3.6.1 Getriebe, Regler, Pumpen und Starter(-Generatoren)

"Bild 3.6.1-1" (Lit.3.6.1-3): Obwohl Anbaugetriebe einen vergleichsweise geringen Anteil an Ausfällen der Maschine haben, sind sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Elemente (Zahnräder, Gehäuse, Lager, Wellenverbindungen, Dichtungen, Ölversorgung) vielfältigen potenziellen Schadensmodi ausgesetzt.
Die Schäden können von unterschiedlichen Phasen des „Bauteillebens“ ursächlich beeinflusst sein. Im Folgenden wird dies an ausgewählten Beispielen dargestellt:

Fertigung: Leichtmetall-Gusslegierungen, insbesondere Mg-Sandguss, ein typischer Werkstoff älterer Derivattypen, weisen nicht selten durchgängige Porosität auf. Diese lässt sich zwar mit Infiltrieren und „Verdichten“ (Strahlen) der Oberfläche bei der Fertigung abdichten. Ein Überholvorgang (Entlacken, Entfetten, Reinigen) kann die Porosität jedoch wieder öffnen und vergrößern. Dies geschieht durch Auslösen der Kunststoff-Infiltration und/ oder chemischem Angriff des Grundwerkstoffs. So entstehen Undichtigkeiten, aus denen Öl oder Kraftstoff herausschwitzt. Werkstofffehler und Schwachstellen wie Porositätsfelder oder Oxidhäute können bei dynamischer Beanspruchung als Anriss wirken.

Unzureichend gelötete oder geschweißte Einspritzdüsen können bei Schwingermüdung abbrechen und in das Getriebe fallen.
Sind die Flanken kleiner schmaler Zähne einsatzgehärtet, kann es zu inneren Fehlern kommen. Es handelt sich um eine Folge von Wasserstoff-Versprödung, die im Betrieb Zahnbrüche auslöst.

Überholung: Die Eindring-Rissprüfung erfordert ein Entlacken und Entfetten sowie die Demontage aller Stahlteile (Lageraufnahmen, Gewindeeinsätze). So lässt sich chemischer Angriff und Korrosion durch Elementbildung vermeiden. Weil diese Befestigungselemente später wieder eingesetzt werden müssen, sind zum Ausgleich von Abtrag und Verschleiß (Betrieb, Demontage) größere Einsätze oder Beschichtungen der Passflächen in den Gehäusen vorgesehen. Das kann die Anzahl der möglichen Überholungen begrenzen.

Zahnradwellen werden an den Gleitflächen der Dichtringe verschlissen. Es entstehen auf den Wellen umlaufende Rillen. An diesen Zonen müssen die Teile abgearbeitet (Schleifen) und wieder auf den erforderlichen Durchmesser beschichtet werden (z.B. Verchromen). Im Rahmen dieser Reparatur wird auch die übliche Brünierung entfernt und wird später in einer heißen Lauge wieder aufgebracht. Dieser Reparaturvorgang kann Rissbildung auslösen und gravierende Schäden erzeugen. Solche Risse sind nicht immer bei der anschließenden magnetischen Rissprüfung sicher zu finden. Im Betrieb können die zum nicht abfangbaren Ausfall des Bauteils führen.

Betrieb: Es bestehen gute Chancen, dass sich konstruktionsbedingte Schwachstellen an Getrieben im Rahmen der Entwicklung und Erprobung zeigen. So werden sie vor der Serieneinführung vermieden. Dies mag der Grund sein, warum bei der Entwicklung immer wieder von Getriebeproblemen zu lesen ist, im Betrieb jedoch vergleichsweise wenig Schäden bekannt werden. Getriebe sind merklichen dynamischen Beanspruchungen über die Befestigungen, Zahnräder und An- bzw. Abtrieb unterworfen. Deshalb ist ein besonderes Augenmerk auf Fehler und Schwachstellen zu richten, die Schwinganrisse begünstigen können. Dies gilt besonders für Zahnräder

Ein besonderes Problem ist der „Ölhaushalt“ der Getriebe. Weisen diese „Totwasserzonen“ auf, in denen sich eine größere Menge Öl ansammeln kann, spricht man von „Oil Hiding“. Dies kann im Extremfall zu Ölmangel an Hauptlagern führen.

Die häufig als dünne, mit Schellen an der Getriebewand befestigten Röhrchen ausgebildeten Düsen können zu Schwingungen angeregt werden und Schwingbrüche erleiden. Spontane Schäden sind die Folge, wenn die Bruchstücke zwischen Zahnräder gelangen. Kommt es lediglich zu örtlichem Schmierstoffmangel, ist nach einiger Zeit mit Zahnrad- und Lagerschäden zu rechnen. Solche Schäden zeigen sich meist frühzeitig mit Spänen an Magnetstopfen ( "Bild 3.5-5"). Erfahrungsgemäß treten Schwingbrüche an Öldüsen in Kerben wie Übergängen zu Verteilerstücken, Lötungen und Schweißungen auf. Deshalb sollten solche Zonen nicht in Bereiche potenziell hoher Schwingbeanspruchung, also in Nähe der Schellen gelegt werden.

Zahnradschäden werden im Kapitel ‘Stationäre Getriebe’ behandelt (Bilder 3.7.2-5.1, -5.2, - 5.3).

Wälzlagerschäden sind in "Bild 3.5-11" zusammengestellt.

Zum Betrieb gehören in manchen Fällen auch längere Stillstandszeiten. Diese können auf Elemente des Getriebes wie Lager (Korrosion, Brinelling) und Dichtungen schädigend wirken. Bei O-Ringen wird von Alterung mit Versprödung und bleibender Verformung berichtet ( "Bild 4.2.3.2-1"). Denkbar sind auch Undichtigkeiten und/oder Heißlauf von Wellendichtringen ( "Bild 4.2.3.2-6") beim Anfahren auf trockenen Flächen, deren Ölfilm abgelaufen war

"Bild 3.6.1-2" (Lit. 3.6.1-5): Leckstellen und Schäden an Rohrleitungen von Gasturbinen können unterschiedliche Ursachen haben.

„A“ Risse und Brüche: In den meisten Fällen dürfte es sich um Schwingermüdung handeln. Dabei sind besonders die Rohrzonen in der Nähe der Einspannstelle gefährdet. Das kann mehrere Gründe haben:

• Hohe Biegespannungen als Folge des Hebelarms bei Schwingungen und Verspannung ( "Bild 3.6.1-3").
• Steifigkeitssprung zur Befestigung (Flansch, Verschraubung).
• Ungünstige Lage von Schweißnähten.
• Verunreinigungen mit aggressiven Medien wie zersetztes Hydrauliköl können spontane Rissbildung (Spannungsrisskorrosion) auslösen. So reagieren z.B. Titanwerkstoffe unter Zugspannungen bei Halogenen wie Chlor auf diese Schadensart empfindlich.

„B“ Scheuerstellen bedeuten eine besondere Gefahr. Das zeigt der komplexe Verlauf und die Anordnung der Leitungen einer Gasturbine. Dabei wird verständlich, dass hier durchaus ein Potenzial für Berührungen der Leitungen besteht. Natürlich wird bereits bei der Konstruktion dafür gesorgt, dass das nicht eintritt. Trotzdem zeigt die Erfahrung, dass verschiedene Einflüsse dazu führen können. Verwendung ähnlicher (nicht gleicher!) Teile. Dazu gehören andere Varianten des gleichen Maschinentyps Probleme bei der Fixierung, z.B. Versagen oder Fehlen einer Halterung (Rohrschelle). Lose Rohrschellen verschleißen die Rohrwand.

Bei der Berührung einer Rohrleitung mit einem anderen Bauteil wie einem Gehäuse, einer anderen Rohrleitung, Kabel, Abdeckung, Sicherungsdraht u.s.w. kann eine Schädigung auf mehrfache Weise auftreten:

• Schwächung des Querschnitts bis zum Versagen (Gewalt, Schwingungen).
• Kerbwirkung die einen Schwingbruch auslöst bzw. begünstigt.
• Schädigung des Rohrwerkstoffs durch Schwingverschleiß (Fretting). Diese Gefahr ist bei Titanlegierungen besonders groß.

„C“ Anschmelzungen: Die Gefahr, dass eine Rohrleitung durch- oder angeschmolzen wird besteht bei konzentrierter Flammeneinwirkung und elektrischen Funken/Lichtbögen. Beides kann im Zusammenhang mit Rohrleitungsschäden auftreten. Ist eine Rohrleitung auf der Innenseite nicht ausreichend gekühlt, begünstigt das bei großer Wärmezufuhr die Überhitzungsgefahr. Problematisch ist eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit bis zur leeren Leitung. Dabei kann es sich um eine Schadensfolge handeln (z.B. Ausfall einer Pumpe).

„D“ Beschädigungen durch Bruchstücke: Treten Bruchstücke eines Rotorschadens aus dem Gehäuse (uncontained failure), besteht unmittelbare Gefahr des Lecks einer beschädigten Rohrleitung. Der Konstrukteur versucht bereits bei der Planung von Rohrleitungen dieses Risiko zu minimieren.

„E“ Lose Verschraubung: Verschraubungen können bereits bei Wartung-/Montage nicht ausreichend angezogen werden (Bild 4.2.3.1- 1). Hier spielt besonders die Zugänglichkeit und Sichtkontrolle eine Rolle (Human Factors). Sie sind bereits bei der Konstruktion zu berücksichtigen. Es kann auch ein Problem mit abdichtenden Elastomerelementen wie ORingen geben. Denkbar sind Beschädigungen ( "Bild 4.2.3.2-2"), Verlagerungen oder ein vergessener Einbau.
Weitere Möglichkeiten sind die Lockerung der Mutter und/oder eine Schädigung des Dichtelements im Betrieb. Eine Lockerung ist erfahrungsgemäß wahrscheinlich Folge von Montagemängeln. In solchen Fällen können Vibrationen und Wärmedehnungen das Leck auslösen.
Bei Prüfläufen nach der Montage werden solche Lecks nicht immer gefunden werden. Das ist besonders dann der Fall, wenn nicht die volle Leistung angefahren wurde. Sind die Drücke (Kraftstoff, Öl) nicht hoch genug, tritt kein merkliches Leck auf.

„F“ Lose Flansche: Stehbolzen oder Flanschschrauben sowie T-Kopf-Schrauben von VBändern können sich lockern oder versagen ( "Bild 4.2.3.1-3").
Eine mögliche Ursache sind Reparatur- und/ oder Montagemängel.
Die verwendeten Schrauben aus hochfesten Stählen können bei Fertigungsmängeln wie Wärmebehandlungfehlern und Wasserstoffversprödung brechen.
Eine weitere Möglichkeit für ein Leck im Bereich eines Flanschs ist eine versagende Elastomerdichtung zwischen den Dichtflächen. Auch hier kann die ganze Palette der Ursachen wie Materialprobleme (Alterung, "Bild 4.2.3.2-1") und Montage relevant sein.

"Bild 3.6.1-3" (Lit. 3.6.1-5): Schwingrisse in Rohrleitungen sind nicht selten auf eine mechanische Verspannung zurückzuführen. Die dynamische Belastung kann bei Vibrationen und/oder niedrigfrequenten zyklischen Dehnungen durch Temperatur- oder Innendruckzyklen auftreten.

Eine Verspannung bzw. Vorspannung senkt als Mittelspannungserhöhung die Schwingfestigkeit des Rohrleitungswerkstoffs (Diagramm oben rechts). Damit wird ein Überschreiten der auslegungsgerechten, dynamischen Betriebsbeanspruchungen wahrscheinlicher

Ursachen für die Verspannung einer Rohrleitung (Skizze oben links):

Maßungenauigkeiten aus der Fertigung können sowohl an den Endanschlüssen als auch im Bereich der Schellen eine elastische Verbiegung erfordern. Beim Anziehen der Verschraubung, sind besonders im Bereich der Enden hohe Spannungen zu erwarten.
Der Rahmen zeigt die Abfolge des Befestigungsvorgangs einer Rohrleitung für eine kontrollierbare, möglichst niedrige Vorspannung. Grundsätzlich gelten jedoch die Anweisungen der Vorschriften bzw. Handbücher des OEM.

Beschädigungen vor dem Einbau können zu einer ähnlichen Situation wie Maßabweichungen führen. Es ist aber auch möglich, dass eine bereits montierte Leitung beschädigt, d.h. plastisch verformt wurde. In diesem Fall führt die Rückfederung zur Verspannung.
Die Risslage wird natürlich von Kerben und Formänderungen wie Beulen beeinflusst. Ein Schwingriss ist wegen der Zugspannungen im Bereich der Endanschlüsse auf der Rohrseite, die der Deformation gegenüber liegt, zu erwarten.

Betriebsbedingte Verspannung kann eine Folge unterschiedlicher Wärmedehnungen zwischen Rohr und Befestigungen sein. Ein Beispiel ist ein kraftstoffgekühltes Rohr das an einem heißeren Gehäuse bzw. Anbaugeräten befestigt ist. Ähnliche Verhältnisse entstehen, wenn mechanische Betriebskräfte Anschlüsse und/oder Schellen auslenken.
Auch ein hoher Innendruck kann ein gekrümmtes Rohr zwischen den Anschlüssen elastisch verformen und so Spannungen aufbauen. Eigenspannungen begünstigen als Zugspannungen die Schwingermüdung. Solche Spannungen werden von der Fertigung eingebracht. Sie entstehen beim Schweißen, mechanischer Bearbeitung und besonders bei Richtvorgängen. Dabei sind Verfahrensabweichungen besonders problematisch. Als Folge einer plastischen Verformung (Beschädigung) entstehen durch Rückfedern ebenfalls Zugspannungen. Sie können sich je nach Größe der verformten Zone eher um die Verformung konzentrieren, oder über die Rohrlänge verteilen.

"Bild 3.6.1-4" (Lit. 3.6.1-4): Besonders viele Bauteile älterer Maschinentypen wurden als Alund Mg-Sandguss hergestellt. Es handelte sich z.B. um Verdichtereintrittsgehäuse mit Lagerkammer, vordere Verdichtergehäuse Gehäuse der Anbaugeräte wie Getriebe und Pumpen.

Solche Gussteile waren für die typischen Fehler dieser Gusstechnologie anfällig. Eine gewisse Lunkerbildung oder Fehlstellen, die von kleinen Fragmenten der Gusshäute aus dem Gießstrahl gebildet wurden, waren unvermeidlich. Die nutzbare Schwingfestigkeit dieser Werkstoffe ist, abgesehen vom Gefügeeinfluss und der fehlenden Dauerfestigkeit, gering. Die wichtigsten im Betrieb auftauchenden Fehlstellen sind:

Schrumpflunker die örtlich den gesamten Querschnitt durchziehen können (Detail „1“) sind ein typisches Problem größerer Sandgussteile, insbesondere von Getriebegehäusen. Solche Leckstellen können mit Hilfe einer Infiltration mit organischen (Kunstharzen) und anorganischen (z.B. Wasserglas) Medien am Neuteil geschlossen werden. Diese Abdichtung lässt sich mit dem Strahlen der Oberfläche (z.B. AlKugeln) unterstützen. Erfahrungsgemäß besteht bei mehrfachen Überholungsvorgängen mit Entlackung und Entschichtung die Gefahr, dass Lunker wieder geöffnet werden und Undichtigkeit auftritt. Ist erst einmal Öl in Lunker eingedrungen, erschwert dies eine erneute Abdichtung und kann so das Lebensdauerende des Bauteils erzwingen.

Größere Oxidhäute (Detail „2“): Sie entsprechen einer rissähnlichen Trennung und sind mit Röntgen oder Eindringprüfung nur schwer zu finden. Gegebenenfalls kann es wegen ihrer Größe bereits nach kurzen Betriebszeiten zum spontanen Bruch des Bauteils kommen.

Blasen und Gasporen: Es handelt sich um Gaseinschlüsse, die entweder aus dem Gießprozess (Detail „4“) stammen oder im Zusammenhang mit einer üblichen Nachbesserungsschweißung (Detail “3“) am Neuteil im Bereich von Lunkerfeldern stehen. Solche Fehlstellen sollten mit Röntgen ausreichend sicher zu finden sein.

"Bild 3.6.1-5" (Lit. 3.6.1-1): Korrosionsangriff an der Kante eines lackierten Getriebegehäuses aus einer Mg-Gusslegierung. Typisch ist der lochfraßartige Angriff unter Einwirkung von Meeresatmosphäre (Cl-Ionen, "Bild 3.1.2.3-1"). Eine Reparatur ist im Bereich mechanisch niedrig belasteter Querschnitte durch Ausfüllen mit Kunststoffmassen möglich.

Ein gut und vorschriftsmäßig ausgeführter Korrosionsschutz gewährleistet bei Magnesiumteilen erfahrungsgemäß lange schadensfreie Betriebszeiten. Wenn Korrosion auftritt, ist die Ursache deshalb in den ungenügenden Eigenschaften oder Beschädigungen der Beschichtung zu suchen.

Die Korrosion an Kanten geht meist von örtlichen mechanischen Verletzungen der Lackschicht, nicht ausreichend dichtem Lack oder Lackfehlern aus. Sie wird im Flanschbereich von Spaltkorrosionsbedingungen und Elementbildung im Kontakt mit der Gegenfläche unterstützt

Korrosionsgrübchen auf lackierten Flächen stehen häufig im Zusammenhang mit einer ungenügenden Vorbereitung der zu lackierenden Fläche. Typisch sind Rückstände von Reinigungsbädern und Strahlgut. Es kommt zu Blasenbildung durch Korrosion zwischen Schicht und Grundmaterial.

"Bild 3.6.1-6" (Lit. 3.6.1-6 und Lit. 3.6.1-7): Die Bogenzahnkupplung dient der Übertragung großer Leistungen wie von einer Arbeitsturbine ( "Bild 2.1-2"). Solche Kupplungen sollten vorzugsweise über eine Ölumlaufschmierung verfügen. Bei Fett- oder Ölfüllungen besteht die Gefahr der Undichtigkeit (O-Ringe, "Bild 4.2.3.2-1"). Der Schmierstoffmangel wird dann erfahrungsgemäß erst bei einer Sichtkontrolle bemerkt. Starker Verschleiß bis zu Reibverschweißungen sind die Folgen. Dadurch können unzulässige Axialkräfte auf die Wellen wirken.

Kardanwellen kommen bei großen Winkeln zwischen den Wellen zum Einsatz. Axialer Versatz erfordert zusätzlich ein zweites Gelenk mit einer Zwischenwelle (Skizze links). Das betrifft eher Nebengeräte wie kleinere Pumpen oder Generatoren. Bei Kardanwellen ist unbedingt zu berücksichtigen, dass sich bei einer Umdrehung die Winkelgeschwindigkeiten periodisch ändern. Das kann zu heftigen Torsionsschwingungen mit Ermüdungsschäden in den angeschlossenen Aggregaten führen (Beispiel 3.6.1-1). Betroffene Regler können mit einer Fehlfunktion das Betriebsverhalten der Maschine bedenklich beeinflussen.

"Bild 3.6.1-7": (Lit. 3.6.1-5): Wellenkupplungen mit Vielkeilverzahnungen werden in Gasturbinen, besonders Derivaten, häufig angewendet und sind bewährt. Ein großer Vorteil ist die einfache Montage durch axiales Zusammenschieben. Das kommt z.B. der Montage/Demontage von Anbaugeräten wie Generatoren, Reglern und Pumpen zugute. Trotz dieser Vorteile sind Keilverzahnungen unter ungünstigen Betriebsbedingungen auch eine potenzielle Schwachstelle. Sie sind in erster Linie Reibverschleiß (Fretting) ausgesetzt. Dieser führt zu einem Abtrag der belasteten Flanken. Im Extremfall kommt es zum Bruch der verbleibenden Zahnquerschnitte und so zum Versagen der Kupplung

Um diese Schäden zu verhindern, ist eine ausreichende Schmierung von großer Bedeutung. Sie sollte der Anwendung angepasst sein.

• Schmieröl ist bei Komponenten des Ölsystems üblich.
• Lecköl aus benachbarten Dichtungen (z.B. Wellendichtringe, Kapitel 4.2.3). Dies ist eine häufige Schmierung. Oft ist sie nicht bewusst. Damit besteht die Gefahr der Verschlimmbesserung. Bemühungen, auch letzte Undichtigkeiten zu unterbinden, können zu unerwarteten Ausfällen von Vielkeilverzahnungen führen. Zeigen sich solche Schäden erst nach längeren Betriebszeiten, wird das Problem verschärft. Dann ist der Umfang betroffener Komponenten/Gasturbinen bereits groß.
• Trockenschmierschichten (z.B. Grafit- oder MoS2 - haltig) werden für Kupplungen die nicht vom Öl erreichbar sind verwendet. Sie sind auf für eine Ölschmierung zu hohe Betriebstemperaturen abgestimmt. Das ist bei Kupplungen von Hauptwellen häufig der Fall.
• Kraftstoff dient in Wellenverbindungen von Reglern und Pumpen als Schmiermittel. Die vergleichsweise schlechte Schmierfähigkeit des Kraftstoffs erfordert eine besonders sorgfältige Auswahl des Tribosystems.

Die Schmierung beeinflusst den Verschleiß zusätzlich mit Konsistenz und Abtransport der Verschleißprodukte. Meist sind es Oxide, man spricht von Reibrost. Verbleiben diese in der Verzahnung, erzeugt ihr im Vergleich mit Stahl vergrößertes Volumen eine „Sprengwirkung“. Diese kann Schwinganrisse und Brüche begünstigen. Werden die Verschleißprodukte aus der Verzahnung transportiert, vergrößert sich das Spiel und so die Relativbewegungen. Es kommt zu stoßartiger Belastung (Stoßverschleiß). Das fördert den Verschleiß weiter. Je nach Schmierung kann zusätzlich die Werkstoffkombination der aufeinander liegenden Kupplungszähne von entscheidender Bedeutung für das Verschleißverhalten sein. Das ist besonders bei Reparaturbeschichtungen zu berücksichtigen. Falls die Beschichtung in irgend einer Weise (z.B. Vorbehandlung, Produkt, Aufbringverfahren) von Handbuchangaben abweicht, ist der OEM zu konsultieren. Im Zweifelsfall sind geeignete Nachweise zu führen. Diese erfordern, wie für Verschleißvorgänge typisch, den relevanten Betrieb.

Die vorliegende Verschleißart wird nicht ohne Grund als Reibkorrosion (engl. fretting corrosion) bezeichnet. Der Korrosionseinfluss hat bei der Bildung der Verschleißoxide große Bedeutung. Als Elektrolyt kommt in erster Linie Meeresatmosphäre bzw. im Stillstand mit Meersalz verunreinigtes Schwitzwasser in Betracht. Der feine metallische Abrieb ist bei der Entstehung chemisch höchst aktiv. Er reagiert besonders auf oxidierende und korrosive Einflüsse

Neben den Schmierbedingungen spielen die Mikrobewegungen zwischen den anliegenden Zahnflanken eine bedeutende Rolle. Sie können verschiedene Ursachen haben, die auch kombiniert auftreten:

• Fluchtungsfehler der Wellenanschlüsse,
• Schwingungen des Wellensystems,
• Anfahrstöße,
• unterschiedliche Elastizität der Kupplungsteile (Auslegung)

Ursachen für Rissbildung in Vielkeilkupplungen sind wahrscheinlich:

• Herstellungsbedingt durch Schleifen und/ oder Brünieren.
• Schwingrisse. Diese können sich von Verschleißkerben in der Verzahnung auch auf der Hohlseite entwickeln. Bei Schwingüberlastung unter Torsion sind Axialrisse am Zahngrund zu erwarten
• Hohe Biegebelastungen können Risse in einer Sollbruchstelle des benachbarten Wellenschafts auslösen.