3.5.1 Probleme, ihre Ursachen und Abhilfen bei Ölsystem und Lagerungen

"Bild 3.5-1": Typischer Aufbau und Komponenten des Ölsystems einer Gasturbine am Beispiel einer Hauptlagerkammer im Turbinenbereich. Jede Lagerkammer benötigt zumindest eine Frischölzufuhr, den Abfluss des Rücköls und eine Entlüftung. Das Rücköl gelangt in den Rückölfilter ( "Bild 3.5-3") der üblicherweise mit einem Magnetstopfen ( "Bild 3.5-5") ausgerüstet ist. Hier werden die meisten Partikel aus der Maschine aufgefangen. Nun fließt das Öl in die Rückölpumpe, über Ölkühler, Öltank, Frischölpumpe und den Frischölfilter, der ebenfalls mit einem Magnetstopfen ausgerüstet ist, wieder zur Lagerkammer. Die Feinheit des Ölfilters ist von besonderer Bedeutung für die Lebensdauer der Lager. Sie richtet sich nach der Ölfilmdicke zwischen Wälzkörpern und Lagerlaufbahnen ( "Bild 3.5-2"). Luft und Ölnebel aus der Lagerkammer werden über die Entlüftung in den Ölabscheider transportiert. Von hier geht das abgeschiedene Öl in den Öltank und steht damit dem Kreislauf wieder zur Verfügung.

"Bild 3.5-2": Der Trend zu Leistungskonzentration und verbesserten Wirkungsgraden führt in der Tendenz zu höheren (Wälz-) Lagerbelastungen, Abrollgeschwindigkeiten und Lagertemperaturen. Die Öltemperaturen steigen entsprechend diesem Trend. Wälzlager sollten unter sogenannten EHD-Bedingungen (Elastohydrodynamisch Skizze oben links) zwischen Wälzkörpern und Lagerlaufflächen arbeiten. Dabei trennt ein tragender Ölfilm die Laufflächen. Das vermeidet Laufbahnbeschädigungen (Eindrücke) und Verschleiß. Wird dieser Schmierfilm durchbrochen (Lit. 3.5-2) besteht die Gefahr von Folgeschäden, meist durch Wälzermüdung der Lagerlaufbahnen (Bild 3.5- 10). Typische Ursachen für eine solche Situation sind:

• Ungewöhnlich hohe Lagerlasten oder Rutschen der Wälzkörper (engl. „skidding“). Beides führt zu Mischreibung (Skizze oben Mitte).
• Verunreinigungspartikel (Skizze oben rechts) im Öl. Je dicker der Schmierfilm, desto unempfindlicher ist das Lager dafür. Diesen Zusammenhang zeigt die sogenannte Macpherson Kurve. Aus ihr ist zu entnehmen, dass Frischölfilter, die Partikel unter 0,01 mm abscheiden, einen exponentiellen Lebensdaueranstieg der Wälzlager gegenüber gröberen Filtern erwarten lassen. Die Schmierfilmdicke ist besonders von den Lagerkräften und der Ölviskosität abhängig. Beim Anstieg der Temperatur wird das Öl flüssiger, der tragende Ölfilm wird dünner. So kann er leichter von kleineren Verschmutzungspartikeln schädigend durchbrochen werden. Aus diesem Grund werden Anforderungen an die Feinheit der Filter höher. Wird eine besondere Empfindlichkeit der Wälzlager eines Maschinentyps gegen Laufflächenermüdung beobachtet, sollte die Einführung feinerer Filter ins Auge gefasst werden. Hierzu ist eine Absprache und Zustimmung des OEMs notwendig.

"Bild 3.5-3" (Lit. 3.5-6): Ablagerungen in den Ölfiltern, besonders aus dem Rückölfilter, sind ein Indiz für die „Gesundheit“ der Maschine. Sie können rechtzeitig Auskunft über den Zustand der Bauteile im Ölkreislauf und eventuell sich anbahnender Probleme geben.

In dem dargestellten Ölfiltersystem ist “1“ die eigentliche Filterpatrone mit den Filterlamellen. “2“ kennzeichnet den Deckel des Filtergehäuses zum Tausch der Patrone. Bei “3“ handelt es sich um ein Verschlussventil, das bei Entnahme der Filterpatrone den Ölaustritt begrenzt. Die Einzelheit zeigt ein kleines Stück Filteroberfläche auf der Einströmseite mit typischen abgeschiedenen Partikeln:

“A”: unmagnetischer Metallspan (wenn er magnetisch wäre, hinge er wahrscheinlich am Magnetstopfen).

“B”: Ruß, oder Kokspartikel.

“C”: Überschüssige Dichtungspastenreste.

“D”: Mineralisches Partikel wie Strahlmittel aus Reinigungsvorgängen. Sie können bei Neufertigung und Überholung eingebracht werden.

“D”: Mineralisches Partikel wie Strahlmittel aus Reinigungsvorgängen. Sie können bei Neufertigung und Überholung eingebracht werden.

“F”: Unmagnetische Metallgrate, z.B. von den Labyrinthspitzen eines Bauteils aus einer NiLegierung oder von einem verschlissenen Wälzlagerkäfig aus Bronze.

"Bild 3.5-4": Eine Ölanalyse kann zur Identifikation und Früherkennung von Problemen der Maschine dienen. Dies ist der Fall, wenn Partikel im Ölkreislauf zirkulieren, die so fein sind (< 0,001 mm = ca. 1/50 eines Haares!), dass sie die Ölfilter passieren und sich als Schwebestoffe im Öl halten. Die typischen Konzentrationen der Partikel im Öl liegen in millionstel Gewichtsanteilen (ppm). Übliche Metalle, die als Feinstabrieb im Ölkreislauf gefunden werden, sind:

Fe von Stählen aus Zahnrädern, Zahnkupplungen ( "Bild 3.6.1-7") und Lagern.

Ni aus Ni-Legierungen von Labyrinthspitzen oder aus Ni-Grafit-Einlaufschichten ( "Bild 3.1.2.4-4").

Cr von verchromten Dichtungslaufflächen oder aufgechromten Lagersitzen.

Ti von Frettingverschleiß zwischen Stahl und Ti-Legierungen von Lagersitzen an Ti-Wellen oder Ti- Gehäusen.

Cu oder Messing von Lagerkäfigen.

Wichtig für die Nutzung dieser Überwachungsmöglichkeit ist, dass vom OEM Erfahrungs- und Grenzwerte angegeben werden. Praxisbewährte Analyseverfahren erfordern lediglich eine kleine Ölprobe. Für eine erfolgreiche Auswertung der Ergebnisse ist der Zeitpunkt der Probenentnahme bzw. die Kenntnis der zugehörigen Betriebsstunden Voraussetzung. Zu beachten ist, dass durch Ölnachfüllen (“A“) und Öltausch (“B“) der Kurvenverlauf beeinflusst wird. Ein plötzlicher Anstieg der Kurve (“1“,“2„,“3“) ist besonders zu beobachten. Wenn der Trend sich nicht wieder normalisiert, kündigt sich ein Schaden an. Filter- ( "Bild 3.5-3") und Magnetstopfenablagerungen ( "Bild 3.5-5" und Bild "Bild 3.5-7") sind zusätzlich zur sichereren Identifikation des Problems auszuwerten.

"Bild 3.5-5" (Lit. 3.5-6): Gelangt ein ferromagnetisches Partikel in den Ölkreislauf, kann dieses von einem der Magnetstopfen festgehalten werden. Ferromagnetismus können unter besonderen Enflüssen auch metallische Werkstoffe aufweisen, die als unmagnetisch gelten. Beispiele sind CrNi-Stähle vom Typ 18/8 die stark plastisch verformt wurden.

Es gibt eine Vielzahl magnetischer Partikel mit charakteristischen Merkmalen, die dem Fachmann Art und Herkunft verraten. Hier einige typische Anlagerungen von Magnetstopfen:

Ermüdungsausbruch “A“ einer Lauffläche. Solche Ausbrüche bilden sich an dynamisch hoch beanspruchten Berührungsflächen wie Zahnflanken ( "Bild 3.7.2-5.1") und Lagerlaufbahnen ( "Bild 3.5-10"). Diese Partikel werden gewöhnlich erst nach längeren Betriebszeiten gefunden und sind immer ein Alarmzeichen ( "Bild 4.1-4"). Sie machen zumindest Magnetstopfenkontrollen in kurzen Zeitsabständen erforderlich, um gegebenenfalls einen größeren Schaden abzufangen.

Bei Schneidvorgängen entstehen Späne, wie sie “B” zeigt. Solche Späne können sich beim Anlaufen rotierender Kanten an einer Gegenfläche bilden. Typische Beispiele sind der Anlauf von Schaltzahnrädern oder das Anstreifen von Labyrinthspitzen.

Späne von einer Bearbeitung “C“ lassen sich auf Grund einer typischen Geometrie und Oberflächenstruktur identifizieren. Ihr Auftreten weist auf eine unzureichende Reinigung der Teile bei der Neuteilfertigung oder Reparatur hin. Bearbeitungsspäne sind bereits von „Spülläufen“ vor der eigentlichen Inbetriebnahme zu erwarten. Späne von Anstreifvorgängen entstehen in den ersten Betriebsstunden im Rahmen des Einlaufs.

Magnetische Kugeln “D” oder unregelmäßig abgerundete Teilchen in der dargestellten Größenordnung sind nicht selten Strahlgut von Kugelstrahlverfahren.

"Bild 3.5-6" (Lit. 3.5-5): Leistungskonzentration und damit steigende Betriebstemperaturen moderner Maschinen begünstigen einen Anstieg der Lager- und Öltemperaturen. So erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Ölfeuern in Lagerkammern und Ölkreislauf (Lit 3.5-1). Das Entflammbarkeitsdiagramm für ein typisches Schmieröl (Ester-Öl nach Mil -L- 23699) kann Auskunft über die Zusammenhänge geben. Ölfeuer lassen sich unter bestimmten Bedingungen im grau gekennzeichneten Feld “fremd“ zünden. Bei “S“ liegt das Öldampf/ Luftgemisch im stöchiometrischen Bereich. Im schwarzen Feld (ab ca. 430 °C) ist eine Selbstentzündung möglich. Diese hohen Temperaturen können in der Lagerkammer bei Heißgaseinbruch nach einem Versagen der Dichtungen oder in besonders heißen Zonen einer nicht ausreichend isolierten Lagerkammerwand auftreten.

Die Fremdzündung des Öls kann von einem stark anstreifenden Labyrinth oder durch einen Lagerschaden ausgelöst werden. Die Bedingungen für ein stabiles Ölfeuer sind nur in bestimmten Betriebszuständen gegeben. Außerhalb dieser kann das Feuer wieder verlöschen und unbemerkt bleiben. Wenn ein Ölfeuer auftritt, bedeutet das eine potenzielle Überhitzungsgefahr betroffener Bauteile.

Über dem Zündbereich ist das Öl/Luftgemisch zu “fett“ (zu hoher Ölanteil), darunter zu “mager“ um zu zünden. Als Maß für den Ölanteil im Gemisch mit Luft ist auf der Ordinate links die Schmieröldampfkonzentration, rechts der Dampfdruck aufgetragen.

"Bild 3.5-7": Der am Magnetstopfen gesammelte “Abrieb“ besteht aus ferromagnetischen Partikeln unterschiedlichster Herkunft (Bild 3.5- 5) und Entstehungsmechanismen. Weichen die Anlagerungen nach dem Bewertungsmaßstab des OEMs in Art und Menge von den zulässigen Werten ab, ist es vorteilhaft, anhand eines Entscheidungsbaums das weitere Vorgehen zu klären ( "Bild 4.1-4"). Die Menge des Abriebs ist häufig nach einer Revision oder Überholung am größten und nimmt dann deutlich ab.

Ein Wiederanstieg ist, entsprechend den Herstellerangaben, aufmerksam zu beobachten. Hierzu ist eine Dokumentation wie in Bild 3.5- 4 hilfreich. Abdrücke von Anlagerungen werden mit einem Spezial-Klebefilm, zur Not auch mit einem “Tesafilm”, gesichert. Sie werden auf dem Blatt mit den notwendigen Vermerken gesammelt. Festzuhalten ist das Datum und der Anlass der Probenentnahme, die Betriebsstunden und die Magnetstopfenkennzeichnung, wenn mehrere vorhanden sind. So stehen die Befunde eventuell späteren Untersuchungen zur Verfügung. Das Blatt mit den gesammelten Abriebfolien wird der Dokumentation der Maschine beigelegt. Damit lässt sich überprüfen, ab welchem Zeitpunkt sich ein größerer Schaden entwickelte. Es besteht auch die Chance für Rückschlüsse auf den Ablauf des Schadens.

"Bild 3.5-8": (Lit.3.5-6): Es handelte sich um ein hartnäckiges Verkokungsproblem an Triebwerken die auch als Derivate zum Einsatz kommen. Einen ungünstigen Einfluss hatte offenbar die Reinigung der Rohre durch „Ausbrennen“. Dabei nahm die Haftfestiggkeit verbliebener Koksschichten ab. Nun konnten sie sich leichter im Betrieb lösen und den Ölfluss behindern. Das veranlasste den OEM zu einer Umstellung auf eine alkalische Spülung (flushing method). Weil jede Methode ihre spezifischen Vorteile hat, wendete der Betreiber nun vorsichtshalber beide Methoden in Folge an

Es zeigte sich, dass die Art des Ölwechsels für das Abplatzen bereits vorhandener Koksablagerungen in der Frischölleitung entscheidend ist. Verantwortlich war die hohe Additivkonzentration im frischen Öl. Diese unterstützt ein Ablösen des Koksbelags. Eine zusätzliche Verstärkung der Koksbildung als Folge vermischter alter und neuer Ölsorte ließ sich jedoch nicht ausschließen.

Eine Durchflussmessung war die einzige vorbeugende Prüfung auf blockierte Öldüsen. Die erforderliche Vorrichtung stellte der OEM bereit. Die Prüfungen werden im monatlichen Abstand wiederholt.

Es erfolgte eine Umstellung der Prozedur des Ölwechsels von Ablassen und Auffüllen (engl. drain and flush) auf Nachgießen (engl. topup method).

Zusätzlich wurden die betroffenen Ölleitungen demontierbar gestaltet. Das erleichterte die Wartungsarbeiten in kritischen Bereichen.
Untersuchungen des OEM ließen zusätzliche Sicherheit von einer Überwachung des Öldrucks (monitoring) erwarten.