Spannelement Enorme Vorspannkraft sichert Verbindung

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Auf Schraubenverbindungen in Windenergieanlagen wirken enorme dynamische Belastungen. Mechanische Vorspannsysteme von Nord-Lock verlängern die Lebensdauer der Verbindung.

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Superbolt Spannelemente mit Vielfachschrauben können mit einfachem Handwerkzeugs angezogen und gelöst werden.
Superbolt Spannelemente mit Vielfachschrauben können mit einfachem Handwerkzeugs angezogen und gelöst werden.
(Bild: Nord-Lock)

Der Markt für Windenergieanlagen (WEA) boomt: 650 neue Windräder wurden im ersten Halbjahr in Deutschland an Land errichtet, Offshore sind es 126. Zentrale Fragen drehen sich dabei um Verfügbarkeit und Wartungsaufwand. So ist der Antriebsstrang in der Gondel enormen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen wirken auf Großkomponenten wie die Hauptwelle, aber auch auf die Verschraubungen zentraler Bauteile. Mechanische Vorspannsysteme wie Superbolt Spannelemente von Nord-Lock verlängern die Lebensdauer solcher Schraubenverbindungen. In einem Test will das Fraunhofer IWES Nordwest die Betriebsfestigkeit der Hauptwelle von Windenergieanlagen untersuchen. Dabei wird innerhalb von sechs Monaten der Betrieb von 20 Jahren simuliert.

Materialeinsatz bei der Herstellung von WEA-Großkomponenten senken

Dem Fraunhofer IWES in Bremerhaven geht es um den „beschleunigten experimentellen Betriebsfestigkeitsnachweis von WEA-Großkomponenten“, kurz BeBen XXL. Dafür kommt erstmals in Deutschland ein Prüfstand für die Hauptantriebswelle von Windenergieanlagen zum Einsatz, mit dem innerhalb von sechs Monaten der Betrieb von 20 Jahren simuliert werden kann. „Wir haben Materialtests und sechs Hauptwellen-Betriebsfestigkeitsprüfungen geplant“, erklärt Dipl.-Ing. Hans Kyling, Projektleiter beim Fraunhofer IWES. Den Auftrag zu BeBen, der bis 2017 laufen wird, erteilte das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, beteiligt sind außerdem der Windenergieanlagen-Hersteller Suzlon und die Hochschule für Angewandte Wissenschaften HAW Hamburg. Nord-Lock ist als Spezialist für Schraubensicherungssysteme aktiv an der Lösungsfindung für die optimale Verschraubung beteiligt.

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„Hauptziel ist, den Materialeinsatz bei der Herstellung von WEA-Großkomponenten zu senken – bei ausreichender Betriebssicherheit der Bauteile“, so Kyling. Dazu werden die aktuelle Auslegungspraxis für Großkomponenten am Beispiel der Hauptwelle überprüft und Potenziale zur Materialeinsparung bei der Dimensionierung ermittelt. Außerdem prüfen die Ingenieure, wie sich höherfestes Gusseisen als Ersatz für kostenintensive Schmiedematerialien eignet. Bestehende theoretische Modelle zur Bauteilauslegung sollen durch Messungen an realen Bauteilen verbessert und validiert werden. Die Ergebnisse sollen auf andere Großkomponenten übertragbar sein und in eine Richtlinienanpassung einfließen, so dass zukünftig Bauteile mit deutlich geringerem Materialeinsatz gebaut werden können.

Nord-Lock ist mit seinen Superbolt Spannelementen an den Lagergestellen des Rotorwellen-Prüfstands beteiligt. „Interessant werden dabei die Lastfälle, die in den Knotenpunkten simuliert werden“, sagt Tobias Klanck, Vertriebsingenieur bei Nord-Lock. Auf den Lasthebel (Gusswelle) wirken an der Stelle der Lasteinleitung Betriebskräfte von bis zu 2,5 MN, auf die Lagergestelle mit den Verschraubungen von Nord-Lock bis zu 11,5 MN. „Wir wissen, dass das Biegemoment zu 99 % für die Schädigung der Welle verantwortlich ist“, erklärt Hans Kyling, „und die Welle wird durch ihre Drehung permanent mit einer Umlaufbiegung belastet, auf die Lagergestelle wirken statische Zug- und Druckkräfte“.

Einsatz kleinerer Drehmomentschlüssel

Diese Belastungen machen eine sichere Verschraubung notwendig. Die Schwierigkeit dabei ist allerdings, dass der Bauraum in der Gondel einer Windenergieanlage äußerst begrenzt ist. Mit einem hydraulischen Werkzeug sind die Verschraubungen zur Befestigung des Antriebsstrangs am Stahlunterbau schwer zu handhaben. Das bedeutet: Zu wenig Platz für hydraulisches Vorspannen. Superbolt Spannelemente mit Vielfachschrauben bringen die gleiche, oder höhere Vorspannung auf kleinerem Bauraum. Der geringere Kraftaufwand zur Erzeugung extrem hoher Spannkräfte ermöglicht den Einsatz kleinerer Drehmomentschlüssel. Dafür sorgen 16 kleine Druckschrauben M16 mit einem Anzugsmoment von 315 Nm. Diese Verbindungselemente übertragen die Spannkraft gleichmäßig auf Gewinde und Untergrund. Dabei lässt sich mit relativ kleinem Werkzeug eine Spannkraft von 2.530 KN (=250 t) erreichen.

„Würde die Mutter nicht weit genug vorgespannt, würde sie durch Betriebsbelastung abheben “, so Klanck. Die Folge: Die gesamte Schraubenverbindung würde schneller in Dauerbruch gehen. Da fast alle Tragstrukturen durch Wind- und Wellenbelastung sowie Lasten aus dem Anlagenbetrieb hochdynamisch beansprucht sind, kommt der Vorspannkraft für die Ermüdungsfestigkeit eine besondere Bedeutung zu. Vorgespannte Schraubenverbindungen bleiben auch bei Wechselbeanspruchungen, Vibrationen oder schlagartigen Belastungen konstant fest.

Am Prüfstand in Bremerhaven werden die innenliegenden Schraubenverbindungen, die die Lagergestelle mit dem Fundament verbinden, mit Superbolt CY-M80 versehen sein. Auch an dieser Stelle ist das Argument für die Befestigung mit Superbolt der geringe Bauraum. Aber es gibt eine Reihe weiterer Argumente für ein rein axiales Vorspannen im Vergleich zu anderen Anzugsverfahren, die sich auch auf die Anlagen-Verfügbarkeit auswirken. Zum Beispiel bei Offshore-Anlagen, die Wartungsteams häufig vor das Problem stellen, dass sie gar nicht an die Gondel gelangen – mitunter wegen Sturmböen nicht einmal per Helikopter. Hier sind wartungsarme Systeme mit entsprechend langen Wartungsintervallen ein Plus. Superbolt Spannelemente erhöhen die Dauerfestigkeit und verlängern die Lebensdauer der Schraubenverbindung, ein periodisches Nachspannen ist nicht notwendig.

Daneben gibt es einen ganz praktischen Vorteil von axialem Verspannen gegenüber dem Einsatz eines rund 20 Kilogramm schweren Hydraulikgeräts für das Anziehen von Schrauben in einer WEA: das einfachere Handling. Für die Wartung ist ein Drehmomentschlüssel erheblich leichter im Gewicht, und nebenbei kostengünstiger. Auch bei Verschraubungen überkopf sind Superbolt Spannelemente in der Regel problemlos handelbar, und die Montage ist in jedem Fall einfacher als kräfteraubende, hydraulische Anzugsverfahren.

Zeit- und Kostenersparnis bei Wartung

Hinzu kommt eine höhere Sicherheit für Monteure. Denn die Verwendung kleiner Handwerkzeuge bedeutet keine Verletzungsgefahr durch hohe Hydraulikdrücke, Quetsch- oder Scherstellen sowie durch das Heben schwerer Werkzeuge oder das Platzen von Anschlüssen unter hohem Druck. Superbolt Spannsysteme können im Vergleich zu anderen Verfahren in einem Bruchteil der Zeit gespannt werden und bringen sowohl eine Zeit- als auch eine Kostenersparnis bei Montage und Wartung. Superbolt Spannmuttern und -schrauben sind in etlichen Windenergieanlagen im Antriebsstrang vor und nach dem Getriebe im Einsatz. Sie finden sich außerdem an der Blattverstellung und -befestigung, an Flanschkupplungen, der Lagerbockbefestigung sowie an der Fundament- und der Drehkranzverschraubung, am Axiallager und Teilfugenverschraubungen.

Keilsicherungsscheiben für WEA

Neben der Superbolt-Produktpalette kommt in Windenergieanlagen auch die Keilsicherungstechnologie von Nord-Lock zum Einsatz. Diese ist seit Jahrzehnten das bewährte Prinzip zur Sicherung von Schraubenverbindungen. Die original Nord-Lock Keilsicherungsscheiben sind nach DIN 25 201 ein rein mechanisches Befestigungselement, das Schraubenverbindungen durch Klemmkraft statt durch Reibung sichert.

Keilsicherungsscheiben eignen sich für jegliche Verschraubung im Antriebsstrang und der gesamten Windenergieanlage, weil überall – ob am Fundament oder im Turm – große Betriebsbelastungen vorherrschen.

Vor allem Offshore, aber auch in Onshore-Anlagen wird die Keilsicherungstechnologie von Nord-Lock verwendet, wie derzeit in Prototypen in China. Denn auch hier geben die Marktbedingungen vor, neue Anlagen mit immer höheren Leistungen zu planen und zu konstruieren. Und das bedeutet auch größere Kräfte zu beherrschen, die auf die gesamte Konstruktion wirken. Der Versuch, den Antrieb, Platzbedarf und Materialverbrauch dennoch klein zu halten, ist hier so aktuell wie auf dem Prüfstand in Bremerhaven. Nord-Lock Schraubensicherungssysteme sind in beiden Fällen ein Teil der Lösung. (jup)

Wind Energy Hamburg 2014: Halle A1, Stand 524

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