Richtig verbunden

Kupplungen - Wellenkupplungen gleichen den Wellenversatz aus und dämpfen Schwingungen. Entscheidend sind aber Durchschlagsicherheit und Servicefreundlichkeit. Bei Pumpenantrieben ist zudem oft der Explosionsschutz zu beachten.

09. August 2007

Nur wenige Antriebsstränge besitzen eine völlig starre Verbindung zwischen dem Antrieb und dem bewegten ­Element, schließlich kommt es im Betrieb meist zu einem Wellenversatz in axialer, ­radialer oder winkliger Richtung. In besonderer Weise gilt dies zum Beispiel für Pumpen, die heiße Medien fördern und sich im Laufe des Förderprozesses erwärmen: Hier kann es schon allein aufgrund der Wärmeausdehnung zu einem nennenswerten Versatz zwischen Elektromotor und Pumpe kommen. Zusätzlich können jedoch auch schon im kalten Zustand nach der Montage Fluchtungsfehler vorliegen, die durch die Anlagenerwärmung noch vergrößert werden.

Zum Ausgleich dieses Versatzes enthalten solche Antriebsstränge meist eine geeignete Wellenkupplung, die zudem auch Stöße und Schwingungen im Antriebssystem ­reduziert und damit zugleich die Lebensdauer angrenzender Bauteile wie Lager und Dichtungen deutlich verlängert. Elastische Wellenkupplungen sind also wichtige Elemente im Antriebssystem. In besonderem Maße gilt dies für Antriebe in höheren Leistungsbereichen, weil hier die Lebenszykluskosten stärker im Fokus stehen. In der Pumpenindustrie gilt deshalb mittlerweile die Faustregel, dass bei einer Gesamtkostenbetrachtung des Antriebssystems etwa 10 bis 20 Prozent auf die Kupplung entfallen. Die Auswahl der Kupplung kann die Betriebskosten also nachhaltig beeinflussen.

Minimale Rückstellkräfte

Bei Antriebssystemen mit großem Wellenversatz - nicht nur in der Pumpenindustrie - empfiehlt sich der Einsatz einer doppelkardanischen Kupplung, wie etwa des Modells Rotex ZS DKM der KTR GmbH aus Rheine. Bei dieser Kupplung wird die Verlagerung auf zwei Elastomere verteilt, sodass es in den einzelnen Elastomeren lediglich zu einer Winkelverlagerung kommt. Im Vergleich zu einfach-kardanischen Kupplungen reduziert dieser Aufbau die Rückstellkräfte auf ein Minimum. Die Kupplung ist dadurch weniger beansprucht und kann zudem auch größere Fluchtungsfehler dauerhaft ausgleichen. In der neuesten Variante wird dieses Kupplungssystem in einer montagefreundlichen Halbschalenbauweise angeboten, die zur Montage oder Demontage lediglich vier Schrauben benötigt.

Übertragung ohne Spiel

Eine absolut spielfreie Drehmomentübertragung über den gesamten Drehmomentbereich gewährleistet die Stahllamellenkupplung Rigiflex N, die vor allem in der Chemieindustrie im Einsatz ist. Erreicht wird dies durch spezielle, hochfeste Passbolzen, die das Lamellenpaket mit den Naben bzw. Flanschen verbinden. Die Kupplung ist gemäß Atex-Richtlinie für den Betrieb in den Ex-Zonen 1 und 2 sowie den Staub-Ex-Zonen 21 und 22 zertifiziert und eignet sich deshalb auch zum Einsatz in explosions­gefährdeten Bereichen.

Sehr wenig Bauraum bei großer Leistung benötigen die äußerst kurz bauenden drehelastischen Wellenkupplungen der Baureihe Revolex KX, die Drehmomente bis zu 215.000 Newtonmeter übertragen können. Für den unteren Leistungsbereich bis 11.000 Newtonmeter stellt der Hersteller die Baureihe Poly-Norm zur Verfügung.

Hohe Leistung sicher übertragen

Die drehelastische Kupplung besteht aus einer Bolzennabe mit stählernen Bolzen einerseits und einer Buchsennabe mit Buchsen andererseits, in die die Bolzen eingreifen. Konische Elastomerringe zwischen Buchse und Bolzen gewährleisten die drehelastische Übertragung des Drehmoments. Auf diese Weise entsteht eine durchschlagsichere Kupplung für hohe Leistungs­bereiche, die axialen, radialen und winkligen Wellenversatz zuverlässig ausgleicht. Beim Einsatz in Pumpen erlaubt dies dem Pumpenhersteller größere Fertigungstoleranzen für Grundplatte und Pumpe, weil die Kupplung den möglichen Versatz »verzeiht« und entstehende Schwingungen und Stöße im Antriebssystem dämpft. Die äußerst kurze Bauweise ermöglicht kompakte Konstruktionen mit geringem Wellenabstand. Die axial steckbare Bauform der wartungsfreien Kupplung erleichtert dabei die Montage. Die Elastomere sind beständig gegen Medien wie Benzin, Öle und Erdgas und lassen sich auch in eingebautem Zustand auswechseln. Für besondere Beanspruchungen stehen außerdem Sonder-Elastomerwerkstoffe und kundenspezifische Konstruktionsvarianten zur Verfügung.

Eine echte Nischenanwendung in der Prozesstechnik ist die Kraftübertragung zu den Ventilatoren, die in Kühltürmen von Chemieanlagen und Kraftwerken die Wärmeabfuhr sicherstellen. Der Antrieb befindet sich dabei in der Regel außerhalb des Turms, eine Zwischenwelle überträgt die Kraft über ein Winkelgetriebe auf den Ventilator und überbrückt dabei Distanzen von drei bis fünf Metern.

Das KTR-Sortiment bietet für solche Einsatzfälle die doppelkardanische, drehsteife Stahllamellenkupplung Radex N, bei der die beiden Kupplungselemente durch ein Zwischenstück aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff (CFK) verbunden sind. Dessen im Vergleich zu Stahl wesentlich höhere mögliche biegekritische Drehzahl erlaubt einen Einsatz der Kupplung ohne zusätzliche Lagerung trotz der relativ hohen Drehzahl von 1.500 Umdrehungen pro Minute. Zudem ermöglicht eine solche gewichtsoptimierte Konstruktion auch einen energiesparenden Betrieb, da der Antrieb aufgrund des geringen Massenträgheitsmoments vor allem beim Anlauf weniger Leistung zur Verfügung stellen muss.

Trotz dieser Vorteile des Leichtbauprinzips ist ein Einsatz von reinen Kunststoffkupplungen derzeit allerdings noch nicht zu empfehlen, vor allem aufgrund von Problemen mit Funktion und Langlebigkeit. Schwierigkeiten bereitet hier vor allem die Verbindung zwischen Nabe und Welle. Als Nabenwerkstoff sind Metalle deshalb nach wie vor nicht zu übertreffen. Der Einsatz von Aluminium oder von Verbundkonstruktionen aus Aluminium und Stahl ermöglicht ­jedoch auch hier eine Kombination von geringem Gewicht, sicherer Funktion und hoher Lebensdauer.

Wartungsfrei

Große Wellenkupplungen kommen jedoch nicht nur in der Prozesstechnik und speziell in der Pumpenindustrie zum Einsatz: Neue Anforderungen an Kupplungs-Konstrukteure stellt auch die Windkrafttechnik, die immer größere Leistungsbereiche erschließt. Erschwerend hinzu kommt bei solchen Anwendungen die schlechte Zugänglichkeit des Antriebs in luftiger Höhe, die wartungsfreie und dauerfeste Antriebskonzepte erfordert. Das gilt sowohl für die Kupplungen selbst als auch für die Überlastsysteme, die einen wichtigen Beitrag zur Verfügbarkeit der Windkraftanlagen leisten. Für solche Zwecke kombiniert KTR die Radex-N-Kupplungen als Baueinheit mit einer Bremsscheibe und einem neu entwickelten Drehmomentbegrenzer. Deren spezielle Reibbeläge sind auch unter hoher Belastung extrem verschleißfest und fangen die durch den Generator verursachten Drehmomentstöße ab, die bei Kurzunterbrechungen im Stromnetz entstehen können. Versuche haben gezeigt, dass die KTR-Kupplungen bei dieser anspruchsvollen Anwendung bis zu 1.000 solcher Drehmomentstöße sicher und mit einer hohen Reproduzierbarkeit begrenzen können.

André Artmann, KTR Kupplungstechnik GmbH/bt

Erschienen in Ausgabe: 05/2007