Razumevanje termičnega loka v rotacijskih strojih

Naprave

Prenosni balanser in analizator vibracij Balanset-1A

$2,358.31

Deli

Senzor vibracij

$107.47

Deli

Optični senzor (laserski tahometer)

$148.07

Naprave

Balanset-4

$8,123.32

Deli

Magnetno stojalo velikosti 60 kgf

$54.93

Deli

Reflektivni trak

$11.94

Naprave

Dinamični balanser "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definicija: Kaj je termični lok?

Termični lok (imenovan tudi vroči lok, toplotno upogibanje ali temperaturno povzročen lok gredi) je začasna ukrivljenost, ki se razvije v rotor gred zaradi neenakomerne porazdelitve temperature po obodu gredi. Ko je ena stran gredi bolj vroča od nasprotne strani, toplotno raztezanje povzroči, da se vroča stran podaljša, zaradi česar se gred upogne v ukrivljeno obliko, pri čemer je vroča stran na konveksni (zunanji) strani krivulje.

Za razliko od trajnih gredni lok Zaradi mehanskih poškodb je toplotni lok reverzibilen – izgine, ko se gred vrne na enakomerno temperaturo. Vendar pa toplotni lok ustvari znatno vibracije med ogrevanjem in ohlajanjem ter lahko povzroči trajno škodo, če je huda ali se pogosto ponavlja.

Fizični mehanizem

Diferencial toplotnega raztezanja

Fizika termičnega loka je preprosta:

• Kovina se pri segrevanju širi (koeficient toplotnega raztezanja je običajno 10–15 µm/m/°C za jeklo)
• Če je temperatura enakomerna po obodu, je raztezanje simetrično (gred se podaljša, vendar ostane ravna)
• Če je ena stran bolj vroča, se ta stran bolj razširi kot hladna stran
• Diferencialna ekspanzija povzroča ukrivljenost
• Velikost loka sorazmerna s temperaturno razliko in dolžino gredi

Tipične temperaturne razlike

• Temperaturna razlika 10–20 °C po premeru lahko ustvari merljiv upogib
• V velikih turbinah lahko razlika od 30 do 50 °C povzroči hude vibracije
• Učinek se kopiči vzdolž dolžine gredi – daljše gredi so bolj dovzetne

Pogosti vzroki toplotnega loka

1. Pogoji zagona (najpogostejši)

• Asimetrično ogrevanje: Vroča para, plin ali procesna tekočina pride v stik z vrhom gredi, medtem ko spodnji del ostane hladnejši.
• Sevalno ogrevanje: Toplota zaradi vročih ohišij ali cevi, ki segrevajo zgornji del gredi
• Trenje ležaja: En ležaj se segreva bolj kot drugi, saj segreva lokalni del gredi
• Hiter zagon: Premajhen čas ogrevanja omogoča razvoj toplotnih gradientov

2. Pogoji zaustavitve (toplotni padec)

• Vroče zaustavitev: Gred se ustavi, ko je še vroča
• Gravitacijski pregib: Toplota se dviga, zaradi česar se vrh vodoravne gredi ohladi hitreje kot spodnji del
• Termični lok za upogibanje: Spodnja stran ostane dlje vroča, gred se upogne navzdol
• Kritično obdobje: Prvih nekaj ur po izklopu

3. Operativni vzroki

• Drgnjenje rotorja in statorja: Trenje zaradi stika povzroča intenzivno lokalno segrevanje
• Neenakomerno hlajenje: Asimetrični pretok hladilnega zraka ali pršenje vode
• Solarno ogrevanje: Zunanja oprema z izpostavljenostjo soncu na eni strani
• Motnje v procesu: Nenadne spremembe temperature delovne tekočine

Simptomi in odkrivanje

Značilnosti vibracij

Termični lok ustvarja značilne vzorce vibracij:

• Pogostost: 1× hitrost teka (sinhrono vibriranje)
• Časovna usklajenost: Visoka med ogrevanjem, zmanjšuje se, ko je doseženo toplotno ravnovesje
• Fazne spremembe: Fazni kot se lahko premakne, ko se lok razvije in razreši
• Počasno nihanje kotaljenja: Visoke vibracije tudi pri zelo nizkih hitrostih (za razliko od neravnovesje)
• Videz: Podobno kot pri neuravnoteženosti, vendar odvisno od temperature

Razlikovanje termičnega loka od neuravnoteženosti

Značilnost	Neravnovesje	Termični lok
Pogostost	1× hitrost teka	1× hitrost teka
Temperaturna občutljivost	Relativno stabilno	Visoka med ogrevanjem/ohlajanjem
Počasno valjanje (50–200 vrt/min)	Zelo nizka amplituda	Visoka amplituda
Faza v primerjavi s temperaturo	Konstanta	Spremembe, ko se lok razvija
Vztrajnost	Ves čas konstantno	Začasno, izzveni pri termičnem ravnovesju
Odgovor na uravnoteženje	Zmanjšane vibracije	Minimalno ali brez izboljšanja

Diagnostični testi

1. Preskus vibracij s počasnim kotaljenjem

• Vrtite gred s hitrostjo 5-10% delovne hitrosti
• Izmerite vibracije in iztekanje
• Visoke vibracije počasnega kotaljenja kažejo na toplotni ali mehanski upogib, ne pa na neuravnoteženost

2. Spremljanje temperature

• Med zagonom spremljajte temperaturo gredi ali ležajev
• Izmerite temperaturo na več mestih po obodu ležaja
• Povežite spremembe vibracij s temperaturnimi gradienti

3. Trendi vibracij pri zagonskih podjetjih

• Izris amplitude vibracij v odvisnosti od časa med ogrevanjem
• Toplotni lok: sprva visok, zmanjšuje se s približevanjem ravnovesju
• Neravnovesje: narašča s hitrostjo, neodvisno od temperature

Strategije preprečevanja

Operativni postopki

1. Pravilni postopki ogrevanja

• Postopno zvišanje temperature: Pustite, da se gred enakomerno segreje
• Podaljšan čas ogrevanja: Velike turbine lahko potrebujejo 2–4 ure
• Spremljanje temperature: Temperature ležajev in ohišja tirnic
• Spremljanje vibracij: Spremljajte med ogrevanjem, pri visokih vibracijah odložite povečanje hitrosti

2. Delovanje obračalnega zobnika

• Pri velikih turbinah med ogrevanjem in ohlajanjem upravljajte vrtilno gonilo (počasno vrtenje, ~3–10 vrt/min).
• Neprekinjeno vrtenje preprečuje toplotni lok z enakomerno porazdelitvijo toplote
• Industrijski standard za parne turbine > 50 MW
• Med ohlajanjem lahko upravlja obračalno prestavo 8–24 ur

3. Postopki zaustavitve

• Postopno ohlajanje: Pred izklopom počasi zmanjšujte obremenitev in temperaturo
• Podaljšano obračalno orodje: Med ohlajanjem naj se rotor vrti
• Izogibajte se vročim zaustavitvam: Zasilne zaustavitve puščajo gred vročo in nagnjeno k upogibanju

Ukrepi za načrtovanje

• Toplotna izolacija: Izolirajte ohišja za vzdrževanje enakomerne temperature
• Ogrevalni plašči: Zunanji grelniki za enakomerno predgrevanje
• Drenaža: Preprečite nabiranje vročega kondenzata na dnu gredi
• Prezračevanje: Zagotovite simetričen pretok hladilnega zraka

Posledice termičnega loka

Takojšnji učinki

• Visoke vibracije: Med ogrevanjem lahko doseže 5–10-kratnik normalne ravni
• Obremenitev ležaja: Asimetrični lok poveča obremenitve ležajev
• Tesnila za drgnjenje: Upogib gredi lahko povzroči stik s tesnili ali stacionarnimi deli
• Zamude pri zagonu: Preden povečate hitrost, morate počakati, da se vibracije zmanjšajo

Dolgotrajna škoda

• Obraba ležajev: Ponavljajoče se visoke vibracije pospešujejo obrabo ležajev
• Poškodba tesnila: Ponavljajoče se drgnjenje uniči tesnilne komponente
• Utrujenost: Ciklične upogibne napetosti med vsakim zagonom prispevajo k utrujenosti
• Trajni komplet: Huda ali ponavljajoča se toplotna deformacija lahko povzroči trajno plastično deformacijo

Popravek in omilitev

Za aktivni termični lok

• Dovoljeni čas: Preden povečate hitrost, počakajte na toplotno ravnovesje
• Počasno kotaljenje: Počasi vrtite, da po možnosti porazdelite toploto
• Ne poskušajte uravnotežiti: Uravnoteženje ne more popraviti toplotnega loka in bo neučinkovito
• Naslov vira toplote: Prepoznavanje in odpravljanje asimetričnega ogrevanja

Za toplotni upogibni lok (po izklopu)

• Strujalno orodje: Med ohlajanjem naj se rotor počasi vrti
• Podaljšan čas kotaljenja: Morda bo potrebnih 12–24 ur delovanja obračalnega mehanizma
• Spremljanje temperature: Nadaljujte, dokler se temperatura gredi ne izenači.
• Zakasnjen ponovni zagon: Če se je razvil lok, počakajte, da se naravno zravna, preden ponovno začnete

Upoštevanje specifičnih panog

Parne turbine

• Najbolj dovzetni za toplotni lok zaradi visokih temperatur in masivnih rotorjev
• Podrobno razdelane postopke ogrevanja in ohlajanja, standardna praksa
• Za enote > 50 MW je obvezna obračalna naprava
• Lahko zahteva 2–4 ure ogrevanja, 12–24 ur ohlajanja z obračalnim zobnikom

Plinske turbine

• Hitrejši toplotni odziv zaradi manjše mase
• Toplotni lok med zagonom je manj pogost, vendar še vedno možen
• Ogrevanje na strani zgorevanja lahko povzroči asimetrije
• Običajno hitrejši cikli ogrevanja kot parne turbine

Veliki elektromotorji in generatorji

• Termični lok zaradi toplote navitja rotorja ali trenja ležajev
• Zunanje namestitve, ki so podvržene sončnemu ogrevanju
• Morda bo potrebno predhodno struženje ali ogrevanje pred zagonom

Spremljanje in alarmiranje

Ključni parametri spremljanja

• Počasno nihanje kotaljenja: Pred normalnim zagonom izmerite pri nizki hitrosti
• Temperaturna razlika ležaja: Primerjajte temperature zgoraj in spodaj
• Vibracije v primerjavi s temperaturo: Graf amplitude vibracij v odvisnosti od temperature ležaja
• Fazni kot: Spremembe faz sledenja, ki kažejo na razvoj loka

Kriteriji alarma

• Počasno nihanje kotaljenja > 2× izhodiščna vrednost sproži alarm
• Temperaturna razlika > 15–20 °C kaže na toplotno neravnovesje
• Hitre spremembe faz (> 30° v 10 minutah) kažejo na razvoj loka
• Vibracije se med ogrevanjem povečujejo, namesto da bi se zmanjševale

Napredne strategije za zagon podjetja

Nadzorovano pospeševanje

1. Začetni počasni kotaljenje: Preverite sprejemljive vibracije pri 100–200 vrt/min
2. Postopno pospeševanje: Povečajte na srednje hitrosti (npr. 30%, 50%, 70% normalne hitrosti) z zadrževanjem
3. Obdobja termičnega namakanja: V vsaki fazi vzdržujte konstantno hitrost 15–30 minut
4. Preverjanje vibracij: Na vsaki stopnji se pred nadaljevanjem prepričajte, da se vibracije zmanjšujejo
5. Spremljanje temperature: Zagotovite zmanjšanje toplotnih gradientov skozi celoten postopek

Avtomatizirani zagonski sistemi

Sodobni krmilni sistemi lahko avtomatizirajo upravljanje termičnega loka:

• Programabilni ogrevalni zaporedji
• Samodejna obdobja zadrževanja, če so presežene omejitve vibracij ali temperature
• Izračun magnitude termičnega loka v realnem času iz vibracij in temperature
• Prilagodljivi profili hitrosti na podlagi izmerjenih pogojev

Razmerje do drugih pojavov

Termični lok v primerjavi s trajnim lokom

• Termični lok: Začasno, izgine pri termičnem ravnovesju
• Trajni lok: Plastična deformacija ostane tudi v hladnem stanju
• Tveganje: Hudo ponavljajoč se toplotni lok lahko sčasoma povzroči trajno strjevanje

Termični lok in uravnoteženje

• Poskus ravnovesje med termičnim lokom je nesmiselno
• Korekcijske uteži, izračunane za stanje termičnega loka, bodo napačne, ko bo doseženo ravnovesje.
• Pred uravnoteženjem vedno omogočite toplotno stabilizacijo
• Termični lok lahko prikrije dejansko stanje neuravnoteženosti

Najboljše prakse preprečevanja

Za nove namestitve

• Načrtujte simetrične ogrevalne in hladilne sisteme
• Namestite obračalni mehanizem za opremo > 100 kW ali > 2 metra dolžine gredi
• Zagotovite ustrezno drenažo, da preprečite kopičenje vroče tekočine
• Izolirajte, da zmanjšate prenos toplotnega sevanja

Za obstoječo opremo

• Razviti in dosledno upoštevati pisne postopke ogrevanja
• Usposabljanje operaterjev o tveganjih in simptomih termičnega loka
• Namestitev nadzora temperature na več lokacijah
• Uporabite trende vibracij med zagoni za prepoznavanje toplotnih težav
• Dokumentirajte zgodovinske podatke za optimizacijo postopkov

Vzdrževalni postopki

• Pred vsakim izklopom preverite delovanje obračalnega mehanizma
• Preverite kalibracijo senzorjev temperature ležajev
• Preverite drenažne sisteme glede blokad
• Preverite celovitost izolacije
• Preverite in odpravite morebitne vire asimetričnega segrevanja

Toplotni lok, čeprav začasen in reverzibilen, predstavlja pomemben operativni izziv za velike rotacijske stroje. Razumevanje njegovih vzrokov, prepoznavanje simptomov in izvajanje ustreznih postopkov ogrevanja in ohlajanja so bistveni za zanesljivo delovanje parnih turbin, plinskih turbin in druge visokotemperaturne rotacijske opreme.

---

← Nazaj na glavno kazalo