Turbinenausrichtung: Werkzeuge und Strategien für optimale Leistung

Turbinen sind ein wichtiger Bestandteil vieler Branchen, beispielsweise der Stromerzeugung sowie der Öl- und Gasindustrie. Daher hat die Betriebsbereitschaft der Turbinen für die Teams in diesen Branchen höchste Priorität. Regelmäßiges Ausrichten gehört zur Standardpraxis der vorbeugenden Wartung, doch bei großen, komplexen Maschinen wie Dampf- und Gasturbinen kann das Ausrichten besonders schwierig sein.

Dieser Leitfaden erläutert die Bedeutung der Turbinenausrichtung und die Herausforderungen, denen sich die Teams dabei stellen müssen. Wir besprechen außerdem Tools und Best Practices, mit denen Teams auch in schwierigen Umgebungen eine präzise Ausrichtung gewährleisten können.

Was ist eine Turbine?

Eine Turbine ist eine Maschine, die Energie aus einem bewegten Fluid (Flüssigkeit, Gas oder Luft) in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Diese wird häufig zur Erzeugung elektrischer Energie oder zum Antrieb anderer Maschinen genutzt. Windturbinen beispielsweise wandeln Windenergie in Elektrizität um. Dampfturbinen tun dasselbe, indem sie in einem Kessel erzeugten Dampf (aus Quellen wie fossilen Brennstoffen, Kernreaktionen oder Erdwärme) in mechanische Rotationsenergie umwandeln, die dann in Elektrizität umgewandelt werden kann. Industrielle Gasturbinen werden ebenfalls zur Erzeugung mechanischer Energie zum Antrieb von Generatoren, Kompressoren oder Pumpen eingesetzt.

Damit die Energieübertragung reibungslos verläuft, sei es von einer Windturbine, die elektrische Energie umwandelt, oder von einer Dampfturbine, die mechanische Energie erzeugt, müssen alle am Prozess beteiligten Maschinen ordnungsgemäß entlang derselben Rotationsachse ausgerichtet sein.

Warum die Turbinenausrichtung wichtig ist

Eine Fehlausrichtung der Turbine führt zu einer Verschlechterung der Effizienz bei der Kraftübertragung. Eine Fehlausrichtung in Turbinen führt zu erhöhter Reibung, sodass ein Teil der erzeugten Energie als Wärme (thermische Energie) verloren geht, anstatt an das gewünschte Medium übertragen zu werden. Auch Vibrationen können zunehmen, was eine Form von verschwendeter mechanischer Energie darstellt.

Neben Energieverschwendung können übermäßige Hitze und Vibrationen Maschinen und Komponenten beschädigen. Fehlausrichtungen führen zu einer ungleichmäßigen Kräfteverteilung auf Komponenten wie Dichtungen, Lager und andere Bauteile, was deren Lebensdauer verkürzt und die Wartungskosten erhöht.

Fehlausrichtungen sind die Hauptursache für mehr als die Hälfte aller Ausfälle rotierender Maschinen. Bei riesigen Anlagen wie Turbinen können die Reparaturkosten schnell in die Höhe schnellen. Erhöhter Wartungsaufwand zum Austausch defekter Komponenten führt zudem zu übermäßigen Ausfallzeiten und höheren Arbeitskosten. Dies wirkt sich negativ auf Umsatz und Produktion aus, während die Teams Komponenten austauschen oder Reparaturen durchführen.

Je größer die Turbine, desto mehr Leistung kann sie umwandeln. Allerdings stellen größere Turbinen auch erhebliche Herausforderungen an die Ausrichtung dar.

Herausforderungen bei der Turbinenausrichtung

In kleineren Anlagen müssen möglicherweise nur zwei Wellen ausgerichtet werden. Bei größeren, komplexeren Turbinenausrichtungen ist jedoch die Ausrichtung eines gesamten Maschinenstrangs, einschließlich Turbinen, Generatoren, Kompressoren und Getrieben, erforderlich, um die erforderlichen geometrischen Toleranzen einzuhalten.

Doch das ist leichter gesagt als getan, insbesondere in der Stromerzeugung und anderen Schwerindustrien, in denen riesige Turbinen zum Einsatz kommen. Zu den wichtigsten Herausforderungen dieser Art der Mehrfachkupplungsausrichtung gehören:

• GrößenbeschränkungenTurbinenrotoren und -gehäuse können extrem groß und schwer sein. Beispielsweise können die Rotorblätter einer Dampfturbine eine Länge von 1.83 Metern erreichen, während die Rotorblätter einer Windturbine über 150 Meter lang sein können – länger als ein Fußballfeld. Gehäuse können Tausende von Tonnen wiegen. Diese enormen Größen können sowohl die Messung als auch die Durchführung der Ausrichtung erschweren.
• KörpergewichtDampfturbinen sind in einem Gehäuse untergebracht, das zur korrekten Ausrichtung entfernt werden muss. Das schiere Gewicht des Gehäuses kann jedoch die Ausrichtung beeinträchtigen. Selbst bei einer perfekten Ausrichtung mit abgenommenem Deckel können die Komponenten durch das erneute Aufsetzen des Deckels so weit verschoben werden, dass eine Fehlausrichtung entsteht.
• Wärmeausdehnung: Die Ausrichtung von Dampfturbinen kann eine besondere Herausforderung darstellen, da sie bei Temperaturen von über 1,093 °C betrieben werden können. Da sich Materialien unterschiedlich schnell ausdehnen und die Komponenten extrem hohe Temperaturen erreichen können, stellt die Wärmeausdehnung eine große Herausforderung bei der Ausrichtung von Dampf- und Gasturbinen dar. Bei 1.093 °C können sich Komponenten um viele Millimeter ausdehnen, was vorausschauende Anpassungen während der Turbinenausrichtung erfordert.
• Zunahme potenzieller FehlerKomplexe Maschinenstränge mit mehreren Kupplungen bestehen oft aus Rotor, Getriebe und Generator, die alle aufeinander ausgerichtet werden müssen. Jede Kupplung stellt eine potenzielle Fehlausrichtungsstelle dar. Große Abstände zwischen den Komponenten sowie die vielen Kupplungen erhöhen die Komplexität des Turbinenausrichtungsprozesses.
• Eingeschränkter Zugang: Anspruchsvolle Feldumgebungen führen oft zu eingeschränktem Zugang und Schwierigkeiten bei der Durchführung von Ausrichtungsmessungen. Beispielsweise können Maschinen während des Ausrichtungsprozesses aufgrund eingeschränkter Bewegungsfreiheit möglicherweise nicht vollständig gedreht werden. Turbinen von Kernkraftwerken befinden sich in strahlungskontrollierten Zonen, was den Zugang für Techniker einschränkt. Techniker haben möglicherweise auch eine eingeschränkte Sicht oder müssen in beengten Bereichen arbeiten.

Trotz dieser Herausforderungen ist die Turbinenausrichtung mit den richtigen Werkzeugen und Wartungspraktiken möglich.

Best Practices für die Turbinenausrichtung

Die richtige Ausrichtung der Turbine ist entscheidend für eine effiziente Energieübertragung, minimalen Verschleiß und eine lange Lebensdauer der Komponenten in Stromerzeugungs- und Industrieanlagen. Im Folgenden finden Sie bewährte Methoden zur Erzielung und Aufrechterhaltung der Ausrichtung, selbst bei Herausforderungen wie enormer Größe, Wärmeausdehnung und komplexen Maschinensträngen.

1. Ausrichten bei der Inbetriebnahme

Die Ausrichtung beginnt bei der Inbetriebnahme, wenn ein Turbinensystem neu installiert oder überholt wird. Diese anfängliche Ausrichtung legt die Grundlage für Leistung und Langlebigkeit. Beispielsweise muss ein bis zu 40 Tonnen schwerer Dampfturbinenrotor auf 0.02 mm genau ausgerichtet sein, um einen reibungslosen Betrieb mit Generatoren oder Kompressoren zu gewährleisten. Verwenden Sie hochpräzise Werkzeuge wie Laserausrichtungssysteme, um Wellenmittellinien über große Entfernungen zu messen, beispielsweise die 20–30 Meter eines typischen Maschinenstrangs. Eine ordnungsgemäße Ausrichtung bei der Inbetriebnahme reduziert anfängliche Vibrationen und beugt kumulativem Verschleiß vor, wodurch die Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer einer Turbine gesenkt werden.

2. Kompensieren Sie das thermische Wachstum

Zu adressieren Wärmeausdehnung, verwenden Sie vom Hersteller bereitgestellte Daten zum thermischen Wachstum oder Softwaremodelle, um die Ausdehnungsraten für Materialien wie Stahl oder Titanlegierungen vorherzusagen.

3. Nutzen Sie erweiterte Funktionen für die Maschinenstrangausrichtung

Moderne Laserausrichtungssysteme, wie die von Prüftechnik, ermöglichen „Live-Move“-Funktionen. So können Techniker Komponenten in Echtzeit anpassen und gleichzeitig die Ausrichtung aller Kupplungen überwachen. Live-Move-Tools liefern visuelles Feedback und stellen sicher, dass die Anpassungen den gesamten Zug innerhalb der Toleranzen halten. Dies ist besonders wichtig in Feldumgebungen, in denen eingeschränkter Zugang die Anpassungen erschwert.

4. Routineprüfungen und Trendausrichtungsdaten

Die Ausrichtung ist keine einmalige Aufgabe. Regelmäßige Kontrollen sind unerlässlich, um die Leistung bei alternden Turbinen oder sich ändernden Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Planen Sie Ausrichtungsprüfungen im Rahmen der geplanten Wartung oder nach wichtigen Ereignissen wie der Neuinstallation des Gehäuses ein. Verwenden Sie Schwingungsüberwachung und Ausrichtungssensoren, um Daten im Zeitverlauf zu verfolgen und schleichende Fehlausrichtungen zu erkennen, bevor sie Schäden verursachen. Speichern Sie Ausrichtungsdaten in der Wartungssoftware, um Trends wie zunehmende Schwingungen oder Lagerverschleiß zu verfolgen und vorherzusagen, wann eine Neuausrichtung erforderlich ist.

Wie Laserausrichtungssysteme die Turbinenausrichtung vereinfachen

Die Turbinenausrichtung mit herkömmlichen Methoden wie Messuhren ist aufgrund der Größe und Komplexität der Maschinen äußerst anspruchsvoll. Einzellaser-Ausrichtungssysteme wie RotAlign, OptAlign und ShaftAlign sind so konstruiert, dass sie sich an die anspruchsvolle Umgebung der Turbinenwellenausrichtung anpassen und verfügen über mehrere Funktionen, die eine perfekte Ausrichtung ermöglichen.

Aufgrund ihrer Größe können sich Turbinen während des Ausrichtungsprozesses nicht frei drehen, es sei denn, sie werden durch Kräne, Kettenzüge oder Hydraulikzylinder unterstützt. Funktionen wie der IntelliPoint-Messmodus zeichnen die Ausrichtung an mehreren Haltepunkten auf und beseitigen so Fehler, die durch ungleichmäßige Rotation oder Wellensetzung entstehen.

LiveTrend ist eine weitere Prüftechnik-Funktion, die die durch thermisches Wachstum während des Betriebs verursachten Positionsänderungen durch Messung der Parallel- und Winkelverschiebung in Echtzeit misst und aufzeichnet. Diese Informationen können die Teams dann bei Kaltausrichtungen nutzen, um die Turbinenwellen so zu positionieren, dass sie bei Erreichen der vollen Betriebstemperatur ausgerichtet sind.

Auch die Ausrichtung komplexer Maschinenstränge mit mehreren Kupplungen wird mit Laserwerkzeugen einfacher. Die RotAlign Touch kann einen Maschinenstrang mit bis zu 14 Maschinen ausrichten. Im Multikupplungsmodus können mit einer einzigen Wellenumdrehung Messungen jeder Kupplung im Strang durchgeführt werden, ohne dass die Sensoren von Kupplung zu Kupplung bewegt werden müssen. Das System liefert dann Ergebnisse, die zeigen, wie weit jede Maschine im Strang bewegt werden muss, um die Ausrichtung zu erreichen. So werden praxistaugliche Arbeitsabläufe bereitgestellt, die selbst die komplexesten Maschinenausrichtungen vereinfachen.

Alle Prüftechnik-Laserausrichtungssysteme können digitale Dokumentationen direkt in die Cloud hochladen und ermöglichen so einfachen Zugriff, Berichterstellung und langfristige Rückverfolgbarkeit. Dadurch wird sichergestellt, dass jede Ausrichtung aufgezeichnet, überprüft und gespeichert wird. Dies hilft den Teams, die Einhaltung der Vorschriften nachzuweisen und zukünftige Wartungsarbeiten zu optimieren.

Laserausrichtungssysteme können Ausrichtung der Dampfturbine Zeit halbiert. Mit Prüftechniks Laserausrichtungssysteme, wird die Turbinenausrichtung nicht nur möglich, sondern auch effizient, genau und wiederholbar.