Praxisberichte

Sichere Verbindungen in Wasserkraftwerken

Reibwerterhöhende Scheiben ermöglichen effiziente Flanschverbindungen

Im Zuge des Ausbaus regenerativer Energien nimmt europa- und weltweit die Wasserkraft eine zentrale Rolle ein. Weltweit macht sie aktuell etwa ein Sechstel der gesamten Stromversorgung aus. Die in Wasserkraftwerken verwendete Technik hat zuverlässig und robust über Jahrzehnte zu funktionieren. Dabei ist etwa die Welle-Nabe-Verbindung im Bereich der Turbinen- und Generatorwelle höchsten Belastungen ausgesetzt. Global Hydro als einer der führenden Anbieter der Wasserkraftwerkstechnik geht mit reibwerterhöhenden Scheiben neue Wege. In umfassenden Testreihen ist die Lösung allen Anforderungen gerecht geworden – oder hat diese sogar noch deutlich übertroffen.

Hohe Belastungen am Wellenstrang

Aus mechanischer Sicht stellt der Antriebsstrang die Kernkomponente von hydraulischen Anlagen dar. Um die vom Turbinenlaufrad produzierte Leistung sicher zu übertragen, wurde bislang die Welle-Nabe-Verbindung entweder mit einem großen Teilkreis für eine hohe Schraubenanzahl – mit kostenintensivem Wellenflansch – oder unter Verwendung formschlüssiger Elemente mit hohen Kosten und gleichermaßen hohem Montageaufwand realisiert. „Die alternative Nutzung reibwerterhöhender Scheiben in der Trennfuge bedeutet einen erheblichen Effizienz- und Kostenvorteil, bei gleichzeitiger Sicherstellung der Funktion über die gesamte Lebensdauer des Bauteils“, erläutert DI (FH) Klaus Eichlberger, Head of Mechanical Engineering der Global Hydro Energy GmbH. Seit einigen Monaten beschäftigt sich das Unternehmen intensiver mit dieser Lösung und sieht die Erwartungen durch die eigene Prüfreihe vollauf bestätigt.

Testreihe in Originalgröße mit 3M™ Friction Shims

Die Evaluierung und Kalibrierung eines neuen Messsystems anhand eines Prüfkörpers in Originalgröße bot die willkommene Gelegenheit, 3M™ Friction Shims ebenfalls in Originalgröße zu testen. Bei den Versuchen kam das neuartige Messsystem CoreIn des Start-Up-Unternehmens core sensing GmbH zum Einsatz. Hierbei wurde ein DMS-basierter Verformungskörper bauteilspezifisch konfiguriert und direkt in die zu prüfende Welle eingebaut, wodurch das komplette Bauteil quasi selbst zum Sensor wurde, dessen Messwerte ohne Verkabelung direkt per Bluetooth übertragen werden konnten.

Die Versuche dienten unter anderem dazu, die Belastbarkeit der Welle-Nabe-Verbindung bei Verwendung einer Reibscheibe zu bestimmen. Um die Grenzen der Verbindung auszuloten, wurden zunächst ein minimaler Verspannungszustand hergestellt und anschließend Kräfte und Momente über Hydraulikzylinder eingeleitet.

Insgesamt wurden drei Versuchsreihen durchgeführt:

  • Belastung der Verbindung mit der theoretisch ermittelten Grenzbelastung nach VDI: Die über das Hydrauliksystem eingebrachte einmalige langsame Erhöhung der Torsionsbelastung hin zum theoretischen Grenzwert von 186 kNm (die tatsächlich gemessene Torsionsbelastung lag bei ca. 163 kNm) führte zu keiner Verdrehung (Rutschbewegung) in der Trennfuge.
  • Zyklische Wiederholung der theoretischen Grenzbelastung: 10 Wiederholungen mit 186 kNm (die tatsächlich gemessene Belastung betrug 170 kNm bis 180 kNm) als rein schwellende Belastung. Erneut wurde keine Relativbewegung in der Trennfuge festgestellt.
  • Zyklisches Durchrutschen der Verbindung: Durch Steigerung des Zylinderdrucks kam es bei 249 kNm zum Durchrutschen der Verbindung. Dies zeigte sich durch einen abrupten Abfall des Zylinderdrucks. Damit war die Maximalbelastung für erstmaliges Durchrutschen der Verbindung gefunden. Darauffolgende Drehmomenterhöhungen lieferten ein annähernd konstantes Rutschmoment von ca. 211 kNm.

Erwartungen erfüllt und sogar übertroffen

Um die Vorteile der reibwerterhöhenden Scheiben zu nutzen, werden vom Hersteller 3M unter anderem eine maximale Rauheit in der Trennfuge (Flanschbauteile) sowie ein Mindestanpressdruck von 50 MPa vorgegeben. Die Experten von Global Hydro stellen nach den Tests fest: „Trotz der Tatsache, dass diese Forderung nur lokal an 4 Positionen des Flanschbildes erfüllt ist, liefert dieser Versuch sehr vielversprechende Ergebnisse und lässt auch für verschiedene Vorspannzustände (Variation des Anziehfaktors) auf einen Mindest-Reibkoeffizienten von 0,7 vor und 0,6 nach einmaligem Durchrutschen der Verbindung schließen.“ Das Fazit von Berechnungsingenieur DI Markus Peer: „Durch die vielversprechenden Ergebnisse konnten die vorausgegangenen Berechnungen verifiziert werden, wodurch die neue Verbindungsmethode mit Reibscheiben bei Kundenprojekten freigegeben wird.“

Vorteile der reibwerterhöhenden Scheiben

Zugleich sprechen Kostenvorteile, ihre Langlebigkeit als Lebensdauerbauteil sowie die vergleichsweise einfache Montage für den zukünftigen Einsatz reibwerterhöhender Scheiben in der Wasserkraftwerkstechnik. Die Oberflächen bei solch großen Bauteilen sind oft recht rau, weil eine Feinbearbeitung bei Wellen von 400 bis 500 mm Durchmesser sehr kostenintensiv ist. Dies kompensiert der Hersteller durch entsprechende Auswahl der Reibscheiben - in diesem Fall durch 3M™ Friction Shims Typ 35. Die reibwerterhöhenden Scheiben bestehen aus einem Stahlsubstrat mit einer Chemisch Nickel-Beschichtung und darin eingelagerten Diamanten. Diese stellen einen Mikroformschluss zwischen den Reibpartnern her. Damit eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten, leichtere und kompaktere Konstruktionen zu realisieren, ohne dabei Kompromisse bei Kraft- und Drehmomentübertragung einzugehen.

Innovationen in der Wasserkraftwerkstechnik

Bei Global Hydro gehen die Fachleute davon aus, reibwerterhöhende Scheiben bei ihren Anwendungen künftig zu einer Standardlösung zu machen, um zum Beispiel Flanschverbindungen zwischen Wellenstrang und Turbinenrad einfacher realisieren zu können.

Das Unternehmen mit Hauptsitz in Hofkirchen im Mühlkreis (Österreich) beschäftigt zusammen mit seinen 12 internationalen Tochterfirmen weltweit rund 300 Mitarbeiter und ist am Markt für seine Innovationsstärke bekannt. Zu den Kunden von Global Hydro zählen internationale Kunden im Small- und Medium-Hydro Bereich. Diese erwarten robuste, langlebige und zuverlässige Technik, die sich unter anderem dank der Friction Shims realisieren lässt.

Weiterführende Links: 3M™ Friction Shims | 3M DeutschlandGlobal Hydro Energy GmbH

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