Wälzlager Technologische und wirtschaftliche Grenzen zukünftiger Hauptlagerung

Die rasante Leistungssteigerung von Windkraftanlagen macht aus technischen und wirtschaftlichen Gründen neue Konzepte für die Hauptlagerung erforderlich. Die Firma Eolotec hat eine Lagerung entwickelt, die trotz der stark steigenden Windlasten im Durchmesser und Gewicht nur gering wächst. Aus den genannten Gründen werden neue Lagerungskonzepte benötigt.

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Windkraftanlagen haben sich rasant entwickelt: Aktuell befinden sich insbesondere Offshore bereits 5-MW-Turbinen im Serieneinsatz. Die nächste Generation der Anlagen mit einer Leistung von 7 MW bis 10 MW ist in Entwicklung und Erprobung weit voran geschritten. Die Bedeutung dieser Entwicklung wird besonders an einem der elementarsten Teile einer Windkraftanlage (WKA) deutlich: der Hauptlagerung.

Wo früher für WKA mit 1,5 MW noch ein typisches Hauptlager (240/600) mit einem Außendurchmesser von 870 mm und 0,5 t genügten, um den Rotorstern zuverlässig zu lagern, sind heute ganz andere Dimensionen erforderlich. Eine Hauptlagerung (Momentenlagerung) für eine Leistung von 5 MW bis 6 MW wiegt 7 t bis 13 t bei einem Außendurchmesser von 3 m bis 4 m – ohne Berücksichtigung der Umgebungsstruktur.

Diese Gewichtserhöhung um den Faktor 13 bis 25 bei nur 3- bis 4-facher Anlagenleistung verdeutlicht, vor welchen wirtschaftlichen sowie technologischen Herausforderungen die Entwicklungsingenieure bei WKA mit mehr als 5 MW stehen. Das stark steigende Gewicht führt nicht nur zu erhöhten Transport- und Installationskosten, sondern auch zu zunehmenden Kosten für die Wälzlagerung aus hochwertigem Lagerstahl. Zusätzlich benötigen diese größeren Lager eine sehr große und steife Umgebungsstruktur, was wiederum unweigerlich zu Mehrgewicht und steigenden Turbinen-und Installationskosten führt.

Um diesen Effekten entgegenzutreten, versuchen Ingenieure durch Integration und umfassenden Leichtbau die Kosten für die Umgebungsstruktur zu reduzieren. Allerdings verlangt auch ein Wälzlager mit einem Durchmesser > 3,5 m vergleichbare Genauigkeiten von wenigen µm im Wälzkontakt, wie beispielweise ein alltägliches Pkw-Radlager.

Hier zeigt sich die Unvereinbarkeit von großen Hauptlagern mit geringem Gewicht und gleichzeitig einer zuverlässigen Funktion über 20 Jahre. Verformungen aufgrund des Leichtbaus der Umgebungsstruktur wirken sich umso stärker für das Abwälzen der Wälzkörper aus, je größer der Wälzlagerdurchmesser ist. Folgen dieser ungünstigen Kinematik im Wälzkontakt sind Schlupf, Kantenpressung, Anschmierungen, Käfigverschleiß bis hin zur vorzeitigen Ermüdung des Hauptlagers. Aus diesen Gründen wurden in den letzten Jahren zahlreiche Gelder in die Entwicklung von Großlagerprüfständen investiert.

Großlagerprüfstände sind bereits überholt

Leider sind diese Prüfstände mit einem Lageraußendurchmessser von lediglich etwa 3,2 m bereits wieder durch das rasante Größenwachstum überholt. Hauptlagerungen für KWA mit 7 MW bis 10 MW können aufgrund ihrer Größe dort nicht getestet werden. Darüber hinaus ist ein Prüfstand immer nur ein grobes Abbild der Praxis und kann die hohe Dynamik und Systemverformung auf der WKA nur sehr eingeschränkt wiedergeben. Ebenso gibt ein Prüflauf nur einen sehr kurzen Zeitausschnitt der 20 Betriebsjahre wider.

Übertragbare Erfahrungen aus anderen Wälzlageranwendungen existieren in diesem Größenbereich nicht. Somit ist es umso wichtiger, die Risiken von Technologiesprüngen soweit wie möglich zu reduzieren, um teure Serienschäden für zukünftige Turbinengenerationen weitestgehend auszuschließen.

Die Herausforderung liegt also darin, für WKA größer 5 MW eine Lagerung zu entwickeln, die trotz der stark steigenden Windlasten im Durchmesser und Gewicht nur gering wächst. Aus den genannten Gründen werden neue Lagerungskonzepte benötigt.

Neues Konzept steigert die Wirtschaftlichkeit künftiger Turbinen

Eolotec zeigt mit seinem Hauptlagerungskonzept MBU (Main Bearing Unit) neue Wege auf, die beschriebenen Risiken zu reduzieren und die Wirtschaftlichkeit künftiger Turbinen zu steigern. Das MBU-Konzept ermöglicht Lagerdurchmesser von 2,5 m für 5-MW-Hauptlager und bis < 3,5 m für 10-MW-Hauptlager, ist also deutlich kompakter als herkömmliche Lager dieses Leistungsspektrums.

Ebenso beträgt mit ca. 2,5 t für Leistungen von 5 MW bis 6 MW das Lagergewicht nur ein Fünftel von gegenwärtigen Hauptlagerungen. Dies schlägt sich massiv in den Gesamtkosten des Hauptlagersystems nieder. Die gezielte Materialverlagerung von Lagerstahl zu kostengünstigen Gusswerkstoff für die Umgebungsstruktur führt zu einer besonders wirtschaftlichen Hauptlagerung.

Die geringeren Lagerdurchmesser der MBU haben neben den funktionalen Vorzügen einen weiteren gewichtigen Vorteil in der Beschaffung. In den letzten Jahren wurden in der Wälzlagerindustrie erhebliche Kapazitäten für Großlager im Bereich von 1,5 m bis 3 m Außendurchmesser aufgebaut. Die Investition in Fertigungskapazitäten über 4 m waren damals nicht absehbar und müssten aktuell getätigt werden. Allerdings ist fraglich, inwieweit bei der aktuellen niedrigen Investitionsbereitschaft hier ausreichend neue Fertigungskapazitäten geschaffen werden. Mittelfristig sind somit Kapazitätsengpässe für sehr große Wälzlager nicht auszuschließen.

Die MBU-Lager hingegen können problemlos auf den bereits vorhandenen und eingefahrenen Maschinenpark für Anlagen bis zu 10 MW gefertigt werden.

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