Kupplungen in Prüfständen

Optimierte Prüfstände sorgen für Planungssicherheit und reduzieren Kosten
 
Prüfstände simulieren bereits in der Projekt- und Entwicklungsphase technischer Anlagen und Komponenten optimale sowie extreme Betriebsbedingungen. Mit ihrer Hilfe können Funktions- und Betriebssicherheit sicher getestet werden. Kupplungs- und Gelenkwellensysteme von R+W unterstützen dabei und bieten gleichzeitig wertvolle Vorteile hinsichtlich Kosteneffizienz und Sicherheit.
 
Bei komplexen industriellen Großprojekten, wie etwa dem Bau eines Wasserkraftwerks, ist es von enormer Wichtigkeit, schon bei der Projektierung präzise zu planen. Bereits in der Entwicklungsphase müssen Kosten und Betriebssicherheit gründlich eruiert werden. Um eine größtmögliche Planungssicherheit zu erreichen, führen Betreiber im Vorfeld möglichst präzise Versuche durch und berechnen beispielsweise die potenzielle Abgabeleistung einer Kraftwerksturbine anhand eines maßstabsgetreuen Modellprüfstands.
 
Je nach Projekt und Test kommen innerhalb eines solchen Modellprüfstands unterschiedlich große und leistungsfähige Turbinenlaufräder zum Einsatz. Der Wellenabstand sowie das zu übertragende Drehmoment, das zwischen Strömungsmaschine/Turbine und Generator überbrückt bzw. übertragen werden muss, können dabei, je nach verbautem Turbinenlaufrad und Prüfparameter, variieren – so auch in einem konkreten Anwendungsfall, bei dem der Klingenberger Kupplungsspezialist R+W Antriebselemente GmbH den Antriebsstrang eines Turbinenprüfstands optimieren sollte.
 
Der Auftrag kam von einem Unternehmen, das sich mit der Stromversorgung aus regenerativen Energien beschäftigt. In einer montierten Modellanlage, in der unter anderem ein Turbinenlaufrad im Maßstab 10:1 der Realität nachempfunden und getestet werden musste, wurde das Drehmoment zwischen Laufrad und angekoppeltem Generator bislang durch eine Reihe von starr verschraubten Zwischenrohren übertragen. Diese dienten darüber hinaus zur Überbrückung der unterschiedlichen Wellenabstände. Aufgrund ihrer Unhandlichkeit und ihres schweren Gewichts waren sie jedoch nur mit einem enormen Zeitaufwand und mithilfe von Kränen montier- und ausrichtbar. Für Anpassungen oder Umbauten des Versuchsaufbaus wurden jedes Mal zwei Mitarbeiter benötigt, die mindestens zwei Tage damit beschäftigt waren.

R+W-Lösung bietet zahlreiche Vorteile Für eine signifikante Arbeitserleichterung und Kostenersparnis sorgte an dieser Stelle der Einsatz einer variablen und stufenlos längenverstellbaren Gelenkwelle aus dem Hause R+W. Die auf der Basis der Modellreihe EZV

entwickelte Sonderanfertigung verfügt über zwei speziell angepasste und ineinander geschobene Präzisionsrohre, die mithilfe einer Rohrklemmnabe variabel verschiebbar sind. Die vertikal eingebaute Elastomergelenkwelle kann mittels zentrierter Flanschanbindung an das untenliegende Turbinenlaufrad angeflanscht werden. Die Verbindung an den oben verbauten Generator erfolgt mithilfe eines Zapfens sowie einer weiteren bereits vorhandenen R+W-Kupplung. Aufgrund eines schwingungsdämpfenden Elastomerelements in Shorehärte 98 Sh A, welches sich zwischen Flanschnabe und variablem Zwischenrohr befindet, können mögliche anfallende Stöße gedämpft sowie axiale, angulare und radiale Wellenversätze ausgeglichen werden. Auf diese Weise wurde der gesamte Antriebsstrang drehschwingungsmäßig optimiert und es konnten bessere und genauere Messergebnisse erzielt werden.
 
Durch Lösen der Rohrklemmnabe ist die Gelenkwelle vom Typ „EZV“ in einem festgelegten Bereich stufenlos verstellbar, was im Betrieb große Vorteile mit sich bringt. Hierdurch können die für die unterschiedlichen Versuchsaufbauten notwendigen, verschiedenen Wellenabstände zwischen Turbine und Generator der Modellanlage einfach und unkompliziert realisiert werden. Dies hat für den Betreiber eine wesentliche Zeitersparnis zur Folge, da er für Anpassungs- und Umbauarbeiten nur noch einen Mitarbeiter für einen halben Tag abstellen muss.
Durch die Verwendung der Präzisionszwischenrohre verbesserte sich des Weiteren die Rundlaufgenauigkeit des Antriebstrangs erheblich. Diese ist unabdingbar notwendig, um etwa die Axialkräfte der Laufradlagerungen möglichst präzise bestimmen zu können.
Die in dieser Anlage verbaute Sondergelenkwelle ist in ihrer Länge zwischen 1200 und 1700 Millimeter flexibel einstellbar und kann mit einer maximalen Drehzahl von bis zu 1000 Umdrehungen pro Minute sowie bis 5000 Newtonmeter betrieben werden.
 
Positiver Folgeeffekt: Die im Gegensatz zum ursprünglichen Versuchsaufbau deutlich beschleunigte und vereinfachte Handhabung des Prüfstands lässt eine signifikante Kapazitätssteigerung desselben zu. Durch die Reduzierung der Rüstzeiten konnten deutlich mehr Tests durchgeführt werden, sodass ein Prüfstand ausreichend war und auf einen weiteren verzichtet werden konnte. Das bedeutete eine Kostenersparnis in Millionenhöhe. Doch wie wirkt sich dies auf die Realität aus? Die besseren Messergebnisse sorgten für eine deutliche Effizienzsteigerung. Durch die präzisen Ergebnisse des Modellversuchs konnte das reale Turbinenlaufrad mit einem Durchmesser von elf Meter dahingehend optimiert werden, dass für eine Nennleistung der Turbinenanlage von insgesamt einem Gigawatt „nur“ noch 740 Kubikmeter Wasser pro Sekunde Volumenstrom benötigt werden. Außerdem konnte die Masse des Laufrads auf 22 Tonnen reduziert werden. Mit diesen Ergebnissen hat sich die Gelenkwelle gleich mehrfach amortisiert.


Zwei Prüfverfahren, eine Kupplung
 
Ein weiteres Beispiel für optimierte Prüfbedingungen ist ein mechanischer Überlastschutz in einem Lastprüfstand zwischen Motor und Drehmomentmessflansch. Auch hier konnten die Kosten gesenkt werden, während sich die Prozessstabilität und die Flexibilität erhöhten. Dem Auftraggeber aus der Automotiv-Welt war es besonders wichtig, zwei unterschiedliche Prüfverfahren auf einem Getriebeprüfstand durchführen zu können. Dabei sollte eine Sicherheitskupplung zum Einsatz kommen, um die sehr hochwertigen und damit kostspieligen Drehmomentmessflansche zuverlässig vor Überlast zu schützen. Sie sollte kurz und kompakt konzipiert sein und auf ihrer Abtriebsseite eine adapterfreie Anbindung für zwei unterschiedliche Messflansche aufweisen. Zudem galt es, bei beiden geforderten Prüfverfahren einen hohen Drehmoment- und Drehzahlbereich abzudecken. Bei unterschiedlichen Ausrückmomenten sollten die An- und Abtriebseite bei Überlast im Millisekundenbereich mechanisch getrennt werden. Dazu musste die Kupplung einstellbar sein.  
In Zahlen: Prüfverfahren Eins erfordert ein Nenndrehmoment von 1000 Newtonmeter bei 10.000 Umdrehungen pro Minute (Ausrückmoment bei 1500 Newtonmeter), Prüfverfahren Zwei ein Nenndrehmoment von 3500 Newtonmeter bei 4000 Umdrehungen pro Minute (Ausrückmoment bei 5000 Newtonmeter als Überlastschutz).  Da die geforderte Sicherheitskupplung aus Platzgründen nicht länger als 190 Millimeter sein durfte, muss sie enormen Kraftverhältnissen standhalten.

Die Lösung: Doppelflansch
 
Auf der Basis der Industrie-Sicherheitskupplung vom Modell ST1 Serie 5 entwickelten die Spezialisten von R+W eine extrem kompakte und leistungsfähige Doppelflanschlösung. Serienmäßig wird diese Kupplung mit einer Kupplungsnabe mit Passfederverbindung oder optional mit einem Vielkeilprofil auf der einen Seite geliefert sowie einem Anbauflansch mit Gewinde auf der anderen Seite. Die Sonderlösung kann antriebsseitig ohne Zwischenadapter direkt angebunden werden und verfügt auf der Abtriebseite über eine clevere Flanschanbindung mit zwei unterschiedlichen Lochkreisdurchmessern sowie, aufgrund eines zusätzlichen Zentrierringes, über zwei unterschiedlichen Zentrierpassungen (70h6 und 90h6), an denen die Drehmomentmessflansche montiert werden können. Weitere Vorteile der Doppelflanschkupplung liegen in der deutlichen Verringerung der Rüstzeit des Prüfstands und der damit verbundenen Kostenersparnis.
Wie alle Sicherheitskupplungen von R+W arbeiten die Modelle der ST-Baureihe als federbelastete Formschlusskupplungen. Die Anzahl und der Lochkreisdurchmesser der Schaltsegmente bestimmen maßgeblich das jeweils übertragbare Drehmoment. Innerhalb der vorgespannten Schaltsegmente bewegen sich Kugeln im Falle einer Überlast axial aus den Kalotten und bewirken so innerhalb von Millisekunden eine dauernde Lasttrennung der An- und Abtriebsseite. Durch axialen Druck auf die Schaltstößel rastet die Kupplung einfach wieder ein. Das voreingestellte Ausrückmoment kann bei Bedarf mit wenigen Handgriffen angepasst werden.
 
Prüfstände helfen dem Unternehmen, Applikationen zu optimieren und im Vorfeld (auch unter extremen Umständen) zu testen. Kupplungen wiederum helfen dabei, Prüfstände optimal einsetzen zu können: fehlerfrei, flexibel und mit möglichst geringem Zeit- und Kostenaufwand. R+W verfügt über das nötige Wissen und die Erfahrung, Prüfstände jeder Art durch Verwendung der idealen Kupplung oder Gelenkwelle zu optimieren: So können Unternehmen sicher planen und gleichzeitig Kosten reduzieren.
 
Autor: Dirk Hasenstab

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