Zuverlässigkeit von Windkraft-Lagerungen gesteigert

Funktion und Leistungsfähigkeit einer Windkraftanlage werden maßgeblich von ihren Lagerungen beeinflusst, denn sie nehmen alle Lasten auf – im Getriebe wie auch insbesondere im Hauptlager. Ihre Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit sind ein entscheidender Faktor für die Stromgestehungskosten. Schaeffler entwickelt dafür optimierte und innovative Produkte, die die Belastbarkeit und Beanspruchbarkeit von Lagerungen erhöhen. Bewährte Lagerlösungen werden vor allem hinsichtlich Leistungsdichte, Robustheit oder auch vereinfachter Montage- und Wartungsprozesse konstruktiv optimiert.

Die integrierte Sensorik in Lagerungen sorgt zudem dafür, Betriebszustände und deren Wirkung auf die Lagerungen im Betrieb transparent zu machen. Mit den, dem Betreiber zur Verfügung gestellten Daten aus demFeld, lassen sich Wartungsarbeiten bedarfsgerecht und vorausschauend planen und Betriebsstrategien der Anlagen anpassen.

Rollenlager in X-life-Qualität

Asymmetrische FAG-Pendelrollenlager für Rotor-Hauptlagerungen wurden 2015 erstmals vorgestellt. Mittlerweile sind diese Lager in vielen Anlagen im Einsatz und wurden zu einer kompletten Baureihe nach X-life-Standard weiterentwickelt. Das asymmetrische Lagerdesign ermöglicht einen höheren Druckwinkel auf der axial belasteten Wälzkörperreihe und einen flacheren Druckwinkel auf der hauptsächlich radial belasteten Wälzkörperreihe.

Durch diese optimierte Lastverteilung gemäß dem für Rotorlagerungen typischen Belastungsprofil können die Lager schmaler ausgeführt werden. Damit erlaubt das Lagerdesign dem Anlagenhersteller eine Verkleinerung des Antriebsstrangs bei gleicher Leistungsfähigkeit. Bei gleicher Lagergröße lassen sich Anlagen mit größerem Rotordurchmesser oder höherer Leistung ausführen. Für den Anlagenbetreiber ergibt sich die Möglichkeit, mit einem asymmetrischen Lager als Ersatzteil die Robustheit seiner Anlage zu erhöhen (Bild 1).

Weitere Leistungssteigerungen sind mit Beschichtungssystemen von Schaeffler möglich, wie beispielsweise »Durotect B« für nochmals gesteigerte Robustheit oder »Triondur« für optimalen Verschleißschutz.

Rotorlagersystem mit bedarfsgerechter Sensorik

Um die Wälzlagerungen im Triebstrang und das Gesamtsystem weiter zu verbessern und den Anlagenbetrieb zu optimieren, bieten reale Betriebsdaten zum Zustand der Lager großes Potential. Beispielsweise können durch die Auswertung und Interpretation der erhobenen Daten Sicherheitsfaktoren genauer bestimmt und gegebenenfalls reduziert werden.

Die kundenspezifisch entwickelten Sensorkonzepte erfassen relevante Schadensmechanismen für die Lager. Für spezifische Parameter, deren Überwachung im Betrieb bislang nicht erfolgt, aber einen Mehrwert für den Betreiber darstellt, wurde beispielsweise der »Load-Sense-Pin« entwickelt: Bei Rotorlagersystemen, die vormontiert an die Umgebungskonstruktion angeflanscht werden, hat die Vorspannung der hierzu verwendeten Schraubenverbindungen einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Gebrauchsdauer des Lagers, da sie die Lastverteilung im Lager mitbestimmen. Der »Load-Sense-Pin« (Bild 2) überwacht die Vorspannung der Verschraubung des Flanschlagers im Betrieb, so dass ein bedarfsgerechtes Nachziehen der Schrauben möglich wird. Mit mehreren dieser Pins lässt sich die Vorspannung der Verschraubung im Betrieb überwachen, so dass ein bedarfsgerechtes Nachziehen der Schrauben möglich wird. Die Prüfung der Vorspannung auf dem Turm kann entfallen. Eine in festen Abständen sonst erforderliche Überprüfung der Vorspannung entfällt. Die Zuverlässigkeit des Lagersystems wird erhöht und Wartungskosten gesenkt.

Cloud-to-Cloud-Kommunikation

Auf Basis der realen Lasten aus dem Betrieb der Windkraftanlage erstellen Experten-Modelle Analysen und Prognosen des Getriebezustands. Über Cloud-to-Cloud-Kommunikation werden die von ZF generierten und von Schaeffler analysierten Daten ausgetauscht. Damit ist es möglich, das Know-how des Lager-Experten in sein Wartungs- und Ersatzteilmanagement zu integrieren, das auf Basis von Betriebsdatenanalysen proaktives Handeln ermöglicht.

Robustheitstest für Rotorlager

Mit realitätsnahen Belastungssimulationen liefert der Großlagerprüfstand »Astraios« wertvolle Erkenntnisse, die für die Neuentwicklung von Lagerlösungen sowie für die Optimierung der Simulations- und Berechnungsmodelle genutzt werden (Bild 3). Auf dieser Basis wurde nun ein Robustheitstest entwickelt. Dabei wurden die Lastfälle derart ausgewählt und komprimiert auf die zu prüfende Lagerung aufgebracht, dass sie in nur wenigen Monaten die Ereignisse, Belastungen und Beanspruchungen eines 20- bis 25-jährigen Betriebs einer Windkraftanlage repräsentieren.

Die Ermüdungslebensdauer ist zwar auch für Rotorlagerungen in der Windkraft Basis der Auslegung, aber für die tatsächliche Lagergebrauchsdauer weniger relevant; andere Ausfallmechanismen wirken oft früher. Der Robustheitstest konzentriert sich daher auf jene Ausfallmechanismen und Beanspruchungszustände im Betrieb, die nicht mit der klassischen Ermüdungslebensdauer beschrieben werden können.

WEC-resistente Wälzlager

Ein Phänomen, das die Zuverlässigkeit von Lagern in Windkraftanlagen negativ beeinflusst, sind die so genannten »White Etching Cracks« (WEC). Dabei handelt es sich um Gefügeveränderungen im Werkstoff, die sich unterhalb der Lagerlaufbahn bilden. Schaeffler ist in der Lage, WEC-Schäden auf Prüf­ständen zu reproduzieren und darauf basierend geeignete Gegenmaßnahmen zu ent­wickeln.

Für eine effiziente und wirtschaftliche Reduktion von WEC-Schäden empfiehlt sich das Durchhärten der Lager in Kombination mit dem Beschichten der Ringe und Wälzkörper mit Durotect B.