Forståelse av termisk bue i roterende maskineri
Definisjon: Hva er termisk bue?
Termisk sløyfe (også kalt varm bøying, termisk bøying eller temperaturindusert akselbøying) er en midlertidig krumning som utvikler seg i en Rotor akselen på grunn av ujevn temperaturfordeling rundt akselens omkrets. Når den ene siden av akselen er varmere enn den motsatte siden, fører termisk ekspansjon til at den varme siden blir lengre, noe som tvinger akselen til å bøye seg til en buet form med den varme siden på den konvekse (ytre) siden av kurven.
I motsetning til permanent skaftbue Fra mekanisk skade er termisk bøying reversibel – den forsvinner når akselen går tilbake til jevn temperatur. Termisk bøying skaper imidlertid betydelig vibrasjon i oppvarmings- og nedkjølingsperioder, og kan forårsake permanent skade hvis den er alvorlig eller gjentas ofte.
Fysisk mekanisme
Termisk ekspansjonsdifferensial
Fysikken bak termisk bue er enkel:
- Metall utvider seg ved oppvarming (termisk utvidelseskoeffisient er vanligvis 10–15 µm/m/°C for stål)
- Hvis temperaturen er jevn rundt omkretsen, er utvidelsen symmetrisk (skaftet forlenges, men forblir rett)
- Hvis den ene siden er varmere, utvider den siden seg mer enn den kalde siden
- Differensiell ekspansjon forårsaker krumning
- Buestørrelse proporsjonal med temperaturforskjell og aksellengde
Typiske temperaturforskjeller
- Temperaturforskjell på 10–20 °C over diameteren kan skape målbar bue
- I store turbiner kan en forskjell på 30–50 °C gi kraftig vibrasjon
- Effekten akkumuleres langs skaftlengden – lengre skaft er mer utsatt
Vanlige årsaker til termisk bøyning
1. Oppstartsforhold (vanligste)
- Asymmetrisk oppvarming: Varm damp, gass eller prosessvæske kommer i kontakt med toppen av akselen, mens bunnen forblir kaldere
- Strålende oppvarming: Varme fra varme foringsrør eller rør som varmer opp den øvre delen av sjakten
- Lagerfriksjon: Ett lager som går varmere enn andre, varmer opp den lokale akselseksjonen.
- Rask oppstart: Utilstrekkelig oppvarmingstid tillater utvikling av termiske gradienter
2. Avstengningsforhold (termisk nedsving)
- Varm avstengning: Akselen slutter å rotere mens den fortsatt er varm
- Gravitasjonsnedgang: Varme stiger, noe som fører til at toppen av den horisontale sjakten avkjøles raskere enn bunnen
- Termisk sagbue: Undersiden holder seg varmere lenger, skaftet bøyer seg nedover
- Kritisk periode: De første timene etter nedstengning
3. Driftsmessige årsaker
- Rotor-stator-gnidning: Friksjon fra kontakt genererer intens lokal oppvarming
- Ujevn kjøling: Asymmetrisk kjøleluftstrøm eller vannspray
- Solvarme: Utendørsutstyr med soleksponering på den ene siden
- Prosessforstyrrelser: Plutselige temperaturendringer i arbeidsfluidet
Symptomer og deteksjon
Vibrasjonsegenskaper
Termisk bue produserer særegne vibrasjonsmønstre:
- Hyppighet: 1× kjørehastighet (synkron vibrasjon)
- Tidspunkt: Høy under oppvarming, avtar når termisk likevekt nås
- Faseendringer: Fasevinkel kan endre seg etter hvert som buen utvikler seg og løser seg
- Langsom rullevibrasjon: Høy vibrasjon selv ved svært lave hastigheter (i motsetning til ubalanse)
- Utseende: Ligner på ubalanse, men temperaturavhengig
Å skille termisk bue fra ubalanse
| Karakteristisk | Ubalanse | Termisk sløyfe |
|---|---|---|
| Hyppighet | 1× løpehastighet | 1× løpehastighet |
| Temperaturfølsomhet | Relativt stabil | Høy under oppvarming/nedkjøling |
| Sakte rulling (50–200 o/min) | Svært lav amplitude | Høy amplitude |
| Fase vs. temperatur | Konstant | Endringer etter hvert som buen utvikler seg |
| Standhaftighet | Konstant til enhver tid | Midlertidig, løser seg opp ved termisk likevekt |
| Respons på balansering | Redusert vibrasjon | Minimal eller ingen forbedring |
Diagnostiske tester
1. Vibrasjonstest ved langsom rulling
- Roter akselen med 5-10% driftshastighet
- Mål vibrasjon og utløp
- Høy vibrasjon i langsom rulling indikerer termisk eller mekanisk bue, ikke ubalanse
2. Temperaturovervåking
- Overvåk aksel- eller lagertemperaturer under oppstart
- Mål temperaturen på flere steder rundt lageromkretsen
- Korreler vibrasjonsendringer med temperaturgradienter
3. Trendende vibrasjon ved oppstart
- Plott vibrasjonsamplitude vs. tid under oppvarming
- Termisk bue: høy i starten, avtar når likevekt nærmer seg
- Ubalanse: øker med hastighet, uavhengig av temperatur
Forebyggingsstrategier
Operasjonelle prosedyrer
1. Riktige oppvarmingsprosedyrer
- Gradvis temperaturøkning: La akselen varmes jevnt opp
- Forlenget oppvarmingstid: Store turbiner kan kreve 2–4 timer
- Temperaturovervåking: Temperaturer på sporlager og -hus
- Vibrasjonsovervåking: Overvåk under oppvarming, forsink hastighetsøkning hvis vibrasjonen er høy
2. Dreiemekanismens drift
- For store turbiner, bruk dreiemekanismen (langsom rotasjon, ~3–10 o/min) under oppvarming og nedkjøling.
- Kontinuerlig rotasjon forhindrer termisk bøyning ved å fordele varmen jevnt
- Industristandard for dampturbiner > 50 MW
- Kan bruke dreieutstyr i 8–24 timer under nedkjøling
3. Avstengningsprosedyrer
- Gradvis nedkjøling: Reduser belastning og temperatur sakte før avstengning
- Utvidet dreieutstyr: Hold rotoren roterende mens den avkjøles
- Unngå driftsstans ved høye temperaturer: Nødstopp gjør akselen varm og utsatt for siging
Designtiltak
- Termisk isolasjon: Isoler husene for å opprettholde jevn temperatur
- Varmejakker: Eksterne varmeelementer for jevn forvarming
- Drenering: Forhindre opphopning av varmt kondens på bunnen av sjakten
- Ventilasjon: Sørg for symmetrisk kjøleluftstrøm
Konsekvenser av termisk bøyning
Umiddelbare effekter
- Høy vibrasjon: Kan nå 5–10 ganger normale nivåer under oppvarming
- Lagerbelastning: Asymmetrisk bøy øker lagerbelastningen
- Tetningsgnister: Akselavbøyning kan føre til kontakt med tetninger eller stasjonære deler
- Oppstartsforsinkelser: Må vente til vibrasjonen avtar før man øker hastigheten
Langsiktig skade
- Lagerslitasje: Gjentatt høy vibrasjon akselererer lagerforringelse
- Skade på tetningen: Gjentatt gnissing ødelegger tetningskomponenter
- Utmattelse: Sykliske bøyespenninger under hver oppstart bidrar til utmatting
- Permanent sett: Alvorlig eller gjentatt termisk bøyning kan forårsake permanent plastisk deformasjon
Korrigering og avbøtende tiltak
For aktiv termisk bue
- Tillat tid: Vent på termisk likevekt før du øker hastigheten
- Sakte rulling: Roter sakte for å fordele varmen hvis mulig
- Ikke forsøk å balansere: Balansering kan ikke korrigere termisk bøyning og vil være ineffektiv
- Adresse varmekilde: Identifiser og eliminer asymmetrisk oppvarming
For termisk nedbøyning (etter avstengning)
- Dreieutstyr: Hold rotoren sakte roterende under avkjøling
- Utvidet rulletid: Kan trenge 12–24 timers drift med dreieutstyr
- Temperaturovervåking: Fortsett til akseltemperaturen er jevn
- Forsinket omstart: Hvis buen har utviklet seg, vent til naturlig retting før du starter opp igjen
Bransjespesifikke hensyn
Dampturbiner
- Mest utsatt for termisk bøyning på grunn av høye temperaturer og massive rotorer
- Utarbeide standard praksis for oppvarming og nedkjøling
- Svingmekanisme obligatorisk for enheter > 50 MW
- Kan kreve 2–4 timer oppvarming, 12–24 timer nedkjøling med snuutstyr
Gassturbiner
- Raskere termisk respons på grunn av mindre masse
- Termisk bøyning under oppstart mindre vanlig, men fortsatt mulig
- Oppvarming på forbrenningssiden kan skape asymmetrier
- Vanligvis raskere oppvarmingssykluser enn dampturbiner
Store elektriske motorer og generatorer
- Termisk bøyning fra rotorviklingsvarme eller lagerfriksjon
- Utendørs installasjoner som er utsatt for solvarme
- Kan kreve snuing eller oppvarming før oppstart
Overvåking og alarmering
Viktige overvåkingsparametere
- Langsom rullevibrasjon: Mål ved lav hastighet før normal oppstart
- Lagertemperaturforskjell: Sammenlign temperaturer øverst og nederst
- Vibrasjon vs. temperatur: Plott vibrasjonsamplitude vs. lagertemperatur
- Fasevinkel: Sporfaseendringer som indikerer bueutvikling
Alarmkriterier
- Langsom rullevibrasjon > 2× grunnlinje utløser alarm
- Temperaturforskjell > 15–20 °C indikerer termisk ubalanse
- Raske faseendringer (> 30° på 10 minutter) tyder på utvikling av bue
- Vibrasjonen øker under oppvarming i stedet for å avta
Avanserte oppstartsstrategier
Kontrollert akselerasjon
- Innledende langsom rulling: Bekreft akseptabel vibrasjon ved 100–200 o/min
- Trinnvis akselerasjon: Øk til middels hastigheter (f.eks. 30%, 50%, 70% eller normal) med hold
- Termisk bløtleggingsperioder: Hold konstant hastighet i 15–30 minutter på hvert trinn
- Vibrasjonsverifisering: Bekreft at vibrasjonene avtar før du fortsetter i hvert trinn.
- Temperaturovervåking: Sørg for at termiske gradienter reduseres gjennom hele prosessen
Automatiserte oppstartssystemer
Moderne kontrollsystemer kan automatisere styring av termisk bue:
- Programmerbare oppvarmingssekvenser
- Automatiske holdeperioder hvis vibrasjons- eller temperaturgrenser overskrides
- Sanntidsberegning av termisk buestørrelse fra vibrasjon og temperatur
- Adaptive hastighetsprofiler basert på målte forhold
Forholdet til andre fenomener
Termisk bue vs. permanent bue
- Termisk bue: Midlertidig, forsvinner ved termisk likevekt
- Permanent bue: Plastisk deformasjon, forblir selv når den er kald
- Fare: Alvorlig gjentatt termisk bøyning kan til slutt forårsake permanent setning
Termisk bue og balansering
- Forsøker å balansere under termisk bue er nytteløst
- Korreksjonsvekter beregnet for termisk buetilstand vil være feil når likevekt er nådd
- Tillat alltid termisk stabilisering før balansering
- Termisk bue kan maskere ekte ubalansetilstand
Beste praksis for forebygging
For nye installasjoner
- Design symmetriske varme- og kjølesystemer
- Installer dreieutstyr for utstyr > 100 kW eller > 2 meter aksellengde
- Sørg for tilstrekkelig drenering for å forhindre opphopning av varm væske
- Isoler for å minimere strålingsvarmeoverføring
For eksisterende utstyr
- Utvikle og følg nøye skriftlige oppvarmingsprosedyrer
- Opplær operatører om risikoer og symptomer på termisk bøyning
- Installer temperaturovervåking på flere steder
- Bruk vibrasjonstrender under oppstart for å identifisere termiske problemer
- Dokumenter historiske data for å optimalisere prosedyrer
Vedlikeholdspraksis
- Kontroller driften av svinghjulet før hver nedstengning
- Sjekk kalibreringen av lagertemperatursensorene
- Inspiser dreneringssystemer for blokkeringer
- Verifiser isolasjonens integritet
- Sjekk etter og fjern eventuelle kilder til asymmetrisk oppvarming
Termisk bøyning, selv om den er midlertidig og reversibel, er en betydelig driftsutfordring for store roterende maskiner. Å forstå årsakene, gjenkjenne symptomene og implementere riktige oppvarmings- og nedkjølingsprosedyrer er avgjørende for pålitelig drift av dampturbiner, gassturbiner og annet roterende utstyr med høy temperatur.
Kategorier:
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 