Drehmomentberechnung bei elektrisch betätigten Ventilen

Bei der Auswahl elektrisch betätigter Ventile zählt das „Drehmoment“ zu den wichtigsten technischen Kriterien. Das Drehmoment ist die Drehkraft, die ein Stellantrieb aufbringen kann, um die Ventilwelle zu drehen bzw. das Ventil in Schließrichtung zu bewegen. In den Produktunterlagen von Belimo ist klar erkennbar, dass Drehantriebe in bestimmten Drehmomentklassen angeboten werden – zum Beispiel 1 Nm, 2 Nm, 5 Nm, 10 Nm, 20 Nm, 40 Nm und 160 Nm.

Ziel der Drehmomentberechnung ist nicht, „je nach Ventilnennweite einfach einen passenden Antrieb zu montieren“. Der richtige Ansatz besteht darin, zu verstehen, wie viel Drehkraft das Ventil unter realen Betriebsbedingungen tatsächlich benötigt. Spirax Sarco weist ausdrücklich darauf hin, dass bei der Antriebsauslegung der maximale Differenzdruck sowie die Angaben zur Ventil-/Antriebskombination aus den technischen Datenblättern des Herstellers heranzuziehen sind.

Was ist Drehmoment?

Drehmoment ist das Moment, das erforderlich ist, um eine Drehbewegung um eine Welle zu erzeugen. Bei elektrisch betätigten Ventilen wird dieses Moment benötigt, um den inneren Mechanismus des Ventils aus der geschlossenen in die offene Stellung, aus der offenen in die geschlossene Stellung oder in Zwischenstellungen zu bringen. In den grundlegenden Antriebsunterlagen von Siemens wird deutlich darauf hingewiesen, dass bei der Ventilauswahl und beim Antriebstausch die Werte „positioning force“ und „torque“ zu berücksichtigen sind.

In der Praxis bedeutet das: Ist das vom Stellantrieb erzeugte Drehmoment geringer als das vom Ventil benötigte, öffnet das Ventil gar nicht, schließt nicht vollständig oder arbeitet nur unter Zwang. Langfristig verkürzt dies die Lebensdauer des Antriebs, beeinträchtigt die Dichtheit des Ventils und führt zu Systemstörungen. Belimo stellt für Anwendungen mit Absperrklappen (butterfly valve) klar heraus, dass der Antrieb stark genug sein muss, um das Ventil sicher von geschlossen bis vollständig geöffnet zu fahren.

Warum ist die Drehmomentberechnung so wichtig?

Wird das Drehmoment falsch berechnet, treten im Feld sehr typische Probleme auf: Das Ventil bleibt halb stehen, leckt beim Schließen, kann sich bei hohem Differenzdruck nicht bewegen, hat bei häufigen Auf/Zu-Zyklen Schwierigkeiten oder der Antrieb wird überlastet. Siemens gibt in den Daten für motorisierte Ventile den „close-off pressure“ – also den maximalen Differenzdruck, gegen den das Ventil sicher schließen kann – als eigenes Auswahlkriterium an.

Besonders bei Absperrklappen wird das Thema noch kritischer. Laut dem technischen Leitfaden von Belimo wirken auf die Scheibe einer teilweise geöffneten Absperrklappe dynamische Strömungskräfte, die ein Drehmoment in Öffnungsrichtung erzeugen; dieser Effekt erreicht sein Maximum zwischen 60° und 85°. Dieselbe Quelle weist darauf hin, dass bei Ventilen mit weichdichtendem Sitz (resilient seat) im Bereich nahe der Schließstellung ein höheres Drehmoment erforderlich sein kann.

Die wichtigsten Faktoren, die das Drehmoment bei elektrisch betätigten Ventilen bestimmen

Die Drehmomentberechnung hängt nicht von einer einzigen Variablen ab. Mindestens die folgenden Punkte müssen gemeinsam bewertet werden:

1. Ventiltyp

Kugelhahn, Absperrklappe, Drehventil und lineares Regelventil weisen nicht dasselbe Drehmomentverhalten auf. Besonders bei Absperrklappen beeinflussen die Scheibengeometrie, die Sitzkonstruktion und die Winkelstellung den Drehmomentbedarf erheblich. Belimo weist darauf hin, dass bei Hochleistungs-Absperrklappen die „double offset“-Konstruktion den Sitzverschleiß reduziert und das erforderliche Drehmoment senkt.

2. Ventilnennweite

Mit zunehmendem Durchmesser steigt in der Regel auch der Drehmomentbedarf des Antriebs. Dass Siemens in den Bestell- und Kombinationsunterlagen für Absperrklappen innerhalb derselben Ventilbaureihe Antriebsvarianten mit unterschiedlichen Drehmomentklassen anbietet, ist die unmittelbare Entsprechung dafür in der Praxis.

3. Differenzdruck

Eine der wichtigsten Lasten, die der Antrieb überwinden muss, ist die Druckdifferenz am Ventil. In den Quellen von Siemens und Spirax Sarco wird darauf hingewiesen, dass der maximale Differenzdruck, gegen den das motorisierte Ventil sicher schließt, als eigener technischer Kennwert anzugeben ist. Dasselbe Ventil kann sich also bei niedrigem Druck leicht bewegen, bei hohem Druck jedoch deutlich mehr Drehmoment verlangen.

4. Sitz und innerer Mechanismus

Der Absperrklappen-Leitfaden von Belimo besagt, dass bei Ventilen mit weichdichtendem Sitz (resilient seat) nahe der Schließstellung ein höheres Drehmoment erforderlich ist, während „undercut disc“-Konstruktionen das Schließmoment (close-off) verringern können. Deshalb können selbst zwei Absperrklappen gleicher Nennweite aufgrund unterschiedlicher Sitzkonstruktion ein unterschiedliches Drehmoment verlangen.

5. Strömungsgeschwindigkeit

Laut dem „velocity chart“-Dokument von Belimo können bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten Liner und Scheibe beschädigt werden; zudem kann das Drehmoment ansteigen und sogar die Antriebskapazität überschritten werden. Das zeigt, dass bei der Berechnung nicht nur das statische Schließen, sondern auch die Strömungsbedingungen berücksichtigt werden müssen.

6. Betriebsart

Arbeitet das Ventil nur im Auf/Zu-Betrieb oder moduliert es? Spirax Sarco weist darauf hin, dass modulierende elektrische Stellantriebe eine höhere Schalthäufigkeit und andere Duty-Anforderungen haben können. Auch AUMA definiert die Klassen für Auf/Zu-Betrieb (open-close duty) und modulierenden Betrieb (modulating duty) getrennt. Das zeigt, dass die Drehmomentauswahl nicht nur nach dem Momentanwert, sondern zusammen mit dem Betriebsregime zu betrachten ist.

Wie wird das Drehmoment berechnet?

Die ideale Vorgehensweise im Feld besteht nicht darin, eine theoretische Formel zu konstruieren, sondern die Angaben des Ventilherstellers zu „required torque / close-off pressure“ zugrunde zu legen und anschließend einen dazu passenden Antrieb auszuwählen. Spirax Sarco empfiehlt ausdrücklich, bei der Antriebsauslegung die Datenblätter des Herstellers heranzuziehen.

Die praktische Reihenfolge sieht wie folgt aus:

1. Der Ventiltyp wird festgelegt: Kugelhahn, Absperrklappe, 2-Wege oder 3-Wege.
2. Die Ventilnennweite wird bestimmt.
3. Der maximale Differenzdruck in der Leitung wird ermittelt.
4. Der vom Ventilhersteller für dieses Ventil angegebene Wert für „required torque“ bzw. „close-off pressure“ wird herangezogen.
5. Es wird ein Antrieb mit Sicherheitsreserve oberhalb dieses Werts ausgewählt.
6. Arbeitet das Ventil modulierend, werden Duty-Klasse und Schalthäufigkeit zusätzlich bewertet.

Warum man nicht mit einer Theorie, sondern mit Herstellerdaten arbeiten sollte

Anwender suchen mitunter nach einem allgemeinen Ansatz wie „Drehmoment = Druck × Fläche × Hebellänge“. Diese Logik kann eine grobe Vorstellung liefern; das reale Ventilverhalten hängt jedoch von zahlreichen Variablen ab, etwa Sitzreibung, innere Geometrie, Wellenwiderstand, Winkelstellung, Strömungskraft und Gehäusekonstruktion. Der Absperrklappen-Leitfaden von Belimo zeigt deutlich, dass sich das Drehmoment mit der Winkelstellung ändert und die Strömungskräfte besonders in bestimmten Winkeln zunehmen. Deshalb ist bei der praktischen Auswahl das Datenblatt des Herstellers zugrunde zu legen.

Wie sollte die Drehmomentberechnung bei Absperrklappen betrachtet werden?

Bei Absperrklappen zählt die Drehmomentberechnung zu den heikelsten Themen. Denn die Scheibe arbeitet sowohl gegen den Sitz als auch unter dem Einfluss der dynamischen Kräfte des Mediums. Laut Belimo erzeugen die an einer teilweise geöffneten Absperrklappe wirkenden dynamischen Kräfte ein Drehmoment in Öffnungsrichtung, und dieser Effekt erreicht sein Maximum zwischen 60° und 85°. Dieselbe Quelle weist darauf hin, dass nahe der Schließstellung aufgrund des weichdichtenden Sitzes ein hohes Drehmoment erforderlich ist.

Daher sollte bei der Antriebsauswahl für Absperrklappen die folgende Logik befolgt werden:

• Die Nennweite allein genügt nicht,
• man kann nicht einfach sagen „dieses Ventil ist DN100, dafür reichen 20 Nm“,
• unbedingt sind das vom Hersteller angegebene druckabhängige Drehmoment bzw. die Close-off-Klasse zu berücksichtigen. Auch in den Absperrklappen-Unterlagen von Siemens werden die Drehmomentklassen des Antriebs als eigener Parameter in den Produktcode aufgenommen; das zeigt, dass das Drehmoment ein eigenständiges Auswahlkriterium ist.

Wie sollte die Drehmomentberechnung bei Kugelhähnen betrachtet werden?

Bei Kugelhähnen ist die Geometrie im Allgemeinen anders als bei Absperrklappen; dennoch hängt der Drehmomentbedarf vom Druck und von der inneren Sitzkonstruktion ab. In den Unterlagen zum Regelkugelhahn (control ball valve) von Siemens wird der maximale Differenzdruck, gegen den das motorisierte Ventil sicher schließt, gesondert definiert. Das zeigt, dass auch bei der Auswahl eines Kugelhahns die Close-off-Fähigkeit unmittelbar entscheidend ist.

Der praktische Ansatz bei Kugelhähnen lautet:

• Man betrachtet den im Datenblatt angegebenen Schließdruck (close-off) und die passende Antriebskombination,
• Steuersignal und Betriebsart werden festgelegt,
• eine Sicherheitsreserve wird eingeplant,
• falls erforderlich wird berücksichtigt, dass Ausführungen mit Federrücklauf (spring return) eine geringere Nettokraft erzeugen können. Spirax Sarco weist ausdrücklich darauf hin, dass bei Ausführungen mit Federspeicher (spring reserve) die Kraft des elektrischen Antriebs begrenzt sein kann und die Herstellertabellen heranzuziehen sind.

Wie ist die Sicherheitsreserve zu bemessen?

In der Anwendung ist es nicht immer richtig, einen Antrieb nur mit dem im Katalog angegebenen Mindestdrehmoment des Ventils auszuwählen. Denn im Feld gilt:

• Es kann zu Druckstößen kommen,
• der Leitungsdruck kann sich ändern,
• der Sitz kann altern,
• Verschmutzung und Ablagerungen können entstehen,
• Temperaturänderungen können die Reibung erhöhen.

Deshalb wird in der Praxis eine Sicherheitsreserve eingeplant. Der genaue Prozentsatz dieser Reserve hängt vom Hersteller und von der Anwendung ab; es ist nicht richtig, einen einzigen universellen Wert anzugeben. Die richtige Methode besteht darin, die Ventil-Antriebs-Kombinationstabelle des Herstellers zugrunde zu legen und nicht an der Grenze auszuwählen. Der Hinweis von Spirax Sarco „manufacturer’s charts should always be consulted“ ist genau deshalb so wichtig.

Warum ist das Drehmoment bei modulierenden Anwendungen noch kritischer?

Im Auf/Zu-Betrieb (on/off) arbeitet das Ventil im Wesentlichen in den Endlagen auf und zu. In modulierenden Anwendungen bewegt sich das Ventil dagegen kontinuierlich in zahlreiche Zwischenstellungen. Spirax Sarco weist darauf hin, dass modulierende elektrische Stellantriebe mit Stellungssensor und Rückmeldung (feedback) kontinuierlich in die gewünschte Position fahren; AUMA wiederum definiert für den modulierenden Betrieb (modulating duty) eigene Duty-Klassen. Das zeigt, dass neben der Drehmomentberechnung auch Schalthäufigkeit und Duty-Klasse zu berücksichtigen sind.

Die 7 häufigsten Fehler

Die häufigsten Fehler bei der Drehmomentberechnung für elektrisch betätigte Ventile sind:

1. Den Antrieb nur nach der Ventilnennweite auswählen.
2. Den Differenzdruck nicht berücksichtigen.
3. Den Wert „close-off pressure“ nicht beachten.
4. Das Drehmomentverhalten von Absperrklappe und Kugelhahn für gleich halten.
5. Im modulierenden Betrieb die Duty-Klasse vernachlässigen.
6. Bei Antrieben mit Federrücklauf den Unterschied der Netto-Kraft/des Netto-Drehmoments nicht berücksichtigen.
7. Statt der Herstellerkombinationstabellen nach Schätzung auswählen.

All diese Punkte werden von Siemens, Belimo und Spirax Sarco in der Logik der Ventil-Antriebs-Auswahl direkt oder indirekt hervorgehoben.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Drehmoment?Es ist das Drehmoment, das ein Antrieb erzeugt, um die Ventilwelle zu drehen. In den Produktgruppen von Belimo und Siemens wird dieser Wert in Nm oder lb-in angegeben.

Wird das Drehmoment mit einer Formel berechnet?Ein grober ingenieurmäßiger Ansatz lässt sich aufstellen; für die tatsächliche Auswahl sind jedoch die vom Hersteller für das Ventil angegebenen Werte „required torque“, „actuator torque“ und „close-off pressure“ zugrunde zu legen. Spirax Sarco empfiehlt dies ausdrücklich.

Warum muss man bei Absperrklappen besonders sorgfältig sein?Weil auf die Scheibe Strömungskräfte wirken und der Drehmomentbedarf sich mit der Winkelstellung ändert. Der technische Leitfaden von Belimo zu Absperrklappen erläutert dies ausführlich.

Was passiert, wenn das Drehmoment nicht ausreicht?Das Ventil öffnet nicht vollständig, schließt nicht vollständig, kann lecken, der Antrieb kann überlastet werden und seine Lebensdauer verkürzt sich. Dieses Ergebnis deckt sich mit der von den Herstellerquellen betonten Anforderung an „close-off“ und „sufficient torque“.

Fazit

Die Drehmomentberechnung bei elektrisch betätigten Ventilen ist kein Nebenthema, sondern das Kernthema der Ventilauswahl. Für die richtige Drehmomentauswahl wird nicht nur die Nennweite (DN) betrachtet; unbedingt sind:

• Ventiltyp,
• Differenzdruck,
• Schließdruck (close-off),
• Sitzkonstruktion,
• Strömungsgeschwindigkeit,
• Betriebsart,
• Kombinationstabelle des Herstellers

gemeinsam zu bewerten. Auch die Quellen von Siemens, Belimo und Spirax Sarco verweisen auf denselben Punkt: Die Antriebsauswahl muss auf Grundlage der technischen Herstellerdaten erfolgen, und der maximale Differenzdruck sowie das erforderliche Drehmoment müssen unbedingt berücksichtigt werden.