Lebensdauer von Hauptwellenlagern in Windkraftanlagen verlängern

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Franke GmbH

GWJ Technology GmbH

Timken Germany GmbH

Häufig auftretende Versagensmodi

Micropitting

Die Verwendung eines einzelnen Pendelrollenlagers in der Hauptwellenposition von Windkraftanlagen der MW-Klasse hat sich geändert – während dies früher das bevorzugte Design war, suchen Betreiber jetzt nach einer besseren Lösung. Ein Hauptauslöser dafür sind die vorzeitigen Schäden, die bei dieser Lagerart beobachtet werden, in erster Linie aufgrund von Micropitting (Oberflächenermüdung). Obwohl es keine offizielle Höchstgrenze gibt, gilt ein konventionelles Verhältnis der zulässigen Axial-zu-Radial-Belastung von etwa 25 % als akzeptabel für ein zweireihiges Pendelrollenlager.

Die tatsächlichen Axiallasten – in manchen Fällen bis zu 60 % – sind heutzutage in vielen großen Windkraftanlagen erheblich höher als dieser Grenzwert und Betreiber sorgen sich zunehmend um Probleme wie Setzeffekte, ungleichmäßige Lastverteilung zwischen den Reihen, Rollenschränken, Käfigbelastungen, übermäßige Wärmeerzeugung und Verschleiß der Wälzkörper. Bei diesen hohen Axiallasten wird sowohl die Radial- wie auch die Axialbelastung nur von der windabgewandten (DW, Downwind) Rollenreihe aufgenommen. Die windzugewandte Rollenreihe (UP, Upwind) ist oft völlig unbelastet, was zu suboptimalen Betriebsbedingungen führt.

Deshalb treten bei Hauptwellenlagern in Windkraftanlagen mit Dreipunktlagerung oft dieselben Arten von Schäden auf, darunter Micropitting, Kantenstress, Druck auf die Rollenenden, Ausfall einteiliger Käfige, Käfigverschleiß und Verschleiß des Führungsrings sowie Schäden aufgrund von Abriebrückständen. Diese Schäden führen dann bereits im frühen Lebenszyklus der Windkraftanlage zu erheblichen Betriebsausfällen.

Unzureichende Schmierung

Darüber hinaus sind die Betriebsbedingungen am Hauptwellenlager normalerweise nicht ideal für die Erzeugung eines Schmierfilms. Bei einer maximalen Betriebsdrehzahl von etwa 20 Umin-1 sind die Geschwindigkeit und die Schmierfilmdicke oft nicht ausreichend, um die Rauheitsspitzen der Komponenten getrennt zu halten. Außerdem wird die Position und Richtung der Lastzone durch die sich ändernden Nick- und Gierung ständig verlagert – nahezu ohne Verzögerung. Der Aufbau und die Qualität des Schmierfilms wird dadurch unterbrochen.

Bei einem Pendelrollenlager in einer Windkraftanlage mit Dreipunktlagerung wird dieser Vorgang noch beschleunigt. Pendelrollenlager arbeiten mit geringem Radialspiel, so dass das Risiko für Micropitting oder Verschleiß erhöht ist. Frühe Verschleißstufen sind in Abbildung 2 dargestellt, wo der klar erkennbare Verschleißweg in der windabgewandten (DW) Rollenreihe früher oder später die vorgesehene Kontaktgeometrie verändert, was zu höheren Laufbahnbelastungen als berechnet und letztlich zum Lagerausfall führt.

Verbesserte Wälzlager für bestehende Windkraftanlagen

Verschleißfeste Wälzlager

Zum direkten Austausch bei bestehenden Windkraftanlagen hat Timken ein verschleißfesteres (WR, Wear Resistant) Pendelrollenlager entwickelt, das spezielle Oberflächentechnik in Verbindung mit optimierten Oberflächenbeschaffenheiten verwendet. Diese WR-Pendelrollenlager schützen die Laufbahnen vor Micropitting, indem die Scherkräfte und die Wechselwirkung der Rauheitsspitzen erheblich reduziert werden. Die behandelte Oberfläche ist eine langlebige und spezielle Beschichtung aus Wolframkarbid und amorphem Kohlenwasserstoff (WC/aC:H).

Diese Beschichtungen sind zwei- bis dreimal härter als Stahl, ein bis zwei Mikrometer stark und haben niedrige Reibungskoeffizienten bei Gleitkontakt mit Stahl. Bei diesen Wälzkörpern mit speziell behandelten Oberflächen dient die Beschichtung zur Glättung und Reparatur von durch Abriebrückstände beschädigten Laufbahnen während des Betriebs. Diese optimierte Oberflächenbeschaffenheit erhöht auch die Schmierfilmdicke, was bedeutet, dass die Rauheitsspitzen effizienter getrennt werden. In Kombination reduzieren diese Verbesserungen die Scherkräfte, die zum Verschleiß führen. Weitere Merkmale und Vorteile sind in Abbildung 3 zusammengefasst.

Eine Kegelrollenlagerlösung

Im Rahmen unserer Arbeiten an den bei Pendelrollenlagern auftretenden Problemen fanden Timken Ingenieure eine neue Lösung für Windkraftanlagen mit Dreipunktlagerung in Form eines vorgespannten Kegelrollenlagers (TRB, Tapered Roller Bearing).

Das mit einem einteiligen doppelten Innenring und zwei einzelnen Außenringen bestückte Lager kann an Festlagerpositionen auf rotierenden Wellen verwendet werden und ist ein direkter Ersatz für Hauptwellen-Pendelrollenlager des Originalherstellers (unter Verwendung des vorhandenen Stehlagergehäuses des Originalherstellers). Das Lager ist so ausgeführt, dass beide Rollenreihen die Radial- und Axialbelastung zu gleichen Teilen aufnehmen; außerdem wird die Belastung am Getriebeeingang reduziert, da das Lager leichte Winkelfehler kompensieren kann (Abbildung 4).

In Feldversuchen zeigte das Kegelrollenlager von Timken reduzierten Verschleiß, bessere Fluchtung und geringere Lasteintrag am Getriebeeingang (ohne zusätzliche Last auf die Drehmomentstützen) und eine erhöhte Systemsteifigkeit. Der vorgespannte Zustand dieses hochtragfähigen Lagers trägt zur Minderung des Verschleißes und des Gleiten der Wäzkörper bei und sorgt dafür, dass die Last auf beide Reihen verteilt wird, wobei es gleichzeitig größere Fluchtungsfehler als ein Kegelrollenlager mit doppeltem Außenring aufnehmen kann.

Abbildung 5 zeigt dieses Design und die Lösung mit einem zweireihigen Pendelrollenlager im Vergleich:

Schlussfolgerung

Während Wälzlager ihre betriebskritische Funktion in modernen Windkraftanlagen der MW-Klasse erfüllen, führen dynamische und unvorhersehbare Belastungen zu vorzeitigen und kostspieligen Reparaturen. Damit die Windkraftindustrie ihr Wachstum fortsetzen kann, muss die Zuverlässigkeit der Hauptwellenlager verbessert werden. Die Marktnachfrage treibt die Entwicklung neuer Lösungen zur Umrüstung einzelner Pendelrollenlager in Anlagen mit Dreipunktlagerung voran, entweder mit verschleißfesten Pendelrollenlagern oder mit einem vorgespannten Kegelrollenlagerdesign. (br)

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