Optimierung von Schiffsmotoren mit dem präzisen Drehmomentsensor T40MAR

Die Leistungsoptimierung von Schiffsmotoren auf der Grundlage des hoch genauen und zuverlässigen T40MAR Drehmomentsensors von HBM ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen und steht zudem im Einklang mit den ständig steigenden Anforderungen internationaler Vorschriften.

Die internationale „MARPOL Convention“ zur schrittweisen Senkung der Schadstoffemissionen fordert die Schiffsmotoren-Industrie auf, neue Motoren zu entwickeln, die verschiedene Treibstoffsorten verbrennen können, wie z. B. klassische Marine-Treibstoffe und zusätzlich Liquefied Natural Gas (LNG). Denn mit diesem zusätzlichen Treibstoff erreichen so genannte Dual-Fuel-Motoren die geforderten reduzierten Abgaswerte problemlos. Diese Motoren, die verschiedene Treibstoffsorten verbrennen können, müssen schnell von einem Treibstoff auf einen anderen umschalten können und dies möglichst ohne Leistungsverlust. Zudem müssen bei Betrieb des Motors im LNG-Modus zusätzlich kritische Betriebszustände (des Zylinderdrucks), wie z.B. Klopfen, Zündaussetzer oder Überlast (s. Abb. 1), zuverlässig verhindert werden.

Als Regelgröße dafür dient eine präzise Ermittlung des Lastsignals, sowohl für die leistungsverlustlose Umschaltung zwischen klassischen Marine-Treibstoffen und LNG als auch, um den Arbeitspunkt des Motors unabhängig von der Fahrsituation stets in seinem optimalen Betriebsfenster zu führen [1]. Die Treibstoffeinspeisung wird dadurch signifikant reduziert und gleichzeitig eine deutliche Effizienzsteigerung erreicht (s. Abb.1).

Zur Ermittlung des Lastsignals wird die Antriebsleistung P aus einer genauen Messung des Drehmoments M am Motor und der Winkelgeschwindigkeit ω berechnet und an die zentrale elektronische Einheit gesendet. 

P = ω*M              (1)

The variable for this is precise identification of the load signal, both for switching between classic marine fuels and LNG without any loss of power and to always drive the operating point of the engine in its optimum operating window, irrespective of the driving situation [1]. Fuel input is thus significantly reduced and, at the same time, a marked increase in efficiency is attained (see Fig.1).

To identify the load signal, the drive power P is calculated from a precise measurement of the torque M on the engine and angular velocity ω and transmitted to the central electronic unit.

P = ω*M              (1)

Abb. 1: Arbeitsbereich Dual-Fuel-Motoren

Nur eine ausreichende Messgenauigkeit bei Drehmomentmessungen ermöglicht eine regelgerechte Steuerung dieser Schiffmotoren in ihrem optimalen Arbeitsfenster [1]. Je genauer die Drehmomentinformation, desto präziser erfolgt die Steuerung. Drehmoment kann indirekt oder direkt gemessen werden.

Wie wird Drehmoment gemessen?

Indirekte Drehmomentmessung

Die indirekte Drehmomentmessung an einer im Antriebsstrang befindlichen Welle umfasst das Messen drehmomentbezogener Parameter und anschließende Berechnungen. Die Ermittlung dieser drehmomentbezogenen Parameter erfolgt in der Regel durch:

  • Dehnungsmessung an der Oberfläche der Eingangswelle. Hierzu werden Dehnungsmessstreifen direkt auf die Welle installiert und als Messbrücke verschaltet. Die Übertragung sowohl der Speisespannung der Messbrücke als auch des Messsignals erfolgt berührungslos.
  • Messung des Verdrehwinkels der Welle.

Direkte Drehmomentmessung

Bei der direkten Drehmomentmessung wird ein Inline-Drehmomentaufnehmer als integraler Bestandteil der Antriebswelle verwendet (s. Abb. 2). Der Drehmomentaufnehmer wird bereits beim Hersteller mit geeigneten Kalibrieranlagen kalibriert. Der Aufnehmer kann auf  einfache Art und Weise ein- und ausgebaut, ausgetauscht sowie rekalibriert werden.

Abb. 2: Marine-zertifizierter Drehmomentsensor T40MAR von HBM

Beide Methoden bieten einige Vorteile, z.B. das Nachrüsten existierender Systeme. Abhängig von der Qualität der Installation und der verwendeten Komponenten kann der später zu berechnende Drehmomentwert aufgrund der Toleranzen (siehe Tab. 1) eine relativ große Unsicherheit haben, was letztendlich zu einer relativ großen Messunsicherheit führt.

Eingangsgrößen|Indirekt: Dehnungsmessstreifen|Direkt: Drehmoment
E-Modul|2 … 5%|~ 0%
k-Faktor|~ 1%|~ 0%
Shaftgeometrie|~ 1%|~ 0%
DMS-Positionierung|1 … 5%|~ 0%
T°-Einfluss|2 … 5%|~ 0,1%
Summe|5 … 7% , nicht nachweisbar|~ 0,2 … 0,3%, nachweisbar

Kalibrierung und Rückführbarkeit

Um die zur Erfüllung der strengen Umwelt-bestimmungen in der Schifffahrtsindustrie erforderliche Präzision der Antriebsleistung oder den Wirkungsgrad sicherzustellen, stehen neben dem Messen großer Drehmomente auch die Kalibrierung und Rückführbarkeit dieser physikalischen Größe immer stärker im Fokus[2]. Prinzipiell unterscheidet man drei Arten der Drehmomentkalibrierung:

  • Hebelarm-Masse-Systeme: Wirkt über einen Hebelarm bekannter Länge die Gewichtskraft kalibrierter Massen auf den Prüfling, wird ein genau definiertes Drehmoment erzeugt [4].
  • Die zweite in der Drehmomentkalibrierung eingesetzte Technik ist die Verwendung eines Kraft-Referenzaufnehmers mit einem Hebelarm [3].
  • Das dritte Prinzip ist ein Drehmoment-Referenzaufnehmer, der den Referenzwert liefert.

Systeme mit Drehmoment-Referenzaufnehmern können jeden beliebigen Mechanismus zur Erzeugung des Drehmoments nutzen, das dann mit dem Drehmoment-Referenzaufnehmer gemessen wird [2] [3].

Abb. 3: 400 kN•m-Kalibrieranlage bei HBM Darmstadt

Die neue Kalibrieranlage von HBM

Um diese Anforderungen zu erfüllen, kombiniert die neue Kalibrieranlage (siehe Abb. 3) Eigenschaften der folgenden beiden für die Drehmomentkalibrierung genutzten Methoden: Das Hebelarm-Masse-System und die Methode mit einem Drehmoment-Referenzaufnehmer, der das Referenzdrehmoment liefert. Als Referenzaufnehmer wurden modifizierte Drehmomentaufnehmer T10FH/150 kN•m und T10FH/400 kN•m ausgewählt. Dank der beiden Präzisionsreferenzaufnehmer konnte eine Messunsicherheit von 0,1 % erreicht werden.

Den Hauptbeitrag zur Erreichung dieser bemerkenswerten Ergebnisse hinsichtlich der Unsicherheit leistet die dokumentierte, ununterbrochene Kette von Vergleichsmessungen, die diese Drehmomentaufnehmer auf den Referenzaufnehmer des deutschen Nationalen Normals zurückführt. Die Messunsicherheit des deutschen Nationalen Normals, der hochrangigsten Kalibrieranlage mit 1,1 MN•m, auch als "Drehmomentnormalanlage" bezeichnet und im Besitz der PTB, auf die diese neue 400 kN•m-Kalibriereinrichtung rückführbar ist, liegt bei 0,08 %.

 

Schlussfolgerung

Mit T40MAR bietet HBM einen speziell für den Einsatz in Antriebssystemen für Schiffe entwickelten und zertifizierten Drehmoment-Messflansch. Dessen Messgenauigkeit ermöglicht die Berechnung von Lastsignalen mit einer mindestens 10-mal höheren Genauigkeit als von den aktuellen Umweltvorschriften der Schifffahrtsindustrie gefordert.


Literatur

[1]   K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011)

[2]   H. Frais, L. Lioba, D. Röske, Development of a New 400KN.m Torque Calibration Machine, Paper, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2015)  

[3]   R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002)

[4]   Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Measurement Science Conference in Anaheim, USA. (2002)

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