩擦による熱湾曲
  • 太陽熱の影響を受ける屋外設備
  • 始動前に回転または加熱が必要な場合があります

監視と警報

主要な監視パラメータ

  • スローロール振動: 通常起動前に低速で測定
  • ベアリング温度差: 上部と下部の温度を比較する
  • 振動と温度: 振動振幅とベアリング温度の関係をプロットする
  • 位相角: 弓の発達を示す位相変化を追跡する

アラーム基準

  • スローロール振動 > ベースラインの 2 倍でアラームが作動
  • 温度差が15～20℃を超える場合は、熱バランスが崩れていることを示します。
  • 急速な位相変化（10分以内に30°以上）は弓状変形の発生を示唆する
  • ウォームアップ中に振動が減少するのではなく増加する

高度なスタートアップ戦略

制御された加速

  1. 最初のスローロール: 100～200 RPMで許容できる振動を確認する
  2. 段階的な加速: ホールドしながら中間速度（例：通常の30%、50%、70%）まで上げる
  3. 熱浸漬期間: 各段階で15～30分間一定速度を維持する
  4. 振動検証: 各段階で振動が減少していることを確認し、次に進んでください。
  5. 温度監視: プロセス全体にわたって温度勾配を低減する

自動起動システム

最新の制御システムは、熱弓の管理を自動化できます。

  • プログラム可能なウォームアップシーケンス
  • 振動または温度の制限を超えた場合の自動保留期間
  • 振動と温度から熱弓の強さをリアルタイムで計算
  • 測定条件に基づく適応速度プロファイル

他の現象との関係

サーマルボウ vs. パーマネントボウ

  • サーマルボウ: 一時的、熱平衡時に消失
  • 永久弓： 塑性変形は冷間時でも残る
  • リスク： 繰り返しの熱変形が激しいと、最終的には永久変形を引き起こす可能性がある。

サーマルボウとバランス調整

  • 試みる バランス 熱弓の間は無駄です
  • 熱弓状状態に対して計算された補正重みは、平衡に達すると間違ったものになる。
  • バランス調整を行う前に必ず熱安定を保ってください
  • 熱弓は真の不均衡状態を隠すことができる

予防のベストプラクティス

新規インストールの場合

  • 対称的な暖房・冷房システムを設計する
  • 100kW以上またはシャフト長2メートル以上の機器には回転ギアを設置してください。
  • 熱い液体が溜まらないように適切な排水を行う
  • 断熱して放射熱伝達を最小限に抑える

既存機器の場合

  • 書面によるウォームアップ手順を作成し、厳密に従う
  • サーマルボウのリスクと症状についてオペレーターをトレーニングする
  • 複数の場所に温度監視を設置する
  • 起動時の振動傾向を利用して熱の問題を特定する
  • 手順を最適化するために履歴データを文書化する

メンテナンスの実践

  • 毎回のシャットダウン前に回転ギアの動作を確認する
  • ベアリング温度センサーの校正を確認する
  • 排水システムの詰まりを点検する
  • 絶縁の完全性を検証する
  • 非対称加熱の原因を確認し、除去する

サーマルボウは一時的かつ可逆的ですが、大型回転機械にとって重大な運用上の課題となります。蒸気タービン、ガスタービン、その他の高温回転機器の信頼性の高い運転には、その原因を理解し、症状を認識し、適切な暖機運転と冷却運転の手順を実施することが不可欠です。.

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