Turbine Alignment: Tools and Strategies for Optimal Performance

27.09.2025

Turbinen sind ein wichtiger Bestandteil vieler Branchen wie Stromerzeugung sowie Öl und Gas. Daher hat die Aufrechterhaltung des Betriebs von Turbinen für Teams in diesen Branchen höchste Priorität. Die regelmäßige Ausrichtung ist Teil der standardmäßigen vorbeugenden Instandhaltungsmaßnahmen. Große, komplexe Maschinen wie Dampf- und Gasturbinen können jedoch besonders schwierig auszurichten sein.

In diesem Leitfaden wird die Bedeutung der Turbinenausrichtung erörtert und die Herausforderungen werden dargestellt, mit denen sich Teams während des Ausrichtungsprozesses konfrontiert sehen. Wir werden auch über Werkzeuge und Best Practices sprechen, mit denen die Teams eine präzise Ausrichtung auch in schwierigen Umgebungen sicherstellen können.

Was ist eine Turbine?

Eine Turbine ist eine Maschine, die Energie aus einem sich bewegenden Fluid (Flüssigkeit, Gas oder Luft) in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Diese Energie wird oft zur Erzeugung elektrischer Energie oder zum Antrieb anderer Maschinen verwendet. Windturbinen werden insbesondere verwendet, um Windenergie in Strom umzuwandeln. Dampfturbinen machen das Gleiche, indem sie den in einem Kessel erzeugten Dampf (aus Quellen wie fossilen Brennstoffen, nuklearen Reaktionen oder geothermischer Wärme) in mechanische Rotationsenergie umwandeln, aus der dann Strom erzeugt werden kann. Industrielle Gasturbinen werden auch zur Herstellung mechanischer Energie für den Antrieb von Generatoren, Kompressoren oder Pumpen verwendet.

Damit die Energie reibungslos übertragen werden kann, müssen alle am Prozess beteiligten Maschinen korrekt entlang derselben Rotationsachse ausgerichtet sein, sei es bei der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie oder bei der Erzeugung von mechanischer Energie durch eine Dampfturbine.

Gründe für die Wichtigkeit der Turbinenausrichtung

Eine Fehlausrichtung der Turbine führt zu einer schlechten Effizienz während des Energieübertragungsprozesses. Eine Fehlausrichtung der Turbinen führt zu erhöhter Reibung, sodass ein Teil der erzeugten Energie als Wärme (thermische Energie) verloren geht, anstatt auf das gewünschte Medium übertragen zu werden. Auch die Schwingungen können zunehmen, was eine Form von verschwendeter mechanischer Energie ist.

Neben Energieverschwendung können übermäßige Wärme und Schwingungen die Maschinen und Komponenten beschädigen. Eine Fehlausrichtung führt zu ungleichmäßiger Verteilung der Kräfte auf Komponenten wie Dichtungen, Lager und andere Komponenten, was deren Lebensdauer verkürzt und die Wartungskosten erhöht.

Fehlausrichtungen sind die Hauptursache für mehr als die Hälfte der Ausfälle von rotatorisch angetriebenen Betriebsmitteln. Bei Großanlagen wie Turbinen können die Kosten für die Reparatur dieser Ausfälle schnell explodieren. Vermehrter Instandhaltungsaufwand zum Austausch von fehlerhaften Komponenten führt außerdem zu übermäßigen Ausfallzeiten und erhöhten Arbeitskosten, was wiederum den Umsatz und die Produktion beeinträchtigt, während Teams Komponenten austauschen oder Reparaturen durchführen.

Je größer die Turbine, desto mehr Energie kann sie umwandeln. Allerdings stellt ihre Größe auch erhebliche Herausforderungen für die Ausrichtung der Turbine dar.

Herausforderungen bei der Turbinenausrichtung

Bei kleineren Anlagen müssen möglicherweise nur zwei Wellen ausgerichtet werden. Größere, komplexere Turbinenausrichtungen erfordern jedoch die Ausrichtung der Gesamtheit der Maschinen, einschließlich Turbinen, Generatoren, Kompressoren und Getrieben, um die erforderlichen geometrischen Toleranzen zu erfüllen.

Dies ist jedoch leichter gesagt als getan, insbesondere in der Stromerzeugung und anderen Schwerindustrien, in denen gewaltige Turbinen zum Einsatz kommen. Zu den wichtigsten Herausforderungen bei dieser Art der Ausrichtung der Gesamtheit von Maschinen mit mehreren Kupplungen gehören:

• Größenbeschränkungen: Turbinenrotoren und -Gehäuse können extrem groß und schwer sein. So können unter anderem die Schaufeln einer Dampfturbine eine Länge von 1,83 Meter (6 Fuß) erreichen, während die Rotorblätter einer Windturbine mehr als 150 Meter (ca. 492 Fuß) lang sein können und damit länger als ein Fußballfeld sind. Die Gehäuse können mehrere Tausend Tonnen wiegen. Aufgrund der enormen Größen ist es u. U. schwierig, die Ausrichtung zu messen und zu erzielen.
• Gewicht: Dampfturbinen sind in einem Gehäuse eingeschlossen, das zur Durchführung einer korrekten Ausrichtung erst entfernt werden muss. Schon das Gewicht des Gehäuses kann eine Ausrichtung durcheinanderbringen. Selbst wenn die Ausrichtung nach dem Abnehmen der Abdeckung perfekt durchgeführt wird, kann das Wiederaufsetzen der Abdeckung die Komponenten so weit verschieben, dass es zu einer Fehlausrichtung kommt.
• Thermische Ausdehnung: Die Ausrichtung von Dampfturbinen kann besonders anspruchsvoll sein, da sie bei Temperaturen von über 1.093 °C (2.000 °F) betrieben werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe und der extrem hohen Temperaturen, die diese Komponenten erreichen können, stellt die thermische Ausdehnung eine große Herausforderung bei der Ausrichtung von Dampf- und Gasturbinen dar. Die Komponenten können sich bei 1.093 °C (2.000 °F) um viele Millimeter ausdehnen, sodass beim Ausrichten der Turbine vorausschauende Anpassungen vorzunehmen sind.
• Erhöhtes Fehlerpotenzial: Komplexe verkettete Maschinen mit mehreren Kupplungen umfassen häufig einen Rotor, ein Getriebe und einen Generator, die alle gemeinsam ausgerichtet werden müssen. Jede Kupplung stellt eine potenzielle Quelle für Fehlausrichtungen dar. Große Abstände zwischen den Komponenten, zusätzlich zu den vielen Kupplungen, erhöhen die Komplexität des Turbinenausrichtungsprozesses.
• Eingeschränkter Zugang: Anspruchsvolle Einsatzbedingungen vor Ort führen häufig zu eingeschränktem Zugang und Schwierigkeiten beim Durchführen von Ausrichtungsmessungen. So können Maschinen aufgrund eingeschränkter Bewegungsfreiheit während der Ausrichtung möglicherweise nicht vollständig gedreht werden. Die Turbinen in Kernkraftwerken befinden sich in strahlenüberwachten Bereichen, wodurch der Zugang für Techniker eingeschränkt ist. Zudem kann die Sicht eingeschränkt sein oder Arbeiten müssen in beengten Bereichen durchgeführt werden.

Trotz dieser Herausforderungen ist die Ausrichtung von Turbinen mit den richtigen Werkzeugen und geeigneten Wartungspraktiken umsetzbar.

Best Practices für die Turbinenausrichtung

Eine korrekte Turbinenausrichtung ist entscheidend, um eine effiziente Energieübertragung sicherzustellen, Verschleiß zu minimieren und die Lebensdauer der Komponenten in Energieerzeugungs- und Industriesystemen zu verlängern. Die folgenden Best Practices sorgen für eine optimale Ausrichtung und deren Aufrechterhaltung – selbst angesichts von Herausforderungen wie großen Abmessungen, thermischer Ausdehnung und komplexen verketteten Maschinen.

1. Ausrichten bei der Inbetriebnahme

Die Ausrichtung beginnt bereits während der Inbetriebnahme, wenn eine Turbinenanlage neu installiert oder überholt wird. Diese Erstausrichtung bildet die Grundlage für Leistung und Langlebigkeit. So muss etwa ein Dampfturbinenrotor, der bis zu 40 Tonnen wiegen kann, innerhalb einer Toleranz von 0,02 mm ausgerichtet werden, um einen reibungslosen Betrieb mit Generatoren oder Kompressoren zu gewährleisten. Mit hochpräzisen Werkzeugen wie Laserausrichtungssystemen lassen sich Wellenmittelachsen über große Entfernungen messen, etwa über eine Länge von 20 bis 30 Metern, wie sie bei einer Gesamtheit von Maschinen, die miteinander verkettet sind, üblich ist. Eine ordnungsgemäße Ausrichtung bei der Inbetriebnahme reduziert anfängliche Schwingungen und verhindert kumulativen Verschleiß, was wiederum die Instandhaltungskosten während der Lebensdauer einer Turbine senkt.

2. Kompensieren der thermischen Ausdehnung

Um thermische Ausdehnung zu berücksichtigen, verwenden Sie vom Hersteller bereitgestellte Daten zur thermischen Ausdehnung oder Softwaremodelle, um die Ausdehnungsraten für Werkstoffen wie Stahl oder Titanlegierungen zu berechnen.

3. Einsatz fortschrittlicher Funktionen für die Maschinenstrangausrichtung

Moderne Laserausrichtungssysteme, wie die von PRÜFTECHNIK, unterstützen sogenannte „Live-Move“-Funktionen, mit denen Techniker Komponenten in Echtzeit justieren und gleichzeitig die Ausrichtung aller Kupplungen überwachen können. Die Live-Move-Tools liefern eine visuelle Rückmeldung und sorgen dafür, dass durch die Anpassungen der Gesamtheit der Maschinen innerhalb der Toleranzgrenzen bleibt. Das ist besonders wichtig in Einsatzumgebungen, in denen eingeschränkter Zugang die Anpassungen erschwert.

4. Regelmäßige Prüfungen und Trendanalysen von Ausrichtungsdaten

Die Ausrichtung ist keine einmalige Aufgabe. Regelmäßige Prüfungen sind erforderlich, um die Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten, da die Turbinen altern oder sich die Betriebsbedingungen ändern. Planen Sie Ausrichtungsprüfungen während der geplanten Instandhaltung oder nach größeren Ereignissen, wie z. B. wie der Neumontage des Gehäuses ein. Erfassen Sie mithilfe von Schwingungsüberwachungs- und Ausrichtungssensoren Daten über längere Zeiträume hinweg, um allmähliche Fehlausrichtungen zu erkennen, bevor diese Schäden verursachen. Speichern Sie die Ausrichtungsdaten in der Instandhaltungssoftware, um Trends wie zunehmende Schwingungen oder Lagerverschleiß nachzuverfolgen, und vorherzusagen, wann eine Neuausrichtung erforderlich ist.

So vereinfachen Laser-Ausrichtungssysteme die Ausrichtung von Turbinen

Die Ausrichtung von Turbinen mit herkömmlichen Methoden wie Messuhren ist aufgrund der Größe und Komplexität der Maschinen äußerst anspruchsvoll. Die Ein-Laserausrichtungssysteme wie RotAlign, OptAlign und ShaftAlign wurden jedoch speziell für die anspruchsvollen Bedingungen bei der Ausrichtung von Turbinenwellen entwickelt und zeichnen sich durch mehrere Funktionen aus, mit denen eine perfekte Ausrichtung erreicht werden kann.

Aufgrund ihrer Größe lassen sich Turbinen während der Ausrichtung nicht ohne die Hilfe von Kränen, Kettenzügen oder hydraulischen Hebern frei drehen. Funktionen wie der IntelliPoint-Messmodus zeichnen die Ausrichtung an mehreren Haltepunkten auf und beseitigen Fehler, die durch ungleichmäßige Rotation oder beim Absetzen der Welle verursacht werden.

LiveTrend ist eine weitere Funktion von PRÜFTECHNIK, die positionsbedingte Veränderungen durch thermische Ausdehnung während des Betriebs misst und in Echtzeit aufzeichnet, indem Parallel- und Winkelversatz gemessen werden. Die Teams können anhand dieser Informationen die Turbinenwellen bei der Kaltjustierung so ausrichten, dass sie bei Erreichen der vollen Betriebstemperatur korrekt ausgerichtet sind.

Selbst die Ausrichtung komplexer verketteter Maschinen mit mehreren Kupplungen wird durch den Einsatz von Laserwerkzeugen erleichtert. Mit RotAlign Touch lässt sich eine Gesamtheit von Maschinen mit bis zu 14 Einzelmaschinen ausrichten. Im Mehrkupplungsmodus kann eine einzige Wellendrehung Messwerte an allen Kupplungen in der Gesamtheit von Maschinen erfassen, ohne dass die Sensoren von Kupplung zu Kupplung umgesetzt werden müssen. Das System liefert anschließend Ergebnisse, die zeigen, wie stark jede einzelne Maschine in der Gesamtheit von Maschinen bewegt werden muss, um die Ausrichtung zu erreichen, und stellt praxisgerechte Arbeitsabläufe bereit, die selbst komplexe Maschinenausrichtungen vereinfachen.

Alle Laserausrichtungssysteme von PRÜFTECHNIK können digitale Dokumentationen direkt in die Cloud hochladen, um den Zugriff, die Berichterstellung und die langfristige Rückverfolgbarkeit zu erleichtern. So wird sichergestellt, dass jede Ausrichtung aufgezeichnet, überprüft und gespeichert wird, sodass Teams die Konformität nachweisen und die zukünftige Instandhaltung optimieren können.

Laserausrichtungssysteme können die Ausrichtungszeit der Dampfturbine halbieren. Mit den Laser-Ausrichtsystemen von PRÜFTECHNIK wird die Turbinenausrichtung nicht nur umsetzbar, sondern auch effizient, präzise und reproduzierbar.