Suchen

Schrauben

Sicher ist sicher

| Autor/ Redakteur: Robert Ploke * / Karl-Ullrich Höltkemeier

Bei der Neukonstruktion großer Windenergieanlagen bietet sich ein erhebliches Potenzial für wirtschaftliche und technisch optimierte Lösungen, die sich durch mechanische Spannelemente

Firmen zum Thema

1 Optimierung möglich: Die zahlreiche Verschraubungen an Windenergieanlagen (blau dargestellt) lassen sich durch mechanische Spannelemente mit Vielfachschrauben (SVS) optimieren. Bild: Bosch Rexroth
1 Optimierung möglich: Die zahlreiche Verschraubungen an Windenergieanlagen (blau dargestellt) lassen sich durch mechanische Spannelemente mit Vielfachschrauben (SVS) optimieren. Bild: Bosch Rexroth
( Archiv: Vogel Business Media )

Bei der Neukonstruktion großer Windenergieanlagen bietet sich ein erhebliches Potenzial für wirtschaftliche und technisch optimierte Lösungen, die sich durch mechanische Spannelemente mit Vielfachschrauben (SVS) mit genau einstellbarer Vorspannkraft realisieren lassen.

Zahlreiche hochbeanspruchte Schraubverbindungen zwischen den einzelnen Komponenten einer Windenergieanlage stellen ein großes Potenzial für wirtschaftliche und technische Optimierung durch mechanische Spannelemente mit Vielfachschrauben (SVS) dar. Diese Spannelemente ermöglichen eine genaue Einstellung der Vorspannkräfte, so dass sich bei Verschraubungen hohe Sicherheitsmargen erübrigen. Mit weniger Schrauben oder über Schrauben mit geringeren Gewindedurchmessern lassen sich gleich hohe oder sogar höhere mechanische und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 6 Bildern

Weil Schraubenköpfe und Muttern nicht seitlich für große Werkzeuge zugänglich sein müssen, können die Abstände zwischen den Schrauben markant verringert werden. Daraus resultieren weitere Möglichkeiten für kompakteres Konstruieren und optimale Gestaltung von Kraftflüssen. Zusätzliche Vorzüge der SVS sind: verringerter Montage- und Wartungsaufwand von Anlagen, größere Arbeitssicherheit sowie erhöhte Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit von Verschraubungen vor allem bei hoher dynamischer Beanspruchung.

Kompaktere Konstruktion mit wirtschaftlichen Vorteilen

Eine zusätzliche Herausforderung ist, dass die mechanischen Komponenten dieser Anlagen großen statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Ein beträchtliches Potenzial für schlankere, kostengünstigere Neukonstruktionen großer Windenergieanlagen bieten hier diverse Schraubverbindungen. Hierzu zählen unter anderem kritische Verschraubungen wie die Verbindungen zwischen Rotorblättern und Nabe oder zwischen Nabe und Welle. (Bild 1).

Die Verwendung mechanischer Spannelemente mit Vielfachschrauben (SVS) anstelle herkömmlicher Verschraubungen ermöglicht kompaktere Konstruktionen mit minimalen Redundanzen für höchste Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit. Die Anlagen sind kostengünstiger, betriebssicher und bieten dank geringem Montage- und Wartungsaufwand eine Reihe weiterer wirtschaftlicher Vorteile bieten.

Die Kunst des Vorspannens

Die beste Sicherheit gegen selbstständiges Lösen einer Schraubverbindung ist gemäß der VDI Richtlinie 2230, neben einer korrekten Auslegung, eine möglichst große Vorspannkraft. Die Erfahrung zeigt, dass bei großen Gewindedurchmessern mit den herkömmlichen Spannverfahren keine genaue Einstellung der Vorspannkräfte und damit keine volle Nutzung des verfügbaren Schraubendurchmessers möglich sind.

Die Vorspannkraft einer Schraube ist eine quadratische Funktion ihres Durchmessers. Das zum Vorspannen benötigte Moment jedoch nimmt mit der dritten Potenz des Durchmessers zu. Die Grenze des Vorspannens von Hand ist etwa bei einer M24-Schraube erreicht. Die über diesem Limit eingesetzten herkömmlichen Verfahren wie Schlagschlüssel, Vorwärmen, hydraulisches Recken und Drehmomentübersetzer erlauben kein genau kontrolliertes Einstellen der Vorspannkraft.

SVS - die elegante Lösung

In drei grundsätzlich verschiedenen Bauformen ersetzen SVS herkömmliche Muttern, Schrauben oder Spreizbolzen (Bild 2). Bei allen diesen Elementen erfolgt das Spannen durch Anziehen von Druckschrauben, die um das Hauptgewinde herum angeordnet sind. Diese Verbindungselemente, deren Gewindedurchmesser wesentlich kleiner ist als derjenige des Hauptgewindes, übertragen die Spannkraft gleichmäßig auf Gewinde und Untergrund. Das Hauptgewinde bzw. der Bolzen wird rein axial verspannt (Bild 3).

Ausschließlich mit einfachen Handwerkzeugen lassen sich durch Anziehen der Druckschrauben Spannkräfte bis zu 10 000 Tonnen erzeugen. Dank kleiner Reibradien sind hierzu nur geringe Spannmomente erforderlich, die sich sehr genau dosieren lassen. Mit handelsüblichen Drehmomentschlüsseln lassen sich durch die Spannelemente Spannungen von mehr als 1 100 N/mm² erzielen.

Eliminieren unwirtschaftlicher Redundanzen

Eine wichtige Kenngröße für Verfahren zum Anziehen von Verschraubungen ist der Anziehfaktor aA, für den Richtwerte nach DIN 2230-2001 vorliegen. Dieser Faktor stellt das Anziehverfahren, Unsicherheiten beim Abschätzen der Reibungszahlen, Gerätetoleranzen sowie Bedienungsfehler und Ableseungenauigkeiten in Rechnung.

Während sich bei Schraubverbindungen, die mit Schlag- oder Impulsschrauber angezogen werden, der Anziehfaktor im Bereich von 2,5 bis 4 bewegt, wurde für SVS ein Anziehfaktor aA von < 1.2 durch den Germanischen Lloyd aufgrund von Tests bestätigt.

Mit diesen modernen Spannelementen lässt sich die Vorspannkraft sehr genau einstellen, so dass sich ein redundanter Materialeinsatz praktisch erübrigt. Das heißt: Kostengünstigere, kompaktere Konstruktionen, die mit weniger oder kleiner dimensionierten, gut ausgenutzten Schrauben oder Bolzen die gleichen oder sogar höhere mechanische und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Ein gerade für Windenergieanlagen entscheidender Vorteil.

Einfache, kostengünstige und sichere Montage

Da die Komponenten von Windenergieanlagen, wie Rotorblätter, Getriebe und Generator, häufig von verschiedenen Herstellern angeliefert und auf der Montagestelle zusammengebaut werden, kommen hier die entscheidenden Vorzüge der SVS zum Tragen. Dank der ausschließlichen Verwendung einfacher Handwerkzeuge ist die Montage und Demontage mit diesen Spannelementen einfach. Von Vorteil ist zudem, dass beim Anziehen oder Lösen von SVS an beweglichen Teilen keine Vorkehrungen nötig sind, um großen Drehmomenten entgegenzuwirken.

Auch bei relativ engen Platzverhältnissen können mehrere Personen mit kleinen, leichten Handwerkzeugen gleichzeitig nebeneinander arbeiten – ein Vorteil, der sich auszahlt, wenn während Montagearbeiten auf einem Mast ein teurer Mietkran bereit stehen muss.

Dauerhafte, zuverlässige und sichere Verschraubungen

Einmal angezogen, lösen sich SVS nicht mehr. Vorgespannte Muttern und Schrauben bleiben konstant fest, auch bei Wechselbeanspruchungen, Vibrationen oder schlagartigen Belastungen, wie sie bei Windenergieanlagen auftreten. Sie bieten Gewähr für eine steife Verschraubung ohne Mikrobewegungen in der Verbindung. Das Dauerbruchrisiko wird deutlich vermindert. Da sich periodisches Nachspannen erübrigt, helfen die SVS, den Wartungsaufwand von Anlagen markant zu reduzieren. Die Spannelemente sind wiederverwendbar und haben eine sehr lange Lebensdauer.

Kompakte Hochleistungsverschraubungen in der Praxis

SVS bewähren sich seit vielen Jahren im praktischen Einsatz in Anwendungsbereichen wie Schiffsbau, Petrochemie, Pumpenbau und Kraftwerksanlagen. Prüfungen (beispielsweise Rütteltests und Dauerschwingversuche des schweizerischen Prüfinstituts EMPA) bestätigen, dass auch nach einer Million Lastwechseln die Vorspannkraft nicht nachlässt und dass mit den Spannelementen selbst mit kurzen Schrauben (L/D=2) Vorspannverhältnisse erreicht werden, die bis zuvor nur mit Dehnschrauben erzielt wurden.

Aus Einzelkomponenten aufgebaute Schiffsschraube: Die folgenden Beispiele illustrieren, wie sich mit SVS Schraubverbindungen mit enormen Vorspannkräften auf engstem Bauraum realisieren lassen. Immer höhere Antriebsleistungen großer Schiffe erfordern immer größere Propeller. Diese werden üblicherweise als ein Gussstück gefertigt. Sie sind schwierig zu bearbeiten und ihr hohes Gewicht und ihre Abmessungen machen die Handhabung zu einem teuren Unterfangen. Rolls Royce entwickelte einen aus einzelnen Komponenten aufgebauten Propeller. Die einzelnen Teile werden mit SVS zusammen verschraubt. Die Propellerblätter lassen sich mit leichtem Handwerkzeug vom Innern der Welle aus anziehen, sogar unter Wasser.

In engsten Verhältnissen demontierbares Turbinenlaufrad: Ein Francis-Turbinenlaufrad ist mit rostfreien Innensechskant-Zylinderschrauben M68 mit der Welle verbunden. Das Laufrad muss zur Aufarbeitung der Form regelmäßig demontiert werden. Da im engen Turbinenrohr kaum Platz für große Werkzeuge zum Anziehen dieser Schrauben vorhanden ist, wurden kompakte rostfreie Spannmuttern und spezielle beschichtete Dehnschrauben entwickelt. Trotz des sehr engen Bauraums ließ sich mit diesen SVS die Vorspannkraft steigern.

* Robert Ploke ist xxxx bei P&S Tensioning Systems Ltd.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 262384)