Inzicht in thermische boog in roterende machines
Definitie: Wat is Thermal Bow?
Thermische boog (ook wel hete boog, thermische buiging of temperatuurgeïnduceerde schachtboog genoemd) is een tijdelijke kromming die ontstaat in een rotor schacht door een ongelijkmatige temperatuurverdeling rond de omtrek van de schacht. Wanneer één kant van de schacht heter is dan de andere kant, zorgt thermische uitzetting ervoor dat de hete kant langer wordt, waardoor de schacht een gebogen vorm aanneemt met de hete kant aan de bolle (buitenste) kant van de curve.
In tegenstelling tot permanent schachtboog Door mechanische schade is thermische buiging omkeerbaar: deze verdwijnt zodra de as weer een gelijkmatige temperatuur heeft. Thermische buiging veroorzaakt echter aanzienlijke schade. trillingen tijdens de warming-up en cooling-down en kan blijvende schade veroorzaken als het ernstig is of vaak herhaald wordt.
Fysisch mechanisme
Thermisch uitzettingsverschil
De natuurkunde achter thermische boog is eenvoudig:
- Metaal zet uit bij verhitting (thermische uitzettingscoëfficiënt doorgaans 10-15 µm/m/°C voor staal)
- Als de temperatuur overal gelijk is, is de uitzetting symmetrisch (de schacht wordt langer maar blijft recht)
- Als één kant warmer is, zet die kant meer uit dan de koele kant
- Differentiële uitzetting veroorzaakt kromming
- De grootte van de boog is evenredig met het temperatuurverschil en de schachtlengte
Typische temperatuurverschillen
- Een temperatuurverschil van 10-20°C over de diameter kan een meetbare buiging veroorzaken
- Bij grote turbines kan een verschil van 30-50°C ernstige trillingen veroorzaken
- Het effect bouwt zich op over de lengte van de schacht; langere schachten zijn gevoeliger
Veelvoorkomende oorzaken van thermische boog
1. Opstartvoorwaarden (meest voorkomend)
- Asymmetrische verwarming: Hete stoom, gas of procesvloeistof komt in contact met de bovenkant van de schacht, terwijl de onderkant koeler blijft
- Stralingsverwarming: Hitte van hete omhulsels of leidingen die het bovenste gedeelte van de schacht verwarmen
- Lagerwrijving: Één lager dat heter loopt dan de andere, verwarmt het lokale asgedeelte
- Snelle opstart: Onvoldoende opwarmtijd zorgt ervoor dat er thermische gradiënten ontstaan
2. Uitschakelomstandigheden (thermische doorzakking)
- Hot Shutdown: As stopt met draaien terwijl deze nog heet is
- Zwaartekrachtverzakking: Warmte stijgt op, waardoor de bovenkant van de horizontale schacht sneller afkoelt dan de onderkant.
- Thermische doorhangboog: Onderkant blijft langer heet, schacht buigt naar beneden
- Kritieke periode: Eerste paar uur na de afsluiting
3. Operationele oorzaken
- Rotor-stator wrijving: Wrijving door contact genereert intense lokale verhitting
- Ongelijkmatige koeling: Asymmetrische koelluchtstroom of waternevel
- Zonne-energie: Buitenuitrusting met aan één kant zonlicht
- Procesverstoringen: Plotselinge temperatuurveranderingen in de werkvloeistof
Symptomen en detectie
Trillingskarakteristieken
De thermische boog produceert karakteristieke trillingspatronen:
- Frequentie: 1× loopsnelheid (synchrone trilling)
- Tijdstip: Hoog tijdens opwarming, neemt af naarmate het thermisch evenwicht bereikt is
- Faseveranderingen: Fasehoek kan verschuiven naarmate de boog zich ontwikkelt en oplost
- Langzame rolvibratie: Hoge trillingen, zelfs bij zeer lage snelheden (in tegenstelling tot onevenwicht)
- Verschijning: Vergelijkbaar met onevenwicht, maar temperatuurafhankelijk
Het onderscheiden van thermische boog en onbalans
| Kenmerkend | Onbalans | Thermische boog |
|---|---|---|
| Frequentie | 1× loopsnelheid | 1× loopsnelheid |
| Temperatuurgevoeligheid | Relatief stabiel | Hoog tijdens warming-up/cooling-down |
| Langzame rol (50-200 tpm) | Zeer lage amplitude | Hoge amplitude |
| Fase versus temperatuur | Constante | Veranderingen naarmate de boog zich ontwikkelt |
| Vasthoudendheid | Altijd constant | Tijdelijk, lost op bij thermisch evenwicht |
| Reactie op balanceren | Trillingen verminderd | Minimale of geen verbetering |
Diagnostische tests
1. Langzame rolvibratietest
- Draai de as met een bedrijfssnelheid van 5-10%
- Meet trillingen en uitloop
- Hoge langzame rolvibratie duidt op thermische of mechanische boog, niet op onbalans
2. Temperatuurbewaking
- Controleer de as- of lagertemperaturen tijdens het opstarten
- Meet de temperatuur op meerdere plaatsen rond de omtrek van het lager
- Correleer trillingsveranderingen met temperatuurgradiënten
3. Opstartvibratie Trending
- Zet de trillingsamplitude uit tegen de tijd tijdens het opwarmen
- Thermische boog: aanvankelijk hoog, neemt af naarmate het evenwicht nadert
- Onbalans: neemt toe met de snelheid, onafhankelijk van de temperatuur
Preventiestrategieën
Operationele procedures
1. Juiste warming-upprocedures
- Geleidelijke temperatuurstijging: Laat de schacht gelijkmatig verwarmen
- Verlengde opwarmtijd: Grote turbines kunnen 2-4 uur nodig hebben
- Temperatuurbewaking: Temperaturen van rupslager en behuizing
- Trillingsbewaking: Controleer tijdens het opwarmen, stel de snelheidsverhoging uit als de trillingen hoog zijn
2. Draaiende tandwielbediening
- Bij grote turbines moet het draaiende tandwiel (langzame rotatie, ~3-10 RPM) tijdens het opwarmen en afkoelen worden bediend
- Continue rotatie voorkomt thermische buiging door de warmte gelijkmatig te verdelen
- Industriestandaard voor stoomturbines > 50 MW
- Kan draaiende tandwielen gedurende 8-24 uur laten werken tijdens het afkoelen
3. Afsluitprocedures
- Geleidelijke afkoeling: Verminder de belasting en temperatuur langzaam voordat u het apparaat uitschakelt
- Uitgebreid draaimechanisme: Houd de rotor draaiend terwijl deze afkoelt
- Vermijd 'hot shutdowns': Noodstops zorgen ervoor dat de schacht heet wordt en de kans op doorzakken van de boeg vergroot.
Ontwerpmaatregelen
- Thermische isolatie: Isoleer de behuizingen om een gelijkmatige temperatuur te behouden
- Verwarmde jassen: Externe verwarmers voor gelijkmatige voorverwarming
- Afwatering: Voorkom dat hete condens zich ophoopt op de bodem van de schacht
- Ventilatie: Zorg voor een symmetrische koelluchtstroom
Gevolgen van thermische boog
Onmiddellijke effecten
- Hoge trillingen: Kan tijdens de warming-up 5-10x het normale niveau bereiken
- Lagerbelasting: Asymmetrische boog verhoogt de draaglast
- Zeehondenwrijvingen: Door de afbuiging van de as kan er contact ontstaan met afdichtingen of stilstaande onderdelen
- Opstartvertragingen: Moet wachten tot de trillingen afnemen voordat de snelheid wordt verhoogd
Schade op lange termijn
- Lagerslijtage: Herhaalde hoge trillingen versnellen de lagerverslechtering
- Schade aan afdichting: Herhaalde wrijvingen vernietigen afdichtingscomponenten
- Vermoeidheid: Cyclische buigspanningen tijdens elke start dragen bij aan vermoeiing
- Permanente set: Ernstige of herhaaldelijke thermische buiging kan permanente plastische vervorming veroorzaken
Correctie en verzachting
Voor actieve thermische boog
- Geef tijd: Wacht tot het thermisch evenwicht is bereikt voordat u de snelheid verhoogt
- Langzaam rollen: Draai langzaam om de warmte te verdelen indien mogelijk
- Probeer niet te balanceren: Balanceren kan de thermische boog niet corrigeren en zal ineffectief zijn
- Adres warmtebron: Asymmetrische verwarming identificeren en elimineren
Voor thermische doorzakking (na uitschakeling)
- Draaiend tandwiel: Houd de rotor langzaam draaiend tijdens het afkoelen
- Verlengde roltijd: Het kan 12-24 uur duren voordat het tandwiel in werking is
- Temperatuurbewaking: Ga door totdat de astemperatuur gelijkmatig is
- Vertraagde herstart: Als er een boog is ontstaan, wacht dan tot de boog zich op natuurlijke wijze heeft rechtgetrokken voordat u opnieuw begint.
Branchespecifieke overwegingen
Stoomturbines
- Meest vatbaar voor thermische buiging vanwege hoge temperaturen en massieve rotoren
- Uitgebreide warming-up- en cooling-downprocedures zijn standaardpraktijk
- Draaimechanisme verplicht voor eenheden > 50 MW
- Kan 2-4 uur opwarmen en 12-24 uur afkoelen vereisen met draaiende uitrusting
Gasturbines
- Snellere thermische respons dankzij kleinere massa
- Thermische boog tijdens opstarten minder gebruikelijk maar nog steeds mogelijk
- Verhitting aan de verbrandingszijde kan asymmetrieën creëren
- Meestal snellere opwarmcycli dan stoomturbines
Grote elektromotoren en generatoren
- Thermische buiging door hitte van de rotorwikkeling of wrijving van het lager
- Buiteninstallaties die onderhevig zijn aan zonneverwarming
- Het kan nodig zijn om vóór het opstarten te draaien of te verwarmen
Monitoring en alarmering
Belangrijkste controleparameters
- Langzame rolvibratie: Meet op lage snelheid vóór de normale start
- Lagertemperatuurverschil: Vergelijk temperaturen boven en onder
- Trillingen versus temperatuur: Teken de trillingsamplitude versus de lagertemperatuur
- Fasehoek: Volg faseveranderingen die de ontwikkeling van de boog aangeven
Alarmcriteria
- Langzame roltrilling > 2× basislijn activeert alarm
- Een temperatuurverschil > 15-20°C duidt op een thermische onbalans
- Snelle faseveranderingen (> 30° in 10 minuten) duiden op het ontstaan van een boog
- Trillingen nemen toe tijdens het opwarmen in plaats van af
Geavanceerde startupstrategieën
Gecontroleerde versnelling
- Initiële langzame rol: Controleer of de trillingen acceptabel zijn bij 100-200 tpm
- Gefaseerde versnelling: Verhoog naar gemiddelde snelheden (bijv. 30%, 50%, 70% of normaal) met pauzes
- Thermische verzadigingsperiodes: Houd in elke fase gedurende 15-30 minuten een constante snelheid aan
- Trillingsverificatie: Controleer in elke fase of de trillingen afnemen voordat u verdergaat
- Temperatuurbewaking: Zorg ervoor dat de thermische gradiënten tijdens het proces afnemen
Geautomatiseerde opstartsystemen
Moderne besturingssystemen kunnen het beheer van thermische bogen automatiseren:
- Programmeerbare warming-upsequenties
- Automatische wachttijden indien trillings- of temperatuurlimieten worden overschreden
- Realtime berekening van de grootte van de thermische boog op basis van trillingen en temperatuur
- Adaptieve snelheidsprofielen op basis van gemeten omstandigheden
Relatie tot andere verschijnselen
Thermische boog versus permanente boog
- Thermische boog: Tijdelijk, verdwijnt bij thermisch evenwicht
- Permanente boog: Plastische vervorming, blijft ook bij koude
- Risico: Ernstige, herhaaldelijke thermische buiging kan uiteindelijk een permanente vervorming veroorzaken
Thermische boog en balanceren
- Proberen om evenwicht tijdens thermische boog is zinloos
- Correctiegewichten die voor thermische boogcondities worden berekend, zullen onjuist zijn zodra het evenwicht is bereikt
- Laat altijd thermische stabilisatie plaatsvinden voordat u gaat balanceren
- Thermische boog kan een echte onbalanstoestand maskeren
Preventie beste praktijken
Voor nieuwe installaties
- Ontwerp symmetrische verwarmings- en koelsystemen
- Draaiwerk installeren voor apparatuur > 100 kW of > 2 meter aslengte
- Zorg voor voldoende drainage om ophoping van hete vloeistof te voorkomen
- Isoleer om de stralingswarmteoverdracht te minimaliseren
Voor bestaande apparatuur
- Ontwikkel en volg strikt schriftelijke warming-upprocedures
- Train operators over de risico's en symptomen van thermische boog
- Installeer temperatuurbewaking op meerdere locaties
- Gebruik trillingstrends tijdens het opstarten om thermische problemen te identificeren
- Documenteer historische gegevens om procedures te optimaliseren
Onderhoudspraktijken
- Controleer de werking van het draaiende tandwiel vóór elke uitschakeling
- Controleer de kalibratie van de lagertemperatuursensoren
- Controleer afvoersystemen op verstoppingen
- Controleer de isolatie-integriteit
- Controleer op en verwijder eventuele bronnen van asymmetrische verwarming
Thermische buiging is weliswaar tijdelijk en omkeerbaar, maar vormt een aanzienlijke operationele uitdaging voor grote roterende machines. Het begrijpen van de oorzaken, het herkennen van de symptomen en het implementeren van de juiste opwarm- en afkoelprocedures zijn essentieel voor een betrouwbare werking van stoomturbines, gasturbines en andere roterende apparatuur met hoge temperaturen.
Categorieën:
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 