Kleinwindenergieanlagen mit optimiertem Rotorlagerkonzept

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Am Beispiel einer Anlage mit Vertikalrotor wurden Möglichkeiten zur Reibungsreduzierung an der Hauptwelle untersucht. Kernelemente der Anlage mit fünf Kilowatt Nennleistung sind Rotor, Generator sowie eine Welle mit 140 Millimetern Durchmesser, die marktüblich mit einem Kegelrollenlager als Festlager und mit einem abgedichteten Rillenkugellager als Loslager ausgestattet ist.

Bei geringer Windgeschwindigkeit frisst Reibwiderstand Anlagenleistung

Um mehr Energie herauszuholen, wurde diese Rotorlagerung ins Visier genommen. Zu den Stellschrauben gehören die Wälzlager selbst, ihre Abdichtung und die Wahl des richtigen Schmierstoffs. Denn beide Lager bringen eine hohe Verlustleistung.

Bei einer Windgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde wird die rechnerisch erreichbare Leistung der Windkraftanlage durch den Reibwiderstand der Lager komplett "aufgefressen", bei einer Windgeschwindigkeit von zwei Metern pro Sekunde bremsen allein die Lager die rechnerische Leistung noch um mehr als 40 Prozent. Die Reibanteile im Kegelrollenlager etwa teilen sich bei einer Windgeschwindigkeit von zwei Metern pro Sekunde zu mehr als 90 Prozent in Rollreibung (Wälzkörper auf Lauffläche) und zu knapp neun Prozent in Gleitreibung (Stirnfläche an Führungsbord) auf.

Allerdings verhält sich das beim abgedichteten Rillenkugellager anders: Lediglich drei Prozent der Reibanteile entfallen bei dieser Windgeschwindigkeit auf die Rollreibung, jedoch 97 Prozent auf die Reibung, die die berührende Dichtung verursacht.

Weniger Reibung durch Schrägkugellager und Labyrinthdichtung

Damit ist die Lösung klar: Zum einen wird die berührende Dichtung am Rillenkugellager entfernt und durch eine nicht berührende Labyrinthdichtung ersetzt. Zum anderen wird beim Festlager der Lagertyp geändert. Statt des Kegelrollenlagers kommt nun ein Schrägkugellager zum Einsatz. Allein diese beiden Maßnahmen reduzieren die Reibung erheblich. Gleichzeitig wurden der Bohrungs- und damit der Wellendurchmesser von 140 auf 110 Millimeter reduziert. Dieses Downsizing ermöglicht einen geringeren Materialverbrauch, ein geringeres Gewicht der Gesamtanlage und schafft dem Hersteller die Voraussetzung für eine Kostenreduzierung. Darüber hinaus bedeuten kleinere Lager geringere Reibung.

Allein durch die Optimierung der Lager konnten die Kleinwindenergieanlagen erfolgreich umgestaltet werden: Die rechnerische wälzlagerbedingte Verlustleistung beträgt bei einer Windgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde nicht einmal mehr 20 Prozent – mit dem bisherigen Lagerkonzept waren es 130 Prozent. Mit anderen Worten: Mit dem optimierten Lagerungskonzept können marktübliche Kleinwindenergieanlagen bereits bei geringeren Windstärken mehr Strom erzeugen als bisher.

Damit ist eine wichtige Voraussetzung für die effiziente Windnutzung geschaffen – aber nach Einschätzung der SKF-Fachleute nicht die Einzige. Weiteres Potenzial steckt etwa in der Bestimmung des richtigen Schmierfetts sowie in der Auswahl der geeigneten Lager für Generatoren und falls vorhanden für Getriebe. Allein durch den Einsatz von energieeffizienten SKF-Wälzlagern des Typs E2 kann die Lagerreibung um weitere 30 Prozent reduziert werden. (mi)

* Johannes Götz und Thomas Heege, SKF GmbH Schweinfurt

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