Wat is thermische groei? Hoe een toonaangevende turbinefabrikant thermische groei onder controle houdt

Door Eric Elder

Thermische groei is de uitzetting van materie veroorzaakt door een toename in temperatuur. Bij roterende apparatuur gebeurt dit terwijl de machine in gebruik is, aangezien er warmte wordt opgebouwd wanneer afzonderlijke onderdelen in het asset bewegen en met elkaar interacteren.

Factoren zoals wrijving zorgen ervoor dat de temperatuur van de apparatuur stijgt. De toename van warmte zorgt ervoor dat metaal uitzet, wat resulteert in thermische groei, wat, als er geen rekening mee wordt gehouden in het uitlijningsproces, kan leiden tot verkeerde uitlijningen. Zelfs kleine hoeveelheden thermische groei kunnen grote uitlijningsproblemen veroorzaken en een resulterende cascade van problemen in roterende apparatuur.

In dit artikel leest u wat de oorzaken van thermische groei zijn, hoe u dit kunt verminderen en waarom u met laseruitlijning thermische groei onder controle kunt houden, net zoals het dat deed bij een toonaangevende turbinefabrikant.

Hoe bereken je thermische groei?

Om de thermische groei van roterende apparatuur te kunnen berekenen, moet u drie belangrijke gegevens weten.

Ten eerste moet u de temperatuurverschillen, T, van het materiaal weten. Dit is het temperatuurverschil tussen het materiaal wanneer de roterende apparatuur koud is in rust en de hoogste temperatuur die de apparatuur bereikt terwijl deze in gebruik is.

Voorbeeld: De temperatuur van de machine wanneer deze niet in gebruik is, is 70 °F. De apparatuur bereikt 130 °F wanneer deze in gebruik is. In dit geval, Temperatuur = 60 °C.

Vervolgens moet u de lineaire dimensie van het te berekenen materiaal weten. De lineaire dimensie is de lengte van het materiaal in inches (in).

Voorbeeld: De roterende as is 10 inch lang. In dit geval, L = 10 inch.

Ten slotte moet u de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt voor het betreffende materiaal weten. Dit is een constante die afhankelijk is van het gebruikte materiaal. Hier is een grafiek met de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt voor veelvoorkomende soorten metaal die worden gebruikt in roterende apparatuur:

Voorbeeld: De betreffende as is gemaakt van roestvrij staal. De coëfficiënt is .0000074.

Vermenigvuldig de drie getallen met elkaar om de thermische uitzetting van het apparaat te berekenen.

T x L x C = Thermische groei in inches

Voorbeeld: 60 °F x 10 inch x .0000074 = 0.00444. De schacht zal groeien .00444 inches.

Oorzaken van thermische groei

Thermische groei wordt veroorzaakt door de verhoogde bedrijfstemperatuur van roterende apparatuur tijdens gebruik. De temperatuurstijging kan veel oorzaken hebben, waarvan sommige normaal zijn en geen reden tot alarm.

Zelfs met de juiste smering kan wrijving veroorzaakt door bewegende onderdelen in de machine leiden tot temperatuurstijgingen. Elektrische componenten zoals motoren en transformatoren kunnen warmte genereren door weerstand in hun wikkelingen en circuits, en processen zoals energieomzetting van elektrische energie in mechanische energie kunnen ook een temperatuurstijging veroorzaken.

Het is belangrijk om bij te houden hoeveel thermische groei een asset op regelmatige basis ervaart om een ​​basislijn vast te stellen. Wanneer machines meer warmte genereren dan normaal, kan dit een teken zijn dat uw roterende apparatuur onderliggende problemen heeft.

Hoe thermische groei te verminderen

Thermische groei is een natuurlijk gevolg van het gebruik van roterende apparatuur. Als de temperaturen echter stijgen boven de normale veilige bedrijfstemperaturen die worden verwacht, kan dit wijzen op een probleem dat moet worden aangepakt met machineonderhoud.

Afhankelijk van het type apparatuur kunt u met de volgende stappen thermische groei onder controle houden:

• Smering:Een goede smering kan helpen de wrijving te verminderen, die ervoor zorgt dat de temperatuur in roterende apparatuur stijgt.
• VentilatieControleer de ventilatieopeningen en ventilatoren om er zeker van te zijn dat ze goed werken en niet geblokkeerd zijn.
• Elektrische problemen: Controleer of alle elektrische componenten correct werken. Spanningsverschillen, slechte verbindingen en defecte bedrading kunnen allemaal oververhitting veroorzaken.
• Component schade: Beschadigde componenten zoals lagers of afdichtingen kunnen temperatuurstijgingen veroorzaken door hogere wrijving.
• Uitlijning van de as:Door ervoor te zorgen dat roterende apparatuur goed is uitgelijnd, kunt u ook de wrijving en hitte verminderen die worden veroorzaakt door overmatige belasting van componenten.

Hoe laseruitlijningsgereedschappen helpen overmatige thermische groei te verminderen

Asuitlijning kan helpen de negatieve effecten van thermische groei te verminderen. Het uitlijningsproces zelf moet ook rekening houden met thermische groei.

Het bovenstaande voorbeeld is vereenvoudigd om thermische groei uit te leggen. In werkelijkheid kan het veel ingewikkelder zijn om thermische groei in roterende apparatuur te verantwoorden.

Roterende apparatuur bestaat vaak uit meer dan één type materiaal. Apparatuur kan ook ongelijkmatige verhitting over de hele machine ervaren, en thermische groei is niet beperkt tot de as zelf. Bijvoorbeeld, de voorkant van een machine kan een ventilator hebben die helpt bij het koelen, zodat deze niet zulke hoge temperaturen bereikt als de achterkant van de machine. En om het nog ingewikkelder te maken, thermische expansie vindt plaats in alle richtingen, niet slechts één.

Al deze factoren maken traditionele roterende apparatuuruitlijning bijna onmogelijk als thermische groei in overweging wordt genomen. Laseruitlijningsmethoden houden echter automatisch rekening met thermische groei en bieden een modern alternatief.

Laseruitlijning werkt met behulp van een transmitter en een detector. Deze worden op de machine boven de assen gemonteerd terwijl de roterende apparatuur koud is. Zodra de apparaten zijn gemonteerd, wordt de apparatuur ingeschakeld. Het apparaat registreert de veranderingen die optreden tussen beide zijden van de as terwijl de temperatuur blijft stijgen.

Zodra de temperatuur op het hoogste punt stabiliseert, kunnen de gegevens worden gebruikt om uitlijning uit te voeren. Hierbij wordt rekening gehouden met zowel verticale als horizontale thermische groei die optreedt terwijl de apparatuur draait.

Rekening houden met thermische groei tijdens het uitlijningsproces zorgt ervoor dat roterende apparatuur goed uitgelijnd blijft tijdens gebruik. Zonder deze belangrijke stap zal thermische groei leiden tot verkeerde uitlijning.

Case Study: Toonaangevende turbinefabrikant houdt thermische groei onder controle

Bij snelle machines zoals turbines is thermische groei iets waar bedrijven vrijwel altijd op moeten letten.

Een PRÜFTECHNIK-serviceteam hielp een toonaangevende fabrikant van industriële gasturbines voor de wereldwijde markt voor elektriciteitsopwekking bij het nauwkeurig meten van de thermische groei van een turbine-eenheid met behulp van de ROTALIGN® touch.

Met duizenden units die miljarden bedrijfsuren hebben verzameld, begrijpt deze fabrikant het belang van nauwkeurige uitlijning. Daarom heeft het bedrijf PRUFTECHNIK, als wereldleider in laser-asuitlijning, ingeschakeld om de meting uit te voeren.

Wat is thermische groei? Het is de uitzetting van een machine als de temperatuur stijgt door normale werking. Thermische targeting lijnt de assen correct uit wanneer ze opwarmen tot bedrijfstemperaturen.

Gasturbines produceren een grote hoeveelheid warmte en zijn daarom onderhevig aan aanzienlijke hoeveelheden thermische groei. Als er geen rekening wordt gehouden met de thermische uitzetting, kan dit resulteren in verkeerd uitgelijnde assen die ongewenste trillingen en schade aan lagers veroorzaken. Deze bijwerkingen verkorten uiteindelijk de levensduur van een machine en resulteren in machine-uitval.

Om dit te voorkomen, maakt de turbinefabrikant gebruik van de nieuwste technologie om rekening te houden met thermische groei en de assen van de turbines op de juiste manier uit te lijnen.

 

Figuur 1: Een voorbeeld van een thermische groeitrend.

De gasturbinefabrikant heeft gekozen voor de PRÜFTECHNIK-uitlijningsdiensten en het geavanceerde ROTALIGN®-uitlijnplatform om zijn gasturbines nauwkeurig af te stellen voor optimale prestaties.

ROTALIGN touch beschikt over een lasergebaseerd systeem dat een zender en een detector omvat. Deze zijn op de gasturbine en de aangedreven machine gemonteerd op een locatie net boven de assen. Zodra de apparaten stabiel zijn gemonteerd, gaat de turbine op toeren tot operationele snelheden.

Naarmate de temperatuur van de turbine stijgt, registreert het apparaat gegevens die de bewegingsrelatie tussen de aandrijvende en aangedreven machines weergeven.

 

Figuur 2: Een voorbeeld van thermische groeiresultaten.

Datalogging is voltooid zodra de temperatuur van de machine is gestabiliseerd. Het ROTALIGN®-serie uitlijnplatform is vervolgens in staat om de data automatisch te analyseren om de horizontale en verticale veranderingen te bepalen die nodig zijn op de montagelocaties van de gasturbine, zoals te zien is in Afbeelding 2.

Deze veranderingen zorgen ervoor dat de machine correct is uitgelijnd wanneer deze op operationele temperaturen draait. De fabrikant van gasturbines maakt gebruik van deze technologie om zijn turbines af te stemmen op een grotere betrouwbaarheid en optimale prestaties. Met PRUFTECHNIK-producten en -diensten wordt de thermische groei van zijn machines onder controle gehouden.

Eric Elder is PRUFTECHNIK Service Manager voor Noord- en Zuid-Amerika bij Fluke Reliability.