Kupplungen in der thermischen Stromerzeugung: Hochgeschwindigkeits- und Hochdrehmomentübertragung in britischen Kraftwerken

Anwendungsszenario · Industrielle Energieübertragung

Kupplungen in der thermischen Stromerzeugung: Hochgeschwindigkeits- und Hochdrehmomentübertragung in britischen Kraftwerken

Dampfturbinen, Wärmeausdehnung, Ermüdungsbeständigkeit – und die präzise Kupplungstechnik, die das Stromnetz am Laufen hält.

Kaum ein Getriebebauteil ist so hohen Belastungen ausgesetzt wie die Kupplung zwischen Dampfturbine und Generator in einem Wärmekraftwerk. Bei Leistungen im dreistelligen Megawattbereich und Wellendrehzahlen zwischen 1.500 und 3.600 U/min werden nahezu alle technischen Parameter – Drehmomentkapazität, dynamische Auswuchtung, Dauerfestigkeit und thermische Kompensation – bis an die Grenzen dessen ausgereizt, was moderne Metallurgie und Präzisionsfertigung leisten können. In ganz Großbritannien, von den großen Gas- und Dampfturbinenkraftwerken in Yorkshire bis hin zu den Kohlekraftwerken, die entlang der Humber-Mündung modernisiert werden, kann die Zuverlässigkeit einer einzigen Kupplungsverbindung darüber entscheiden, ob eine mehrere hundert Millionen Pfund teure Anlage mit dem nationalen Stromnetz synchronisiert bleibt oder während einer Spitzenlastzeit ausfällt.

Anders als Kupplungen in vergleichsweise moderaten Industrieantrieben – Pumpen, Förderbändern oder Kompressoren – muss die Kupplung zwischen Dampfturbine und Generator gleichzeitig bidirektionale Stoßbelastungen bei der Netzsynchronisation, zyklische Torsionsanregungen durch Dampfdruckschwankungen und die langsame, aber stetige axiale Ausdehnung beim Aufheizen des Turbinengehäuses vom Kaltstart bis zur Nennbetriebstemperatur bewältigen. Die richtige Balance zu finden, ist nicht einfach durch die Auswahl eines Standardprodukts möglich; es erfordert eine präzise entwickelte Lösung in enger Zusammenarbeit zwischen Anlagenbetreiber, Turbinenhersteller und einem Kupplungshersteller mit fundierter Branchenkenntnis.

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Funktionsprinzip: Wie Kupplungen die Turbinenleistung steuern

Die Verbindung zwischen einer Dampfturbine und ihrem Generator ist keine starre Schraubverbindung. Die thermische Energieerzeugung erzeugt ein sich ständig veränderndes mechanisches Umfeld. Während sich der Turbinenrotor dreht, wirkt Hochdruckdampf auf die Schaufeln und erzeugt Rotationsenergie. Diese Energie muss mit minimalen mechanischen Verlusten über eine flexible Kupplung auf den Generatorrotor übertragen werden, der sie in elektrische Energie umwandelt. Die Zahnkupplung – oder Zahnradkupplung – dominiert diese Anwendung weltweit, da sie auf balligen Außenverzahnungen basiert, die mit Innenverzahnungen in einer Hülse kämmen. Diese Anordnung gewährleistet eine mechanisch robuste Verbindung und gleicht gleichzeitig die Fluchtungsfehler aus, die bei thermisch belasteten Wellen im Betrieb unweigerlich auftreten.

Beim Kaltstart eines britischen Kraftwerks werden die Achsen der Turbinen- und Generatorwelle mit engsten Toleranzen, oft im Hundertstelmillimeterbereich, ausgerichtet. Sobald jedoch der Dampfstrom einsetzt und die Gehäusetemperaturen von der Umgebungstemperatur auf Betriebstemperaturen von über 500 °C am Gehäuseeinlass ansteigen, dehnt sich die Turbine axial und radial aus. Dies führt zu messbaren parallelen, winkligen und axialen Verschiebungen zwischen den beiden Wellenmittellinien. Eine Zahnkupplung absorbiert alle drei Verschiebungsarten gleichzeitig durch die relative Gleitbewegung zwischen balligen Zähnen und Hülse. Dadurch werden die ansonsten schädlichen Biegekräfte auf die Wellenlager in Reibungswärme zwischen Zahn und Hülse umgewandelt – Wärme, die durch das zirkulierende Schmieröl in der Kupplungsnabe abgeführt wird.

Kohle-zu-Gas-Umstellungsanlagen (Yorkshire und Humber) Mehrere große Wärmekraftwerke entlang der Humber-Mündung und in Yorkshire befinden sich derzeit in der Mitte ihrer Betriebsdauer. Die ursprünglich für Kohlekraftwerke mit Dampfbetrieb ausgelegten Anlagen werden für die Mitverbrennung von Erdgas oder den vollständigen Umbau auf Gasbetrieb angepasst. Diese Umrüstungen erfordern häufig die Modifizierung des Turbinenwellenstrangs, um eine neue Dampfeintrittskonfiguration zu ermöglichen. Dadurch ändert sich das Wärmeausdehnungsprofil des Niederdruckturbinenrotors. Die Ersatzkupplungen für diese Nachrüstungen müssen kundenspezifisch konstruiert werden, um der geänderten Wellengeometrie, dem neuen Drehmoment und den veränderten Wärmeausdehnungskoeffizienten gerecht zu werden. Dies erfordert einen Kupplungslieferanten, der sowohl detaillierte Finite-Elemente-Analysen des Rotordynamiksystems durchführen als auch die Fertigungspräzision für Bohrungstoleranzen von H7/r6 oder enger bei Wellen mit großem Durchmesser gewährleisten kann.

Kombikraftwerke (GuD-Kraftwerke) – England und Schottland Moderne GuD-Kraftwerke, darunter mehrere in der Nähe von Birmingham und im schottischen Zentralgürtel, verbinden Gasturbinen, Abhitzedampferzeuger und Dampfturbinen in einer komplexen Mehrwellenanordnung. Die Kupplung zwischen der Niederdruckstufe der Dampfturbine und dem Generator ist in solchen Anlagen besonders anspruchsvollen Betriebszyklen ausgesetzt, da die Dampfturbine aufgrund des schwankenden Gasbedarfs häufig an- und abschaltet – jeder thermische Zyklus führt zu einer erhöhten Materialermüdung der Kupplung. Zahnkupplungen für GuD-Kraftwerke werden daher typischerweise mit einer höheren Ermüdungsfestigkeit und einem größeren Kronenradius am Zahnprofil ausgestattet, um die Zahnkontaktspannung während der zahlreichen thermischen Belastungen dieser Maschinen zu reduzieren.

Dampfturbinenzüge an Kernkraftwerksstandorten (Somerset und Suffolk) — Kernkraftwerke an Standorten wie Hinkley Point in Die Kernkraftwerke Somerset und Sizewell in Suffolk betreiben große Dampfturbinen-Generator-Sätze, deren Kupplungsanforderungen über die üblichen Industriestandards hinausgehen. Sicherheitstechnische Nachweise für Kernkraftwerke stellen zusätzliche Anforderungen an die Kupplungskonstruktion. Dazu gehört die Fähigkeit, dem Drehmomentstoß standzuhalten, der bei einem Volllast-Leistungsabschaltereignis auftritt – einem Szenario, in dem der Generatorleistungsschalter bei voller Leistung schlagartig öffnet und das gesamte elektrische Drehmoment als mechanischen Torsionsstoß über die Kupplung auf die Turbinenwelle überträgt. Kupplungen in Kernkraftwerken müssen so ausgelegt sein, dass sie solchen Ereignissen ohne Bruch oder Ablösung standhalten und werden in der Regel von unabhängigen, von der nuklearen Regulierungsbehörde anerkannten Prüfstellen geprüft.

Biomasse- und Abfallverwertungsanlagen (Mehrere Regionen Großbritanniens) Der Ausbau der Biomasse-Kraftwerkskapazitäten an Standorten wie Drax in North Yorkshire hat einen bedeutenden und wachsenden Markt für Kupplungen in Dampfturbinenanwendungen geschaffen, der vor zwanzig Jahren noch nicht existierte. Die Dampfbedingungen in Biomasseanlagen sind im Allgemeinen aggressiver in Bezug auf chloridinduzierte Korrosion als in Kohlekraftwerken, was zusätzliche Anforderungen an den Oberflächenschutz der Kupplungsaußenflächen mit sich bringt. Im Schwermaschinenbauzentrum von Sheffield und in der gesamten Produktionszone der West Midlands spezifizieren Ingenieurbüros, die für Betrieb und Wartung von Biomasseanlagen zuständig sind, zunehmend Kupplungen mit verbesserten Korrosionsschutzbeschichtungen, Edelstahlbefestigungen und gekapselten Schmiersystemen, um die Wartungsintervalle zu verlängern.

Industrielle Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Sheffield und Birmingham) — Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die innerhalb von Die Industriegebiete in Sheffield und Birmingham nutzen kleinere Dampfturbinen im Leistungsbereich von 5–50 MW. Diese Turbinen treiben Generatoren an, die Strom exportieren und gleichzeitig Prozessdampf für benachbarte Fabriken bereitstellen. Die in Blockheizkraftwerken (BHKW) verwendeten Kupplungen sind kleiner als die von Kraftwerksanlagen im Großmaßstab, die Anforderungen an den Betrieb sind jedoch nicht weniger hoch – viele BHKW laufen 8.000 Stunden oder mehr pro Jahr im Dauerbetrieb. Kurze Wartungsfenster während der Betriebspausen erfordern, dass die Kupplung für schnellen Zugang und einfache Nachschmierung ausgelegt ist. Diese Merkmale werden von erfahrenen Kupplungsingenieuren in die Hülse und die Schmiernippel integriert.

Offshore-Gaskompressionsplattformen (Nordsee, britischer Sektor) Obwohl es sich nicht um ein typisches thermisches Kraftwerksumfeld handelt, betreiben Offshore-Kompressionsplattformen im britischen Nordseesektor gasturbinengetriebene Radialverdichter unter Bedingungen, die viele technische Anforderungen mit Onshore-Dampfturbinenkupplungen teilen: Hochgeschwindigkeitswellen, Dauerbetrieb, schwieriger Zugang für Wartungsarbeiten und anspruchsvolle Umgebungsbedingungen. Die Kupplung, die eine Gasturbine mit einem Radialverdichter verbindet, muss die gleiche Kombination aus Wärmeausdehnung, axialer Bewegung und Ermüdungsbelastung bewältigen und gleichzeitig der salzhaltigen Luft und der Feuchtigkeit standhalten, die die äußeren Kupplungsoberflächen mit der Zeit schädigen. Britische Offshore-Betreiber legen in der Regel API 671 als maßgebliche Norm für diese Anwendungen fest. Diese Norm definiert Mindestanforderungen an die Kupplungskonstruktion, die Materialdokumentation, die Prüfung und die Ersatzteilversorgung.

Ein Fernwärmenetzbetreiber, der ein Blockheizkraftwerk im Lower Don Valley bei Sheffield betreibt, verzeichnete wiederholte Vibrationsalarme an seiner 18-MW-Entnahmekondensationsdampfturbine. Die Mitte der 1990er-Jahre gefertigte Turbine war über 22 Jahre im Dauerbetrieb zur Grundlastversorgung im Einsatz. Daten zur Vibrationsentwicklung, erfasst von den Lagernäherungssensoren, zeigten einen progressiven Anstieg der Vibrationsamplitude (1×) über einen Zeitraum von 18 Monaten, begleitet von periodischen Schwankungen der Kupplungskammertemperatur, gemessen vom Turbinenüberwachungssystem.

Die Ursachenanalyse durch den Maschinenbauingenieur des Werks ergab Verschleiß an den Zahnflanken der ursprünglichen Kupplung. Reibkorrosionsspuren erstreckten sich über ca. 651 TP4T der aktiven Zahnbreite sowohl an den äußeren Nabenzähnen als auch an den inneren Hülsenzähnen. Die Schmiernippel der Kupplung waren teilweise verstopft, wodurch der Ölfluss durch den Zahneingriff reduziert und der Verschleiß im vorangegangenen Wartungszeitraum beschleunigt wurde. Der ursprüngliche OEM-Hersteller der Kupplung hatte die Produktion eingestellt, und es war kein direkter Ersatz mehr verfügbar.

Der Betreiber wandte sich mit einem vollständigen Satz von CMM-gemessenen Maßdaten der defekten Kupplung sowie einer Kopie der Originalzeichnung der Turbinenwellenanordnung an Ever Power. Das Ingenieurteam von Ever Power erstellte innerhalb von 72 Stunden einen detaillierten Reverse-Engineering-Vorschlag, der ein überarbeitetes Zahnprofil mit vergrößertem Kronenradius zur Verbesserung der Fluchtungstoleranz beinhaltete – eine Optimierung, die eine bekannte Schwäche der Originalkonstruktion behob. Die Ersatzkupplung wurde nach DIN-Getriebeklasse 6 gefertigt und dynamisch nach Güteklasse G2.5 ausgewuchtet. Materialzertifikat nach EN 10269 und vollständige Maßprüfprotokolle wurden mit dem Produkt geliefert.

Die Austauschkupplung wurde während einer fünftägigen geplanten Stillstandsphase installiert, die mit dem Fernwärmenetz der Stadt Sheffield abgestimmt war. Während der Stillstandsphase der Dampfturbine musste das Kraftwerk teilweise mit Ölfeuerung betrieben werden. Nach Wiederinbetriebnahme sank die Schwingungsamplitude (1×) am Turbinenantriebslager von 87 µm Spitze-Spitze vor der Stillstandsphase auf 14 µm – deutlich unter dem Grenzwert der ISO 10816 für diese Maschinenklasse. Das Kraftwerk lief anschließend über 14.000 Stunden ohne erneutes Auftreten der Schwingungsamplitude. Der Betreiber hat eine Ersatzkupplung vorbestellt, die im Anlagenlager vorgehalten wird.

© Ever Power – Präzisionskupplungslösungen für die Energieerzeugung und industrielle Anwendungen in Großbritannien

bearbeitet von gzl