Kupplungsschäden an Schiffskompressoren

Auf einem neu gebauten LPG-Tanker (Abbildung 1) traten bereits wenige Wochen nach der Inbetriebnahme Kupplungsschäden an den drei von E-Motoren angetriebenen Kolbenverdichtern auf. Verschiedene Maßnahmen, wie Kupplungsaustausch, Überprüfung des theoretischen Festigkeitsnachweises sowie Neuausrichtung von Motor und Kompressor führten zu keiner wesentlichen Verbesserung der Situation. Nach weitergehenden theoretischen Untersuchungen wurde aufgrund eines Hinweises auf mögliche Resonanzprobleme eine gezielte meßtechnische Ursachenanalyse der aufgetretenen Schäden beauftragt.

Diese schwingungstechnische Analyse der Verdichteranlage wurde während einer Überfahrt von Houston, Texas, durch den Golf von Mexiko nach Panama durchgeführt. Den Schwerpunkt der Untersuchung bildete neben der Ermittlung der absoluten Anlagenschwingungen und der Wellenschwingung die Erfassung des dynamischen Drehmomentverlaufes im Antriebsstrang (siehe Abbildung 2). Durch Applikation von Dehnungsmeßstreifen auf der Antriebseinheit und einer Signalübertragungsstrecke per Telemetrie wurde das Drehmoment der rotierenden Antriebswelle beim Hoch- und Abfahren sowie bei unterschiedlichen Lastzyklen im Betrieb des Verdichters erfaßt.

Diese Drehmomentmessung (siehe Abbildung 3) zeigte eine markante, dem Nenndrehmoment überlagerte Torsionsschwingung in der doppelten Drehfrequenz der Anlage, die zu einer schädigenden Wechselbeanspruchung der Kupplung führte. Eine Torsionseigenfrequenz-Analyse im Stillstand der Anlage ergab, daß die erste Torsionseigenfrequenz des Antriebsstranges in unmittelbarer Frequenznähe der doppelten Betriebsdrehzahl des Kompressors lag. Die Anregung erfolgte nicht direkt durch den Motor sondern rückwirkend über die Kompressorseite. Damit war der Wirkungsmechanismus aufgedeckt und in einem zweiten Schritt wurden darauf aufbauend zielgerichtet Maßnahmen vorgeschlagen und konkret ausgelegt.

Aufgrund der Vor- und Nachteile der vorgeschlagenen Maßnahmen sowie der Kosten der konstruktiven Umsetzung wurde letztendlich der Zwischenwellendurchmesser vergrößert, wodurch die Torsionseigenfrequenz aus dem kritischen Erregerbereich verschoben wurde. Seit Realisierung dieser Maßnahme im Jahre 1999 trat an den insgesamt 3 Schiffen mit 10 baugleichen Verdichteranlagen kein Kupplungsversagen mehr auf.