Was ist thermisches Wachstum? Wie ein führender Turbinenhersteller das thermische Wachstum in Schach hält

Von Eric Elder

Thermisches Wachstum ist die Ausdehnung von Materie durch Temperaturanstieg. Bei rotierenden Maschinen geschieht dies während des Betriebs, da sich Wärme aufbaut, wenn sich einzelne Teile im Inneren bewegen und miteinander interagieren.

Faktoren wie Reibung führen zu einem Temperaturanstieg in der Anlage. Die erhöhte Wärme führt zur Ausdehnung des Metalls und damit zu einer Wärmeausdehnung. Wird diese beim Ausrichtungsprozess nicht berücksichtigt, kann dies zu Fehlausrichtungen führen. Selbst geringe Wärmeausdehnungen können zu erheblichen Ausrichtungsproblemen und einer daraus resultierenden Problemkette bei rotierenden Anlagen führen.

In diesem Artikel erfahren Sie, was die Ursachen für thermisches Wachstum sind, wie Sie es reduzieren können und warum die Laserausrichtung Ihnen dabei helfen kann, das thermische Wachstum unter Kontrolle zu halten, so wie es einem führenden Turbinenhersteller gelungen ist.

Wie berechnet man das thermische Wachstum?

Um die Wärmeausdehnung rotierender Geräte zu berechnen, müssen Sie drei wichtige Informationen kennen.

Zunächst müssen Sie die Differenztemperatur T des Materials kennen. Dies ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Material im kalten Ruhezustand des rotierenden Geräts und der höchsten Temperatur, die das Gerät während des Betriebs erreicht.

Beispiel: Die Temperatur der Maschine beträgt im Ruhezustand 70 °C. Im Betrieb erreicht das Gerät 130 °C. In diesem Fall T = 60 °F.

Als Nächstes benötigen Sie die Längenabmessung des zu berechnenden Materials. Die Längenabmessung entspricht der Länge des Materials in Zoll (in).

Beispiel: Die rotierende Welle ist 10 Zoll lang. In diesem Fall L = 10 Zoll.

Schließlich benötigen Sie den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Materials. Dieser ist eine Konstante, die vom verwendeten Material abhängt. Hier ist eine Tabelle mit den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten für gängige Metallarten, die in rotierenden Geräten verwendet werden:

Beispiel: Die betreffende Welle besteht aus Edelstahl. Der Koeffizient beträgt .0000074.

Multiplizieren Sie die drei Zahlen miteinander, um die Wärmeausdehnung des Geräts zu ermitteln.

T x L x C = Wärmeausdehnung in Zoll

Beispiel: 60 °F x 10 Zoll x .0000074 = 0.00444. Die Welle wächst .00444 Zoll.

Ursachen des thermischen Wachstums

Thermisches Wachstum wird durch die erhöhte Betriebstemperatur rotierender Geräte während des Betriebs verursacht. Der Temperaturanstieg kann viele Ursachen haben, einige davon sind normal und kein Grund zur Beunruhigung.

Selbst bei ordnungsgemäßer Schmierung kann die Reibung beweglicher Maschinenteile zu Temperaturanstiegen führen. Elektrische Komponenten wie Motoren und Transformatoren können aufgrund des Widerstands in ihren Wicklungen und Schaltkreisen Wärme erzeugen. Auch Prozesse wie die Energieumwandlung von elektrischer in mechanische Energie können zu einem Temperaturanstieg führen.

Es ist wichtig, die Wärmeentwicklung einer Anlage regelmäßig zu verfolgen, um einen Basiswert zu ermitteln. Wenn Maschinen mehr Wärme als normal erzeugen, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass Ihre rotierenden Geräte möglicherweise Probleme haben.

So reduzieren Sie das thermische Wachstum

Thermische Ausdehnung ist eine natürliche Folge rotierender Maschinen. Steigen die Temperaturen jedoch über die erwarteten normalen Betriebstemperaturen hinaus, kann dies auf ein Problem hinweisen, das durch die Maschinenwartung behoben werden muss.

Je nach Gerätetyp können Sie die Wärmeausdehnung mit den folgenden Maßnahmen unter Kontrolle halten:

• Schmiertechnik : Eine ordnungsgemäße Schmierung kann dazu beitragen, die Reibung zu verringern, die zu einem Temperaturanstieg in rotierenden Geräten führt.
• Lüftung: Überprüfen Sie die Lüftungsschlitze und Lüfter, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren und nicht blockiert sind.
• Elektrische Probleme: Überprüfen Sie, ob alle elektrischen Komponenten ordnungsgemäß funktionieren. Spannungsschwankungen, schlechte Anschlüsse und fehlerhafte Verkabelung können zu Überhitzung führen.
• Bauteilschaden: Beschädigte Komponenten wie Lager oder Dichtungen können durch erhöhte Reibung zu Temperaturanstiegen führen.
• Wellenausrichtung: Durch die Sicherstellung der richtigen Ausrichtung rotierender Geräte können auch Reibung und Hitze durch übermäßige Belastung der Komponenten reduziert werden.

Wie Laserausrichtungswerkzeuge zur Reduzierung übermäßiger Wärmeausdehnung beitragen

Durch die Wellenausrichtung können die negativen Auswirkungen der Wärmeausdehnung reduziert werden. Auch beim Ausrichten selbst muss die Wärmeausdehnung berücksichtigt werden.

Das oben dargestellte Beispiel dient zur Verdeutlichung des thermischen Wachstums. In der Realität kann die Berücksichtigung des thermischen Wachstums in rotierenden Maschinen jedoch deutlich komplizierter sein.

Rotierende Maschinen bestehen oft aus mehreren Materialien. Die Erwärmung kann sich über die gesamte Maschine hinweg ungleichmäßig verändern, und die Wärmeausdehnung beschränkt sich nicht nur auf die Welle selbst. Beispielsweise kann die Vorderseite einer Maschine über einen Lüfter verfügen, der die Kühlung unterstützt, sodass sie nicht so hohe Temperaturen erreicht wie die Rückseite. Erschwerend kommt hinzu, dass die Wärmeausdehnung nicht nur in eine, sondern in alle Richtungen erfolgt.

All diese Faktoren machen die herkömmliche Ausrichtung rotierender Geräte unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung nahezu unmöglich. Laserausrichtungsverfahren berücksichtigen jedoch automatisch die thermische Ausdehnung und bieten eine moderne Alternative.

Die Laserausrichtung erfolgt mithilfe eines Senders und eines Detektors. Diese werden an der Maschine über den Wellen montiert, während die rotierende Maschine kalt ist. Sobald die Geräte montiert sind, wird die Maschine eingeschaltet. Das Gerät protokolliert die Veränderungen, die zwischen beiden Seiten der Welle auftreten, während die Temperatur weiter steigt.

Sobald sich die Temperatur am höchsten Punkt stabilisiert hat, können die Daten zur Ausrichtung verwendet werden. Dabei wird sowohl die vertikale als auch die horizontale Wärmeausdehnung berücksichtigt, die während des Gerätebetriebs auftritt.

Die Berücksichtigung der Wärmeausdehnung während des Ausrichtungsprozesses stellt sicher, dass rotierende Geräte während des Betriebs korrekt ausgerichtet bleiben. Ohne diesen wichtigen Schritt führt die Wärmeausdehnung zu Fehlausrichtungen.

Fallstudie: Führender Turbinenhersteller hält thermisches Wachstum unter Kontrolle

Bei Hochgeschwindigkeitsmaschinen wie Turbinen müssen Unternehmen die Wärmeausdehnung fast immer überwachen.

Ein PRÜFTECHNIK-Serviceteam unterstützte einen führenden Hersteller industrieller Gasturbinen für den globalen Stromerzeugungsmarkt dabei, die Wärmeausdehnung einer Turbineneinheit mithilfe des ROTALIGN® touch präzise zu messen.

Dieser Hersteller verfügt über Tausende von Einheiten mit Milliarden von Betriebsstunden und weiß daher, wie wichtig eine präzise Ausrichtung ist. Deshalb beauftragte er PRÜFTECHNIK, den Weltmarktführer für die Laserwellenausrichtung, mit der Messung.

Was ist thermisches Wachstum? Es handelt sich um die Ausdehnung einer Maschine, wenn ihre Temperatur im normalen Betrieb steigt. Durch thermisches Targeting werden die Wellen bei Erwärmung auf Betriebstemperatur korrekt ausgerichtet.

Gasturbinen erzeugen große Mengen Wärme und unterliegen daher einer erheblichen Wärmeausdehnung. Wird die Wärmeausdehnung nicht berücksichtigt, kann es zu Wellenfehlstellungen kommen, die unerwünschte Vibrationen und Lagerschäden verursachen. Diese Nebeneffekte verkürzen letztendlich die Lebensdauer einer Maschine und führen zu Maschinenausfällen.

Um dies zu verhindern, verwendet der Turbinenhersteller die neueste verfügbare Technologie, um die Wärmeausdehnung zu berücksichtigen und die Wellen seiner Turbinen richtig auszurichten.

Abbildung 1: Ein Beispiel für einen thermischen Wachstumstrend.

Der Gasturbinenhersteller hat sich für die Ausrichtungsdienste von PRÜFTECHNIK und die fortschrittliche Ausrichtungsplattform der ROTALIGN®-Serie entschieden, um seine Gasturbinen für optimale Leistung zu optimieren.

ROTALIGN touch verfügt über ein laserbasiertes System mit Sender und Detektor. Diese sind an der Gasturbine und der angetriebenen Maschine direkt über den Wellen montiert. Sobald die Geräte stabil montiert sind, erreicht die Turbine ihre Betriebsdrehzahl.

Während die Temperatur der Turbine steigt, protokolliert das Gerät Daten, die das Bewegungsverhältnis zwischen Antriebs- und angetriebener Maschine zeigen.

Abbildung 2: Ein Beispiel für die Ergebnisse des thermischen Wachstums.

Die Datenerfassung ist abgeschlossen, sobald sich die Temperatur der Maschine stabilisiert hat. Die Ausrichtungsplattform der ROTALIGN®-Serie kann die Daten dann automatisch analysieren, um die erforderlichen horizontalen und vertikalen Änderungen an den Montageorten der Gasturbine zu ermitteln (siehe Abbildung 2).

Diese Änderungen ermöglichen eine korrekte Ausrichtung der Maschine bei Betriebstemperatur. Der Gasturbinenhersteller nutzt diese Technologie, um seine Turbinen für höhere Zuverlässigkeit und optimale Leistung auszurüsten. Mit Produkten und Dienstleistungen von PRÜFTECHNIK wird die thermische Ausdehnung seiner Maschinen unter Kontrolle gehalten.

Eric Elder ist PRÜFTECHNIK-Servicemanager für Amerika bei Fluke Reliability.