Kegelrollenlager Optimierte Produktkonstruktionen für die Rotorlagerung von Windkraftanlagen

Autor / Redakteur: Manuel Rettinger* / Ute Drescher

Eine kompakte Kegelrollenlagereinheit für Momentenlager-Konzepte, die direkt an Rotor und Gondel angeflanscht werden kann, vereinfacht Logistik und Montage deutlich. Bis ins kleinste µ optimierte Pendelrollenlager und ein neu entwickeltes asymmetrisches Pendelrollenlager lassen Windkraftanlagen zuverlässiger Energie gewinnen.

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Die Lagerung der Rotorwelle ist unterschiedlichen dynamischen Lasten ausgesetzt: Radial- und Axialkräften sowie Nick- und Giermomenten.
Die Lagerung der Rotorwelle ist unterschiedlichen dynamischen Lasten ausgesetzt: Radial- und Axialkräften sowie Nick- und Giermomenten.
(Bild: Schaeffler)

Der Wind erzeugt ungeheure Kräfte. Sie wirken auf die Lagerung des Rotors einer Windkraftanlage unmittelbar. Die Wälzlager sind dabei hochdynamischen Belastungen und Betriebsbedingungen ausgesetzt. Am Markt haben sich unterschiedliche Triebstrangkonzepte etabliert, die entsprechend unterschiedliche Lagerungen erfordern. Deshalb optimiert Schaeffler konsequent bewährte Lager und entwickelt gleichzeitig neue Lager-Designs für verschiedene Lagerungskonzepte.

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Kompaktes Lager einfach montieren

Für Momentenlager-Konzepte zur Lagerung des Rotors hat Schaeffler eine neue, kompakte Lagereinheit entwickelt: Die anflanschbare Kegelrollenlagereinheit ermöglicht die sichere Aufnahme aller Kräfte und Momente in einem Lager dank großem Druckwinkel und enger axialer Führung des Rotors. Die zweireihige Kegelrollenlagereinheit in O-Anordnung ist befettet und abgedichtet und wird vormontiert ausgeliefert. Sie wird über die Innenringe an den Rotor und über den Außenring an die Gondel angeflanscht. Die Lagerluft ist dabei schon voreingestellt. Das verringert den Aufwand für Logistik und Montage deutlich.

Fettzustand im Betrieb überwachen

Optional kann die anflanschbare Kegelrollenlagereinheit ab Werk mit dem FAG Greasecheck ausgestattet werden. Der Fettsensor ist auf den spezifischen Fetttyp parametriert und misst optisch Wassergehalt, Trübung und mechanischen Verschleiß sowie die Fetttemperatur direkt in der Lagerung. Eine per Kabel angebundene Auswerteeinheit generiert aus den Messungen die Zustandsinformation und gibt sie als analoges Signal aus. Detektiert der Greasecheck im Fett einen Wassergehalt über dem definierten Schwellenwert, kann er zum Beispiel zwei Reaktionen auslösen: Er gibt die Information an den Leitstand, damit eine Inspektion und gegebenenfalls ein Austausch der Dichtung rechtzeitig geplant werden kann. Zusätzlich kann mit dem Signal des Fettsensors über den Leitstand die Zentralschmieranlage angesprochen werden, damit in kürzeren Intervallen mit zusätzlicher Menge nachgeschmiert wird, um den Fettzustand trotz Dichtungsschaden zu verbessern und das Lager vor einem Schaden durch einen Schmierfettausfall zu schützen.

Simulieren und prüfen

Zur Entwicklung der anflanschbaren Kegelrollenlagereinheit hat der Schaeffler-eigene Großlagerprüfstand Astraios beigetragen: Während Berechnungen zur Lebensdauer kleinerer Wälzlager gut auf Großlager übertragbar sind, gilt dies nicht für andere Parameter wie beispielsweise Kinematik oder Reibmoment. Deshalb müssen Simulationen in diesen Bereichen anhand von Prüfergebnissen validiert werden. Die Messungen werden wiederum in einem mehrstufigen Prozess in die Simulationsmodelle zurückgespielt, die dann die Beanspruchung und das kinematische Verhalten eines Großlagers berechnen. Werden nun beispielsweise Verformungen berechnet, dann können deren Auswirkungen auf die Funktion des Wälzlagers simuliert und am Prüfstand validiert werden. Schon seit Inbetriebnahme 2011 liefert Astraios Erkenntnisse zu bisher nicht prüfbaren Merkmalen wie Dichtung und Schmierungskonzept, Betriebsspiel (Einfluss der Temperatur und Verbindungsschrauben) und Rollendrehzahl.

Pendelrollenlager: Robuster denn je

Mit dem Ziel die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und damit die Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen zu erhöhen, hat Schaeffler seine Pendelrollenlager für Rotor-Hauptlagerungen optimiert. Diese Lagerbauart wird ausschließlich bei der sogenannten Wellenlagerung eingesetzt – das am häufigsten verwendete Lagerungskonzept. Anhand der Betriebsdaten von rund 10.000 Windturbinen untersuchte Schaeffler die Zuverlässigkeit von Pendelrollenlagern, die in vielen Anlagen als Hauptlager eingesetzt werden. Die Ingenieure entdeckten dabei typische Schadensursachen und entwickelten entsprechende Gegenmaßnahmen. Sie optimierten den Verschleißkennwert p*v in zwei Bereichen.

In der Makro-Geometrie der Pendelrollenlager reduzierten die Ingenieure die initiale Lagerluft und verbesserten so das Betriebsspiel. Dadurch reduzierten sie die Wälzkörperkräfte und das axiale Schieben des Antriebsstranges. Darüber hinaus verwendeten sie einen festen Mittelbord für die Festlagerung des Windturbinen-Rotors und erhöhten so die axiale Steifigkeit, was die axiale Verlagerung des Antriebsstrangs deutlich reduziert. Außerdem kann durch den festen Mittelbord die Kontaktpressung entlang der Rolle besser verteilt und so auch der Verschleißkennwert p*v letztendlich optimiert werden.

Verschleißkennwert reduziert

Im Bereich der Mikro-Geometrie verbesserten die Entwickler die Oberflächen, um eine gleichmäßigere Verteilung der Pressung zu erreichen. Darüber hinaus passten sie die Schmiegung an, um die Wälzkörpernormalkräfte über eine große Fläche zu übertragen und so die Kontaktpressungen zu reduzieren. Als wichtigste Änderung in der Mikro-Geometrie wurden die Wälzkörper endprofiliert, was den Verschleißkennwert p*v im kritischen Bereich signifikant reduziert.

Im Zuge der Validierung wurden die Pendelrollenlager erfolgreich umfangreichen Tests für das Schaeffler-Gütesiegel „X-life“ unterzogen. Die dazu notwendigen Validierungsschritte sind vom Germanischen Lloyd zertifiziert worden (Zertifikat GL-CER-002-2015). Am Ende dieser Validierung standen Versuche im Maßstab 1:1.

Lastverteilung verbessert

Das asymmetrische Lagerdesign bedeutet einen noch weitergehenden Schritt. Es erhöht die axiale Tragfähigkeit und damit die Gebrauchsdauer der Hauptlager in Windkraftanlagen signifikant. Es ermöglicht einen höheren Druckwinkel auf der axial belasteten Lagerreihe und einen flacheren Druckwinkel auf der hauptsächlich radial belasteten Lagerreihe. Dadurch werden eine bessere Lastverteilung, weniger Kontaktpressungen und eine signifikante Reduzierung des axialen Schiebeweges erreicht. (ud)

* *Manuel Rettinger ist Experte Antriebsstrang Entwicklung Windkraft bei der Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach.

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