Mehrkörpersimulation von Windkraftanlagen

Simulieren und verstehen

Wälzlagerungen sind das Herzstück des Triebstrangs von Windkraftanlagen. Sie unterliegen nicht nur unterschiedlich hohen und stark wechselnden Lasten, sondern auch einer großen Bandbreite an niedrigen und hohen Drehzahlen. Deshalb haben die Entwickler der Lager heute das gesamte System Windkraftanlage mit den Wechselwirkungen der einzelnen Triebstrangkomponenten im Blick. Komplexe Simulationen erlauben es, Bauteile virtuell zu testen und für alle Lastzustände die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Windkraftanlagen zu verbessern.

Mehrkörpersimulation: Lebensdauer berechnen unter Berücksichtigung von Dynamik und Interaktion aller Komponenten im Triebstrang.

Im Rahmen eines Entwicklungsprojekts hat die Schaeffler Gruppe Industrie gemeinsam mit dem Windkraftanlagen-Hersteller Repower Systems und dem Getriebebauer Eickhoff Antriebstechnik eine Systemsimulation zur Berechnung dynamischer Betriebslasten für den Antriebsstrang von Windkraftanlagen entwickelt. Das komplexe Mehrkörpersimulationsmodell kann unter Einbeziehung von FEM-Berechnungen die Einzelkomponenten des Antriebsstranges, deren Interaktion sowie das gesamte Anlagendesign bereits in der Entwicklungsphase optimieren. Windkraftanlagen können so für alle Lastzustände zuverlässiger und kostengünstiger ausgelegt und betrieben werden.

Lastsimulationen sind unverzichtbarer Bestandteil der Auslegung von Windenergieanlagen. Trotz neuer Anlagentypen, etwa durch alternative Hauptlager- oder Getriebekonzepte, und wachsender Anforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit, dienen zur Lastsimulation bisher meist stark vereinfachende Modelle. Sie geben als Basis der Auslegung Lastzeitreihen nur für bestimmte Schnittgrößen, nicht aber für alle Komponenten vor. Komplexe Einheiten werden so nur als „black box“ behandelt – wie etwa das Getriebe mit seinen dynamischen Komponenten und ihren Rückwirkungen auf andere Teile des Antriebsstrangs. Die Modellbildung wird den Anforderungen für Getriebe und ihrer zuverlässigen Auslegung nur unzureichend gerecht.

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Um ein umfassendes Systemverständnis über die dynamischen Lasten der mechanischen Komponenten im Antriebsstrang zu erreichen, haben die Projektpartner ihr jeweiliges Produkt- und Berechnungs-Knowhow in die Entwicklung eines komplexen Mehrkörpersimulationsmodells (MKS-Modell) eingebracht. Zentrales Programm ist die von Schaeffler entwickelte Wälzlager-Berechnungssoftware Bearinx, mit der schnell dynamische Simulationsmodelle für komplette Getriebe generieren und die Ergebnisse visualisieren lassen. Da die Software das Verhalten von Wellen, Verzahnung und Lager bis hin zum einzelnen Wälzkontakt abbildet, wird die Simulation des Antriebsstranges genau und zuverlässig. In Verbindung mit elastischen Simulationen und FEM-Berechnungen für Umgebungsbauteile und Gehäuse wird laut Schaeffler „der höchste Grad der Modellierungsstufe erreicht“.

Detaillierte Sub-Modelle

Im Gegensatz zu konventionellen Simulationsprogrammen (z.B. Flex 5, Bladed) beinhalten die Hybrid-FEM-MKS-Modelle detaillierte Sub-Modelle zu Steifigkeits-Matrizen und Massen für alle elastischen Komponenten wie Rahmen, Gehäuse, Planetenträger, Zahnräder und Lager. Das Wälzlager-Berechnungsprogramm Bearinx erstellt dabei zunächst das Getriebemodell, und bildet damit Geometrie, Anordnung der Getriebeelemente sowie verwendete Lager ab. Eine neu entwickelte Softwarefamilie baut auf dem Modell auf und nutzt es für die Mehrkörpersimulation. Das Preprocessing-Programm Dynpre erzeugt aus den BearinxGetriebedaten und aus weiteren Daten zu Geometrie und Werkstoffen anderer Anlagenelemente (Turm, Rotorblätter, Generator etc.) das Simulationsmodell. Der Prozess erfolgt automatisiert, fehlerfrei, genau und im Vergleich zu anderen Methoden sehr schnell.

Zur eigentlichen Mehrkörpersimulation wird das Programm Samcef-Mecano genutzt. Die Aufbereitung der Daten zur Auswertung erfolgt anschließend über das Programm Dyn DP. Die Daten werden in Diagrammen, Filmen und 3D-Diagrammen visualisiert. Das Programm bietet die Möglichkeit zur Untersuchung klassierter Lasten als Voraussetzung für die Lebensdauerberechnung unter Berücksichtigung von Dynamik und Interaktion der Komponenten. Auswertungen sind über die Betriebsdauer hinweg zu jedem Zeitpunkt möglich. Auch extreme Lastzustände – etwa bei Notstopp oder Kurzschluss – können simuliert und beurteilt werden. Das gilt für ihre Auswirkungen auf Gesamtsystem, Subsysteme und Wälzkontakte – stets unter Berücksichtigung aller dynamischen Zustände und Effekte.

Das MKS-Modell ermöglicht das integrierte Berechnen von Ermüdungslasten oder extremen Lastzuständen in bisher nicht erreichbarer Genauigkeit. Die Anlagenauslegung wird so zuverlässiger und die Möglichkeit, Designalternativen früh zu untersuchen und zu beurteilen, gibt Sicherheit im Entwicklungsprozess. Die Entwicklungskosten sinken, da Designänderungen in einem frühen Stadium vorgenommen werden können.

Schaeffler präsentiert auf der Husum Wind Energy am Stand 2B05 auch neue Lagerlösungen für Rotor, Getriebe und Blattverstellung in Windkraftanlagen. ms

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