Lager-Schäden

Stärkere Windräder altern schneller

| Redakteur: Bernhard Richter

Viele starke Windkraftanlagen brauchen bereits während der ersten 7 bis 10 Jahre eine größere Überholung – das schmälert die Wirtschaftlichkeit reduziert aber auch die Gefahr eines Totalausfalls.
Viele starke Windkraftanlagen brauchen bereits während der ersten 7 bis 10 Jahre eine größere Überholung – das schmälert die Wirtschaftlichkeit reduziert aber auch die Gefahr eines Totalausfalls. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Die aktuellen 1-MW-Windenergieanlagen haben ein Probem – die hohe Belastung beeinträchtigt die Lebensdauer der Hauptwellenlager und der Getriebelager, was unter Umständen zu Totalausfällen führen kann. Timken zeigt, wie Abhilfe zu schaffen ist.

Schadens- und Versagensmodi treten bei den aktuellen Windkraftanlagen früher auf als erwartet und für viele Windparkbetreiber addieren sich die Kosten unerwarteter Reparaturen, die nicht am Turm durchgeführt werden können. Deshalb fordert die Industrie längere Standzeiten für Hauptwellen- und Getriebelager und die Hersteller arbeiten an Lösungen für den Markt.

„Betreiber planen für eine oder vielleicht zwei größere Überholungen über ihren Lebenszyklus“, sagt Tony Fierro, Anwendungsingenieur von Timken. „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.“

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.

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, bedeutet das Gesamtkosten von 1,2 Mio. USD über den Lebenszyklus der Windkraftanlage. Werden diese Überholungen um die Hälfte reduziert, bedeutet das für einen typischen Windpark mit 100 Windkraftanlagen Einsparungen über einen Zeitraum von 30 Jahren bis zu 60 Mio. USD.

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.

Im Dreipunkt-Design 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.

Vorgespanntes Kegelrollenlager im Vergleich mit einem serienmäßigen Pendelrollenlager für die Hauptwellenlagerung
Vorgespanntes Kegelrollenlager im Vergleich mit einem serienmäßigen Pendelrollenlager für die Hauptwellenlagerung (Bild: Timken)

Ein Problem besteht darin, dass das Lager eine Radialreaktion und eine Axialbelastung durch den Wind nur auf der windabgewandten 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.

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Im Vierpunkt-Design 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.

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.

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Unzureichende Schmierung

Darüber hinaus sind die Betriebsbedingungen am Hauptwellenlager normalerweise nicht ideal für die Erzeugung eines Schmierfilms. Bei einer maximalen Betriebsdrehzahl von etwa 20 min-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.

Frühe Stufen von Micropitting in einem Pendelrollenlager an der Hauptwelle einer Windkraftanlage
Frühe Stufen von Micropitting in einem Pendelrollenlager an der Hauptwelle einer Windkraftanlage (Bild: Timken)

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 und der klar erkennbare Verschleißweg in der windabgewandten (DW) Rollenreihe verändern früher oder später die vorgesehene Kontaktgeometrie, 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.

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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).

Tests zeigen, dass das vorgespannte Kegelrollenlager die Axialkraft um 67 % reduzieren.
Tests zeigen, dass das vorgespannte Kegelrollenlager die Axialkraft um 67 % reduzieren. (Bild: Timken)

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

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.

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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.

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