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Wälzlager Zuverlässige Rotorenlager von Timken

Autor / Redakteur: Bradley Baldwin / M.A. Bernhard Richter

Die Hauptwelle einer Windkraftanlage benötigt für ihren Betrieb eine zuverlässige Lagerung. Fortschritte in der Lagerkonstruktion erhöhen die Zuverlässigkeit und Standzeiten des Hauptwellensystems.

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Die 3-Punkt-Lagerung mit Hauptlager und zwei Drehmomentstützen am Getriebe.
Die 3-Punkt-Lagerung mit Hauptlager und zwei Drehmomentstützen am Getriebe.
(Bild: Timken)

Windturbinenkonstruktionen in Modularbauweise verwenden Pendelrollenlager (SRB) zur Aufnahme der Rotorkräfte. Die auch als 3-Punkt-Lagerung bekannte Konstruktion mit einer Abstützung über ein einzelnes Rotorlager und zwei Drehmomentstützen des Getriebes wird häufig gewählt, um folgende Eigenschaften zu ermöglichen:

  • Kompakte Gondelabmessungen
  • Hohe Toleranz bei Verformungen und Fluchtungsfehler
  • Kommerziell wirtschaftliche Versorgungskette.

Einige Betreiber von Turbinen mit 3-Punkt-Lagerungen mussten allerdings wesentlich früher als erwartet Feldausfälle verzeichnen, was die gesamte Systemlebensdauer erheblich verkürzte. Ein ungeplantes Ersetzen des Rotorlagers kann Windparkbetreiber bis zu 450.000 Dollar kosten und somit einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage haben. Grund für die Ausfälle sind sporadisch auftretende Überbelastungen des Rotorlagers.

Die 3-Punkt-Lagerung mit Hauptlager und zwei Drehmomentstützen am Getriebe.
Die 3-Punkt-Lagerung mit Hauptlager und zwei Drehmomentstützen am Getriebe.
(Bild: Timken)

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Hohe Axialbelastung auf Radial-Pendelrollenlager

Ein übliches zulässiges Verhältnis zwischen Axialkraft und Radialkraft für zweireihige Pendelrollenlager beträgt zwischen 0,15 und 0,2; hierfür gibt es jedoch keine offizielle Obergrenze. Daher sollte die Axiallast nur 15 % – 20 % der Radialkraft des zweireihigen Lagers betragen. Bei einigen Anwendungen kann dieses Verhältnis bis 0,30 oder 0,35 betragen. In der Festlagerung der Hauptwelle liegt das Verhältnis von Axial– zu Radialkraft aber häufig bei 0,60, was dazu führt, dass nur eine der beiden Lagerreihen die axiale und radiale Belastung aufnimmt. Bei dieser ungleichmäßigen Belastung kann das Lager nicht auf die Weise arbeiten, für die es ursprünglich konzipiert oder konstruiert wurde.

Wenn dies auftritt, werden mehrere Schadensmuster erkennbar, die auf die Entlastung einer Lagerreihe zurückzuführen sind. Dies kann dann die Lastverteilung zwischen Lagerreihen beeinflussen, zu Rollenschränkung, Käfigbelastung und übermäßiger Wärmeerzeugung führen sowie Rollenanschmierungen verursachen.

Eine ungleichmäßige Belastung tritt auf, wenn das zulässige Verhältnis zwischen axialer und radialer Belastung für zweireihige Pendelrollenlager auf mehr als 0,15 bis 0,20 ansteigt. Die rotorseitige Lagerreihe wird entlastet, was dazu führt, dass nur die generatorseitige Lagerreihe alle Lasten aufnimmt.
Eine ungleichmäßige Belastung tritt auf, wenn das zulässige Verhältnis zwischen axialer und radialer Belastung für zweireihige Pendelrollenlager auf mehr als 0,15 bis 0,20 ansteigt. Die rotorseitige Lagerreihe wird entlastet, was dazu führt, dass nur die generatorseitige Lagerreihe alle Lasten aufnimmt.
(Bild: Timken)

Unzureichende Schmierung kann schwere Schäden verursachen

Im Allgemeinen sind die Betriebsbedingungen des Rotorlagers für eine Schmierfilmerzeugung nicht ideal. Bei einer maximalen Betriebsdrehzahl von etwa 20 U/min können Oberflächengeschwindigkeit und Schmierfilmdicke zur Trennung der Rauheitsspitzen von Rolle und Lauffläche unzureichend sein. Außerdem verschieben sich ändernde Kipp- und Giermomente konstant und fast unmittelbar die Position und die Richtung der Lastzone. Hierdurch werden Bildung und Qualität des Schmierfilmes beeinträchtigt. Bei Pendelrollenlagern mit Radialspiel in 3-Punkt-Lagerungen wird die Verschiebung noch beschleunigt und damit das Risiko von Micropittings oder Anschmierungen vergrößert.

In frühen Verschleißstufen von Pendelrollenlagern in 3-Punkt-Lagerungen kann der ausgeprägte Verschleißpfad in der generatorseitigen Lagerreihe die gegebene Kontaktgeometrie erodieren, was zu höheren Kontaktspannungen und möglichen Lagerausfällen führt.
In frühen Verschleißstufen von Pendelrollenlagern in 3-Punkt-Lagerungen kann der ausgeprägte Verschleißpfad in der generatorseitigen Lagerreihe die gegebene Kontaktgeometrie erodieren, was zu höheren Kontaktspannungen und möglichen Lagerausfällen führt.
(Bild: Timken)

Konstruktive Lösungen verbessern die Leistung

Mittlerweile sind auf dem Markt Nachrüstoptionen für bestehende Turbinen sowie weiterentwickelte konstruktive Lösungen für neuere Turbinenplattformen verfügbar.

Lagertausch für bestehende Turbinen

Timken bietet ein verschleißresistentes Pendelrollenlager (WR) mit einer hochentwickelten Oberflächentechnologie in Kombination mit verbesserten Oberflächenrauigkeiten für einen direkten Austausch in bestehenden Windparks an. Die verschleißresistenten Lager verbessern den Schutz gegen Micropitting durch die Reduktion von Scherkräften und Rauheitsinteraktionen. Die Beschichtung besteht aus einer neu entwickelten sehr haltbaren, amorphen Wolframkarbid-Kohlenwasserstoffbeschichtung (WC/aC:H). Im Allgemeinen sind WC/aC:H-Beschichtungen geringfügig härter als 60 HRC-Stahl, 1 – 2 µm dick und besitzen im Kontakt zu Stahl niedrigere Reibungskoeffizienten.

Die hochentwickelten Beschichtungen der Rollkörper polieren und reparieren beschädigte Laufbahnen während des Betriebes. Durch das verbesserte Oberflächenfinish wird die Schmierfilmdicke erhöht und vermindert damit die Rauigkeitsinteraktionen sowie Scherbeanspruchungen. Diese Vorteile führen zu einer verlängerten rechnerischen Lagerlebensdauer und zu einer Reduzierung des Laufwiderstandes.

Die verschleißfesten Pendelrollenlager von Timken reduzieren Scherbeanspruchungen und Rauheitsinteraktionen und schützen so gegen Verschleiß wie z. B. Micropitting.
Die verschleißfesten Pendelrollenlager von Timken reduzieren Scherbeanspruchungen und Rauheitsinteraktionen und schützen so gegen Verschleiß wie z. B. Micropitting.
(Bild: Timken)

Vorzüge von Kegelrollenlager-Konstruktionen

Eine Hauptwellenkonstruktion mit vorgespannten Kegelrollenlagern (TRB) verbessert die Leistung des Antriebsstranges. Kegelrollenlager optimieren die Systemstabilität und -steifigkeit sowie die Lastverteilung zwischen den Reihen. Die Wechselwirkungen zwischen Rollkörper und Laufbahn werden vorhersehbarer. Es bestehen mehrere Konfigurationsmöglichkeiten.

Einreihige Kegelrollenlager

Das weit verbreitete Lagersystem mit zwei einreihigen Kegelrollenlagern (2-TS) ermöglicht eine wirtschaftliche Lösung, mit dem ein ganzes System mit zwei vorgespannten Kegelrollenlagern ausgestattet werden kann. Die rotor- und generatorseitigen Lager werden so ausgelegt, dass sie die Lasten durch Variation des Kontaktwinkels und der Lagerkapazität wie erforderlich aufnehmen können. Aufgrund des großen effektiven Lagerabstandes sind diese Lager im Normalfall kompakt und wirtschaftlich dimensionierbar.

Die 2-TS-Hauptwellen-Lageranordnung bietet eine wirtschaftliche Kegelrollenlagerlösung mit kompakter Konstruktion.
Die 2-TS-Hauptwellen-Lageranordnung bietet eine wirtschaftliche Kegelrollenlagerlösung mit kompakter Konstruktion.
(Bild: Timken)

Zweireihige Kegelrollenlagerkonstruktionen

Das TNA-Lager mit großem Durchmesser, das bei Verwendung eines Abstandsringes zwischen den Innenringen auch TDO-Lager genannt wird, ist wegen seiner Felderfahrung und der einfachen Montage zu einer attraktiven Lageroption geworden. Die steilen Kontaktwinkel schaffen hohe Kippsteifigkeit in einem kleinen axialen Bauraum, um die Kipp- und Giermomente aufzunehmen. Die Lagerkomponenten können mit Dichtungen und Schmierung zu Lagereinheiten zusammengefasst werden, um die Montage zu vereinfachen. Die werkseingestellte Vorspannung soll eine einfache Montage garantieren. Die kompakte Axialkonstruktion bietet den Turbinenbauern die Möglichkeit einer Reduzierung der Gondel-Gesamtlänge. Der Lagerdurchmesser steigt mit zunehmender Turbinengröße (ca. 3,2 m Außendurchmesser für 5 MW). Diese Konstruktionen eignen sich besonders für direkt angetriebene Windturbinen, aber auch für Getriebekonstruktionen.

Die steilen Kontaktwinkel eines TDO schaffen hohe Kippsteifigkeit in einem kleinen axialen Bauraum, um die Kipp- und Giermomente aufzunehmen. Das Lager kann durch Hinzufügen von Dichtungen und Schmierung auch als Lagereinheit eingesetzt werden.
Die steilen Kontaktwinkel eines TDO schaffen hohe Kippsteifigkeit in einem kleinen axialen Bauraum, um die Kipp- und Giermomente aufzunehmen. Das Lager kann durch Hinzufügen von Dichtungen und Schmierung auch als Lagereinheit eingesetzt werden.
(Bild: Timken)

Ein einzelnes, vorgespanntes TDI bietet eine hohe Tragkraft und nimmt die Kombination aus Radial- und Axialkräften wie ein Pendelrollenlager auf. Das TDI garantiert eine Lastverteilung über beide Lagerreihen und toleriert im Vergleich zu einer TDO-Konstruktion größere Fluchtungsfehler. Außerdem vermindert die Lagervorspannung Effekte wie Anschmierungen, Micropitting und Rutschen.

Anders als ein Pendelrollenlager kann ein TDI-Lager höhere Lasten aufnehmen und eine gleichmäßige Lastverteilung garantieren, was den Verschleiß verringert.
Anders als ein Pendelrollenlager kann ein TDI-Lager höhere Lasten aufnehmen und eine gleichmäßige Lastverteilung garantieren, was den Verschleiß verringert.
(Bild: Timken)

Zusammenfassung

Begründet in der Forderung nach einer Verbesserung der Gesamtleistung arbeiten Windturbinen- und Lagerhersteller gemeinsam an zuverlässigeren Hauptwellensystemen. Verbesserte Technologien ermöglichen Nachrüstoptionen für die bestehenden Pendelrollenlager in Turbinen mit 3-Punkt-Lagerungen. Die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen für Offshore-Turbinen begünstigen die Verwendung von vorgespannten Kegelrollenlagern. Diese Optimierungen der Hauptwellenkonstruktion können die Zuverlässigkeit des gesamten Antriebsstrangsystems verbessern und zu einer Verringerung der Gesamtbetriebskosten führen. (br)

(ID:42655957)