Momentenlager für Windkraftanlagen

Alle Lasten im Blick

Mit anforderungsgerecht ausgelegten Rotorlagerungen bietet die Schaeffler Gruppe Industrie ein Lagerungskonzept, das den Einsatz von Multi-Megawatt-Windkraftanlagen onshore wie offshore zuverlässiger und effizienter macht. Das Engineering erfolgt mit dem weiterentwickelten Berechnungsprogramm Bearinx, das die Vorteile der Finite-Elemente-Methode mit den bisherigen Möglichkeiten des Programms vereint. So lassen sich nicht nur ausgewählte, sondern alle relevanten, kritischen Lastzustände genau auswerten.

Große Brocken: Montage eines WEA-Momentenlagers, hier eines zweireihigen Kegelrollenlagers in O-Anordung (Bild: Schaeffler)

Der Trend zu großen Multi-Megawatt-Anlagen, die insbesondere in Offshore-Windparks eingesetzt werden, verändert auch die Lagerungskonzepte von Windkraftanlagen. Insbesondere die Ein-Lager-Konzepte gewinnen an Bedeutung. Dabei wird der Rotor nur noch von einem zweireihigen Kegelrollenlager – einem so genannten Momentenlager – in O-Anordnung gelagert, das alle Kräfte und Momente aufnimmt. Dieses Ein-Lager-Konzept kann unterschiedliche Ausprägungen annehmen, etwa mit Welle und Getriebe sowie schnell laufendem Generator, als Hybrid-Lösung mit verkürztem Getriebe und mittelschnellem Generator oder als Direktantrieb komplett ohne Getriebe.

Die Ein-Lager-Konzepte erweisen sich dabei stets als sehr kompakte Bauformen. Unabhängig davon, wie weit der Gedanke der Systemintegration in den Konzepten umgesetzt wird – die Möglichkeiten reichen hier bis hin zu Konzepten, in denen die Nacelle (Gondel) komplett in die Lager-Getriebe-Generator-Einheit integriert ist – können Bauteile eingespart und damit das Gewicht reduziert werden. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Kopfgewicht sinkt, Fundamente kleiner dimensioniert werden können und sich letztlich auch Montage und Logistik etwas vereinfachen.
Die Lagerung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Kegelrollenlager vorgespannt eingesetzt werden können und damit kein axiales Spiel und keine axialen Verschiebungen mehr zulassen. Diese genauere Führung der Rotorwelle hat schließlich zur Folge, dass insgesamt weniger Bewegung auf das System einwirkt und somit negative Auswirkungen auf Getriebe und Generator vermindert werden.

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Die Schaeffler Gruppe Industrie hat bereits zahlreiche Ein-Lager-Lösungen, zum Beispiel für Fünf-Megawatt-Offshore-Anlagen, umgesetzt. Die besondere Herausforderung dieser Lagervariante besteht im Engineering, da für die Auslegung und Lebensdauerberechnung keine Standard-Tools mehr eingesetzt werden können. Die Schaeffler Gruppe hat daher ihr Wälzlager-Berechnungsprogramm namens Bearinx um elastische Einflüsse erweitert, die mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) ermittelt werden.

Etwa 250 Lastfälle

Das Berechnungsprogramm kann damit Lager inklusive der Einflüsse des Gehäuses nicht mehr nur für ausgewählte Lastfälle betrachten. Vielmehr werden rund 250 klassierte Lastfälle unter Berücksichtigung aller Elastizitäten ausgewertet, so dass eine optimale Auslegung mit Blick auf annähernd alle kritischen Lastzustände möglich wird. Dazu werden die Ergebnisse der FEM-Berechnungen des Gehäuses in eine Steifigkeitsmatrix überführt und in die Berechnung übernommen. Diese Steifigkeitsmatrix repräsentiert nicht nur die Elastizitäten an den einzelnen Lagerstellen, sondern auch die Einflüsse der Elastizitäten von einer Lagerstelle zur anderen. Das Bearinx-System ist somit in der Lage, die gesamte Lebensdauerberechnung in Abhängigkeit von der Lastverteilung unter Berücksichtigung von Elastizitäten durchzuführen. Die Schaeffler Gruppe verfügt damit über ein bislang einzigartiges Berechnungsprogramm für die Auslegung von Rotorlagerungen für Multi-Megawatt-Anlagen.
Die für den jeweiligen Anlagentyp individuell ausgelegten Momentenlagerungen der Schaeffler Gruppe werden alternativ zum klassischen Stahl-Bolzen-Käfig auch mit Kunststoff-Segmentkäfig angeboten. Als Werkstoff wird dafür PEEK eingesetzt, ein hochfester technischer Kunststoff, der bei geringem Verschleiß und Gewicht erstaunlich hohe Kräfte aufnehmen kann. Darüber hinaus reduziert der Kunststoff-Segment-Käfig die Reibung, was sich positiv auf die Effizienz der Anlage auswirkt.

Alternative in PEEK

Die neue Käfigbauform verbessert nicht nur die Führung der Wälzkörper, sondern ermöglicht auch eine optimierte Schmierstoffversorgung. Zusätzlich können Momentenlager einen integrierten Korrosionsschutz aufweisen, der durch zinkflammgespritzte Oberflächen und Mehrschicht-Lackierung erreicht wird. Besondere Härteverfahren ermöglichen zudem maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften für integrierte Funktionen wie zum Beispiel Dichtungen oder die Verbindung zur Umgebung. ms

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