Werkstoffbearbeitung Oberflächenlösungen für die Windkraftenergie

Autor / Redakteur: Dr. Jürgen Crummenauer, Annette Norin* / Jan Vollmuth

Die häufigste Ursache für Störungen der Windkraftanlagen liegt im Verschleiß und der Ermüdung von Bauteilen wie z.B. Getriebezahnräder, solche Ausfälle haben in der Regel einen längeren Anlagenstillstand zur Folge. Hier können entsprechenden Oberflächenlösungen die Ausfallzeiten reduzieren.

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(Bild: Sulzer Metco)

Die Anforderungen, die an Windanlagen gestellt werden, sind aufgrund ihrer Lage und den unterschiedlichen Witterungsverhältnissen sehr verschieden. Besonders bei Offshore-Anlagen spielt der Schutz vor Korrosion durch Salz und Feuchtigkeit eine große Rolle.

Da sich Windkraftanlagen in den letzten Jahren zudem sowohl in ihrer Leistungsfähigkeit, als auch in ihrer Größe stark weiterentwickelt haben, wird neben dem Bau neuer Anlagen auch das Repowering eine große Rolle spielen. Hierbei werden ältere Anlagen durch neuere, leistungsstärkere ersetzt. Neben geringen Ausfallzeiten, steigenden Leistungs- und Effizienzanforderungen müssen Windräder enormen Belastungen durch äußere Einflüsse, sowie häufig wechselnden Kräften, standhalten.

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Der Antriebsstrang ist höchsten Belastungen ausgesetzt

Vor allem der Antriebsstrang der Windkraftanlagen ist höchsten Belastungen ausgesetzt. Somit sind sie zugleich besonders wartungs- und reparaturanfällig. Die Ausfallzeiten sind bei Schäden im Antriebsstrang und Getriebe besonders hoch, wie Daten des Fraunhofer Institutes zeigen. Um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu maximieren gilt es Stillstandzeiten sowie Wartungsaufwand zu verringern. Die häufigste Ursache für Störungen der Windkraftanlagen liegt im Verschleiß und der Ermüdung von Bauteilen wie z.B. Getriebezahnräder, solche Ausfälle haben in der Regel einen längeren Anlagenstillstand zur Folge.

Die verwendeten Werkstoffe müssen enormen Belastungen, variierenden Kräften, höchsten Stoßimpulsen und Verdrehungen standhalten. Häufig kommen Getriebe zum Einsatz, die die Drehzahl und das Drehmoment zwischen dem Rotor und dem Generator verändern.

Enorm hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit von Stahl nötig

Hier wird beispielsweise eine vergleichsweise langsame Rotordrehzahl (im Bereich von 6 min-1 bis 20 min-1) in eine hohe Generatordrehzahl zwischen 900 min-1 bis 2000 min-1 umgesetzt, um einen guten Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung zu erzielen. Auf die gesamte Laufzeit einer modernen Windenergieanlage entspricht dies einer Getriebeleistung von etwa 144 Mio. Umdrehungen der Rotorwelle oder 15 Mrd. Umdrehungen der Generatorwelle. Um diese hohe Leistung zuverlässig gewährleisten zu können, ist eine enorm hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit des Stahls nötig. Zudem ist eine hohe Zähigkeit und Schwingungsfestigkeit des Materials Voraussetzung um den starken Beanspruchungen standzuhalten.

Bei Zahnrädern müssen beispielsweise die Flanken vor Verschleiß und Grübchenbildung geschützt werden. Beim Eingreifen der Zähne werden große Flächenpressungen auf die Zähne ausgeübt. Ein plastisches Verformen muss durch eine duktile Randzone verhindert werden. Ebenso müssen die Flanken aufgrund der Reibung dem Verschleiß und der Ermüdung standhalten.

Mit Oberflächenlösungen zu weniger Ausfallzeiten

Sulzer Metaplas, eine Tochter der Sulzer Metco, setzt seine Oberflächentechnologien bereits mit Erfolg im Bereich der Bremsvorrichtungen (Belaghalter, Kolben, Scheiben und Sattel), Ventilteilen, Hydraulikkomponenten, sowie für Zahnrädern ein. Zum Einsatz kommen, je nach Beanspruchung die Dünnschichten der PVD- (Physical Vapor Deposition) oder PACVD-Technologien (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) oder Wärmebehandlungen, wie das Einsatzhärten oder Nitrieren.

  • Einsatzhärten

Das Einsatzhärten - Aufkohlen, Härten, Anlassen - wird angewandt, wenn zum einen hohe Härten in der Randzone und zum anderen Zähigkeit, sowie ein elastischer Kern verlangt werden.

Antriebswellen erfordern aufgrund der hohen Torsions- und Schlagbelastungen eine duktile Randzone und einen zähen Kern.

Einsatzgehärtete oder auch induktionsgehärtete Zahnräder und Antriebswellen erfüllen die Anforderungen an Oberflächenhärte, Randhärte und Duktilität bei zähem Kern, so dass sie dem Verschleiß und den hohen spezifischen Drücken standhalten können, die ihnen beim Einsatz in Windturbinen abverlangt werden.

Da das Einsatzhärten bei hohen Temperaturen von 950°C bis 1050°C ausgeführt wird, ist beim Härten und Anlassen mit Verzug zu rechnen. Gängige Aufkohlungstiefen liegen zwischen 0,1 und 4,0 mm. Aufgrund der großen Einsatzhärte ist ein Nacharbeiten der Zähne bei Verzug kein Problem obgleich dieses Nacharbeiten bzw. Nachschleifen wiederum einen Verlust der Einsatzhärte bedeutet. Wellen und große Zahnräder müssen nach dem Einsatzhärten meist gerichtet werden.

Eigenschaften des Einsatzhärtens:

  • Oberflächenhärte Einsatzstähle: 45 bis 64 HRC
  • Einsatzhärtetiefe Eht: max. 4 mm
  • Nacharbeit (Schleifen Richten) wegen Verzug notwendig.

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