Lebensdauer von Hauptwellenlagern in Windkraftanlagen verlängern

| Redakteur: Bernhard Richter

Windkraftanlagen sind mit mehreren verschiedenen Wälzlagern bestückt, die unterschiedlich schnell verschleißen. Die heutzutage in größeren Windkraftanlagen auftretenden höheren Belastungen stellen konventionelle Lagerausführungen auf die Probe – besonders bei Hauptwellenlagern.
Windkraftanlagen sind mit mehreren verschiedenen Wälzlagern bestückt, die unterschiedlich schnell verschleißen. Die heutzutage in größeren Windkraftanlagen auftretenden höheren Belastungen stellen konventionelle Lagerausführungen auf die Probe – besonders bei Hauptwellenlagern. (Bild: Timken)

Das Wachstum der Windkraftindustrie in den USA und die Einführung von Windkraftanlagen mit einer typischen Leistung von mehr als 1 MW haben zur Folge, dass höhere Belastungen und die damit verbundenen Auswirkungen die Lebensdauer der Hauptwellenlager und der Getriebelager beeinträchtigen. Schadens- und Versagensmodi treten früher auf als erwartet und für viele Windparkbetreiber addieren sich die Kosten unerwarteter Reparaturen, die nicht am Turm durchgeführt werden können.

„Betreiber planen für eine oder vielleicht zwei größere Überholungen der Windkraftanlage über ihren Lebenszyklus“, sagte Tony Fierro, Anwendungsingenieur der Timken Company. „Die Herausforderung besteht darin, dass viele Windkraftanlagen eine größere Überholung bereits der ersten 7 bis 10 Jahre erfordern. Das bedeutet höhere Ausgaben für Betrieb und Wartung über den Lebenszyklus der Windkraftanlage.“

Kostspielige Reparaturen

Was sind die finanziellen Auswirkungen für Windparkbetreiber, wenn alle sieben Jahre eine größere Überholung erforderlich wird?

„Wenn wir davon ausgehen, dass die mittlere Lebensdauer einer Windkraftanlage 30 Jahre beträgt und die Hauptwelle und das Getriebe alle sieben Jahre überholt werden müssen, bedeutet das vier Überholungen über den Lebenszyklus der Windkraftanlage“, sagte Herr Fierro. „Mithilfe einer besseren Lagerlösung können Betreiber die Zahl der Überholungen halbieren.“

Wenn die Reparatur von Hauptwelle und Getriebe beispielsweise 300.000 USD kostet (Krankosten eingeschlossen), bedeutet das Gesamtkosten von 1,2 Mio. USD über den Lebenszyklus der Windkraftanlage. Werden diese Überholungen um die Hälfte reduziert, kann der Betreiber bis zu 600.000 USD pro Windkraftanlage einsparen. Für einen typischen Windpark mit 100 Windkraftanlagen können die Einsparungen für Betrieb und Wartung über einen Zeitraum von 30 Jahren bis zu 60 Mio. USD betragen.

Derzeitige Design-Herausforderungen

Modular ausgelegte Windkraftanlagen verwenden normalerweise zweireihige Pendelrollenlager zur Unterstützung und Aufnahme der Hauptwellenlasten. Genauer gesagt, wird der Markt für modulare Windkraftanlagen im Wesentlichen von Pendelrollenlagern in zwei unterschiedlichen Konfigurationen beherrscht, und zwar als Drei- bzw. Vierpunktlagerung. Diese Konfigurationen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Hauptwellenkonfigurationen mit Drei- und Vierpunktlagerung
Abbildung 1: Hauptwellenkonfigurationen mit Drei- und Vierpunktlagerung (Bild: Timken)

Dreipunkt-Design

Im Dreipunkt-Design (Abb1 oben) wird die Hauptwelle durch die Drehmomentstützen des Getriebes und durch ein einzelnes Pendelrollenlager vor dem Getriebe unterstützt. Diese Anordnung ermöglicht eine kürzere Maschinengondel und eine reduzierte Masse der Windkraftanlage sowie eine hohe Verformung und Fehlausrichtung des Systems.

Während dieses Design bestimmte Vorteile wie ein geringeres Gondelgewicht und kleinere Anfangskosten für die Windkraftanlage aufweist, hat die Anordnung mit dem zweireihigen Pendelrollenlager für die Hauptwelle und der Lastübertragung in das Getriebe auch deutliche Nachteile.

Ein Problem besteht darin, dass das Lager eine Radialreaktion und eine Axialbelastung durch den Wind nur auf der windabgewandten (DW, Downwind) Rollenreihe aufnehmen muss. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die axiale Ablenkung und die Momentlasten aufgrund des zunehmenden Lagerspiels bei fortschreitendem Lagerverschleiß an die Planetenträgerlager des Getriebes übertragen werden. Diese zusätzliche Belastung kann die Planetenverzahnung und somit die Planetengetriebe und die Lagerlasten beeinträchtigen.

Vierpunkt-Design

Im Vierpunkt-Design (Abb1 unten) wird die Hauptwelle durch die Drehmomentstützen des Getriebes und durch zwei Hauptlager vor dem Getriebe unterstützt. Für diese Hauptlager werden häufig Pendelrollenlager eingesetzt, aber andere Lagerausführungen wie Kegel- und Zylinderrollenlager sind ebenfalls üblich. Diese Anordnung bedingt unter Umständen:

  • eine längere Maschinengondel und ein höheres Gewicht Windkraftanlage
  • eine höhere Systemsteifigkeit
  • eine geringere Verformung und Fluchtungsfehler des Antriebsstrangs

Die Leistung der Hauptlager ist im allgemeinen bei Windkraftanlagen mit Vierpunktlagerung besser als bei Anlagen mit Dreipunktlagerung, aber bei einigen Modellen kommt es immer noch zu Störungen, besonders wenn in der hinteren Position ein Pendelrollenlager verwendet wird.

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