Trends und Entwicklungsprojekte bei Wälzlagern für Windkraftanlagen

NSK-Waelzlager / Pressebild: NSK
NSK-Waelzlager / Pressebild: NSK

(WK-intern) – Nochmals höhere Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit bei steigendem Kostendruck:

Auf diese kurze Formel kann man die aktuellen Trends bei Wälzlagern für die Windkraftindustrie bringen.

Der folgende Beitrag zeigt anhand von Beispielen, wie ein weltweit führender Anbieter unter diesen Vorzeichen neue Wälzlagergenerationen entwickelt.

Die Wirtschaftsmeldungen aus der Windkraftindustrie wirken auf den ersten Blick widersprüchlich. Im vergangenen Jahr wurden weltweit Anlagen mit einer Gesamtleistung von 40 GW errichtet und auch für die Zukunft wird Wachstum prognostiziert. Mit der Offshore-Technik entsteht sogar ein ganz neuer Markt. Zugleich aber kündigen führende Hersteller von Windkraftanlagen sowie auf die Windkraft spezialisierte Zulieferer harte Kostensenkungsprogramme an und Experten erwarten eine weitere Konsolidierung auf der An-bieterseite.

Erheblicher Kostendruck lastet auf der Branche
Der scheinbare Widerspruch hat seine Ursache darin, dass die Branche zwar wächst, aber von nochmals höheren Wachstumsraten ausgegangen ist, so dass es nun erhebliche Überkapazitäten gibt. Die Folge ist ein ganz erheblicher Preisdruck, dem sich auch die Zulieferer nicht entziehen können. Für einen weltweit führenden Hersteller von Wälzlagern für Windkraftanlagen heißt das: Die Forschung und Entwicklung muss bei ihren Projekten weiterhin das Ziel im Blick haben, den extremen Anforderungen an die Lebensdauer der Lager unter widrigen Umgebungsbedingungen und hochdynamischen Beanspruchungen Rechnung zu tragen. Sie muss zugleich aber auch frühzeitig die Kosten berücksichtigen, die jede Neu- oder Weiterentwicklung mit sich bringt, und eine klare Kosten-Nutzen-Analyse erstellen.

Wo ist das größte Potenzial für Innovationen?
Natürlich sind auch Innovationen willkommen, die Kosten senken, ohne die Zuverlässigkeit der Wälzlager zu beeinträchtigen. Denn der globale Wettbewerb unter den Herstellern von Windkraftanlagen wird – auch da sind sich die Experten einig – in Zukunft nochmals intensiver werden.

Unter diesen Voraussetzungen gilt es sehr genau zu beobachten, in welchen Bereichen das größte Marktpotenzial für die Entwicklung neuer Wälzlagergenerationen besteht. NSK hat hier u.a. die Multi-Megawatt-Anlagen im Leistungsbereich von 2 bis 4 MW identifiziert. Hier ist das Unternehmen bereits gut positioniert: Führende Hersteller haben in den vergangenen Monaten neue Turbinen vorgestellt, die mit NSK-Wälzlagern ausgerüstet sind.

Zylinderrollenlager mit höheren Tragzahlen
Für die Planetenradlagerung von Turbinen der 3 MW-Klasse arbeitet NSK an optimierten Zylinderrollenlagern und verfolgt dabei gleich zwei Entwicklungsprojekte. Das erste hatte eine Verbesserung der inneren Konstruktion zum Ziel. Bei gleichem Lagerdurchmesser und  gleicher Anzahl der Rollen wurde die Mikro-geometrie konstruktiv und produktionstechnisch optimiert, ohne die Makrogeometrie zu verändern – mit dem Ergebnis einer um 15% erhöhten dynamischen Tragzahl. Dies führt zu einer um 70% höheren rechnerischen Lebensdauer. Diese Lager können nicht nur in den Planetenrädern eingesetzt werden, sondern generell auch auf der „schnellen“ Seite der Windkraftgetriebe.

Beim zweiten Projekt wurde die innere Konstruktion des Lagers grundlegend geändert. Die Anzahl der Rollen wurde erhöht. Das hat zur Folge, dass der Käfig in seinem Querschnitt reduziert wird, aber den gleichen Belastungen standhalten muss. Dieses Ziel wurde durch eine Optimierung der Käfiggeometrie bei gleicher Käfigfestigkeit erreicht. Die Optimierung wurde durch FEM-Analyse und umfassender Erprobung auf dem Prüfstand abgesichert. Bei diesen Lagern ist nicht nur die dynamische Tragzahl höher, sondern auch die statische.

Der Kunde wird sich in Kürze zwischen den beiden dargestellten Optionen entscheiden können, wobei NSK das Lager immer individuell an den jeweiligen Anwendungsfall bzw. den Windkraftanlagen-Typ anpasst.

Neues Käfigdesign für Kegelrollenlager
Die Planetenträger in der Eingangsstufe von Getrieben für Windkraftanlagen sowie die Rotorwelle werden häufig von NSK-Kegelrollenlagern gelagert, ebenso die so genannten integrierten Rotorlager, bei denen Getriebe und Nabe zusammengeschoben werden.

Bei diesen Lagern verwendete NSK bislang Käfige aus gepresstem Starkblech. Aufgrund der stetig wach-senden Lagerdurchmesser musste man aber nach anderen Lösungen suchen und hat für Durchmesser ab 1000 mm einen geschweißten Käfig entwickelt. Der Käfig erfüllt höchste technische Anforderungen, aber seine Fertigung ist sehr komplex und verlangt hohes schweißtechnisches Know-how. NSK erprobt deshalb zurzeit einen Kunststoff-Segment-Käfig, dessen Produktion kostengünstiger ist und der zudem mit hoher Reproduzierbarkeit gefertigt werden kann.
Verbesserte Oberflächengestaltung der Laufbahnen
Vor allem die Laufbahnen von Wälzlagern an den schnelllaufenden Wellen werden sehr stark belastet. Wenn zum Beispiel die Turbine im Leerlauf bei voller Drehzahl eingeschaltet wird, kann Schlupf entstehen, der unter Umständen zu Oberflächenschäden an den Lagern führt. Derartige Schlupfschäden sind in der Branche bekannt, ihre Ursache jedoch trotz intensiver Forschung noch nicht ermittelt. Lager von NSK sind trotz der sehr hohen gefertigten Stückzahlen vergleichsweise selten davon betroffen, was NSK u.a. auf die besondere Art der Oberflächenbearbeitung und Käfigführung zurückführt. Die Forschung und Entwicklung arbeitet weiterhin an einer nochmals optimierten Oberflächengestaltung.

Generatorlager mit Kugeln aus Vollkeramik
Bei Generatorlagern kommt zu den anspruchsvollen Anforderungen, die sich aus der Anwendung ergeben, noch die Stromisolierung hinzu. Damit will man Stromdurchgänge im Antriebsstrang verhindern und Schä-den minimieren, die z.B. bei Stromlastspitzen oder Kreisströmen (Elektrokorrosion) auftreten können. NSK bietet für dieses Anforderungsprofil stromisolierte Lager mit keramisch beschichteten Außendringen an und hat diese Technologie jetzt weiterentwickelt.

Bei den bislang eingesetzten Wälzlagern wird mittels Plasmaspritzen eine dauerhafte Keramikbeschichtung auf die Stahloberfläche aufgebracht. Als Alternative stehen für Lager mit Außendurchmessern bis 340 mm auch Hybridlager mit Kugeln aus Vollkeramik zur Verfügung. Sie zeichnen sich durch herausragende Leistungsmerkmale wie Wärmebeständigkeit, längere Lebensdauer, geringes Gewicht und geringe Wärmedehnung aus. Durch optimiertes Design wird eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit erreicht. Bei der Fertigung der Kugeln kann NSK auf die Erfahrungen zurückgreifen, die bei der Produktion von hochbean-spruchbaren Hybridlagern für Werkzeugmaschinen gesammelt wurden.

Weiterentwicklung auch bei der Werkstofftechnologie
Dauertests haben gezeigt, dass die Ermüdungsdauer von legiertem Kohlenstoff-Chrom-Wälzlagerstahl im Wesentlichen vom Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen abhängt. Daher hat NSK in Kooperation mit einem Stahlhersteller den Werkstoff Z-Stahl entwickelt, der deutlich weniger nichtmetallische Einschlüsse wie z.B. Schwefel und Oxide aufweist. Tests unter Praxisbedingungen belegen, dass die Gebrauchsdauer von Lagern aus Z-Stahl im Vergleich zu solchen aus herkömmlichem vakuumentgastem Stahl bis zu 1,8 mal höher ist.

Bis zu zehnfach höhere Standzeit
In vielen Wälzlagern für Windkraftanlagen – Zylinderrollenlager ebenso wie Kegelrollenlager, Pendelrollenlager, Rillenkugellager und Schrägkugellager – kommt der von NSK entwickelte Stahlwerkstoff „Super Tough“ (Super-TF) zum Einsatz. Aufgrund der veränderten Stahllegierung und Wärmebehandlung mit dem Ziel eines optimierten Martensit- und Restaustenitgehaltes erreichen Super-TF-Lager bis zu zehnfache Standzeiten im Vergleich zu konventionellen Wälzlagerstählen.

Ursachenforschung an Schäden
Die intensive Werkstoffentwicklung zahlt sich auch aus, wenn es zu Schäden kommt, die in der Branche diskutiert werden. Von diesen Schäden sind Lager von NSK meist vergleichsweise selten betroffen. Das gilt z.B. für das „White structure flaking“: ein Abblättern von Material, dessen Ursache noch nicht eindeutig geklärt ist. Das Schadensbild selbst ist bekannt, weil schon vor rund zwanzig Jahren ähnliche Schäden an Generatorlagern der Automobilindustrie auftraten. Ein Stromdurchgang als Ursache wäre auch in der Windkrafttechnik möglich, er konnte bislang aber noch nicht nachgewiesen werden. Eine Fachtagung zum Thema brachte zwar viele Erkenntnisse, ergab aber kein klares Bild, was die Ursache betrifft. NSK arbeitet daran, den Mechanismus des Schadens zu reproduzieren, um noch besseres Verständnis über die Vor-gänge in hochbelastbaren Wälzlagern zu gewinnen.

Prüfstand für die Fehlersimulation
Für derartige Untersuchungen stehen NSK zahlreiche hochmoderne Prüfstände zur Verfügung, mit denen die dynamischen Belastungen von Wälzlagern in Windkraftanlagen simuliert werden können. Die Prüfstände werden zur Ermittlung der Kennwerte von neuen Lagergenerationen verwendet, aber auch für die Simulation von Fehlern und das Erzeugen von Schadensbildern. Aktuell simulieren die Entwickler z.B. Anfahr- und Abbremszustände an Zylinderrollenlagern und Kegelrollenlagern für die „schnelle“ Seite des Getriebes einer 2 MW-Turbine. Diese Tests dienen dazu, um nochmals bessere Detailkonstruktionen und verbesserte Werkstoffe zu entwickeln. Aber auch unter dem Kostenaspekt gehen die Entwicklungen weiter: Wenn es gelingt, gleiche Lagereigenschaften zu günstigeren Kosten zu erzeugen, ist auch das ein Ziel, das die Kunden in der Windkraftindustrie angesichts des sehr hohen Kostendrucks zu schätzen wissen.

PM: NSK

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