了解旋转机械中的热弓现象
定义：什么是热弓？
热弓 （也称为热弯、热弯曲或温度引起的轴弯曲）是指轴上产生的暂时性弯曲。 动盘 由于轴周温度分布不均匀，轴会发生弯曲。当轴的一侧比另一侧温度高时，热膨胀会导致高温侧伸长，迫使轴弯曲成弧形，高温侧位于弧形的凸面（外侧）。.
与永久性不同 轴弓 机械损伤引起的热弯曲是可逆的——当轴恢复到均匀温度时，热弯曲就会消失。然而，热弯曲会造成显著的损伤。 振动 在热身和放松期间，如果严重或频繁发生，可能会造成永久性损伤。.
物理机制
热膨胀系数差
热弓背后的物理原理很简单：
- 金属受热膨胀（钢的热膨胀系数通常为 10-15 µm/m/°C）
- 如果圆周温度均匀，则膨胀是对称的（轴伸长但保持笔直）。
- 如果一侧温度较高，那么该侧的膨胀量将大于温度较低的一侧。
- 差异膨胀导致曲率
- 弓形大小与温差和轴长成正比
典型温差
- 直径方向上10-20°C的温差即可产生可测量的弯曲。
- 在大型涡轮机中，30-50°C 的温差即可产生剧烈振动。
- 效应沿轴长累积——轴越长越易受影响。
热弓的常见成因
1. 启动条件（最常见）
- 非对称加热： 高温蒸汽、气体或工艺流体接触轴顶，而轴底则保持较低温度。
- 辐射供暖： 来自高温套管或管道的热量会加热竖井上部。
- 轴承摩擦： 其中一个轴承运行温度高于其他轴承，导致局部轴段发热。
- 快速启动： 预热时间不足会导致温度梯度形成。
2. 停机条件（热骤降）
- 热关机： 轴在仍然很热的时候停止旋转
- 重力下垂： 热空气上升，导致水平轴顶部冷却速度比底部快。
- 热下垂弓： 底部温度保持时间更长，轴向下弯曲
- 关键期： 关机后的最初几个小时
3. 操作原因
- 转子-定子摩擦： 接触摩擦会产生强烈的局部热量。
- 冷却不均匀： 非对称冷却气流或水喷淋
- 太阳能供暖： 户外设备一侧朝外晒太阳
- 进程异常： 工作流体温度的突然变化
症状和检测
振动特性
热弓会产生独特的振动模式：
- 频率： 1倍运行速度（同步振动）
- 定时： 升温期间温度较高，随着达到热平衡而降低
- 相变： 相位角 随着弓的展开和调整，弓的位置可能会发生变化。
- 慢速滚动振动： 即使在很低的速度下，振动也很剧烈（与此不同） 不平衡)
- 外貌： 与不平衡类似，但取决于温度
区分热弓与不平衡
| 特征 | 不平衡 | 热弓 |
|---|---|---|
| 频率 | 1倍跑步速度 | 1倍跑步速度 |
| 温度敏感性 | 相对稳定 | 热身/放松期间的高水平 |
| 慢速滚动（50-200 转/分） | 振幅极低 | 高振幅 |
| 相态与温度 | 持续的 | 随着弓的发展而发生变化 |
| 持久性 | 始终保持不变 | 暂时的，在热平衡时消失 |
| 对平衡的回应 | 振动减少 | 改善甚微或无改善 |
诊断测试
1. 慢速滚动振动试验
- 以 5-10% 的工作速度旋转轴
- 测量振动和 跑垒出局
- 高慢速横摇振动表明弓形受热或机械弯曲，而非弓形不平衡。
2. 温度监测
- 启动过程中监测轴或轴承温度
- 测量轴承圆周上多个位置的温度
- 将振动变化与温度梯度联系起来
3. 初创企业振动趋势
- 绘制预热期间振动幅度随时间变化的曲线
- 热弓：初始阶段较高，随着接近平衡状态而减小
- 不平衡度：随速度增加而增加，与温度无关
预防策略
操作流程
1. 正确的热身程序
- 温度逐渐升高： 让轴均匀受热
- 延长热身时间： 大型涡轮机可能需要 2-4 小时
- 温度监测： 轨道轴承和壳体温度
- 振动监测： 预热期间进行监测，如果振动过大，则延迟加速。
2. 回转齿轮操作
- 对于大型涡轮机，在预热和冷却期间操作回转齿轮（低速旋转，约 3-10 转/分）。
- 持续旋转通过均匀分布热量来防止热弯。
- 适用于50兆瓦以上蒸汽轮机的行业标准
- 冷却期间，回转装置可运行 8-24 小时
3. 停机程序
- 逐渐冷却： 关机前缓慢降低负载和温度
- 加长型转向齿轮： 冷却过程中保持转子旋转。
- 避免热关机： 紧急停止后，竖井温度很高，容易发生弯曲下陷。
设计措施
- 隔热： 对外壳进行隔热处理，以保持温度均匀。
- 加热夹克： 外部加热器用于均匀预热
- 引流： 防止热冷凝水在轴底积聚
- 通风： 确保冷却气流对称流动
热弓效应的后果
直接影响
- 高振动： 热身期间可达到正常水平的 5-10 倍
- 轴承载荷： 不对称弓形结构会增加轴承载荷。
- 封印摩擦： 轴的挠曲可能导致其与密封件或固定部件接触。
- 启动延迟： 必须等到震动减弱后才能加速
长期损害
- 轴承磨损： 反复的高强度振动会加速轴承劣化。
- 封条损坏： 反复摩擦会损坏密封部件
- 疲劳： 每次启动过程中产生的循环弯曲应力会导致疲劳。
- 永久设置： 严重或反复的热弯曲会导致永久性塑性变形。
纠正和缓解
主动式热弓
- 预留时间： 待达到热平衡后再加速
- 慢速滚动： 如果可以，请缓慢旋转以使热量均匀分布。
- 不要尝试平衡： 平衡无法纠正热力弯曲，因此无效。
- 地址热源： 识别并消除不对称加热
针对热下垂弓形结构（停机后）
- 转向齿轮： 冷却过程中保持转子缓慢旋转
- 延长滚动时间： 可能需要12-24小时的齿轮转动操作。
- 温度监测： 继续操作直至轴温均匀。
- 延迟重启： 如果弓形已经形成，请等待其自然矫正后再重新开始。
行业特定考量
蒸汽轮机
- 由于高温和巨大的转子，最容易发生热弓效应。
- 精心设计的热身和放松程序是标准做法
- 50兆瓦以上机组必须配备回转装置。
- 可能需要 2-4 小时预热，12-24 小时冷却（需转动齿轮）
燃气轮机
- 质量较小，因此热响应速度更快。
- 启动过程中的热弓现象虽然不常见，但仍然可能发生。
- 燃烧侧加热会造成不对称
- 通常比蒸汽轮机预热周期更快
大型电动机和发电机
- 转子绕组发热或轴承摩擦引起的热弯曲
- 受太阳辐射影响的室外装置
- 可能需要启动前进行转动或加热
监控和报警
关键监测参数
- 慢速滚动振动： 在正常启动前低速测量
- 轴承温差： 比较顶部和底部的温度
- 振动与温度的关系： 绘制振动幅值与轴承温度的关系图
- 相位角: 航迹相位变化表明弓形发育
报警标准
- 慢速滚动振动 > 2 倍基线触发警报
- 温差大于 15-20°C 表明热失衡
- 快速相位变化（10分钟内>30°）提示弓形结构正在形成
- 热身过程中振动强度不减反增
高级创业策略
受控加速
- 初始慢速滚动： 在 100-200 转/分时验证振动是否在可接受范围内
- 分阶段加速： 逐渐提高到中等速度（例如，正常速度的 30%、50%、70%），并保持匀速。
- 热浸泡期： 在每个阶段保持恒定速度 15-30 分钟
- 振动验证： 在每个阶段，确认振动减弱后再继续进行。
- 温度监测： 确保整个过程中温度梯度逐渐减小
自动启动系统
现代控制系统可以实现热弓管理的自动化：
- 可编程的热身序列
- 如果振动或温度超出限制，则自动保持一段时间。
- 根据振动和温度实时计算热弓形幅度
- 基于测量条件的自适应速度曲线
与其他现象的关系
热力弓与永久弓
- 热弓： 暂时的，在热平衡时消失
- 永久弓： 塑性变形即使在冷态下仍然存在
- 风险： 严重的反复热弯曲最终可能导致永久性变形。
热弓和平衡
- 尝试 平衡 在热气流中弓形运动是徒劳的
- 为热弓形条件计算的修正权重在达到平衡后将不再适用。
- 平衡前务必先进行热稳定处理。
- 热弓可以掩盖真正的失衡状态
预防最佳实践
对于新安装
- 设计对称式供暖和制冷系统
- 对于功率大于 100 kW 或轴长大于 2 米的设备，应安装回转装置。
- 提供充足的排水措施，以防止热液积聚。
- 采取隔热措施以最大限度地减少辐射热传递
对于现有设备
- 制定并严格遵守书面热身程序。
- 列车操作员关于热弓风险和症状
- 在多个地点安装温度监控装置
- 利用启动过程中的振动趋势来识别热问题
- 记录历史数据以优化流程
维护措施
- 每次停机前都要检查回转齿轮的运行情况
- 检查轴承温度传感器校准
- 检查排水系统是否堵塞
- 检查绝缘完整性
- 检查并消除任何不对称加热的来源
热弯曲虽然是暂时的且可逆的，但对大型旋转机械而言却是一个重大的运行挑战。了解其成因、识别其症状并实施正确的预热和冷却程序，对于蒸汽轮机、燃气轮机和其他高温旋转设备的可靠运行至关重要。.
类别
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 