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antriebstechnik 10/2016

antriebstechnik 10/2016

Bewährtes für Giganten

Bewährtes für Giganten Einsatz moderner Entwicklungsmethoden für eine Offshore-Windgetriebeplattform Dirk Strasser Die witterungsbedingte Zugänglichkeit von Offshore- Anlagen und die geringe Verfügbarkeit von Spezialkränen führen im Schadensfall zu Reparaturkosten in Millionenhöhe. Anlagenbetreiber fordern einen abgesicherten Business Case, Anlagenbauer spezifizieren zunehmend Zuverlässigkeiten für die Hauptkomponenten. Die Zuverlässigkeit ist demzufolge in den vergangenen Jahren in den Fokus der Entwicklung von Windgetrieben gerückt. Dr. Dirk Strasser ist Leiter Produktentwicklung Windkraftgetriebe bei der ZF Industrieantriebe GmbH in Witten Der global tätige Lieferant für Windgetriebe ZF Windpower hat für die größten Offshore-Windturbinen eine Getriebeplattform entwickelt. Mit der Akquisition von Hansen Transmissions in 2011 und dem Windgeschäft von Bosch Rexroth in 2015 ist die Business Unit, die zur Division Industriegetriebe innerhalb der ZF-Gruppe gehört, ein Technologieführer mit mehr als 70 Jahren gemeinsamer Erfahrung im Windgeschäft und Lieferant für Getriebe der Leistungsklassen von 0,8 bis 8 MW. Die weltweit größten Offshore-Turbinen haben eine Leistung von ca. 8 MW, was für das Getriebe ein Antriebsmoment in der Größenordnung von 8 000 kNm bedeutet. ZF setzt für die Anwendung ein bewährtes Differentialgetriebe ein, bei dem die Leistung in der Hauptstufe auf zwei Planetenstufen aufgeteilt und mit einer weiteren Planetenstufe wieder zusammengeführt wird. Das Getriebe wiegt ca. 72 t und ist aus logistischen Gründen auf einen Außendurchmesser von ca. 3 m konstruiert. Bei dieser Leistungsklasse ergeben sich Komponentengrößen, die im Zusammenhang mit den für die Windbranche typischen Serien-Stückzahlen für die gesamte Zulieferkette eine Herausforderung darstellen. Die Auslegung der Komponenten erfolgte für mehr als 20 Jahre Betriebsdauer. Die Validierung ist aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur begrenzt möglich. Folglich muss die Zuverlässigkeit der Getriebe bereits in der frühen Entwicklungsphase mit Hilfe geeigneter Entwicklungsmethoden abgesichert werden. Konsequente Umsetzung Bei der Entwicklung der 8-MW-Getriebeplattform wurden konsequent moderne Entwicklungswerkzeuge eingesetzt. Im Entwicklungsteam wurden bereits in der frühen Entwicklungsphase einzelne Funktionsgruppen mit Hilfe systematischer Konzeptstudien bewertet und ausgewählt. Dabei wurde auf eine enge Kooperation zwischen Anlagen-, Getriebe- und Komponentenhersteller Wert gelegt. Das gesamte Getriebe wurde bereits in der Entwurfsphase bis auf Bauteilebene mit Hilfe der FMEA (Failure Mode Effect Analysis) untersucht. Dabei wurden mehr als 01 Differentialgetriebe für Windkraftanlagen 34 antriebstechnik 10/2016

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN Dichtungen. Stanzteile. Isolierteile. Individuelle und wirtschaftliche Lösungen • Jede Form, jedes Material, jede Größe 02 Lastverteilungsberechnung eines Wälzlagers: links Standardberechnung, rechts Berechnung mit Berücksichtigung der Systemumgebung 03 Prozessvalidierung anhand eines Komponententests: Vorspannung Planetenlager mit Hilfe eines Druckmessringes • Vielseitige Technologien im Bereich des Stanzens und des Wasserstrahlund Laserschneidens • Hohe Flexibilität durch eigenen Werkzeugbau • Lösung komplexer kundenspezifischer Aufgabenstellungen 1 000 Fehlermoden und Risikominderungsmaßnahmen behandelt. Sowohl die Prozess- als auch die Design-FMEA wurde gemeinsam mit den Lieferanten als auch mit dem Anlagenhersteller durchgeführt (System-FMEA). Die FMEA wurde durch ein Simultaneus Engineering Team bis zum Ende der Entwicklung, sprich bis zum Abschluss des Feldtests begleitet. Das Team aus Entwicklungs- und Fertigungsexperten hat in diesem Zuge Maßnahmen zur Risikominderung verfolgt. Maßgeblich kamen Simulationsmethoden zur Risikoabsicherung zum Einsatz. Der gesamte Antriebsstrang wurde bezüglich der dynamischen und statischen Lasten untersucht und alle relevanten Komponenten als flexible Körper modelliert. Die Interaktion der relevanten Komponenten wurde sowohl am Systemmodell als auch anhand von Submodellen in der Systemumgebung oder separater Modelle untersucht. Die Simulationsmodelle konnten so gemeinsam mit den Lieferanten und dem Anlagenhersteller erstellt und ausgetauscht werden. Das Ziel war eine konsistente Datenbasis und ein gesicherter Informationsfluss. Z. B. wurde die Lastverteilung aller Wälzlager unter Berücksichtigung der umgebenden Strukturbauteile untersucht. Die Wälzkörperlasten unterschieden sich gegenüber dem einfachen Simulationsmodell um bis zu 50 %. Auch die Lastverteilung auf die Wälzkörper wies qualitativ deutliche Unterschiede auf. Körperschallanregung um Faktor 10 reduziert Neben den Hauptfunktionselementen wie Verzahnungen und Wälzlager wurden gemäß den FMEA-Risiken auch Nebenfunktionselemente eingehend untersucht. So wurde z. B. jede Kerbstelle und jede Flanschverbindung mit Hilfe der FEM analysiert. Der Fokus lag dabei auf den Strukturverformungen und sich daraus ergebender Belastungen für die Schrauben und Stifte sowie auf Mikrobewegungen in den Flanschflächen bzw. Welle-Nabe-Verbindungen. Mit Hilfe geeigneter Simulationswerkzeuge wurde das Schmiersystem im Getriebe abgebildet und so die Ölmengenverteilung unter allen Betriebsbedingungen simuliert. Schlösser - Ihr kompetenter Partner. www.schloesserdichtungen.de Schlösser GmbH & Co. KG Wilhelmstraße 8 | 88512 Mengen Tel. +49 7572 606-0 | Fax 606-5598 info@schloess.de

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