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Wälzlager Großwälzlager für Windkraftanlagen auslegen und fertigen

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Großwälzlager für Windkraftanlagen müssen außerordentlich leistungsfähig sein, um während der gesamten Betriebsdauer von bis zu 25 Jahren den kontinuierlich hohen Belastungen standzuhalten.

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Für die Rotorblatt- und Azimutverstellung liefert Liebherr das gesamte System aus eigener Entwicklung und Fertigung - bestehend aus Großwälzlager, Drehantrieb mit Elektromotor und optional der Steuerung.
Für die Rotorblatt- und Azimutverstellung liefert Liebherr das gesamte System aus eigener Entwicklung und Fertigung - bestehend aus Großwälzlager, Drehantrieb mit Elektromotor und optional der Steuerung.
(Bild: Liebherr Components)

Großwälzlager für die Rotorblatt- und Azimutverstellung zählen zu den Schlüsselkomponenten einer Windkraftanlage. Die hohen Anforderungen resultieren auch aus den enormen Kosten, mit denen ein Austausch während der Betriebszeit der Anlage verbunden wäre. Gleichzeitig sind die Komponenten in der Rotorblatt- und Azimutverstellung wichtig für den optimalen Ertrag der Windkraftanlage. Die präzise Windrichtungsnachführung der Gondel über das Azimutsystem sorgt für eine optimale Ausrichtung der Maschine. Mit der Rotorblattverstellung wird die Drehzahl der Rotornabe und damit die maximale Ausnutzung der im Wind enthaltenen Energie geregelt.

Seit über zehn Jahren werden die von Liebherr produzierten Großwälzlager und Planetengetriebe bereits erfolgreich eingesetzt. Dabei werden hauptsächlich zweireihige Vierpunktlager verwendet, in einzelnen Fällen aber auch Rollendrehverbindungen. Für die Blattverstellung mittels Hydraulikzylinder liefert Liebherr auch unverzahnte Drehverbindungen. Je nach Anforderung werden die Laufbahnen der Großwälzlager mit Zwischenstücken oder Käfig ausgeführt.

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Um den sicheren Betrieb während der gesamten Lebensdauer von durchschnittlich 120.000 Betriebsstunden zu gewährleisten, wird bei Liebherr bei der Herstellung der Komponenten besonders auf drei Faktoren geachtet:

  • die sichere Auslegung der Lager,
  • die absolute Beherrschung der Fertigungsprozesse,
  • sowie eine konsequente Qualitätskontrolle mit Hilfe modernster Prüfmethoden.

Sichere Auslegung der Großwälzlager

Für die sichere und wirtschaftliche Auslegung eines Lagers muss zunächst die innere Lastverteilung ermittelt werden. Konventionell werden Axialkraft und Biegemoment mit Gleichungen der Technischen Mechanik berechnet, das Großwälzlager wird dabei wie ein dünnwandiges Rohr behandelt. Dabei werden ideale Anschlusskonstruktionen vorausgesetzt. Der Einfluss der konstruktiven Gestaltung von unterer und oberer Anschlusskonstruktion bleibt unberücksichtigt.

Beim Anwendungsbeispiel des Rotorblattlagers in Windkraftanlagen weisen die Anschlusskonstruktionen auf Rotorblatt- und Nabenseite sehr unterschiedliche Steifigkeiten auf. Unter Last führt dies zu ungleichen Verformungen des Innen- und Außenrings und zu unterschiedlichen Druckwinkeln im Bereich der hochbelasteten Wälzkörper. Im schlimmsten Fall kann es zu Kantenträgern kommen. Da diese Effekte erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer haben, müssen sie sehr viel genauer untersucht werden als dies mit der konventionellen, analytischen Auslegungsmethode möglich ist.

Beim Azimutlager sind die Anschlusskonstruktionen ebenfalls stark unterschiedlich. Zur Turmseite hin ist eine nahezu ideale Situation gegeben. Auf Gondelseite kommt es durch bauliche Zwänge der Anlage dagegen oft zu Anschlussbedingungen, die zu einer ungünstigen Krafteinleitung bis hin zur Punktbelastung im Lager führen können. Derartige Spannungsspitzen müssen bei der Auslegung unbedingt berücksichtigt werden.

Um den besonderen Einflüssen der Anschlusskonstruktionen gerecht zu werden und die genannten Auswirkungen zu vermeiden, werden bei Liebherr Großwälzlager für Windkraftanlagen grundsätzlich unter Berücksichtigung der Einbauumgebung mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet und ausgelegt. Mit den von Liebherr eingesetzten Programmen lassen sich die exakten CAD-Modelle der Anschlusskonstruktionen (z.B. der Rotornabe) verarbeiten. Neben der Betrachtung des Gesamtsystems ermittelt Liebherr mittels FEM auch die auf die einzelnen Wälzkörper wirkenden Spannungen und Druckwinkel. Außerdem werden mit einem selbst entwickelten Programm die Pressungen und Spannungen in die Tiefe des Materials ausgewertet. Damit wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der erwähnten unerwünschten Kantenträger intensiv untersucht. Schraubenberechnungen sowie die Untersuchung des Tragverhaltens von Verzahnungen ergänzen die beschriebenen Auslegungs- und Berechnungsverfahren. Nur durch die Berücksichtigung aller Details kann eine optimale Produktkonfiguration sichergestellt werden.

Beherrschung des kritischen Härteprozesses

Bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen Großwälzlagern kommen verschiedenste Fertigungsprozesse zum Tragen. Den größten Einfluss auf die Qualität jedes einzelnen Lagers hat jedoch der Härtevorgang. Von dessen einwandfreier Durchführung wird die Lebensdauer eines Großwälzlagers entscheidend mitbestimmt. Bei Großwälzlagern für Windkraftanlagen werden nicht nur die Laufbahnen, sondern größtenteils auch die Verzahnungen induktiv gehärtet. Bei diesem Prozess müssen alle Einflussparameter wie Induktionsspannung, Vorschubgeschwindigkeit des Induktors, Kühlmitteltemperatur und Zeitpunkt der Abschreckung exakt aufeinander abgestimmt werden. Nur so werden unerwünschte Spannungsrisse konsequent und prozesssicher vermieden. Die optimale Einhärtetiefe und der ideale Härtegrad werden anhand von Festigkeitsnachweisen gegen das Ablösen der Härteschicht ermittelt. Eine wichtige Rolle spielt nicht zuletzt die langjährige Erfahrung des Personals in der Arbeitsvorbereitung und der Produktion. Mit modernster Anlagentechnik und eigens entwickelten Induktoren erreicht Liebherr eine konstant hohe Güte bei Lagern bis hin zu 6.000 mm Durchmesser.

Konsequente und umfassende Qualitätskontrolle

Die ideale Auslegung der Großwälzlager sowie der Einsatz ausgereifter Fertigungstechnologien werden bei Liebherr durch eine konsequente Qualitätskontrolle ergänzt. Hersteller von Windkraftanlagen sind sich der hohen Anforderungen an Komponenten und Systeme bewusst und legen zunehmend höhere Maßstäbe bei der Qualifizierung ihrer Zulieferer an. Eine Zertifizierung nach DIN EN ISO 9001 ist Standard. Liebherr setzt darüber hinaus ein durchgängiges computergestütztes Qualitätsmanagement-System ein, mit dem alle Prozess- und Arbeitsschritte einschließlich der Messergebnisse dokumentiert werden. Außerdem stehen modernste Test- und Messeinrichtungen zur Verfügung, wie beispielsweise ein eigens für Liebherr entwickeltes Prüffeld für die Magnetpulverprüfung. Damit können unter UV-Licht mögliche Spannungsrisse in den magnetisierten Lagerringen sichtbar gemacht werden. Zudem hat Liebherr in einen klimatisierten Messraum investiert, in dem mit einer einzigartigen Messmaschine auch Lager von 6.000 mm Durchmesser auf wenige Mikrometer genau vermessen werden können. Jedes einzelne Lager für die Windindustrie durchläuft sowohl eine Riss, als auch eine Maßprüfung.

Einsatzbereich von Großwälzlagern wächst

Neben dem weiteren Ausbau der Windkraftanlagen an Land gewinnt zunehmend die Offshore-Windindustrie an Bedeutung. Hier ist zusätzlich zu den bereits geschilderten Anforderungen ein zuverlässiger Korrosionsschutz der Großwälzlager unverzichtbar. Liebherr setzt dazu verschiedene Verfahren zur Oberflächenbehandlung ein: Für die Schutzklasse C5 beispielsweise sind Zinkflammspritzen und anschließende Zwei-Komponenten-Beschichtung vorgeschrieben. Speziell behandelte Dichtungslaufflächen bieten bei guten Betriebseigenschaften zusätzlichen Korrosionsschutz. (qui)

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