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antriebstechnik 9/2016

antriebstechnik 9/2016

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK 10 Mal höhere Genauigkeit Präzise Lastmessung zur Optimierung von Schiffsantrieben Präzisionsmessungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Wirkungsgrads und dadurch für die Erfüllung der strengen Umweltvorschriften für Schiffsmotoren. Die Optimierung von Schiffsmotoren auf der Grundlage zuverlässiger Drehmomentmessungen ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen und steht zudem im Einklang mit den ständig steigenden Anforderungen der internationalen Vorschriften, insbesondere für Schiffsmotoren mit hohem Nenndrehmoment. M oderne Schiffsmotoren werden elektronisch gesteuert. Ein wichtiges Element der Steuerung ist das Lastsignal, welches durch Messung des Drehmoments und der Drehzahl der Antriebswelle erzeugt wird. Mit Hilfe des Lastsignals sorgt die Steuerung für einen stets optimalen Betriebszustand des Motors in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrsituation. Damit lässt sich eine deutliche Einsparung von Treibstoff erreichen. Bei alternativen Antrieben z. B. Dual- bzw. Multi Fuel oder Gasmotoren werden kritische Betriebszustände zuverlässig verhindert. Der Einbau eines Drehmoment-Messflansches direkt in den Antriebsstrang ist ei- ne einfache und genaue Methode zur Erzeugung eines Lastsignals. Mit dem Modell T40MAR bietet HBM einen speziell für den Einsatz in Antriebssystemen für Schiffe entwickelten und zertifizierten Drehmoment- Messflansch. Dieser ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen und steht zudem im Einklang mit den ständig steigenden Anforderungen internationaler Vorschriften. Ermittlung des Lastsignals Die internationale „Marpol Convention“ zur schrittweisen Senkung der Schadstoffemissionen fordert die Industrie auf, neue Motoren zu entwickeln, die verschiedene Treibstoffsorten verbrennen können, z. B. klassische Marine-Treibstoffe und zusätzlich Liquefied Natural Gas (LNG). Denn mit diesem zusätzlichen Treibstoff erreichen Dual-Fuel-Motoren die geforderten reduzierten Abgaswerte problemlos. Diese Motoren, die verschiedene Treibstoffsorten verbrennen können, müssen schnell von einem Treibstoff auf einen anderen umschalten können und das möglichst ohne Leistungsverlust. Zudem müssen bei Betrieb des Motors im LNG-Modus zusätzlich kritische Betriebszustände (des Zylinderdrucks), wie Klopfen, Zündaus- 54 antriebstechnik 9/2016

SENSORIK UND MESSTECHNIK 01 Arbeitsbereich Dual-Fuel-Motoren 02 400 kN/m-Kalibrieranlage bei HBM Darmstadt setzer oder Überlast, zuverlässig verhindert werden. Als Regelgröße dafür dient eine präzise Ermittlung des Lastsignals, sowohl für die leistungsverlustlose Umschaltung zwischen klassischen Marine-Treibstoffen und LNG als auch, um den Arbeitspunkt des Motors unabhängig von der Fahrsituation stets in seinem optimalen Betriebsfenster zu führen. Die Treibstoffeinspeisung wird dadurch signifikant reduziert und gleichzeitig eine Effizienzsteigerung erreicht. Zur Ermittlung des Lastsignals wird die Antriebsleistung P aus einer genauen Messung des Drehmoments M am Motor und der Winkelgeschwindigkeit berechnet und an die zentrale elektronische Einheit gesendet. P = ω ∗ M Nur eine ausreichende Messgenauigkeit bei Drehmomentmessungen ermöglicht eine regelgerechte Steuerung dieser Schiffmotoren in ihrem optimalen Arbeitsfenster. Je genauer die Drehmomentinformation, desto präziser findet die Steuerung statt. Drehmoment kann indirekt oder direkt gemessen werden: Indirekte Drehmomentmessung Die indirekte Drehmomentmessung an einer im Antriebsstrang befindlichen Welle umfasst das Messen drehmomentbezogener Parameter und anschließende Berechnungen. Die Ermittlung dieser drehmomentbezogenen Parameter geschieht in der Regel durch: a) Dehnungsmessung an der Oberfläche der Eingangswelle. Hierzu werden Dehnungsmessstreifen direkt auf die Welle installiert und als Messbrücke verschaltet. Die Übertragung sowohl der Speisespannung der Messbrücke als auch des Messsignals findet berührungslos statt. b) Messung des Verdrehwinkels der Welle. Direkte Drehmomentmessung Bei der direkten Drehmomentmessung wird ein Inline-Drehmomentaufnehmer als integraler Bestandteil der Antriebswelle verwendet. Der Drehmomentaufnehmer wird bereits beim Hersteller mit geeigneten Kalibrieranlagen kalibriert. Der Aufnehmer kann auf einfache Art und Weise ein- und ausgebaut, ausgetauscht sowie rekalibriert werden. Beide Methoden bieten Vorteile, z. B. das Nachrüsten existierender Systeme. Abhängig von der Qualität der Installation und der verwendeten Komponenten kann der später zu berechnende Drehmomentwert aufgrund der Toleranzen eine große Unsicherheit haben, was letztendlich zu einer großen Messunsicherheit führt. Kalibrierung und Rückführbarkeit Um die zur Erfüllung der strengen Umweltbestimmungen in der Schifffahrtsindustrie erforderliche Präzision der Antriebsleistung oder den Wirkungsgrad sicherzustellen, stehen neben dem Messen großer Drehmomente auch die Kalibrierung und Rückführbarkeit dieser physikalischen Größe immer stärker im Fokus. Prinzipiell unterscheidet man drei Arten der Drehmomentkalibrierung: n Hebelarm-Masse-Systeme: Wirkt über einen Hebelarm bekannter Länge die Gewichtskraft kalibrierter Massen auf den Prüfling, wird ein genau definiertes Drehmoment erzeugt. n Die zweite in der Drehmomentkalibrierung eingesetzte Technik ist die Verwendung eines Kraft-Referenzaufnehmers mit einem Hebelarm. n Das dritte Prinzip ist ein Drehmoment-Referenzaufnehmer, der den Referenzwertliefert. Systeme mit Drehmoment-Referenzaufnehmern können jeden beliebigen Mechanismus zur Erzeugung des Drehmoments nutzen, das dann mit dem Drehmoment-Referenzaufnehmer gemessen wird. Zertifizierter Drehmoment-Messflansch Um diese Anforderungen zu erfüllen, kombiniert die neue Kalibrieranlage Eigenschaften der folgenden beiden für die Drehmomentkalibrierung genutzten Methoden: Das Hebelarm-Masse-System und die Methode mit einem Drehmoment-Referenzaufnehmer, der das Referenzdrehmoment liefert. Als Referenzaufnehmer wurden modifizierte Drehmomentaufnehmer T10FH/150 kN/m und T10FH/400 kN/m ausgewählt. Aufgrund der beiden Präzisionsreferenzaufnehmer konnte eine Messunsicherheit von 0,1 % erreicht werden. Den Hauptbeitrag zur Erreichung dieser Ergebnisse hinsichtlich der Unsicherheit leistet die dokumentierte, ununterbrochene Kette von Vergleichsmessungen, die diese Drehmomentaufnehmer auf den Referenzaufnehmer des deutschen Nationalen Normals zurückführt. Die Messunsicherheit des deutschen Nationalen Normals, der Kalibrieranlage mit 1,1 MN/m, auch als Drehmomentnormalanlage bezeichnet und im Besitz der PTB, auf die diese neue 400 kN/m-Kalibriereinrichtung rückführbar ist, liegt bei 0,08 %. Mit T40MAR bietet HBM einen speziell für den Einsatz in Antriebssystemen für Schiffe entwickelten und zertifizierten Drehmoment-Messflansch. Dessen Messgenauigkeit ermöglicht die Berechnung von Lastsignalen mit einer mindestens 10 Mal höheren Genauigkeit als von den aktuellen Umweltvorschriften der Schifffahrtsindus trie gefordert. www.hbm.com antriebstechnik 9/2016 55

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