회전 기계의 열 곡선 이해

디바이스

정의: Thermal Bow란 무엇인가?

열 활 (또한 핫 보우, 열 굽힘 또는 온도 유도 샤프트 보우라고도 함)는 다음과 같은 일시적인 곡률입니다. 로터 샤프트 둘레의 불균일한 온도 분포로 인해 샤프트가 휘어집니다. 샤프트의 한쪽 면이 반대쪽보다 뜨거우면 열팽창으로 인해 뜨거운 면이 길어지고, 이로 인해 샤프트가 곡선 모양으로 휘어지며, 뜨거운 면이 곡선의 볼록한(바깥쪽) 면에 위치하게 됩니다.

영구적인 것과는 달리 샤프트 보우 기계적 손상으로 인한 열 휨은 가역적입니다. 샤프트가 균일한 온도로 돌아오면 열 휨은 사라집니다. 그러나 열 휨은 상당한 진동 워밍업과 쿨다운 기간 동안 발생할 수 있으며, 심각하거나 자주 반복될 경우 영구적인 손상을 일으킬 수 있습니다.

물리적 메커니즘

열팽창 차이

열활 현상의 물리학은 간단합니다.

금속은 가열되면 팽창합니다(강철의 경우 열팽창 계수는 일반적으로 10-15 µm/m/°C입니다).
원주 주변의 온도가 균일하면 팽창은 대칭적입니다(축은 길어지지만 직선을 유지합니다).
한쪽이 더 뜨거우면 그 쪽이 차가운 쪽보다 더 많이 팽창합니다.
차등 팽창으로 인해 곡률이 발생합니다.
온도 차이와 샤프트 길이에 비례한 활의 크기

일반적인 온도 차이

직경에 따른 10-20°C의 온도 차이는 측정 가능한 활을 생성할 수 있습니다.
대형 터빈의 경우 30~50°C 차이가 심각한 진동을 유발할 수 있습니다.
효과는 샤프트 길이에 따라 누적됩니다. 샤프트가 길수록 효과가 더 커집니다.

열 활의 일반적인 원인

1. 시작 조건(가장 일반적)

비대칭 가열: 뜨거운 증기, 가스 또는 공정 유체가 샤프트 상단에 닿는 반면 하단은 더 차갑게 유지됩니다.
복사 난방: 뜨거운 케이싱이나 파이프에서 나오는 열이 샤프트의 상부를 따뜻하게 합니다.
베어링 마찰: 다른 베어링보다 더 뜨거운 베어링이 로컬 샤프트 섹션을 가열합니다.
빠른 시작: 예열 시간이 부족하면 열 기울기가 발생할 수 있습니다.

2. 셧다운 조건(열 처짐)

핫 셧다운: 샤프트가 아직 뜨거울 때 회전을 멈춥니다.
중력 처짐: 열이 상승하여 수평 샤프트의 상단이 하단보다 더 빨리 식습니다.
열 처짐 곡선: 바닥면은 더 오랫동안 뜨거워지고 샤프트는 아래로 휘어집니다.
중요 기간: 시스템 종료 후 처음 몇 시간

3. 운영상의 원인

로터-스테이터 마찰: 접촉으로 인한 마찰로 인해 강렬한 국소 가열이 발생합니다.
불균일한 냉각: 비대칭 냉각 공기 흐름 또는 물 분사
태양열 난방: 한쪽 면이 햇빛에 노출되는 야외 장비
프로세스 오류: 작동 유체의 급격한 온도 변화

증상 및 감지

진동 특성

열 곡선은 독특한 진동 패턴을 생성합니다.

빈도: 1× 주행 속도(동기 진동)
타이밍: 예열 중에는 높고 열 평형에 도달하면 감소합니다.
상변화: 위상각 활이 발달하고 해결됨에 따라 이동할 수 있습니다.
슬로우 롤 진동: 매우 낮은 속도에서도 높은 진동이 발생합니다( 불균형)
모습: 불균형과 유사하지만 온도에 따라 달라집니다.

열적 활과 불균형 구별

특성	불균형	써멀 보우
빈도	1× 주행 속도	1× 주행 속도
온도 감도	비교적 안정적이다	워밍업/쿨다운 중 높음
슬로우 롤(50-200 RPM)	매우 낮은 진폭	높은 진폭
위상 대 온도	끊임없는	활이 발달함에 따라 변화
고집	항상 일정함	일시적이며 열 평형에서 해결됩니다.
균형에 대한 대응	진동 감소	최소한 또는 전혀 개선되지 않음

진단 검사

1. 슬로우 롤 진동 시험

작동 속도의 5-10%에서 샤프트를 회전시킵니다.
진동을 측정하고 런아웃
높은 느린 롤 진동은 불균형이 아닌 열 또는 기계적 활을 나타냅니다.

2. 온도 모니터링

시동 중 샤프트 또는 베어링 온도 모니터링
베어링 원주 주변의 여러 위치에서 온도를 측정합니다.
진동 변화와 온도 구배 상관 관계

3. 스타트업 진동 트렌드

예열 중 시간에 따른 진동 진폭 플롯
열 곡선: 처음에는 높지만 평형에 가까워질수록 감소합니다.
불균형: 온도와 관계없이 속도에 따라 증가합니다.

예방 전략

운영 절차

1. 적절한 워밍업 절차

점진적인 온도 상승: 샤프트가 균일하게 가열되도록 합니다.
예열 시간 연장: 대형 터빈에는 2~4시간이 필요할 수 있습니다.
온도 모니터링: 트랙 베어링 및 케이싱 온도
진동 모니터링: 예열 중 모니터링, 진동이 높으면 속도 증가 지연

2. 터닝 기어 작동

대형 터빈의 경우 예열 및 냉각 중에 회전 기어(느린 회전, ~3-10 RPM)를 작동시킵니다.
연속 회전으로 열을 고르게 분산시켜 열 휘어짐을 방지합니다.
50MW 이상의 증기 터빈에 대한 산업 표준
냉각 중 8~24시간 동안 터닝 기어를 작동할 수 있습니다.

3. 종료 절차

점진적 쿨다운: 종료 전 부하와 온도를 천천히 낮추십시오.
확장된 회전 기어: 냉각되는 동안 로터를 계속 회전시키세요
핫 셧다운을 피하세요: 비상 정지로 인해 샤프트가 뜨거워지고 처지기 쉽습니다.

설계 측정

열 절연: 균일한 온도를 유지하기 위해 케이싱을 단열합니다.
난방 재킷: 균일한 예열을 위한 외부 히터
배수: 샤프트 바닥에 뜨거운 응축수 축적 방지
통풍: 대칭적인 냉각 공기 흐름을 보장합니다.

열 활의 결과

즉각적인 효과

높은 진동: 워밍업 중 정상 수준의 5~10배까지 도달 가능
베어링 하중: 비대칭 활은 베어링 하중을 증가시킵니다.
씰 마찰: 샤프트 처짐으로 인해 씰이나 고정 부품과의 접촉이 발생할 수 있습니다.
시작 지연: 속도를 높이기 전에 진동이 감소할 때까지 기다려야 합니다.

장기적 손상

베어링 마모: 반복되는 높은 진동은 베어링 열화를 가속화합니다.
씰 손상: 반복적인 마찰은 씰 구성 요소를 파괴합니다.
피로: 각 시동 중 발생하는 순환 굽힘 응력은 피로에 영향을 미칩니다.
영구 세트: 심각하거나 반복적인 열 변형은 영구적인 플라스틱 변형을 일으킬 수 있습니다.

교정 및 완화

활성 열 활을 위해

시간 허용: 속도를 높이기 전에 열 평형을 기다리십시오.
슬로우 롤: 가능하다면 천천히 회전시켜 열을 분산시키세요
균형을 맞추려고 시도하지 마십시오. 밸런싱은 열 휘어짐을 교정할 수 없으며 효과가 없습니다.
주소 열원: 비대칭 가열을 식별하고 제거하세요

열 처짐 현상(정지 후)

터닝 기어: 냉각 중에는 로터를 천천히 회전시키세요.
연장된 롤 타임: 12~24시간 동안 기어를 돌리는 작업이 필요할 수 있습니다.
온도 모니터링: 샤프트 온도가 균일해질 때까지 계속하세요
지연된 재시작: 활이 발달한 경우 재시작하기 전에 자연스럽게 곧게 펴질 때까지 기다리십시오.

산업별 고려 사항

증기 터빈

고온 및 대형 로터로 인해 열 휘어짐에 가장 취약함
워밍업 및 쿨다운 절차를 표준 관행으로 정교하게 작성
50MW 이상 장치에는 회전 장치 필수
2~4시간 예열, 12~24시간 쿨다운이 필요할 수 있습니다.

가스터빈

더 작은 질량으로 인해 더 빠른 열 반응
시동 중 열 휘어짐은 덜 흔하지만 여전히 가능합니다.
연소측 가열은 비대칭을 생성할 수 있습니다.
일반적으로 증기 터빈보다 예열 주기가 빠릅니다.

대형 전기 모터 및 발전기

로터 권선 열 또는 베어링 마찰로 인한 열 휘어짐
태양열 난방이 적용되는 야외 설비
시동 전 회전 또는 가열이 필요할 수 있습니다.

모니터링 및 경보

주요 모니터링 매개변수

슬로우 롤 진동: 정상 시동 전 저속으로 측정
베어링 온도 차이: 상단과 하단의 온도를 비교하세요
진동 대 온도: 진동 진폭 대비 베어링 온도 플롯
위상각: 활 발달을 나타내는 트랙 위상 변화

알람 기준

느린 롤 진동 > 2× 기준선 알람이 울립니다.
온도차 > 15-20°C는 열 불균형을 나타냅니다.
빠른 위상 변화(10분 내 30° 이상)는 활모양이 발달함을 시사합니다.
워밍업 중 진동이 감소하는 대신 증가합니다.

고급 스타트업 전략

제어된 가속

초기 슬로우 롤: 100-200 RPM에서 허용 가능한 진동을 확인하세요.
단계적 가속: 홀드를 사용하여 중간 속도(예: 일반 속도의 30%, 50%, 70%)로 증가
열 침지 기간: 각 단계마다 15~30분 동안 일정한 속도를 유지하세요.
진동 검증: 각 단계에서 진동이 감소하는지 확인한 후 진행하세요.
온도 모니터링: 프로세스 전반에 걸쳐 열 기울기를 줄입니다.

자동 시작 시스템

최신 제어 시스템은 열 곡선 관리를 자동화할 수 있습니다.

프로그래밍 가능한 워밍업 시퀀스
진동 또는 온도 한계를 초과하면 자동 보류 기간이 적용됩니다.
진동 및 온도로부터 열 곡선 크기의 실시간 계산
측정 조건에 따른 적응 속도 프로파일

다른 현상과의 관계

열 활 vs. 영구 활

열 활: 일시적이며 열 평형에서 사라짐
영구 활: 플라스틱 변형, 차가워도 유지
위험: 심각한 반복적인 열 변형은 결국 영구적인 변형을 유발할 수 있습니다.

열 활주 및 균형

시도하다 균형 열 활주 중에는 쓸모가 없습니다.
열 활 조건에 대해 계산된 보정 가중치는 평형에 도달하면 잘못될 것입니다.
균형을 맞추기 전에 항상 열 안정화를 허용하세요.
열적 활은 실제 불균형 상태를 가릴 수 있습니다.

예방 모범 사례

신규 설치의 경우

대칭형 난방 및 냉방 시스템 설계
100kW 이상 또는 샤프트 길이가 2m 이상인 장비에 터닝 기어를 설치하세요.
뜨거운 액체가 쌓이는 것을 방지하기 위해 적절한 배수를 제공하십시오.
복사열 전달을 최소화하기 위해 단열하십시오.

기존 장비의 경우

서면 워밍업 절차를 개발하고 엄격히 준수하십시오.
열선 선수 위험 및 증상에 대한 열차 운영자
여러 위치에 온도 모니터링 설치
시작 중 진동 추세를 사용하여 열 문제를 식별합니다.
절차를 최적화하기 위해 과거 데이터를 문서화합니다.

유지 관리 관행

모든 종료 전에 터닝 기어 작동을 확인하세요.
베어링 온도 센서 교정 확인
배수 시스템의 막힘 여부를 검사합니다.
절연 무결성 확인
비대칭 가열의 원인을 확인하고 제거하세요.

열 휨은 일시적이고 가역적이지만, 대형 회전 기계의 심각한 운영 문제입니다. 증기 터빈, 가스터빈 및 기타 고온 회전 장비의 안정적인 작동을 위해서는 열 휨의 원인을 이해하고, 증상을 파악하며, 적절한 예열 및 냉각 절차를 시행하는 것이 필수적입니다.

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열 휨이란? 온도 유도 샤프트 굽힘

admin가 10월 29, 2025 10월 29, 2025에 게시함