Getriebe für Pipelineanwendungen. Voith Turbo BHS Getriebe, 06/2012, von Tome Stanic

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1 Getriebe für Pipelineanwendungen Voith Turbo BHS Getriebe, 06/2012, von Tome Stanic

2 Getriebe für Pipelineanwendungen Direkt angetriebene Pipelinekompressoren und -pumpen sind unter bestimmten Bedingungen gut geeignet für zahlreiche Anwendungen ist jedoch immer noch ein Getriebe die erste Wahl. Getriebe sind wesentliche Komponenten, doch wird ihnen nicht immer die Aufmerksamkeit geschenkt, die sie verdienen. Hier erfahren Sie, worauf Sie bei der Auswahl eines zuverlässigen Getriebes für gegebene Anwendungen achten müssen. Pipelinekompressoren und Pumpstationen können auf verschiedene Arten angetrieben werden. Bei der Auswahl eines Kompressors oder einer Pumpe und der zugehörigen Antriebsmaschine muss eine Balance zwischen den Kapitalkosten, der Effizienz über eine große Bandbreite an Betriebsbedingungen, den Wartungskosten und der Zuverlässigkeit erreicht werden. Diese Faktoren wiederum hängen von der transportierten Flüssigkeit, der Größe der Pipeline, dem Standort und dem durchquerten Gelände ab. In weiten Teilen Europas und der USA sind Pump- oder Kompres- sorstationen leicht zugänglich, und die Umgebungstemperaturen sind gemäßigt. In entlegenen Gebieten kann sich jedoch der Zugang für Wartungsarbeiten wesentlich schwieriger gestalten. Temperaturen können Werte von bis zu 60 C in Wüsten oder -45 C in arktischen Regionen erreichen, und in den Tropen stellt die Luftfeuchtigkeit ein Problem dar. Als Antriebsmaschinen stehen Gasturbinen sowie Gas- und Elektromotoren zur Auswahl, jeweils mit hoher oder niedriger Drehzahl. Auf welche Variante die Wahl fällt, hängt außer von der Verfügbarkeit von Kraftstoff bzw. elektrischer Energie auch von den Energiekosten sowie der gewünschten Effizienz und Zuverlässigkeit ab. Die Einschränkungen bei der Wahl von Antriebsmaschine und Kompressor oder Pumpe führen häufig dazu, dass ein direkter Antrieb unmöglich ist und stattdessen ein Getriebe benötigt wird. Das Getriebe ist eine wesentliche Komponente, doch wird ihm nicht immer die Aufmerksamkeit geschenkt, die es verdient. Das Verständnis unterschiedlicher Getriebedesigns und ihrer Feinheiten ist für die Maximierung der Zuverlässigkeit und die Minimierung der Wartungskosten für den gesamten Antriebsstrang von großer Bedeutung. Abbildung 1: Getriebe für Kompressor- und Pumpenantriebe müssen trotz hoher Belastungen bei hohen Drehzahlen äußerst zuverlässig sein, häufig unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Die Auswahl des richtigen Getriebes erfordert ebensoviel Sorgfalt wie die der Antriebsmaschine und des Kompressors bzw. der Pumpe. 2

3 Gaspipelines: Getriebe sind immer noch die erste Wahl Moderne Erdgaspipelines nutzen nahezu ausnahmslos schnelldrehende Radialkompressoren, obwohl auch noch zahlreiche Kolbenkompressoren im Einsatz sind. Unabhängig davon, ob die Antriebsmaschine ein Elektromotor oder eine Gasturbine ist, benötigen Radialkompressoren häufig ein Getriebe. Für elektrische Antriebe besteht der herkömmliche Aufbau aus einem langsamdrehenden Motor und einem Übersetzungsgetriebe. Für Nennleistungen bis 15 MW werden bei den meisten Anwendungen 4-polige Asynchronmotoren verwendet, die mit einer Drehzahl von min -1 (50 Hz) oder min -1 (60 Hz) laufen. Für größere Motoren werden häufig drehzahlveränderliche Antriebe verwendet oder die Asynchron- durch Synchronmotoren ersetzt. Bei sehr hohen Leistungen (ab 60 MW) kommen 2-polige Asynchronmotoren (3.000 bzw min -1 ) zum Einsatz. Seit Kurzem stehen auch direkt angetriebene schnelllaufende Motoren mit Magnetlagern und Frequenzumrichtern (VFDs) zur Verfügung. Die ersten Anlagen, die diese neue Technik nutzen, haben im gemäßigten mitteleuropäischen Klima im Allgemeinen gute Leistungen erbracht, unter rauen Bedingungen war jedoch ihre Zuverlässigkeit nicht immer zufriedenstellend [1]. Voith Turbo BHS hat festgestellt, dass es in der Folge einen Trend zurück zu langsamlaufenden Motoren mit Getrieben gibt. Die Voith-Gruppe fertigt auch drehzahlveränderliche Antriebe, die hydrodynamische Komponenten mit Planetengetrieben kombinieren. Die drehzahlveränderlichen Vorecon-Antriebe sind seit 1995 in mehreren Hundert Anlagen in der Öl- und Gasindustrie eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zu Frequenzumrichtern. Wo keine zuverlässige Versorgung mit elektrischer Energie zur Verfügung steht, sind Gasturbinen die übliche Alternative. Die von Flugzeugtriebwerken abgeleiteten Turbinen treiben Kompressoren und Pumpen direkt an. Industrielle Gasturbinen hingegen bieten ihre größte Effizienz bei niedrigeren Drehzahlen und erfordern daher den Einsatz von Übersetzungsgetrieben. Elektromotoren und Gasturbinen stellen häufig unterschiedliche Anforderungen an ein Getriebe. Kurz übersetzte Getriebe für Gasturbinen sind häufig durch eine hohe Leistungsdichte gekennzeichnet, die zu einer starken Beanspruchung der Zähne der Zahnräder führt. Getriebe für langsamdrehende Motoren weisen große Übersetzungsverhältnisse auf, was die Rotordynamik schwierig machen kann. Im folgenden Abschnitt werden diese verschiedenen Anforderungen im Detail beschrieben. Gasturbinen: hohe Beanspruchung Industrielle Gasturbinen mit Nennleistungen von bis zu 50 MW und Drehzahlen von min -1 benötigen Übersetzungsgetriebe, um die für den Antrieb von Radialkompressoren erforderlichen Drehzahlen von min -1 zu erreichen. Da die Leistung proportional zur Drehzahl ist, erzeugen diese hohen Eingangsdrehzahlen große Leistungsdichten im Getriebe. Die Teilkreisgeschwindigkeit ( pitchline velocity, PLV) kann im normalen Betrieb bis zu 185 m/s betragen, in Fehlerzuständen der Gasturbine sogar noch mehr. Diese hohen PLV-Werte stellen eine hohe Belastung für die Zahnräder des Getriebes und ihre Zähne dar. Für das größere der beiden Zahnräder (das Antriebs- oder Großrad) wird Einsatzhärtung und Schmieden aus einem Stück empfohlen, um Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu erhöhen. In den meisten Stirnradgetrieben ist das kleinere der beiden Zahnräder (das Abtriebsrad oder Ritzel) einsatzgehärtet, das Großrad hingegen nicht. Getriebe, in denen beide Räder gehärtet sind, können höhere Leistungen übertragen oder bei gleicher Leistung kleiner sein und so eine höhere Effizienz und kleinere Ölmengen ermöglichen. Für anspruchsvolle Anwender wie etwa große Ölgesellschaften ist dies der Stand der Technik im Bereich Stirnradgetriebe. Für PLV-Werte über 150 m/s empfiehlt Voith Turbo BHS die Fertigung von Großrad und Welle aus einem Stück. Dadurch lassen sich Spannungen beim Aufschrumpfen des Zahnrads auf die Welle und eine dadurch bedingte Ablösung vermeiden. Hohe Leistungen bedeuten relativ breite Zähne und hohe Quetschkräfte in der Verzahnung. Die resultierenden hohen Temperaturen können zum Verschleiß des Schmiermittels führen und die Gefahr des Fressens erhöhen. Aus Sicherheitsgründen sollte als Schmiermittel ein Mineralöl mit Hochdruckzusätzen (EP) verwendet werden, das für eine Schadenskraftstufe 7 oder mehr gemäß FZG-Standardfresstest ausgelegt ist. Hohe Teilkreisgeschwindigkeiten können zu ungewollten Turbulenzen im Inneren des Getriebegehäuses führen. Dies kann die Schmierölversorgung unterbrechen und die Wahrscheinlichkeit von Ölschaumbildung und Überhitzung erhöhen. Diese Effekte lassen sich durch Wahl eines Schmierölwegs, der mit der Rotationsrichtung des Großrads läuft, sowie durch spezielle Leitbleche lindern. Kleine, durch Biegekräfte und -momente verursachte Verformungen, Zentrifugalkräfte und Wärmeausdehnung können die einwandfreie Verzahnung von Stirnradgetrieben mit geraden Zahnflanken beeinträchtigen. Im Gegensatz zu vielen anderen Abbildung 2: Die fortschrittlichen Flankenprofile der Stirnradgetriebe von BHS gewähr leisten eine gleichförmige Lastverteilung durch Kompensation verschie dener Verformungskräfte. Dies ist besonders wichtig für die hohen Leis tungsdichten in Getrieben für Gasturbinen. 3

4 Herstellern verwendet Voith Turbo BHS ein fortschrittliches Flankenprofil, um eine einwandfreie Verzahnung zu gewährleisten und Belastungsspitzen durch gleichmäßige Verteilung der Last über die gesamte Zahnflanke zu verringern. Nicht nur die Zahnräder, sondern auch die Lager erfordern große Sorgfalt. Die Lager der schnell drehenden Wellen müssen typischerweise die gemäß API 613 zulässigen hohen Teilkreisgeschwindigkeiten ( m/s) und Belastungen von bis zu 3,45 MPa aufnehmen. Dies schränkt die Wahl auf Kippsegmentlager oder Hochleistungs- Festlager mit Offset- oder elliptischem Profil ein. Voith Turbo BHS baut für seine Stirnradgetriebe eigene maßgeschneiderte Festsegmentlager, die für die nötige Stabilität und Rotordämpfung unter den anspruchsvollen Bedingungen in schnelllaufenden Getrieben sorgen. Diese Lager haben auf dem Prüfstand ihre Überlegenheit gegenüber anderen Lagerarten (etwa Kippsegmentlagern) hinsichtlich Temperatur, Ölverbrauch und Effizienz nachgewiesen. Neues Design erweitert die Grenzen um das Doppelte Unter dem Strich begrenzen die Herausforderungen, die mit herkömmlichen Stirnradgetrieben für gasturbinengetriebene Kom- pressoren verbunden sind, die übertragenen Leistungen je nach erforderlicher Drehzahl auf MW. Um diese Beschränkungen zu überwinden, bietet Voith Turbo BHS unter der Bezeichnung Mehrweggetriebe ein alternatives Design an. Dieses verteilt die Leistung, die in Stirnradgetrieben über ein einziges Ritzel übertragen werden muss, auf drei Planetenräder (wie bei in einem Planetengetriebe). Dank dieser Verteilung der Leistung können die einzelnen Räder einen kleineren Durchmesser haben, wodurch die Teilkreisgeschwindigkeiten, Zentrifugalkräfte und Spannungen durchschnittlich um % reduziert werden können. Mehrweggetriebe wurden in den 60er Jahren entwickelt und haben sich hervorragend bewährt. Das Design entspricht den Anforderungen der API 613 hinsichtlich Sicherheit und Zuverlässigkeit. Wird ein Kompressor mit einer Drehzahl von min-1 über ein Mehrweggetriebe von einer Gasturbine mit einer Drehzahl von min-1 angetrieben, so lassen sich Leistungen von bis zu 65 MW übertragen. Bei gleichen Drehzahlen wären mit einem Stirnradgetriebe nur 25 MW möglich. Mehrweggetriebe können allgemein bis zu 170 MW übertragen. Abbildung 3: Durch Verteilung der Leistung auf drei Planetenräder (statt eines einzigen Ritzels) kann das BHS-Mehrweggetriebe mehr als doppelt so viel Leistung übertragen wie ein Stirnradgetriebe. 4

5 Elektromotoren: hohe Übersetzungsverhältnisse Wo zuverlässige Stromquellen zur Verfügung stehen, sind für Leistungen bis 15 MW und darüber Elektromotoren eine attraktive Alternative. Ihre Leistungsdichten kommen dabei denen von Gasturbinen nahe. Getriebe für den Antrieb von Radialkompressoren mit langsamlaufenden Elektromotoren unterliegen hinsichtlich Drehzahlen und Belastungen der Lager ähnlichen Herausforderungen wie Gasturbinengetriebe. In anderen Punkten unterscheiden sie sich jedoch deutlich voneinander. Ein 2-poliger Asynchronmotor läuft mit Drehzahlen von etwa oder min -1 (50 bzw. 60 Hz). Um eine für einen Kompressor typische Drehzahl von min -1 zu erreichen, ist somit ein Übersetzungsverhältnis von 1:5 oder 1:6 erforderlich. Für den Antrieb von Kompressoren mit den verbreiteteren 4-poligen Motoren (1.500 bzw min -1 ) sind einstufige Übersetzungen mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:10 keine Seltenheit. Solche Übersetzungsverhältnisse stellen wegen der hohen Leistungen und Drehzahlen eine große Herausforderung dar. Ein hohes Übersetzungsverhältnis kommt durch einen großen Unterschied der Durchmesser von (langsamdrehendem) Großrad und (schnelldrehendem) Ritzel zustande. Der relativ kleine Durchmesser des Ritzels führt zu großen Biegekräften, und der nutzbare Lagerdurchmesser ist begrenzt. Um akzeptable Rotordynamiken zu erhalten, ist eine sehr leichte Verbindung mit der schnelldrehenden Welle erforderlich. Aufgrund ihrer relativen großen Masse und dem resultierenden Biegemoment sind weder Zahn- noch Lamellenkupplungen dafür geeignet. Voith Turbo BHS verlässt sich daher auf die eigenen TwinTors - Doppelmembrankupplungen, um das Biegemoment klein zu halten. Entwurf und Fertigung von Getriebe und Kupplungen als Gesamtsystem ermöglichen die Optimierung von Rotordynamik und Torsionssteifigkeit. Die TwinTors -Kupplungen sind reibungsfrei und wartungsarm. Auf dem größeren Antriebsrad kann die Leistungsdichte geringer sein als bei Getrieben für Gasturbinen, doch sind die Teilkreisgeschwindigkeiten immer noch groß genug, um eine Fertigung aus einem Stück zu rechtfertigen. Der große Durchmesser des Antriebsrads kann ferner zu übermäßigen Turbulenzen führen, die durch Schmieröl-Leitbleche und andere Gehäusemodifikationen kompensiert werden müssen. Für Übersetzungsverhältnisse über 1:6 bietet Voith Turbo BHS ein alternatives Design an, das eine hohe Effizienz bei geringem Platz- bedarf und ein geringeres Gewicht als herkömmliche Stirnradgetriebe bietet. Dieses fortschrittliche Planetengetriebe basiert auf mehr als 80 Jahren Erfahrungen mit diesem Getriebetyp und mehr als Einheiten im zuverlässigen Einsatz weltweit, unter anderem in motorgetriebenen Kompressoren in deutschen Raffinerien mit jeweils mehr als Betriebsstunden. Dieses kompakte und effiziente Getriebe erfüllt die Vorgaben der API 613 in puncto Sicherheit und Zuverlässigkeit. Flüssigkeitstransport: Temperatur ist entscheidend Pumpen für den Transport von Öl, Wasser und anderen Flüssigkeiten durch Pipelines haben im Vergleich zu Radialkompressoren für den Gastransport niedrigere Drehzahlen typischerweise nicht über min -1 und benötigen so seltener komplexe Getriebe. Antriebsmaschinen für Pumpen können Elektro- oder Dieselmotoren sowie Gasturbinen sein. Bei langen Pipelines werden Gasturbinen und Elektromotoren am häufigsten eingesetzt. Verwendet werden üblicherweise Flüssigkraftstoffe, die Versorgung damit findet unabhängig vom transportierten Medium statt. Pumpengetriebe stellen im Vergleich zu denen für Radialkompressoren weniger hohe Ansprüche hinsichtlich Leistungsdichte und Übersetzungsverhältnis und arbeiten somit seltener in den Grenzbereichen der aktuellen Technik. Durch Einhaltung der Wartungsvorgaben der API 613 kann der Betreiber ausreichend hohe Sicherheitsspielräume einhalten, um einen zuverlässigen Dauerbetrieb zu gewährleisten. Abgesehen von der Getriebeauslegung sind jedoch noch andere Faktoren zu berücksichtigen insbesondere die Umgebungstemperatur. Pipelines im Nahen Osten unterliegen am Tage Temperaturen von bis zu 65 C, während in der Nacht Werte um den Gefrierpunkt herrschen können. Die Schmiereigenschaften des Getriebeöls verschlechtern sich bei Temperaturen ab 60 C, weshalb sich die Gefahr des Fressens der Zähne erhöht. Die UltraCool-Lager von Voith Turbo BHS (Abb. 4) laufen dank spezieller Kühlkanäle im Lagergehäuse mit einer um etwa 10 C niedrigeren Temperatur als herkömmliche Lager. Diese niedrigeren Temperaturen verlängern die Lebensdauer von Lagern und Schmieröl. Die Gefahr des Fressens der Zähne wird durch äußerst glatte Oberflächen gemindert. Diese lassen sich durch hochmoderne Zerspanungs- und Bearbeitungsverfahren sowie optionale Kupfer- oder Silberbeschichtung der Ritzeloberfläche erzielen. Abbildung 4: BHS-UltraCool-Lager, hier für ein doppelschrägverzahntes Zahnrad, bleiben etwa 10 C kühler als herkömmliche Lager. Dies verlängert die Lebens dauer von Lager und Schmiermittel, was besonders bei sehr hohen Umgebungstemperaturen einen großen Vorteil darstellt. 5

6 Beispiel 1 Kampf der Hitze in Algerien mit Speziallagern In der algerischen Wüste helfen die UltraCool- Gleitlager von Voith Turbo BHS seit 2006, die Zuverlässigkeit von Getrieben für den Anlagenbauer GE Nuovo Pignone und den Betreiber Sonatrach zu erhöhen. Eingesetzt wird ein Stirnradgetriebe, das eine Leistung von 32,7 MW von einer mit min -1 laufenden Gasturbine auf einen Restgaskompressor (9.100 min -1 ) überträgt. Die Bemessungstemperatur des Lagers beträgt 90 C bei Volllast, die Öleingangstemperatur beträgt 49,5 C, der Öleingangsdruck 1,7 bar. Das Lager nimmt eine Last von 3,3 MPa auf, die Teilkreisgeschwindigkeit beträgt 90 m/s. Im Betrieb liegt die Lagertemperatur stets unterhalb von 78 C, die Öltemperatur bleibt mit 23 C ebenfalls deutlich unter dem spezifizierten Höchstwert von 35 C. Voith Turbo BHS hat die Eigenschaften der neuen Lager auf dem eigenen Prüfstand in Sonthofen bestätigt. Hier können Lager unter Volllast und unter den vom Kunden vorgegebenen Betriebsbedingungen geprüft werden. UltraCool-Lager wurden seitdem in 20 verschiedenen Projekten in der Öl- und Gasindustrie installiert und haben ihre Leistung wie erwartet unter Beweis gestellt. Am anderen Ende des Thermometers machen arktische Temperaturen von bis zu -45 C Konstruktionsmaterialien sehr spröde. Die für den Bau von Getrieben verwendeten Materialien müssen sehr sorgfältig ausgewählt werden, um Schäden während des Transports und der Installation zu vermeiden. Schmiermittel müssen für diese extrem niedrigen Temperaturen geeignet sind. Für einen sicheren Kaltstart werden Ölvorwärmer benötigt. Beispiel 2 Bittere Kälte in der Wüste Gobi Gehäuse aus Sonderstahl Im Winter können die Temperaturen in der Wüste Gobi und der Mongolei unter -40 C fallen. Bei solchen Temperaturen werden normale Stähle gefährlich spröde. Der Pipelinebetreiber PetroChina hat 2006 einen Wert von -30 C als untere Temperaturgrenze für die Getriebe in fünf Kompressorstationen einer die Wüste Gobi durchquerenden Pipeline vorgegeben. Jedes dieser Getriebe muss eine Leistung von 20 MW von einem mit min -1 laufenden Elektromotor auf einen Radialkompressor mit min -1 übertragen. Der Ausrüster MAN Diesel & Turbo hat Voith Turbo BHS mit der Lieferung von Getrieben mit einem Gehäuse aus speziellem Niedrigtemperaturstahl beauftragt, um das Schadensrisiko zu senken. Abbildung 5: Stirnradgetriebe von Voith Turbo BHS in einer Kompressorstation der PetroChina-Pipeline von Shaanxi nach Peking in YangQu; Leistung: kw, Antrieb: min -1, Abtrieb: min -1. 6

7 Zusammenfassung Tabelle 1 fasst die wesentlichen Merkmale zusammen, die bei der Auswahl eines Getriebes für Pipelineanwendungen zu berücksichtigen sind. Merkmal Vorteil Nutzen Einsatzgehärtete Zähne Geringeres Schadensrisiko durch Zentrifugalkräfte Höhere Zuverlässigkeit Großrad aus einem Stück Kein Ablöserisiko Höhere Zuverlässigkeit FZG-Schadenskraftstufe 7 Geringeres Fressrisiko Höhere Zuverlässigkeit Fortschrittliches Flankenprofil Gleichförmige Belastung der Zähne Höhere Zuverlässigkeit Schmierölweg in Rotationsrichtung Keine Unterbrechung des Schmierölflusses Höhere Zuverlässigkeit Geeignete Lager Bessere Wirtschaftlichkeit Verbesserte Rotordynamik Bessere Anlagenrendite Höhere Zuverlässigkeit Leichte abtriebsseitige Kupplung Verbesserte Rotordynamik Höhere Sicherheit Optionale Alternativen zu Stirnradgetrieben Schritthalten mit der Nachfrage Höhere Sicherheit Tabelle 1: bei der Auswahl eines Getriebes zu berücksichtigende Punkte Zusammenfassung Obwohl heute zahlreiche Antriebsstränge mit einem direkten Antrieb arbeiten, ist in bestimmten Fällen aufgrund von Effizienz- und Leistungsoptimierung spezieller Antriebskomponenten der Einsatz von Übersetzungsgetrieben erforderlich. Wahl und Konfiguration von Antriebsmaschine (Gasturbine oder Elektromotor) und Arbeitsmaschine (Pumpe oder Kompressor) stellen unterschiedliche und anwendungsspezifische Anforderungen an ein Getriebe. Die Berücksichtigung aller für die Getriebeauslegung relevanten Faktoren und sorgfältige Spezifikationen sind für einen zuverlässigen Betrieb unverzichtbar. Neben den anwendungsspezifischen Designfragen müssen Getriebehersteller auch die Umgebungsbedingungen im Auge behalten, besonders wenn Getriebe unter sehr hohen oder niedrigen Temperaturen betrieben werden sollen. Die bedarfsgerechte Auswahl eines Getriebes kommt der Zuverlässigkeit, der Effizienz und den Betriebskosten des gesamten Antriebsstrangs zugute. Referenzen [1] Electric%20Motor%20Guidelined.pdf Gas Electric Partnership Conference, Februar 2012 Kontakt Voith Turbo BHS Getriebe GmbH Tome Stanic Head of Business Development Telefon: Fax: Tome.Stanic@voith.com 7

8 TI de file 1206 aio bax Voith Turbo BHS Getriebe GmbH Hans-Böckler-Str Sonthofen, Deutschland Telefon: Fax info.bhs@voith.com