antriebstechnik 9/2016

WIND, SONNE, WASSER I

WIND, SONNE, WASSER I SPECIAL Die machen Windkraft wirtschaftlicher Robustere Pendelrollenlager für hohe Anforderungen in der Windenergie Andreas Bierlein Mit dem Ziel die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und damit Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen zu erhöhen, hat Schaeffler sein Produktspektrum an Pendelrollenlagern für Rotor-Hauptlagerungen mit unterschiedlichen konstruktiven Maßnahmen überarbeitet. 01 Das asymmetrische Pendelrollenlager erhöht die axiale Tragfähigkeit und damit die Gebrauchsdauer der Hauptlager in Windkraftanlagen signifikant Anhand der Betriebsdaten von rund 10 000 Windturbinen untersuchte Schaeffler die Zuverlässigkeit von Pendelrollenlagern, die in vielen Anlagen als Hauptlager eingesetzt werden. Die Ingenieure entdeckten dabei typische Schadensursachen und entwickelten entsprechende Gegenmaßnahmen. Das Ergebnis sind für den Einsatz als Hauptlager optimierte Pendelrollenlager, deren Mikro- und Makrogeometrie überarbeitet wurde. Einen noch weiterführenden Schritt hin zu mehr Robustheit stellt die Entwicklung eines asymmetrischen Pendelrollenlagers dar. Robuste Konstruktion für weniger Verschleiß Die Lagerung der Rotorwelle ist in Windkraftanlagen von zentraler Bedeutung. Das Festlager ist dabei besonders hohen Axiallasten ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund hat Schaeffler seine bewährten Standard- Pendelrollenlager optimiert, um den spezifischen Anforderungen für den Einsatz in Windkraftanlagen noch besser gerecht zu werden. Die Maßnahmen der Ingenieure konzentrierten sich dabei auf zwei Bereiche: Andreas Bierlein ist Mitarbeiter in der Produktentwicklung Pendelrollenlager bei der Schaeffler Technologies AG & Co. KG in Schweinfurt Zum einen passten sie die Mikro-Geometrie der Lager an und optimierten die Kontaktpressung zwischen Wälzlager-Ring und Wälzkörper. Zum anderen erhöhten sie mit dem Einsatz eines festen Mittelbords die axiale Steifigkeit in der Makro-Geometrie. Mit beiden Maßnahmen gelang es den Ingenieuren, die Robustheit der Lager gegen Verschleiß zu erhöhen, der insbesondere durch axialen Verschiebungen entsteht. Im Zuge der Validierung wurden die Lager erfolgreich umfangreichen Tests für das Schaeffler-Gütesiegel „X-life“ unterzogen. Die dazu notwendigen Validierungsschritte sind vom Germanischen Lloyd zertifiziert worden (Zertifikat GL-CER-002-2015). Zusätzlich entwickelte Schaeffler ein asymmetrisches Lager-Design. Dieses erhöht die axiale Tragfähigkeit und damit die Gebrauchsdauer der Hauptlager in Windkraftanlagen signifikant. Denn das asymmetrische Pendelrollenlager verfügt über einen höheren Druckwinkel auf der axial belasteten Lagerreihe und einen flacheren Druckwinkel auf der hauptsächlich radial belasteten Lagerreihe. Umfangreiche Untersuchung von Betriebsdaten Wichtige Eingangsgröße für das Projekt waren Betriebsdaten von weltweit rund 10 000 Turbinen mit unterschiedlichen Konfigurationen des Antriebsstrangs, die die Schaeffler-Ingenieure auswerteten. Drei Thesen konnten die Ingenieure dabei bestätigen: Die Ausfälle traten fast immer bei Festlagern auf – Loslager waren praktisch nicht betroffen. Außerdem konzentrierten sich Primär-Ausfälle auf die axial belastete Reihe der Festlager. Drittens hatten die Schäden ihren Ausgangspunkt meist in der Lastzone der Lager. Einige Theorien konnte das Analyseteam von Schaeffler dagegen nicht nachvollziehen. So fanden sie Ausfälle von Festlagern sowohl in Dreipunkt- als auch in Vierpunkt-Abstützungen, an Lagern mit einteiligem und zweiteiligem Käfig. Die begutachteten Lager zeigten größtenteils oberflächennahe Schäden. Da die Schaeffler-Entwickler auch Lager in einem sehr frühen Ausfallstadium analysierten, konnten sie diese oberflächennahen Schäden in zwei wesentliche Gruppen der ISO15243 einordnen: in oberflächennahe Ermüdung und in abrasiven Verschleiß. Der abrasive Verschleiß ist bei Betriebsbedingungen von Windkraft-Hauptlagern weithin bekannt. Ein Hauptgrund dafür ist die niedrige Drehzahl der Welle, die zu einer niedrigen Höhe des Schmierfilms und damit zur Mangelschmierung führen kann. Wirkungsvolle Gegenmaßnahmen liegen in der Auswahl eines geeigneten Schmierstoffes und eines geeigneten Schmiersystems, in der Anpassung der Oberflächenrauheit oder deren Beschichtung sowie in der 68 antriebstechnik 9/2016

SPECIAL I WIND, SONNE, WASSER höheren Sauberkeit im Lager, etwa durch geeignete Montageprozesse, Dichtungen und Schmierstoffe. Für die Schadensbilder der oberflächennahen Ermüdung konnte das Schaeffler- Team den Lösungsweg erst mittels verschiedener Simulationen finden. Sie berechneten das Produkt aus Kontaktpressung p und Schlupfgeschwindigkeit v mit dem Schaeffler-Mehrkörper-Simulationsprogramm CABA3D entlang der Druckellipsen-Längsachse und fanden eine klare Korrelation zum Erscheinungsbild der oberflächennahen Ermüdung. Das Phänomen zeigte sich auch deutlich auf Pendelrollenlager-Innenringen, welche vor dem Lauf geätzt wurden. Das Team von Schaeffler betrachtete auf Grundlage dieser Erkenntnis in einer Serie von Mehrkörpersimulationen verschiedenste Bewegungen. Dabei stellte sich die axiale Schubbewegung des Antriebsstranges als eine weitere wesentliche Einflussgröße auf die Schadensbilder dar – zum einen bei Sonderereignissen wie Not- Stopps, zum anderen aber vor allem beim dynamischen Schieben im Normalbetrieb. Durch äußere Windlasten und Turmschatteneffekte variiert die axiale Position des Antriebsstranges. Die Schiebewege sind dabei zwar relativ gering. Deren Auftreten ist jedoch permanent und kumuliert sich über die Betriebszeit der Turbine auf äußerst hohe Werte. Maßnahmen in Makround Mikro-Geometrie KOMPAKTESTE LÖSUNG Optischer Multiturn-Drehgeber Sendix F5883M Motor-Line • Speziell für die Antriebstechnik • Nur 43 mm Einbautiefe bei einer durchgehenden Hohlwelle bis zu 15 mm • Kompaktere Motoren dank flachstem Multiturn Drehgeber • Plug‘n‘Play: einfacher Austausch von Inkremental zu Absolut • Reduzierte Kosten durch gleiche Bautiefe und Anbauart Vor diesem Hintergrund optimierten die Entwickler den p*v-Kennwert sowie den axialen Schiebeweg sowohl in der Makroals auch in der Mikro-Geometrie. Die Anpassungen in der Makro-Geometrie umfassten vor allem drei Punkte. Zum einen reduzierten die Ingenieure die initiale Lagerluft und verbesserten so das Betriebsspiel. Dadurch reduzierten sie die Wälzkörperkräfte und das axiale Schieben des Antriebsstranges. Zweitens verwendeten sie einen festen Mittelbord für die Festlagerung des Windturbinen-Rotors und erhöhten so die axiale Steifigkeit, was die axiale Verlawww.kuebler.com