Înțelegerea arcului termic în mașinile rotative
Definiție: Ce este arcul termic?
Arc termic (numită și curbură fierbinte, îndoire termică sau curbură a arborelui indusă de temperatură) este o curbură temporară care se dezvoltă într-un rotor arbore din cauza distribuției neuniforme a temperaturii pe circumferința arborelui. Când o parte a arborelui este mai fierbinte decât partea opusă, dilatarea termică face ca partea fierbinte să devină mai lungă, forțând arborele să se îndoaie într-o formă curbată, cu partea fierbinte pe partea convexă (exterioară) a curburii.
Spre deosebire de permanent arcul arborelui din cauza deteriorării mecanice, curbura termică este reversibilă - dispare atunci când arborele revine la o temperatură uniformă. Cu toate acestea, curbura termică creează o valoare semnificativă vibrații în timpul perioadelor de încălzire și răcire și poate provoca daune permanente dacă este severă sau repetată frecvent.
Mecanism fizic
Diferența de dilatare termică
Fizica din spatele arcului termic este simplă:
- Metalul se dilată la încălzire (coeficientul de dilatare termică este de obicei 10-15 µm/m/°C pentru oțel)
- Dacă temperatura este uniformă pe circumferință, expansiunea este simetrică (arborele se lungește, dar rămâne drept)
- Dacă o parte este mai fierbinte, acea parte se dilată mai mult decât partea rece
- Expansiunea diferențială provoacă curbură
- Magnitudinea arcului proporțională cu diferența de temperatură și lungimea axului
Diferențe tipice de temperatură
- Diferența de temperatură de 10-20°C pe diametru poate crea o curbură măsurabilă
- În turbinele mari, o diferență de temperatură de 30-50°C poate produce vibrații severe
- Efectul se acumulează de-a lungul lungimii tijei - tije mai lungi sunt mai susceptibile
Cauze frecvente ale curburii termice
1. Condiții de pornire (cele mai frecvente)
- Încălzire asimetrică: Aburul fierbinte, gazul sau fluidul de proces intră în contact cu partea superioară a arborelui, în timp ce partea inferioară rămâne mai rece
- Încălzire radiantă: Căldura provenită de la carcasele sau conductele fierbinți încălzește porțiunea superioară a arborelui
- Frecarea rulmentului: Un rulment care funcționează la o temperatură mai ridicată decât altele încălzește secțiunea locală a arborelui
- Pornire rapidă: Timpul insuficient de încălzire permite dezvoltarea gradienților termici
2. Condiții de oprire (cădere termică)
- Oprire la cald: Arborele se oprește din rotație cât timp este încă fierbinte
- Abatere gravitațională: Căldura crește, determinând răcirea mai rapidă a părții superioare a arborelui orizontal decât a celei inferioare
- Arc termic de îndoire: Partea inferioară rămâne caldă mai mult timp, axul se curbează în jos
- Perioada critică: Primele câteva ore după oprire
3. Cauze operaționale
- Frecare rotor-stator: Frecarea de la contact generează o încălzire locală intensă
- Răcire neuniformă: Flux asimetric de aer de răcire sau pulverizare cu apă
- Încălzire solară: Echipament de exterior cu expunere la soare pe o parte
- Perturbări ale procesului: Schimbări bruște de temperatură în fluidul de lucru
Simptome și detectare
Caracteristicile vibrațiilor
Arcul termic produce modele distinctive de vibrații:
- Frecvenţă: 1× viteză de funcționare (vibrații sincrone)
- Sincronizare: Ridicat în timpul încălzirii, scade pe măsură ce se atinge echilibrul termic
- Schimbări de fază: Unghiul de fază se poate schimba pe măsură ce arcul se dezvoltă și se rezolvă
- Vibrații lente de rulare: Vibrații ridicate chiar și la viteze foarte mici (spre deosebire de dezechilibra)
- Aspect: Similar cu dezechilibrul, dar dependent de temperatură
Diferențierea arcului termic de dezechilibru
| Caracteristică | Dezechilibra | Arc termic |
|---|---|---|
| Frecvenţă | 1× viteză de rulare | 1× viteză de rulare |
| Sensibilitate la temperatură | Relativ stabil | Ridicat în timpul încălzirii/răcirii |
| Rotire lentă (50-200 RPM) | Amplitudine foarte mică | Amplitudine mare |
| Fază vs. Temperatură | Constant | Schimbări pe măsură ce arcul se dezvoltă |
| Persistenţă | Constant în orice moment | Temporar, se rezolvă la echilibru termic |
| Răspuns la echilibrare | Vibrații reduse | Îmbunătățire minimă sau deloc |
Teste de diagnostic
1. Test de vibrații la rulare lentă
- Rotiți arborele la o viteză de funcționare de 5-10%
- Măsurați vibrațiile și a alerga afară
- Vibrațiile ridicate de rulare lentă indică o curbură termică sau mecanică, nu un dezechilibru
2. Monitorizarea temperaturii
- Monitorizați temperaturile arborelui sau ale rulmentului în timpul pornirii
- Măsurați temperatura în mai multe locații în jurul circumferinței rulmentului
- Corelarea modificărilor vibrațiilor cu gradienții de temperatură
3. Tendințe privind vibrațiile la startup-uri
- Reprezentați grafic amplitudinea vibrațiilor în funcție de timp în timpul încălzirii
- Curbura termică: inițial ridicată, scade pe măsură ce se apropie de echilibru
- Dezechilibru: crește odată cu viteza, independent de temperatură
Strategii de prevenire
Proceduri operaționale
1. Proceduri adecvate de încălzire
- Creștere treptată a temperaturii: Lăsați arborele să se încălzească uniform
- Timp de încălzire extins: Turbinele mari pot necesita 2-4 ore
- Monitorizarea temperaturii: Temperaturile rulmentului și carcasei și ale șinei
- Monitorizarea vibrațiilor: Monitorizare în timpul încălzirii, creștere a vitezei întârziată dacă vibrațiile sunt mari
2. Funcționarea angrenajului de rotire
- Pentru turbinele mari, acționați mecanismul de rotație (rotație lentă, ~3-10 RPM) în timpul încălzirii și răcirii.
- Rotația continuă previne curbura termică prin distribuirea uniformă a căldurii
- Standard industrial pentru turbine cu abur > 50 MW
- Poate acționa echipamentul de virare timp de 8-24 de ore în timpul răcirii
3. Proceduri de oprire
- Recuperare treptată: Reduceți lent sarcina și temperatura înainte de oprire
- Angrenaj de viraj extins: Mențineți rotorul în rotație în timp ce se răcește
- Evitați opririle la cald: Opririle de urgență lasă arborele fierbinte și predispus la curbură
Măsuri de proiectare
- Izolație termică: Izolați carcasele pentru a menține o temperatură uniformă
- Jachete de încălzire: Încălzitoare externe pentru preîncălzire uniformă
- Drenaj: Preveniți acumularea de condens fierbinte pe fundul arborelui
- Ventilare: Asigurați un flux simetric al aerului de răcire
Consecințele arcului termic
Efecte imediate
- Vibrații ridicate: Poate atinge niveluri de 5-10 ori mai mari decât cele normale în timpul încălzirii
- Încărcarea rulmentului: Curbura asimetrică crește încărcările lagărelor
- Frecarea sigiliilor: Deformarea arborelui poate cauza contactul cu etanșările sau piesele staționare
- Întârzieri la pornire: Trebuie să așteptați ca vibrațiile să scadă înainte de a crește viteza
Daune pe termen lung
- Uzura rulmentului: Vibrațiile repetate puternice accelerează deteriorarea rulmentului
- Deteriorarea etanșării: Frecarea repetată distruge componentele etanșării
- Oboseală: Tensiunile ciclice de încovoiere din timpul fiecărei porniri contribuie la oboseală
- Set permanent: Curbura termică severă sau repetată poate provoca deformări plastice permanente
Corecție și atenuare
Pentru arc termic activ
- Timp permis: Așteptați echilibrul termic înainte de a crește viteza
- Rolă lentă: Rotiți încet pentru a distribui căldura, dacă este posibil.
- Nu încercați să echilibrați: Echilibrarea nu poate corecta curbura termică și va fi ineficientă
- Adresă sursă de căldură: Identificarea și eliminarea încălzirii asimetrice
Pentru curbura termică (după oprire)
- Angrenaj de virare: Mențineți rotorul rotindu-se lent în timpul răcirii
- Timp de rulare extins: Poate necesita 12-24 de ore de funcționare a angrenajului de rotire
- Monitorizarea temperaturii: Continuați până când temperatura arborelui este uniformă
- Repornire întârziată: Dacă s-a format o curbură, așteptați îndreptarea naturală înainte de a relua lucrul.
Considerații specifice industriei
Turbine cu abur
- Cel mai susceptibil la curbură termică din cauza temperaturilor ridicate și a rotoarelor masive
- Proceduri elaborate de încălzire și relaxare, practică standard
- Angrenaj de rotire obligatoriu pentru unitățile > 50 MW
- Poate necesita 2-4 ore de încălzire și 12-24 ore de răcire cu echipament de rotire
Turbine cu gaz
- Răspuns termic mai rapid datorită masei mai mici
- Arc termic în timpul pornirii mai puțin frecvent, dar totuși posibil
- Încălzirea pe partea de ardere poate crea asimetrii
- De obicei, cicluri de încălzire mai rapide decât turbinele cu abur
Motoare și generatoare electrice mari
- Curbura termică cauzată de căldura înfășurării rotorului sau de frecarea rulmentului
- Instalații exterioare supuse încălzirii solare
- Poate necesita rotire sau încălzire înainte de pornire
Monitorizare și alarmare
Parametri cheie de monitorizare
- Vibrații lente de rulare: Măsurați la viteză mică înainte de pornirea normală
- Diferența de temperatură a rulmentului: Comparați temperaturile de sus cu cele de jos
- Vibrații vs. Temperatură: Graficul amplitudinii vibrațiilor în funcție de temperatura rulmentului
- Unghiul de fază: Urmărește schimbările de fază care indică dezvoltarea arcului
Criterii de alarmă
- Vibrația lentă de rulare > 2× linia de bază declanșează alarma
- Diferența de temperatură > 15-20°C indică un dezechilibru termic
- Schimbările rapide de fază (> 30° în 10 minute) sugerează dezvoltarea unei curburi
- Vibrațiile cresc în timpul încălzirii, în loc să scadă
Strategii avansate de startup
Accelerație controlată
- Rulare lentă inițială: Verificați vibrațiile acceptabile la 100-200 RPM
- Accelerare etapizată: Creșteți la viteze intermediare (de exemplu, 30%, 50%, 70% în stare normală) menținând viteza.
- Perioade de îmbăiere termică: Mențineți o viteză constantă timp de 15-30 de minute la fiecare etapă
- Verificarea vibrațiilor: La fiecare etapă, confirmați scăderea vibrațiilor înainte de a continua.
- Monitorizarea temperaturii: Asigurarea reducerii gradienților termici pe tot parcursul procesului
Sisteme de pornire automată
Sistemele moderne de control pot automatiza gestionarea arcului termic:
- Secvențe de încălzire programabile
- Perioade de menținere automată dacă se depășesc limitele de vibrații sau temperatură
- Calculul în timp real al magnitudinii arcului termic din vibrații și temperatură
- Profiluri de viteză adaptive bazate pe condițiile măsurate
Relația cu alte fenomene
Arc termic vs. arc permanent
- Arc termic: Temporar, dispare la echilibru termic
- Arc permanent: Deformare plastică, persistă chiar și la rece
- Risc: Curbura termică severă și repetată poate provoca în cele din urmă o fixare permanentă
Arc termic și echilibrare
- Încercând să echilibru în timpul arcului termic este inutil
- Ponderile de corecție calculate pentru condiția arcului termic vor fi greșite odată ce echilibrul este atins
- Permiteți întotdeauna stabilizarea termică înainte de echilibrare
- Arcul termic poate masca o adevărată condiție de dezechilibru
Cele mai bune practici de prevenire
Pentru instalații noi
- Proiectarea sistemelor simetrice de încălzire și răcire
- Instalați mecanism de rotire pentru echipamente > 100 kW sau > 2 metri lungime a arborelui
- Asigurați un drenaj adecvat pentru a preveni acumularea de lichide fierbinți
- Izolați pentru a minimiza transferul de căldură radiantă
Pentru echipamente existente
- Dezvoltați și urmați cu strictețe proceduri scrise de încălzire
- Instruirea operatorilor cu privire la riscurile și simptomele arcului termic
- Instalați sisteme de monitorizare a temperaturii în mai multe locații
- Utilizarea tendințelor vibrațiilor în timpul pornirii pentru a identifica problemele termice
- Documentați datele istorice pentru a optimiza procedurile
Practici de întreținere
- Verificați funcționarea mecanismului de virare înainte de fiecare oprire
- Verificați calibrarea senzorilor de temperatură a rulmenților
- Inspectați sistemele de drenaj pentru blocaje
- Verificați integritatea izolației
- Verificați și eliminați orice surse de încălzire asimetrică
Deși temporară și reversibilă, curbura termică reprezintă o provocare operațională semnificativă pentru utilajele rotative mari. Înțelegerea cauzelor acesteia, recunoașterea simptomelor sale și implementarea unor proceduri adecvate de încălzire și răcire sunt esențiale pentru funcționarea fiabilă a turbinelor cu abur, a turbinelor cu gaz și a altor echipamente rotative la temperaturi înalte.
Categorii:
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 