Die Hauptwelle einer Windkraftanlage benötigt für ihren Betrieb eine zuverlässige Lagerung.

(WK-intern) – Einige Lagerkonstruktionen sind für einen frühzeitigen Ausfall bekannt, der zu teuren Wartungsreparaturen führt.  

Die neuesten Upgrades und Fortschritte in der Lagerkonstruktion erhöhen die Zuverlässigkeit und Standzeiten des Hauptwellensystems. Die Auswahl des richtigen Lagers trägt viel zur Gesamtleistung einer Windkraftanlage bei.

Modulare Windturbinenkonstruktionen 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 folgendes zu ermöglichen:

• Kompakte Gondelabmessungen
• Hohe Verträglichkeit im Hinblick auf Verformungen und Fluchtungsfehler
• Kommerziell wirtschaftliche Versorgungskette.

Leider mussten einige Betreiber von Turbinen mit 3-Punkt-Lagerungen wesentlich früher als erwartet Feldausfälle verzeichnen, was die Systemlebensdauer erheblich verkürzte. Ein ungeplantes Ersetzen des Rotorlagers kann Windparkbetreiber bis zu 450.000 US-Dollar kosten und somit einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage haben.

Beitragende Faktoren

Hohe Axialbelastung auf ein 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 bis 20 % der Radialkraft des zweireihigen Lagers betragen. Bei einigen Anwendungen kann dieses Verhältnis bis 0,30 oder 0,35 betragen. Wenn dies auftritt, werden mehrere Schadensmuster erkennbar, die auf die Entlastung einer Lagerreihe zurückzuführen sind. Diese Entlastung kann die Lastverteilung zwischen Lagerreihen beeinflussen, zu Rollenschränkung, Käfigbelastung und übermäßiger Wärmeerzeugung führen sowie Rollenanschmierungen verursachen. In der Festlagerung der Hauptwelle liegt dieses Verhältnis 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.

Unzureichende Schmierfilmdicke

Im Allgemeinen sind die Betriebsbedingungen des Rotorlagers für eine Schmierfilmerzeugung nicht ideal. Bei einer maximalen Betriebsdrehzahl von ca. 20 U/min können Oberflächengeschwindigkeit und Schmierfilmdicke zur Trennung der Rauigkeitsspitzen 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.

Konstruktive Lösungen zur Leistungsverbesserung

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

Pendelrollenlager-Upgrades für bestehende Turbinen

Ein Unternehmen 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 Rauigkeitsinteraktionen. 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 HRC60-Stahl, ein bis zwei Mikrometer dick und besitzen im Kontakt zu Stahl niedrige 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.

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 ausgelegt 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. Dank des großen effektiven Lagerabstandes sind diese Lager im Normalfall kompakt und wirtschaftlich dimensionierbar.

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 garantiert eine einfache Montage. 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. 

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.

Abb. 7: Anders als ein Pendelrollenlager kann ein TDI-Lager höhere Lasten aufnehmen und eine gleichmäßige Lastverteilung garantieren, was zu einer Verschleißverringerung führt.

Zusammenfassung

Begründet in der Forderung nach einer Verbesserung der Gesamtleistung arbeiten Windturbinen- und Lagerhersteller gemeinsam an zuverlässigeren Hauptwellensystemen. Verbesserte Technologien ermöglichen Upgrades 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.

PM: von Bradley Baldwin, Tony Fierro, Thierry Pontius, Guillaume Badard, The Timken Company

Fotos: © The Timken Company (Abbildung 1: Die 3-Punkt-Lagerung mit Hauptlager und zwei Drehmomentstützen am Getriebe.)