Verständnis der thermischen Ausdehnung und ihrer Auswirkungen auf die Wellenausrichtung
Das Wartungsteam machte alles richtig: Es schaltete den Motor ab, nahm präzise Messungen der Wellenausrichtung vor und nahm die notwendigen Anpassungen vor. Bei Raumtemperatur waren die Werte perfekt. Doch wenige Stunden nach dem Start stimmte etwas nicht.
Die Maschinenvibrationen waren stärker als erwartet. Die Lager liefen heißer als üblich. Die Kupplungen zeigten Anzeichen von vorzeitigem Verschleiß. Innerhalb weniger Wochen suchte das Team erneut nach Fehlern und fragte sich, was sie übersehen hatten. Die meisten Techniker gehen davon aus, dass eine Maschine, wenn sie im Ruhezustand ausgerichtet ist, auch so bleibt. Doch sobald das System läuft, verändert die Hitze alles.
Wärmeausdehnung ist die stille Kraft, die bei steigenden Temperaturen die Wellenausrichtung verändert. Bei der Erwärmung rotierender Geräte dehnen sich Metallkomponenten aus – manchmal um wenige Tausendstel Zoll, manchmal um Millimeter. Hochtemperaturumgebungen wie Kraftwerke und Raffinerien sind besonders anfällig für diese thermodynamische Veränderung.
Die unsichtbare Verschiebung: Wie Hitze die Ausrichtung verändert
Die meisten Teams wissen zwar, dass Wärme zu Ausdehnung führt, sind sich aber nicht darüber im Klaren, wie unvorhersehbar diese sein kann. Ungleichmäßige Erwärmung, unterschiedliche Materialeigenschaften und unterschiedliche Lastgewichte führen dazu, dass die Wärmeausdehnung nicht immer wie erwartet verläuft. Da die Wärmeausdehnung in alle Richtungen erfolgt, sind Ausrichtungsänderungen nicht immer linear oder gleichmäßig. Ein Maschinenteil kann sich schneller erwärmen als ein anderes, oder ein Material kann sich stärker ausdehnen als sein benachbartes Gegenstück.
Daher kann eine in der Werkstatt scheinbar perfekte Ausrichtung im Feld plötzlich zu einer Fehlausrichtung führen. Dies kann zu Folgendem führen:
- Übermäßige Vibration
- Erhöhter Energieverbrauch
- Vorzeitiger Lager- und Dichtungsausfall
- Ungeplante Ausfallzeiten
Und Wellenfehlstellung ist nicht das einzige Problem. Läuft eine Maschine heißer als erwartet, kann dies auf Lagerverschleiß, elektrische Ineffizienz oder andere zugrunde liegende Probleme hinweisen. Selbst bei ordnungsgemäßer Schmierung erzeugt Reibung Wärme. Motoren und elektrische Komponenten erhöhen die Belastung zusätzlich, da sich in ihren Schaltkreisen Widerstand aufbaut.
Wenn man nichts dagegen unternimmt, können anfängliche Probleme mit der Ausrichtung der Wärmeausdehnung zu einem viel größeren Zuverlässigkeitsproblem werden, das Tausende von Dollar durch Ausfallzeiten, Reparaturen und Produktionsausfälle kostet.
Thermisches Wachstum in verschiedenen Anlagetypen
Die thermische Ausdehnung kann erhebliche Auswirkungen auf die Ausrichtung der Turbinenwelle haben, insbesondere bei großen industriellen Dampf- oder Gasturbinen.
Da sich verschiedene Teile einer Maschine unterschiedlich schnell und stark erwärmen, können sie sich ungleichmäßig ausdehnen. Bei einer Turbinenheizung dehnen sich Welle und Gehäuse aus, wodurch sich die Rotormittellinie vertikal und/oder horizontal verschieben kann. Diese Veränderung führt zu einer Fehlausrichtung der Welle im Verhältnis zum angetriebenen Gerät (z. B. Generator, Kompressor), was zu Kupplungsbelastungen, Vibrationen oder sogar Lagerschäden führen kann.
Die thermische Ausdehnung beeinflusst jedoch eine große Bandbreite rotierende Maschinen, nicht nur Turbinen – und jeder Anlagentyp reagiert anders auf Hitze.
Pumps, insbesondere bei vertikalen Pumpen, kommt es zu axialer und radialer Ausdehnung, die die Wellenposition erheblich verschieben kann. Aufgrund ihrer langen Wellenlängen und der vertikalen Ausrichtung sind sie besonders anfällig für Fehlausrichtungen aufgrund von Temperaturgradienten von unten nach oben.
Elektromotoren Die Wärmeentwicklung ist je nach Belüftung, Montageflächen und Lastbedingungen ungleichmäßig. Eine Fehlausrichtung durch Wärmeausdehnung äußert sich häufig in Form von Vibrationsspitzen beim Start oder nach längeren Betriebszeiten.
Kompressoren Sie laufen unter hohem Druck und schwankender Belastung. Dadurch neigen sie zu asymmetrischer Erwärmung – insbesondere, wenn benachbarte Systeme (z. B. Rohrleitungen oder Kühler) ungleichmäßig belastet werden. Die Wellenmittellinien können sich bei steigender Temperatur unerwartet verschieben.
Getriebe Es kann zu einer Wärmeausdehnung in Gehäusen und Wellen kommen, die zu einer internen Fehlausrichtung führt. Auch die Schmiermitteltemperatur spielt eine Rolle: Wenn sich das Öl erwärmt, beschleunigen Viskositätsänderungen den Verschleiß der internen Komponenten, wenn eine Fehlausrichtung auftritt.
Das Verständnis der für jeden Maschinentyp einzigartigen Heizmuster hilft dabei, die thermischen Ausrichtungsziele genauer zu bestimmen und unterstützt die frühzeitige Erkennung von Fehlern, die auf eine Fehlausrichtung zurückzuführen sind.
Wie Ingenieure das thermische Wachstum berücksichtigen
Konstrukteure und Wartungsingenieure verwenden seit langem Konzepte wie „Kaltausrichtung“ und „Warmausrichtung“, um thermische Bewegungen zu berücksichtigen. Der Schlüssel liegt jedoch darin, zu wissen, wann und wie diese anzuwenden sind.
Kaltausrichtung Dabei werden Komponenten während des Herunterfahrens gezielt versetzt, sodass sie sich bei Erreichen der Betriebstemperatur der Maschine in eine Linie bewegen. Diese Strategie beruht auf einer genauen Vorhersage des Wachstums jeder Komponente.
HeißausrichtungBei der Messung werden Maschinen im heißen Zustand gemessen, entweder während des Betriebs oder nach einer kontrollierten Abschaltung. Dies ist nützlich, wenn Sie die „wahre“ Betriebsposition einer Komponente ermitteln möchten.
Viele Erstausrüster (OEMs) stellen mittlerweile thermische Zielwerte oder Offsetwerte zur Verfügung, die bei der Installation helfen. Anhand dieser Werte können Techniker ermitteln, wie weit Komponenten bei der Erstausrichtung unterlegt oder verschoben werden müssen, um das Wachstum zu berücksichtigen.
Warum herkömmliche Methoden mit thermischem Wachstum zu kämpfen haben
Manuelle Ausrichtungswerkzeuge wie Fühlerlehren und Messuhren funktionieren unter statischen Bedingungen gut – durch die Wärmeausdehnung treten jedoch dynamische Variablen auf, die diese Werkzeuge einfach nicht erfassen können.
Die Wärmeausdehnung ist selten gleichmäßig. Beispielsweise können lüftergekühlte Motoren über ihr Gehäuse hinweg ungleichmäßig abkühlen, was zu asymmetrischen Wellenbewegungen führt. Messuhren können diese Verschiebungen nicht leicht erkennen, insbesondere wenn sie während des Aufwärmens allmählich auftreten.
Wellenfehlstellungen aufgrund von Wärmeausdehnung können beim Abschalten minimal erscheinen, bei Erwärmung wird jedoch eine vertikale Ausdehnung oder ein Winkelversatz sichtbar. Herkömmliche Methoden berücksichtigen weder die Richtung noch die Geschwindigkeit der Wärmeänderung – und bis jemand den Fehler bemerkt, ist möglicherweise bereits ein Schaden entstanden.
Digitale Laserwerkzeuge schließen diese Lücke, indem sie die Wärmebewegung in Echtzeit verfolgen, Rätselraten vermeiden und sicherstellen, dass Korrekturen auf dem tatsächlichen Maschinenverhalten und nicht auf Annahmen basieren.
Die Berechnung, die alles verändert
Wie bereiten Sie sich also auf eine Fehlausrichtung durch thermisches Wachstum vor, da diese unvorhersehbar ist und von Maschine zu Maschine variiert?
Zunächst müssen Sie genau verstehen, wie viel Bewegung stattfindet – und wo. Das bedeutet, dass Sie die zu erwartende Wärmeausdehnung jeder Maschine messen müssen.
Um die Wärmeausdehnung vorherzusagen, benötigen Sie drei Zahlen:
1. Temperaturänderung (T) – Unterschied zwischen Umgebungs- und Betriebstemperatur
2. Schaftlänge (L) – Abstand vom Maschinensockel zur Wellenmittellinie
3. Materialkoeffizient (C) – Die Geschwindigkeit, mit der sich das Metall pro Grad Temperaturänderung ausdehnt
Thermisches Wachstum = T x L x C
Zum Beispiel, wenn a Edelstahlwelle beginnt um 70 Grad Fahrenheit, erwärmt sich auf 130 Grad, und ist 10 Zoll lang, es wird wachsen: 60 × 10 × 0.0000074 = 0.00444 Zoll.
Das sind knapp fünf Tausendstel Zoll – wenig, aber genug, um rotierende Maschinen aus der Ausrichtung zu bringen.
So bleiben Sie dem thermischen Wachstum immer einen Schritt voraus
Der erste Schritt besteht darin, zu wissen, wie stark sich eine Maschine ausdehnt. Der nächste Schritt besteht darin, dies tatsächlich auszugleichen.
Die gute Nachricht: Thermisches Wachstum muss kein Ratespiel sein. Indem Sie es bei der Ausrichtung berücksichtigen, können Sie sicherstellen, dass die Wellen im entscheidenden Moment innerhalb der Spezifikation ausgerichtet bleiben. Anstatt nach dem Auftreten des thermischen Wachstums neu auszurichten, können Sie die Bewegung vorhersagen, indem Sie die thermischen Wachstumsziele vorab in die RotAlign Touch, passen Sie sich entsprechend an und machen Sie es gleich beim ersten Mal richtig. So geht's:
Identifizieren Sie Risiken der Wärmeausdehnung
Überprüfen Sie die Temperaturdaten Ihrer Geräte und messen Sie die tatsächlichen Betriebstemperaturen, anstatt sich auf Schätzungen zu verlassen. Herstellerangaben bieten einen guten Ausgangspunkt, aber die Bestätigung mit realen Daten sorgt für höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
Überlassen Sie die Arbeit dem ROTALIGN Touch-Wärmewachstumsrechner
Mit RotAlign TouchDie Anpassung an das thermische Wachstum ist einfach.
Geben Sie einfach drei Werte ein:
- Starttemperatur (wenn die Maschine ausgeschaltet ist)
- Betriebstemperatur (bei Volllastbetrieb)
- Abstand von der Maschinenbasis zur Wellenmittellinie
Das System berechnet automatisch die genaue erforderliche Wärmewachstumskompensation – keine komplexe Mathematik erforderlich.
Änderungen in Echtzeit sehen
RotAlign TouchDie Live-Trend-Funktion von verfolgt, wie sich Wellen bewegen, während sich die Maschine dynamisch aufheizt. So können Sie erkennen, ob die Wärmeausdehnung gleichmäßig erfolgt oder ob die Fehlausrichtung in einer Richtung stärker ausgeprägt ist als in der anderen.
Das System nutzt hochpräzise Lasersensoren, um Positionsänderungen vom Kaltstart bis zum Vollbetrieb zu überwachen. Sobald die Maschine eingeschaltet ist und sich erwärmt, protokolliert das Gerät jede Positionsverschiebung und verfolgt sowohl die vertikale als auch die horizontale Wärmeausdehnung bei steigenden Temperaturen. Sobald die Maschine die volle Betriebstemperatur erreicht hat, erfasst das System den endgültigen Ausrichtungszustand. Techniker können diese Daten nutzen, um präzise Ausrichtungsziele festzulegen und sicherzustellen, dass die Wellen nach der Wärmeausdehnung exakt in der vorgesehenen Position sind. Durch die Ausrichtung basierend auf dem tatsächlichen Maschinenverhalten entfällt das mühsame Ausprobieren und Korrigieren von Fehlausrichtungen nach dem Start.
Live Trend überwacht außerdem die Rohrspannung und prozessbedingte Maschinenbewegungen während der Hoch- und Auslaufphase und liefert Ihnen so ein umfassendes Bild der Kräfteeinwirkung auf Ihre Anlage während des gesamten Betriebszyklus. Da die Ausrichtung nur ein Teilaspekt ist, verfolgt Live Trend auch Maschinenvibrationen und hilft so, frühzeitig Anzeichen von Unwucht, Überlastung oder sich entwickelnden Fehlern zu erkennen, bevor diese eskalieren.
Einmal ausrichten, reibungslos laufen
Mit RotAlign TouchDie Berücksichtigung des Wärmewachstums erfolgt schnell, präzise und mühelos – so können Sie sich sicher ausrichten und dafür sorgen, dass Ihre Maschinen mit maximaler Effizienz laufen.
Ein globaler Turbinenhersteller musste dies am eigenen Leib erfahren. Die Maschinen des Unternehmens waren beim Herunterfahren perfekt ausgerichtet, doch nach dem Anfahren änderte sich alles. Hohe Drehzahlen und extreme Temperaturen führten zu unvorhersehbaren Wellenverschiebungen und damit zu Vibrationsproblemen, die mit herkömmlichen Ausrichtungsmethoden nicht zu beheben waren.
Die richtigen RotAlign TouchDer Hersteller überwachte die Wellenposition während des Aufwärmens und des Vollbetriebs. Die Daten zeigten, dass die Maschinen nicht richtig ausgerichtet waren und was geändert werden musste.
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Sind Sie bereit für die Zukunft?
Sie würden Ihre Uhr nicht auf die falsche Zeit stellen und erwarten, pünktlich zu sein. Warum also eine Maschine bei Raumtemperatur ausrichten und erwarten, dass sie diese Temperatur beibehält, wenn sie heiß läuft?
Mit RotAlign Touch, können Sie die Wärmeausdehnung berücksichtigen, bevor sie die Maschinenausrichtung beeinträchtigt. In der realen Welt laufen Maschinen nicht einfach nur – sie bewegen sich dynamisch, dehnen sich aus und setzen sich. Und wenn Ihre Ausrichtung dies nicht berücksichtigt, hinken Sie immer einen Schritt hinterher.
Mit RotAlign Touch, können Sie ausrichten, wie Ihre Maschine läuft, nicht wie es ruht.
Prüftechnik bietet auch Laserausrichtungsdienste Wir nutzen modernste Tools wie RotAlign und OptAlign, um Ihre Anlagen fachmännisch zu vermessen und auszurichten. Unsere Experten übernehmen die Arbeit für Sie und sorgen gleich beim ersten Mal für eine korrekte Ausrichtung.
Thermisches Wachstum als Teil der vorausschauenden Wartung
Die Überwachung der Wärmeausdehnung ist eine nützliche Messgröße für Ihr prädiktives Wartungsprogramm. Wärmebedingte Ausrichtungsänderungen zeigen sich durch:
- Vibrationsmuster: Wenn sich die Vibrationsstärke mit der Belastung oder der Temperatur ändert, deutet dies häufig auf eine thermische Fehlausrichtung hin.
- Infrarot-Thermografie: Heiße Stellen an Lagern oder Gehäusen können auf sich ausdehnende Wellen, Reibungspunkte oder Fehlausrichtungen hinweisen.
Online-Zustandsüberwachung Systeme wie VibGuard kann subtile thermische Wachstumsschwingungssignaturen über Sensoren verfolgen und Wartungsteams alarmieren, bevor Ausfälle auftreten. Und für einen umfassenderen Überblick über den Zustand der Anlagen können Sie Daten von Sensoren und Handwerkzeugen mit einer zentralen Plattform wie verfolgen. OmniTrend Center. Durch die Verknüpfung von Temperatur-, Vibrations- und Ausrichtungstrends schaffen Sie einen proaktiven Ansatz zur Verwaltung thermischer Effekte in Ihrem gesamten Anlagenbestand.
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