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1 Einfach genial genial einfach Selbstschaltende hydrodynamische Anlaufkupplung Dipl.-Ing. Harald Hoffeld Voith Turbo GmbH & Co. KG, Crailsheim Während beim Anlauf- oder Abbremsvorgang von Antrieben häufig eine sanfte und damit schlupfbehaftete Kopplung zwischen Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine gefordert ist, wäre im Nennbetrieb eine synchrone Kopplung vorteilhafter. Beide Bedingungen also der Sanftanlauf und die synchrone Kopplung im Nennbetrieb konnten hydrodynamische Kupplungen bislang nicht in sich vereinen. Seit genau 100 Jahren ist das so genannte Föttinger-Prinzip, auf dem bis heute hydrodynamische Kupplungen basieren, bekannt. Nach seiner Erfindung 1905 durch Dr. Hermann Föttinger dauerte es noch einmal 25 Jahre bis im Pumpspeicherkraftwerk Herdecke eine hydrodynamische Kupplung unter dem Namen Voith Turbokupplung erstmals zum Einsatz kam. Zum Doppeljubiläum100 Jahre Föttinger-Prinzip und 75 Jahre Voith-Antriebstechnik präsentiert Voith eine neue hydrodynamische Kupplung, die die Verluste und den Schlupf im Nennbetrieb auf besonders intelligente Weise eliminiert (Bild 1). Bild 1: Weiterentwicklung einer 75 Jahre bewährten Erfindung: Voith Turbokupplung mit integrierter Synchronkupplung Grundsätzliche Anforderungen an die Turbokupplungen In einem Antriebsstrang wird die Turbokupplung zur Leistungsübertragung zwischen Antriebs- und Arbeitsmaschine mit der Möglichkeit einer Kennlinienanpassung verwendet. Dadurch steht eine bewährte, einfach zu handhabende und zuverlässige Möglichkeit der Antriebsstrangoptimierung zur Verfügung. Die bevorzugt verwendeten direkt geschalteten Asynchronmotoren können aufgrund ihrer drehzahlabhängigen Stromaufnahme nur für eine relativ kurze Anlaufzeit eingesetzt werden. Dies ist nur mit relativ kleinen Massen möglich und führt immer zur Belastung des Antriebsstranges entsprechend der 1

2 Kennlinie des Motors. Um diese Beschränkungen durch den Asynchronmotor aufzuheben, ergeben sich zwei wesentliche Anwendungen für den Einsatz einer Turbokupplung: Der Schweranlauf: Entlasteter Anlauf des Motors und anschließende Belastung der Arbeitsmaschine mit einem Drehmoment das etwas unterhalb des Kippmomentes des Motors liegt. Dadurch kann die maximal mögliche Beschleunigungsleistung des Motors während der gesamten Anlaufzeit genutzt werden. Der Sanftanlauf: Entlasteter Anlauf des Motors und anschließende Beschleunigung der Arbeitsmaschine mit minimalem Beschleunigungsmoment, welches während der gesamten Anlaufzeit für die Arbeitsmaschine deutlich unterhalb des Motormomentes liegt. Bei beiden Einsätzen wird der Motor während der Eigenbeschleunigung gering belastet. Erst nachdem er seine Nenndrehzahl erreicht hat, wird die Arbeitsmaschine bis zur Nenndrehzahl beschleunigt, wobei der Motor immer oberhalb der Kippdrehzahl im stabilen Nennstrombereich betrieben wird. Möglichkeiten mit herkömmlichen Turbokupplungen Es stehen mehrere Parameter zur Verfügung, die Kupplungsfunktion bzw. -kennlinie an den Antriebsstrang anzupassen: die Kupplungsgröße, der Kupplungstyp und der Füllgrad FG. In Bild 2 ist die Belastung eines Elektromotors durch unterschiedliche Bauarten der Turbokupplung bei gleichem Füllgrad dargestellt. Die unterschiedlichen Primärkennlinien der Turbokupplung ergeben sich durch die unterschiedlichen Aufnehmerräume (Bild 2 und 3: Verzögerungskammer 2, Ringkammerschale 3). Bild 2: Elektromotor-Belastung durch unterschiedliche Kupplungstypen bei gleicher Größe. Die Kennlinie 2a entsteht durch eine zusätzliche dynamische Entleerung des Arbeitsraumes in die Verzögerungskammer Die Übertragungsfähigkeit einer Turbokupplung wird durch die Beziehung für das Drehmoment: beschrieben, wobei für die Leistungszahl gilt: 2

3 Damit kann durch Veränderung des Füllgrades FG das übertragene Drehmoment und der Schlupf beeinflusst werden. Bei Turbokupplungen mit Verzögerungskammern kann darüber hinaus der Drehmomentaufbau über der Zeit durch Veränderung der Düsenquerschnitte mittels wechselbarer Düsenschrauben beeinflusst werden (Bild 3). Bild 3: Hydrodynamische Kupplung mit Verzögerungskammer und Düsenschrauben Im Nennbetrieb ist zur Übertragung des Drehmomentes, bedingt durch die Funktionsweise der Turbokupplung, ein Nennschlupf zwischen Pumpen- und Turbinenrad vorhanden, wobei der üblich ausgeführte Schlupf bei etwa 3 % liegt. Anforderungen an die TurboSyn Im Folgenden wird eine in der Voith-Turbo-Kupplung integrierte Synchronisation vorgestellt, die die wesentlichen Eigenschaften der Turbokupplung nur gering beeinflusst. Die Entwicklungsziele dieser Synchronkupplung wurden im Verbindung mit den Eigenschaften der hydrodynamischen Voith- Kupplung wie folgt festgelegt: Sowohl für den Schweranlauf, als auch für den Sanftanlauf sollen die angeschlossenen Maschinen maximal geschont werden. Keine Einschränkung der zu beschleunigenden Massen durch die Synchronisation. Keine Einschränkung bezüglich der Drehmomentübertragung. Ein Blockieren der Arbeitsmaschine soll zur Lastbegrenzung durch Öffnen der Synchronisierung und damit zu einer reinen hydrodynamischen Drehmomentübertragung führen. Die Schaltfunktionen Schließen und Öffnen der Synchronisierung sollen selbst-steuernd sein. Die selbststeuernde Schaltung erfolgt ohne zusätzliche Hilfsenergiequelle. 3

4 Die Kennlinie ist Antriebsdrehzahl unabhängig auszuführen, um den Engineeringaufwand gering zu halten. Die Einbauabmessungen der vorhandenen Turbokupplungen sind einzuhalten, um weiterhin kompakte Antriebslösungen auszuführen und um einfache Austauschmöglichkeiten zu schaffen. Die Schnittstellen zu den angeschlossenen Maschinen sollen identisch sein, so dass die vorhandene Anschlusstechnik (Verbindungskupplung, Flansche) genutzt werden kann. Funktionsprinzip Die Anforderungen an die selbstschaltende Anlauf- und Synchronkupplung TurboSyn führten zu einer Fliehkraft gesteuerten Reibkupplung, deren Fliehkraftkörper sich mit der Abriebsdrehzahl drehen. Um die Forderungen an die Kompaktheit zu erfüllen, wurde nicht etwa eine zweite Kupplung als Fliehkraftkupplung an die Turbokupplung gekoppelt, sondern in diese vollständig integriert: Die ohnehin vorhandene Masse des Turbinenrades wird als Fliehkraftkörper genutzt (Bild 1, rote und blaue Segmente). Dazu ist das Turbinenrad nun mehrteilig in Segmenten ausgebildet. Alle Segmente erhalten am Innendurchmesser eine Bolzenlagerung in der Kupplungsnabe. Die Segmente sind mit der Nabe so verbunden, dass nur eine Winkelbewegung möglich ist. Diese ist minimal und beträgt zwischen geöffneter und geschlossener TurboSyn im Reibkraftangriffspunkt zirka 1 mm. Die Krafteinleitung in die Turbinenradsegmente erfolgt reibschlüssig über die Schale der Turbokupplung. Die Kraftausleitung in die Nabe erfolgt über die winkelbeweglichen Bolzenverbindungen (Bild 4). Durch die Ausbildung des Turbinenrades als mehrteiliger Fliehkraftkörper besteht nun die Möglichkeit, die hydrodynamische Umfangskraft direkt zur Steuerung der Schaltung zu nutzen. Bild 4: Geometrie und Kraftangriffe am Turbinenradsegment Die Drehmomentübertragung wurde so gewählt, dass die Fliehkraftkörper während des motorischen Betriebs ablaufend durch die Reibkraft beaufschlagt werden. Das heißt, die Reibkraft unterstützt das 4

5 Öffnen der Kupplung. Dadurch ist es möglich, die hydrodynamische Umfangskraft ebenfalls zum Öffnen der Kupplung zu nutzen. Die hydrodynamische Kraft wirkt wie eine entlastende Feder einer herkömmlichen Fliehkraftkupplung, jedoch mit dem Vorteil, dass die Kraft mit abnehmendem Schlupf geringer wird und im durchgeschalteten Zustand nicht mehr wirkt. Damit ist es möglich, den Schaltbeginn zu größeren Abtriebsdrehzahlen zu verlegen, ohne die Fliehkörpermasse zu vergrößern, wie dies bei einer dauernd wirkenden Federentlastung erforderlich wäre. Der Einfluss einer dauernd wirkenden Feder zur Verschiebung des Schaltpunktes einer rotierenden Masse ist in Bild 5 dargestellt. Die der Fliehkraft entgegenwirkende Feder reduziert die wirksame Schaltkraft. Um diesen Schaltkraftverlust auszugleichen, ist eine Zusatzmasse m erforderlich. Die Abhängigkeit des Schaltbeginns von den Massenverhältnissen ist in Bild 6 dargestellt. Bild 5: Einfluss einer Federentlastung auf einen Fliehkraftkörper Bild 6: Abhängigkeit des Schaltbeginns von den Massenverhältnissen einer federentlasteten Schaltkupplung 5

6 Geometrie und Massen der Turbinenradsegmente wurden so mit der hydrodynamischen Umfangskraft abgestimmt, dass die Entlastung durch die hydrodynamische Feder zu einer deutlichen Verschiebung des Schaltpunktes führt. Mit dieser hydrodynamischen Entlastung sowie der Beaufschlagung der Fliehkraftkörper mit der Abtriebsdrehzahl und nicht mit der Antriebsdrehzahl wird erreicht, dass die Beschleunigungsenergie überwiegend hydrodynamisch aufgebracht wird, so dass die Belastung der Reibpaarung sehr gering ist. Die in Bild 4 dargestellten Kräfte entsprechen den maximal auftretenden Kräften. Die resultierende Hydraulikkraft ergibt sich aus der Addition der Einzelkräfte der Strömung, die an den einzelnen Schaufeln angreifen. In Bild 7 sind die drehzahlabhängigen Kraftverhältnisse dargestellt. Aus diesen Kraftverläufen und den geometrischen Zusammenhängen lässt sich mit Kenntnis des Reibwertes das übertragbare Drehmoment der Kupplung berechnen. Bild 8 zeigt neben den Drehmomenten der TurboSyn auch den Anteil der reibschlüssigen Drehmomentübertragung. Der dieser Berechnung zugrunde liegende relative Reibwert ist ebenfalls angegeben. Bild 7: Drehzahlabhängige Kraftverhältnisse am Turbinenradsegment Drei Turbinenradvarianten Um die Kupplungskennlinie für unter-schiedliche Belastungen optimal auszuführen, sind drei unterschiedliche Turbinenradvarianten verfügbar: Variante A: Für die untere Belastung wird eine Ausführung gemäß Bild 4 gewählt. Die Reibbeläge befinden sich auf den Seiten der Turbinenradsegmente, die von den Anlenkungen an der Nabe abgewandt sind. 6

7 Variante B: Für die mittlere Belastung werden die Reibbeläge mittig auf den Segmenten angebracht. Variante C: Für die hohe Belastung werden die Reibbeläge ebenfalls mittig auf den Segmenten aufgebracht, jedoch werden schwerere Turbinenradsegmente verwendet. Bild 8: Drehmomentübertragung der TurboSyn Die Belastungsverhältnisse der Reibbeläge sind für alle Turbinenradvarianten ähnlich, da sich nicht nur das Synchronmoment verändert, sondern auch das hydrodynamische Drehmoment. Die Kupplungsschale ohne Ringkammer ist mit dem Pumpenrad verbunden und umschließt das Turbinenrad so, dass das Betriebsmedium innerhalb des Arbeitsraumes bleibt. Zusätzlich zur Ölraumbegrenzung muss die Schale die Fliehkräfte der Turbinenradsegmente aufnehmen und gleichzeitig als Gegenlauffläche für die Reibbeläge dienen. Dies erfordert den Einsatz eines Eisenwerkstoffes mit ausreichender Oberflächenhärte für den Reibkontakt. Kennlinien Die geometrischen Verhältnisse der Synchronkupplung führen zur gleichen Abhängigkeit des Drehmomentes vom Profildurchmesser D P und von der Winkelgeschwindigkeit des Abtriebes wie bei einer reinen hydrodynamischen Kupplung. Da die Baureihe geometrisch und hydraulisch ähnlich ausgeführt wurde, kann die Belastung der TurboSyn auch durch die Leistungszahl als spezifische Kenngröße dargestellt werden. Aus Gleichung 1 und 2 ergibt sich folgende Beziehung: 7

8 Bild 9 zeigt die berechnete Kennlinie für die Turbinenradvariante C. Die Belastung des Reibbelages wird durch die Flächenpressung und die spezifische Reibleistung charakterisiert. Bild 9: Berechnete Kennlinie der TurboSyn-Kupplung für hohe Belastung, sowie für die Reibkontaktbelastung Für einen ausgeführten Anlauf einer Kohlemühle sind die Leistungsanteile, die hydrodynamisch und mittels Reibkontakt gewandelt werden, in Bild 10 dargestellt. Während des Anlaufs wird ein Teil der Antriebsenergie in Wärme umgewandelt und in der Masse der TurboSyn aufgenommen. Diese Wärmemenge wird zu mehr als 95% hydrodynamisch gewandelt. Bild 10: Anteile der hydrodynamischen Antriebsleistung und Fliehkraftkupplungsreibleistung in Abhängigkeit vom Drehzahlverhältnis zwischen An- 8

9 und Abtrieb. Ab einem Drehzahlverhältnis von etwa 0,55 setzt die Wirkung der Synchronkupplung ein. Da nach erfolgtem Anlauf keine weiteren Verluste entstehen, wird die Kupplung im Betrieb bis auf die Umgebungstemperatur gekühlt. Somit steht nach dem Stillsetzen der Anlage für einen direkten Neustart eine deutlich höhere Wärmekapazität zur Verfügung als bei einer herkömmlichen schlupfbehafteten hydrodynamischen Kupplung. Einsatzbeispiel Der Einsatz dieses Kupplungstyps ist vorteilhaft an Einzelantrieben, die eine Anfahrhilfe benötigen, aber im Nennbetrieb auf Eigenschaften der Turbokupplung verzichten können. Seit 1,5 Jahren ist im Kraftwerk Frimmersdorf der Antrieb einer Kohlemühle mit einer Antriebsleistung von 450 kw bei einer Drehzahl von 1480 min -1 mit einer TurboSyn 750 TV-X erfolgreich ausgerüstet. Zur Zeit erfolgt auch noch die Inbetriebnahme einer TurboSyn 562TV an Kohlebeschickungsband mit einer Antriebsleistung von 108 kw bei einer Drehzahl von 1480 min -1 Zusammenfassung Durch die Nutzung vorhandener Funktionselemente der Turbokupplung konnte Synchronisation in die Turbokupplung integriert werden ohne weitere Funktionsteile hinzuzufügen. Dabei wurden die beiden vorhandenen Funktionsteile Innenläufer und Schale so modifiziert, dass die Funktion einer selbststeuernden Fliehkraftkupplung mit erfüllt wird. Das Turbinenrad wurde segmentiert und so angelenkt, dass es die Funktion von zusätzlichen Fliehkraftkörpern erfüllt. Die Krafteinleitung aus den Turbinenradsegmenten in die Nabe erfolgt über winkelbeweglich gelagerte Bolzen, die die bisherige Verschraubung bzw. Vernietung mit dem Nabenteil ersetzt. Die Kupplungsschale wird als Reibtrommel ausgebildet. Die hydrodynamische Kraft wird so ein-geleitet, dass die Funktion einer Rückstellfeder zur Entlastung des Reibkontaktes erfüllt wird. Alle anderen Teile der Turbokupplung können unverändert übernommen werden. 9

10 Tafel: verwendete Formelzeichen Quellen Bilder: Voith Turbo GmbH & Co. KG Autor Dipl.-Ing. Harald Hoffeld Leiter Technik im Bereich Anfahrkomponenten Voith Turbo GmbH & Co. KG Voithstr. 1 D Crailsheim Tel.: +49 (0) 7951/ Fax: +49 (0) 7951/ Internet: 10