Qu'est-ce que la croissance thermique ? Comment un fabricant leader de turbines parvient à maîtriser la croissance thermique

Par Eric Elder

La dilatation thermique est la dilatation de la matière provoquée par une augmentation de température. Dans les équipements rotatifs, cette dilatation se produit pendant le fonctionnement de la machine, car la chaleur s'accumule lorsque les différentes pièces à l'intérieur de l'équipement bougent et interagissent entre elles.

Des facteurs tels que le frottement entraînent une augmentation de la température des équipements. Cette augmentation de la chaleur provoque une dilatation du métal, ce qui entraîne une dilatation thermique qui, si elle n'est pas prise en compte lors du processus d'alignement, peut entraîner des désalignements. Même une faible dilatation thermique peut entraîner des problèmes d'alignement majeurs et une cascade de problèmes sur les équipements rotatifs.

Dans cet article, vous découvrirez les causes de la croissance thermique, comment la réduire et pourquoi l'alignement laser peut vous aider à garder la croissance thermique sous contrôle, comme il l'a fait pour un fabricant de turbines de premier plan.

Comment calculer la croissance thermique ?

Afin de calculer la croissance thermique des équipements rotatifs, vous devez connaître trois informations clés.

Tout d'abord, vous devez connaître la température différentielle, T, du matériau. Il s'agit de la différence de température entre le matériau lorsque l'équipement rotatif est froid au repos et la température maximale atteinte par l'équipement en fonctionnement.

Exemple : La température de la machine lorsqu'elle n'est pas utilisée est de 70 °C. L'équipement atteint 130 °C lorsqu'il est en marche. Dans ce cas, T = 60 °F.

Ensuite, vous devez connaître la dimension linéaire du matériau calculé. Cette dimension correspond à sa longueur en pouces (po).

Exemple : L’arbre rotatif mesure 10 cm de long. Dans ce cas, L = 10 po.

Enfin, vous devez connaître le coefficient de dilatation thermique linéaire du matériau concerné. Il s'agit d'une constante qui dépend du matériau utilisé. Voici un tableau indiquant le coefficient de dilatation thermique linéaire des métaux courants utilisés dans les équipements rotatifs :

Exemple : L’arbre en question est en acier inoxydable. Le coefficient est de 0000074.

Multipliez les trois nombres ensemble pour trouver la dilatation thermique de l'équipement.

T x L x C = Croissance thermique en pouces

Exemple : 60 °F x 10 po x 0000074 = 0.00444. L'arbre va grandir .00444 pouces.

Causes de la croissance thermique

La dilatation thermique est causée par l'augmentation de la température de fonctionnement des équipements rotatifs. Cette augmentation de température peut avoir de nombreuses causes, dont certaines sont normales et ne doivent pas être alarmantes.

Même avec une lubrification adéquate, les frottements causés par les pièces mobiles de la machine peuvent entraîner une augmentation de la température. Les composants électriques comme les moteurs et les transformateurs peuvent générer de la chaleur en raison de la résistance de leurs enroulements et de leurs circuits, et des processus tels que la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique peuvent également provoquer une augmentation de la température.

Il est important de suivre régulièrement la croissance thermique d'un actif afin d'établir une référence. Lorsque les machines génèrent plus de chaleur que la normale, cela peut indiquer que votre équipement rotatif présente des problèmes sous-jacents.

Comment réduire la croissance thermique

La dilatation thermique est une conséquence naturelle de l'utilisation d'équipements rotatifs. Cependant, si les températures dépassent les températures de fonctionnement normales et sûres, cela peut indiquer un problème nécessitant une intervention de maintenance.

Selon le type d’équipement, voici quelques étapes qui peuvent permettre de contrôler la croissance thermique :

• Lubrification:Une lubrification adéquate peut aider à réduire la friction, qui entraîne une augmentation de la température dans les équipements rotatifs.
• Ventilation:Vérifiez les évents et les ventilateurs pour vous assurer qu'ils fonctionnent correctement et qu'ils ne sont pas obstrués.
• Problèmes électriquesVérifiez que tous les composants électriques fonctionnent correctement. Des irrégularités de tension, de mauvaises connexions et un câblage défectueux peuvent entraîner une surchauffe.
• Dommages aux composants:Les composants endommagés tels que les roulements ou les joints peuvent provoquer des augmentations de température en raison d'un frottement plus élevé.
• Alignement de l'arbre: S’assurer que l’équipement rotatif est correctement aligné peut également réduire la friction et la chaleur causées par une contrainte excessive sur les composants.

Comment les outils d'alignement laser aident à réduire la croissance thermique excessive

L'alignement des arbres peut contribuer à réduire les effets négatifs de la croissance thermique. Le processus d'alignement lui-même doit également prendre en compte la croissance thermique.

L'exemple présenté ci-dessus est simplifié pour expliquer la croissance thermique. En réalité, la prise en compte de la croissance thermique dans les équipements rotatifs peut s'avérer beaucoup plus complexe.

Les équipements rotatifs sont souvent composés de plusieurs types de matériaux. Ils peuvent également subir un échauffement inégal sur l'ensemble de la machine, et la dilatation thermique ne se limite pas à l'arbre lui-même. Par exemple, l'avant d'une machine peut être équipé d'un ventilateur pour la refroidir, ce qui lui permet d'atteindre des températures moins élevées que l'arrière. Et pour compliquer encore les choses, la dilatation thermique se produit dans toutes les directions, et non dans une seule.

Tous ces facteurs rendent l'alignement traditionnel des équipements rotatifs quasiment impossible lorsqu'il est tenu compte de la dilatation thermique. Cependant, les méthodes d'alignement laser prennent automatiquement en compte cette dilatation et offrent une alternative moderne.

L'alignement laser utilise un émetteur et un détecteur. Ces derniers sont montés sur la machine, au-dessus des arbres, lorsque l'équipement rotatif est froid. Une fois les dispositifs montés, l'équipement est mis en marche. L'appareil enregistre les variations entre les deux côtés de l'arbre à mesure que la température augmente.

Une fois la température stabilisée à son point le plus élevé, les données peuvent être utilisées pour effectuer l'alignement. Elles prennent en compte la croissance thermique verticale et horizontale qui se produit pendant le fonctionnement de l'équipement.

La prise en compte de la dilatation thermique lors du processus d'alignement garantit le bon alignement des équipements rotatifs pendant leur utilisation. Sans cette étape clé, la dilatation thermique entraînera un désalignement.

Étude de cas : Un fabricant leader de turbines maîtrise la croissance thermique

Lorsqu’il s’agit de machines à grande vitesse telles que les turbines, la croissance thermique est un élément que les entreprises doivent presque toujours surveiller.

Une équipe de services PRÜFTECHNIK a aidé un fabricant leader de turbines à gaz industrielles pour le marché mondial de la production d'électricité à mesurer avec précision la croissance thermique d'une unité de turbine à l'aide du ROTALIGN® touch.

Avec des milliers d'unités cumulant des milliards d'heures de fonctionnement, ce fabricant comprend l'importance d'un alignement de précision. C'est pourquoi il a fait appel à PRUFTECHNIK, leader mondial de l'alignement d'arbres au laser, pour réaliser les mesures.

Qu'est-ce que la dilatation thermique ? Il s'agit de la dilatation d'une machine lorsque sa température augmente en raison de son fonctionnement normal. Le ciblage thermique permet d'aligner correctement les arbres lorsqu'ils atteignent leur température de fonctionnement.

Les turbines à gaz produisent une grande quantité de chaleur et sont donc soumises à une dilatation thermique importante. Ne pas tenir compte de cette dilatation peut entraîner un désalignement des arbres, source de vibrations indésirables et d'endommagement des roulements. Ces effets secondaires réduisent la durée de vie d'une machine et entraînent des arrêts machine.

Pour éviter cela, le fabricant de turbines utilise la technologie la plus récente disponible pour tenir compte de la croissance thermique et pour aligner correctement les arbres de ses turbines.

Figure 1 : Un exemple de tendance de croissance thermique.

Le fabricant de turbines à gaz a choisi les services d'alignement PRÜFTECHNIK et la plate-forme d'alignement avancée de la série ROTALIGN® pour affiner ses turbines à gaz afin d'obtenir les meilleures performances.

ROTALIGN touch est équipé d'un système laser comprenant un émetteur et un détecteur. Ces derniers sont montés sur la turbine à gaz et la machine entraînée, juste au-dessus des arbres. Une fois les dispositifs bien fixés, la turbine atteint sa vitesse de rotation opérationnelle.

À mesure que la température de la turbine augmente, l'appareil enregistre des données qui montrent la relation de mouvement entre les machines motrices et entraînées.

Figure 2 : Un exemple de résultats de croissance thermique.

L'enregistrement des données est terminé une fois la température de la machine stabilisée. La plateforme d'alignement ROTALIGN® analyse alors automatiquement les données pour déterminer les modifications horizontales et verticales nécessaires aux emplacements de montage de la turbine à gaz, comme illustré à la figure 2.

Ces modifications permettent d'aligner correctement la machine lorsqu'elle fonctionne à température de fonctionnement. Le fabricant de turbines à gaz exploite cette technologie pour équiper ses turbines afin d'accroître leur fiabilité et leurs performances optimales. Grâce aux produits et services PRUFTECHNIK, la croissance thermique de ses machines est maîtrisée.

Eric Elder est responsable du service PRUFTECHNIK pour les Amériques chez Fluke Reliability.