Antriebskomponenten/Kühlsysteme Systeme für die Windkrafttechnik

Autor / Redakteur: Dr. Norbert Partmann / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Die Leistungserwartungen an Windenergieanlagen (WEA) steigen stetig. Welche Herausforderungen das für die Konstruktion mit sich bringt, weiß KTR. Das Unternehmen entwickelt für WEA nämlich ganze Multifunktions-Baugruppen.

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Die technische Entwicklung von Windenergieanlagen hat sich in den letzten Jahrzehnten rasant gestaltet. Höher, breiter, leistungsstärker – so die Devise in der Windkraftindustrie.
Die technische Entwicklung von Windenergieanlagen hat sich in den letzten Jahrzehnten rasant gestaltet. Höher, breiter, leistungsstärker – so die Devise in der Windkraftindustrie.
(Bilder: KTR)

Die technische Entwicklung von Windenergieanlagen (WEA) gestaltet sich rasant. Höher, breiter, leistungsstärker – so die Devise in der Windkraftindustrie. Die Leistungserwartungen steigen unaufhörlich: Türme wachsen in den Himmel, Windparks dehnen sich in die Breite. Rotordurchmesser und Nabenhöhe haben sich in der vergangenen Dekade verdoppelt, die Nennleistung sogar verzehnfacht. Um solch eine Anlage zu konstruieren, müssen unterschiedliche Fachgebiete zusammen wirken. Der mechanische Antriebsstrang gehört dabei zu den Hauptkomponenten.

Seit über 25 Jahren ist KTR schon in der Windkraftindustrie tätig, zunächst nur als Komponentenlieferant. Inzwischen entwickeln die Rheinenser ganze Multifunktions-Baugruppen – bestehend aus Kupplung, Überlastschutz, Drehmomentmesstechnik, Bremssysteme und Kühler.

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Spezielles Kupplungssystem für WEA

Die mechanische Kupplung überträgt nicht nur das Drehmoment zwischen Getriebe und Generator, sie gleicht auch Verlagerungen im Antriebsstrang aus, die durch Relativbewegungen auftreten können. Damit schützt sie das Antriebssystem und beeinflusst seine Lebensdauer entscheidend.

Während die ersten Modelle Ende der 1980er-Jahre noch für Anlagen bis 60 kW ausgelegt wurden, kommen die neuesten Kupplungssysteme von KTR inzwischen in WEA mit Nennleistungen bis 8 MW zum Einsatz und übertragen dabei Drehmomente bis 500.000 Nm. Ein aktueller Vertreter ist die Stahllamellenkupplung Radex-N, die speziell für den Einsatz in Windenergieanlagen konstruiert wurde. Die spiel- und wartungsfreie Ganzstahlkupplung besteht aus zwei Lamellenpaketen, die sowohl mit dem Zwischenstück als auch der Getriebe- und Generatornabe verbunden sind. Das doppelkardanische Prinzip gewährleistet den Ausgleich hoher Winkelverlagerungen bis 3°, bei geringen Rückstellkräften. Die Lamellenpakete sind aus hochfestem und oberflächenbehandeltem Federstahl. Ausgereifte Berechnungs-Tools und eine flexible Fertigung schaffen die Voraussetzung dafür, dass die Form der Lamellen auf kundenseitig geforderte Eigenschaften hin angepasst werden können. Das Zwischenstück der Kupplung ist aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt und dient der elektrischen Isolierung; so können mögliche Kriechströme nicht vom Generator zum Getriebe gelangen, wo sie Lager und Verzahnungen schädigen könnten. Erfreulicher Nebeneffekt: Das Gesamtgewicht wird reduzierte.

Zum Lieferumfang der Radex-N gehören in der Regel eine getriebeseitig integrierte Bremsscheibe sowie eine generatorseitig montierte Sensorscheibe für die Drehzahlüberwachung. Unverzichtbar ist ein Überlastsystem, das auch unter den widrigsten Bedingungen für eine exakte Drehmomentübertragung sorgt und dabei zuverlässig den Antriebsstrang schützt. Die Überlast-Rutscheinheit wird in das GFK-Zwischenstück der Kupplung integriert und werksseitig auf das vom Kunden spezifizierte Rutschmoment eingestellt. Erreicht die Anlage nun das eingestellte Rutschmoment, begrenzt das Überlastsystem den Kraftfluss und schützt insbesondere das Getriebe vor generatorseitigen Lastspitzen.

Sicher im Wind bremsen

Bremsen kommen an zwei Dreh- und Angelpunkten in WEA zum Einsatz: im Antriebsstrang und Übergang vom Turm zur Gondel. KTR bietet dafür sowohl hydraulisch als auch elektromechanisch wirkende Bremssysteme an, die mit drei verschiedenen Applikationen auf die Anlagen zutreffen: Rotorbremsen, Azimutbremsen und Rotorlock.

Rotorbremsen: Mit der Verbreitung zuverlässiger Pitch-Systeme zur Flügelblattwinkelverstellung, ist es überflüssig geworden, die volle Bremsleistung über mechanische Bremsen aufzubringen. Durch aktives Drehen der Flügel, dem so genannten „pitchen“, erzielt die Maschine eine aerodynamische Bremswirkung und fährt die Anlage in einen sicheren Betriebszustand. Rotorbremsen kommen hier nur noch als sekundäres Sicherungselement sowie als zuverlässige Haltebremsen für Wartungsarbeiten zum Einsatz. Sie sind in Form von Scheibenbremsen ausgeführt und zwischen Getriebe und Generator angeordnet. Bei getriebelosen Antrieben sind die Bremsen im Bereich des Generators befestigt.

Azimutbremsen: Um die Rotorblätter einer WEA optimal in den Wind zu stellen, ist die Gondel um 360° drehbar gelagert. Angeordnet im Übergang von Turm zu Gondel sorgen Azimutbremsen dafür, dass die Gondel ihre Position hält. Ändert sich die Windrichtung, wird die Klemmkraft der Bremsen reduziert. Azimutantriebe richten dann das Maschinenhaus neu aus. Die Bremsen greifen erneut und die Antriebe können abgeschaltet werden. Dieser Wechsel von „Stop and Go“ verlangt verschleißarme Bremssysteme mit sehr hohen Schließkräften, um die WEA vor schwellenden Belastungen und unbeabsichtigtem Verdrehen zu schützen. Die Azimutbremsen von KTR sind als aktive Scheibenbremszangen ausgeführt und verfügen über Klemmkräfte bis zu 700 kN.

Rotorlock: Bei der Rotorlock handelt es sich um ein Verriegelungssystem mit dessen Hilfe der Rotor einer WEA nach dem Stillsetzen arretiert wird. Die Fixierung erfolgt mittels massiver Bolzen, die im Stillstand in eine extra dafür installierte Scheibe mit entsprechenden Löchern eingefahren wird. Dazu lassen sich die Bolzen entweder hydraulisch, elektrisch oder manuell mittels einer Spindel bedienen. Bei Wartungsarbeiten am Rotor, vor allem in der Nabe, ist der Einsatz der Rotorlock vorgeschrieben. Elektronische Sensoren stellen sicher, dass währenddessen der Rotor auch verriegelt ist.

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Intelligentes Kühlsystem MMC Eco

Mit dem neuen Kühlsystem MMC Eco bietet KTR den Betreibern von Windenergieanlagen (WEA) die Möglichkeit, die Kühlung der Anlagen energieeffizient zu steuern und damit einen Großteil der zur Kühlung benötigten Antriebsenergie einzusparen.

Herzstück der neuen Baureihe bilden Sensor, Steuereinheit und Lüfter. Der Sensor ermittelt die Temperatur des Mediums und liefert ein Signal an die Steuereinheit. Anhand der erhaltenen Informationen steuert sie die drehzahlvariablen Lüfter, die schließlich immer nur so viel Kühlluft erzeugen, wie gerade nötig.

Jedes Kühlsystem aus dem Hause KTR wird exakt auf den spezifischen Einsatz hin ausgelegt und nach Maß gefertigt.
Jedes Kühlsystem aus dem Hause KTR wird exakt auf den spezifischen Einsatz hin ausgelegt und nach Maß gefertigt.
( Bild: KTR )

Neben der erheblichen Energieeinsparung erreicht das neue Kühlsystem eine hohe Wirkungsgradverbesserung und reduziert die Betriebskosten.

Ein weiterer Vorteil der stufenlosen Drehzahlregelung ist die positive Geräuschentwicklung. Die Hersteller von WEA investieren enorme Entwicklungskapazitäten in möglichst geräuscharme Hauptrotoren. Mit der Folge, dass die Nebenaggregate immer geräuschsensitiver werden. Durch die gesteuerte Lastanpassung der neuen Systeme ist hier ein großes Verbesserungspotential in Richtung Geräuscharmut gegeben.

Das Kühlsystem bleibt trotz seiner hohen Leistung äußerst kompakt und findet in den beengten Einbauverhältnissen der Maschinengondel Platz.

Individuell ausgelegte Kühlsysteme

Mit der Größe einer WEA steigen auch die Anforderungen an das Thermomanagement in der Gondel. Die Wärme, die von Generatoren, Frequenzumrichtern und Getrieben erzeugt wird, muss gezielt abgeführt werden. Abhilfe schaffen Großkühleinheiten von KTR mit Kühlleistungen bis 110 kW. Alle Kühler werden auf Wunsch mit E-Motoren und Ventilatoren oder Bypass-Systemen ausgeführt. Die Kühlelemente sind aus Aluminium gefertigt, Lüfterhaube und Rahmen aus robustem Edelstahl. Alle Kühlaggregate sind kompakt und finden so in den beengten Einbauverhältnissen der Maschinengondel Platz. Für den Einsatz in Offshore-Anlagen werden alle Kühlsysteme mit einer KTL-Beschichtung (KTL = kathodische Tauchlackierung) versehen, um sie vor der salzhaltigen und aggressiven Luft zu schützten. Die Motoren der Lüfterantriebe sind ebenfalls mit einer Offshore-tauglichen Sonderlackierung versehen. Aufgrund der individuellen Gegebenheiten jeder WEA, werden alle Kühlsysteme in Abstimmung mit den Kunden spezfisch ausgelegt. (sh)

Windenergy Hamburg 2016: Halle B5, Stand 409

* Dr. Norbert Partmann ist Geschäftsführer der KTR Brake Systems GmbH in Schloß Holte-Stukenbrock

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