Einsatz von Drehmoment-Messflanschen in Anlagen zur Energieerzeugung

Der weltweit stetig ansteigende Energiebedarf sowie die gleichzeitig zunehmenden Anforderungen an Anlagen für die Energieerzeugung hinsichtlich des sparsamen Umgangs mit Brennstoffen und des Umweltschutzes erfordern völlig neue Technologien für den Betrieb solcher Systeme.

Leistung und Wirkungsgrad stellen bei Anlagen für die Stromerzeugung das wichtigste Wertepaar dar. Der Wirkungsgrad ist dabei das Verhältnis zwischen der in einem bestimmten Zeitintervall erzeugten Nutzleistung des Generators und der hierfür dem Antrieb in Form von Brennstoff zugeführten Antriebsleistung.

Bestimmung des Massenstroms

Die Nutzleistung lässt sich sehr einfach am Ausgang des Generators messen. Die zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Anlage notwendige Messung der Antriebsleistung ist jedoch deutlich schwieriger. Ein verbreitetes Verfahren hierzu ist die Bestimmung des Massenstroms des Brennstoffs. Die direkte Messung des Massenstroms ist recht ungenau, da eine Reihe von schwer zu beeinflussenden Parametern sowie die Art des Brennstoffs die Messunsicherheit stark beeinflussen. In der Praxis wird daher der Massenstrom des Brennstoffs mit Hilfe von vorab bestimmten Eichwerten und Simulationsprogrammen indirekt ermittelt.

Messung der Torsion der Antriebswelle

Ein weiteres Verfahren für die Bestimmung der Antriebsleistung ist die Ermittlung des Drehmoments im Wellenstrang zwischen Antrieb und Generator, aus welchem sich zusammen mit der Drehzahl die Antriebsleistung errechnen lässt. Eine Methode hierfür ist die Messung der Torsion der Antriebswelle, die durch das Drehmoment des Antriebs erzeugt wird. Hierfür gibt es eine Reihe von Verfahren, denen jedoch gemeinsam ist, dass sie das Drehmoment nicht direkt bestimmen, sondern indirekt über eine mit dem Drehmoment zusammenhängende Größe und eine nachfolgende Rechnung. Die bei dieser Rechnung zu berücksichtigenden Parameter (z. B. Material, Wellengeometrie) sind mit Toleranzen behaftet, die letztendlich zu einer relativ großen Messunsicherheit der Messgröße Drehmoment führen.

Messung der Torsion der Antriebswelle über die Dehnung

Ein recht guter Kompromiss ist die Messung der Torsion der Antriebswelle über die Dehnung auf der Oberfläche. Hierzu werden Dehnungsmessstreifen auf die Welle geklebt und als Messbrücke verschaltet. Die Speisung der Messbrücke sowie das Messsignal werden berührungslos mit Hilfe eines Telemetriesystems von einem Stator auf die rotierende Welle bzw. umgekehrt übertragen. Das Verfahren liefert je nach Qualität der Installation sowie der verwendeten Komponenten sehr präzise Messwerte für die Dehnung. Der anschließend zu berechnende Wert des Drehmoments ist jedoch aufgrund der oben genannten Toleranzen der hierbei zu berücksichtigenden Parameter mit einer Messunsicherheit von etwa 3…5 % behaftet. Das Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen, unter anderem den, dass bereits existierende Anlagen jederzeit damit nachgerüstet werden können. Die damit zu erreichende Messunsicherheit für die Messgröße Drehmoment genügt jedoch den heutigen Anforderungen an neue Anlagen nicht mehr.

Kalibrierung des Wellenstrangs auf die Messgröße Drehmoment

Die Messunsicherheit der oben genannten Verfahren lässt sich entscheidend verbessern, indem man den Wellenstrang bzw. Teile davon direkt auf die Messgröße Drehmoment kalibriert. Hierzu wird das zu kalibrierende Teil in einer Kalibriermaschine mit definierten Drehmomenten schrittweise belastet und das dazugehörige Ausgangssignal gemessen und dokumentiert. Die Kalibrierung kann vor Ort vorgenommen werden, ist dann jedoch mit den Schwierigkeiten der komplizierten und aufwendigen Lasteinleitung sowie den Umständen der örtlichen Bedingungen behaftet. Die Kalibrierung in einem Kalibrierlabor gewährleistet optimale Bedingungen und hohe Genauigkeiten, erfordert jedoch aufwendige und unter Umständen wechselnde Einbauteile für die Montage des zu kalibrierenden Teils in die Kalibriermaschine. Darüber hinaus steht aufgrund der Abmessungen der zu kalibrierenden Komponente bzw. dem maximalem Drehmoment unter Umständen keine passende Kalibriermaschine zur Verfügung.

Integrierte Messtechnik im Antriebsstrang

Die beschriebenen Schwierigkeiten lassen sich auf relativ einfache Weise umgehen, indem man bereits beim Design der Anlage die Drehmomentmessung im Antriebsstrang berücksichtigt. Hierzu wird ein Bauteil benötigt, welches direkt in den Antriebsstrang montiert werden kann und mit diesem rotiert bzw. selbst die Funktion des Antriebsstrangs übernimmt. Dieses Bauteil ist bereits auf das erforderliche Drehmoment kalibriert und entsprechend zertifiziert. Es kann auf einfache Art und Weise ein- und ausgebaut, ausgetauscht sowie rekalibriert werden.

Bild 1 zeigt einen Drehmomentmessflansch, der bereits in der Standardversion bis zu 300 kNm zur Verfügung steht, darüber hinaus jedoch bis zu einem Nennmessbereich von mehreren MNm geliefert werden kann. Den Messflansch gibt es in einer nichtdrehenden Version für die Messung von Reaktionsmomenten bzw. als Referenzaufnehmer sowie in einer drehenden Version mit Telemetriesystem.



Bild 1: Charakteristische Merkmale eines Drehmoment-Messflansches

Bild 2: Messkörper eines 2 MNm Messflansches Bild 3: Einbau eines Drehmoment-Messflansches in ein Generatoren-Set

Je nach Typ des Telemetriesystems stellt der Messflansch das dynamische Drehmomentsignal bis zu einer Bandbreite von 6 kHz in hoher Qualität zur Verfügung. Für den Betrieb von Anlagen für die Stromerzeugung ergeben sich daraus folgende Vorteile:

  • Ständige genaue Effizienzmessung (Monitoring)
  • Brennstoffverbrauchsanalyse und -optimierung
  • Torsionsschwingungsanalyse ohne zusätzliche Sensorik möglich
  • Erkennung von Veränderungen im charakteristischen Drehmomentverlauf
    > Schlussfolgerungen für Reparaturen oder Anpassung von Serviceintervallen
  • Kurze Signallaufzeit > schnelle Regelung und Begrenzung bei Überlast
  • Einfache Montage
  • Einfache Rekalibrierung inkl. Kalibrierzertifikat
  • ATEX-Zertifikat bei Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen
  • ABS oder äquivalente Zertifikate bei Einsatz auf Schiffen
  • Verschleiß- und wartungsfrei

Als weltweit größter Hersteller von Messflanschen für Drehmomentmessungen verfügt HBM über eine jahrzehntelange Erfahrung auf diesem Gebiet. Die hohe Qualität der Produkte gewährleistet selbst bei Dauereinsatz hochgenaue Drehmomentmessungen über viele Jahre hinweg. Die weltweite Präsenz von HBM sichert darüber hinaus kurze Reaktionszeiten bei der Klärung technischer oder kommerzieller Fragen.

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