10-MW-Kupplungskombination mit Durchschaltung

Um den Antrieb von Großmühlen in der Zementindustrie effizienter zu machen, hat die Fa. Voith Turbo GmbH & Co. KG eine leistungsstarke und schlupffreie 10-MW-Kupplungskombination entwickelt. Die Kupplung kann auch für andere Anwendungen mit konstanter Antriebsdrehzahl wie Extruder, Turbokompressoren und Axialgebläse mit Laufschaufelverstellung verwendet werden. Durch einen schlupflosen Nennbetrieb kann ein Wirkungsgrad   99,5  % erzielt werden. Die neue hydrodynamische Kupplung TPL-Syn (Bild 1) wurde am 9.12.2008 im Werk in Crailsheim vorgestellt (Bild 2). Die erste Lieferung einer solchen Kupplung wird an einen Zementhersteller im Südender USA gehen. Die neue 1210 TPL-Syn ist eine Kombination aus bewährten und zuverlässigen Komponenten mit einer hohen Leistungsübertragung und kompakter Bauweise. Die Kupplung weist eine sanfte Arbeitsmaschinenbeschleunigung bis hin zu 60 Sekunden auf und reduziert Kräfte auf die Arbeitsmaschine.

1    Technischer Hintergrund
In Amerika werden zum Antrieb von Zementmühlen bevorzugt Synchronmotoren eingesetzt. Sie arbeiten schlupffrei und bieten die Möglichkeit der Blindstromkompensation, was den Werken deutlich spürbare Energiekosteneinsparungen bringt. Aber auch für die in Europa überwiegend eingesetzten schnelllaufenden Kurzschlussläufer- bzw. Schleifringläufermotoren an Kugelmühlen können Synchronmotoren in Verbindung mit der neuen Voith-Kupplung eine ernst zu nehmende Alternative sein. Eine Blindstromkompensation kann dann über die neue Einheit für die gesamte Anlage erzielt werden. Mit einer Amortisationszeit von ca. 1,5 Jahren können sich langfristig durch signifikante Energieeinsparungen Mehrausgaben in der Anschaffung schnell rechnen.
Kugelmühlen benötigen zum Anfahren ein hohes Drehmoment (Bild 3), sodass zwischen dem unter Last nicht eigenstartfähigen Synchronmotor und der Mühle eine Drehmomententkoppelung notwendig wird. Das Funktionsprinzip der hydrodynamischen Kupplung eignet sich hierzu besonders, da die Drehmomentübertragung in Abhängigkeit von der Primärdrehzahl und des Füllungsanteils im beschaufeltem Arbeitskreis erfolgt. Die füllungsgesteuerten Kupplungen ermöglichen durch die Entleerung des Arbeitskreises einen komplett lastfreien Motorhochlauf, welches der Drehmomentcharakteristik des schnell laufenden Synchronmotors sehr entgegenkommt.

Diese hervorragenden Eigenschaften der Hydrodynamik beim Anfahren mittels füllungsgesteuerter Voith-Turbokupplung konnten nun mit dem weiteren Vorzug eines schlupffreien Nennbetriebes kombiniert werden. Energieverluste, die bis dato durch den physikalisch bedingten Schlupf von Flüssigkeitskupplungen in Kauf zu nehmen waren, werden durch die mechanische Überbrückung des hydrodynamischen Kreislaufes im Nennbetrieb vermieden. So kann das gesamte Leistungsspektrum von Motor über das Getriebe bis hin zur Arbeitsmaschine genutzt werden.

2  Aufbau der Kupplung
Die Kupplung besteht im Wesentlichen aus 3 Hauptbaugruppen (Bild 4):

– Hydrodynamische Kreislaufkomponenten (Bild 4a)
– Mechanische Durchschalteinrichtung (Bild 4b)
– Gehäuse mit integriertem Öltank (Bild 4c)

Bei der Konzeption dieses Typs wurde das Know-how über die Hydrodynamik mit dem Wissen und den Erfahrungen artverwandter Voith-Komponenten mit dem Ziel kombiniert, eine montagefreundliche, eigengelagerte Antriebseinheit zu präsentieren. Die Anbindung an Motor und Arbeitsmaschine erfolgt über handelsübliche Verbindungskupplungen.

Der übliche Betriebszyklus (Bild 5) läuft in folgender Konstellation ab:
a)    Motorhochlauf mit entleerter Turbokupplung und physikalisch entkoppelter Last
b)    Anlauf der Arbeitsmaschine durch Drehmomentaufbau in der Turbokupplung über Befüllvorgang. Hierbei werden z. T. Losbrechmomente (je nach Lastcharakteristik) bis zum 1,5-fachen des Nennmomentes von der Kupplung abverlangt.
c)    Beschleunigung der Arbeitsmaschine auf Betriebsdrehzahl, wobei bei Bedarf der Anlauf geregelt werden kann
d)    Durchschalten auf schlupflosen Nennbetrieb mit Steigerung des Gesamtwirkungsgrades (Bild 6)
e)    Stillsetzen der Arbeitsmaschine bei fortlaufendem Motor; Kompensation der Blindleistung von Fremdantrieben im Netz bei Einsatz von Synchronmotor weiterhin möglich

Der Leistungsbereich dieses neuen Kupplungstyps reicht bis
10 MW bei Drehzahlen von 1500 min-1. Detaillierte Informationen zum Kupplungstyp 1210 TPL-SYN können als interaktive Präsentations-CD angefordert werden (anfahrkomponenten@voith.com).

3  Leistungsfähigkeit
Um die Leistungsfähigkeit der Kupplung vorzustellen, wurde die TPL-Syn im Betrieb im Prüfstand gezeigt. Der Motor konnte ohne Last hochgefahren und hydrodynamisch an das Versuchsgetriebe und nachgeschaltete Versuchslasten angekoppelt werden. Mit Abschluss des Durchschaltvorgangs reduziert sich der Schlupf auf 0  %. Die für die mechanische Durchschaltung zwischen An- und Abtrieb verwendete Lamellenkupplung weist quasi keinen Verschleiß auf, da die Durchschaltung bei nur ca. 5  % Drehzahldifferenz sowie im Ölbad erfolgt. Die Lagerlebensdauer liegt bei L10 > 80 000 h.

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