31. MAI 2016

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Variabel am Wind


LAGERUNG – Effizient, zuverlässig und langlebig müssen Anlagen sein, die Windkraft nutzen. Lagerungselemente reduzieren die Vibration.

Die Effizienz einer Windanlage hängt von vielen Faktoren ab, einer davon ist die Lebensdauer der Anlagenkomponenten. Sie sind im Betrieb der Anlage einer harten Bewährungsprobe ausgesetzt. Über den ganzen Lebenszyklus müssen sie Wind und Wetter trotzen. Sie müssen extremen Temperaturschwankungen genauso standhalten wie Böen, Starkwinden, Vereisung und in Küstennähe und im Offshore-Park auch Salzanhaftungen. Gerade im Offshore-Sektor sind wartungsfreie Komponenten gefragt, denn Reparatur und Wartung auf See sind kostspielig. Umso größer ist die Notwendigkeit, Windkraftanlagen schwingungstechnisch und elastisch zu lagern. Dadurch verringert sich einerseits die Schallbelastung für die Umwelt, andererseits erhöht sich die Lebensdauer von Bauteilen. Montage und Wartung der Anlagen und ihrer Komponenten werden zudem vereinfacht.

PASSIVE LAGER
Die klassischen Lagerungssysteme bestehen aus passiv ausgelegten Gummi-Metall-Verbindungen, wie sie beispielsweise Conti- Tech mit den Produktreihen Schwingmetall und MEGI herstellt. Diese Komponenten vermindern die Ausbreitung von Erschütterungs- und Körperschallschwingungen in die Umgebung und reduziert den Effekt von Umgebungsschwingungen auf empfindliche Apparaturen. Dabei federt und dämmt die Gummi- Metall-Verbindung nicht nur, sie hat darüber hinaus – abhängig vom gewählten Gummi-Werkstoff – eine gleichzeitig dämpfende Wirkung. Bei metallischen Werkstoffen bedarf es für diese Funktionen großen Mehraufwand.
In Windkraftanlagen erfüllen passive Lagerungselemente komplexe Anforderungen der Lastaufnahme, Stoß- und Schwingungsisolation sowie der Dämpfung kritischer Resonanzen von belasteten Bauteilen.
Gleichzeitig bieten sie das notwendige Maß an qualitativer Zuverlässigkeit. Sie ermöglichen elastische Lagerungskomplexe, wo bislang auf starre Lagerung zurückgegriffen werden musste, etwa bei den wichtigen Funktionsbauteilen Achsschrank und Steuerschrank in der Gondel und der Nabe des Windrades. In einer Fünf-Mega-Watt-Anlage in Norddeutschland werden beispielsweise Umformer und Lastschränke für die Motoren elastisch auf Topfelementen und Puffern von Conti- Tech gelagert. Die elastische Lagerung erhöht die Funktionssicherheit, verbessert die Dämpfung und sorgt durch Langlebigkeit für einen geringen Wartungsaufwand. Weitere Anwendungen sind die akustische Entkopplung des Gondelgehäuses mit abreißsicheren Topfelementen sowie die Lagerung von Getriebe und Generatoren. Diese Bauteile nehmen die axialen und radialen Belastungen optimal auf. Die Anlagenmodernisierung, also das Repowering, ist ein wichtiges Thema in der Windenergiebranche und damit auch bei der Komponentenherstellung von Bedeutung. Neuentwicklungen sollten deshalb auch in Altanlagen Anwendung finden. Ein Beispiel ist die Entwicklung eines Getriebelagers für Windkraftgeneratoren der 1,5- bis 2,9-MW-Klasse. Das Lager verfügt über optimierte Eigenschaften und ist so konzipiert, dass es in bestehende Anlagen eingebaut werden kann. Prinzipbedingt ist das passive Lagerungssystem in seinen Entwicklungsmöglichkeiten begrenzt, speziell dann, wenn die Umgebungsbedingungen variieren. Erweiterte Möglichkeiten bieten aktive Systeme wie sie ContiTech Vibration Control derzeit entwickelt. Aktive Tilgersysteme beispielsweise können in einer Windkraftanlage in einem breiten Frequenzbereich Störungen kompensieren.

SCHWINGUNGSTECHNIK
Das Prinzip des aktiven Tilgers basiert auf dem Einsatz elektrischer Energie, mit der von einem Aktor gegenläufige Schwingungen erzeugt werden, die z. B. in beanspruchte Komponenten in der Gondel einer Windkraftanlage eingeleitet werden. Diese gegenphasige Kompensation wird genutzt, um die Übertragung von störenden Vibrationen auf eine bestimmte Struktur zu verringern.
Vier Komponenten bilden die Basis eines aktiven Tilgersystems: Aktoren zur Erzeugung dynamischer Kräfte – das Unternehmen aus Hannover besitzt ein Patent für einen besonders leistungsstarken Aktor –, ein elektronisches Steuergerät, Leistungsverstärker und Beschleunigungssensoren. Die auf Elemente der Windkraftanlage übertragenen Schwingungen werden mittels Sensor gemessen und einem elektronischen Steuergerät zugeführt. Dieses muss gemeinsam mit dem Verstärker das Sensorsignal so modifizieren, dass der Aktor eine Schwingung generiert, welche die gleiche Amplitude hat, aber um 180 Grad phasenverschoben ist. Hierdurch kann eine störende Anregung kompensiert werden. Hörbare Frequenzen werden leiser und Vibrationen deutlich verringert. Zur Sicherung einer ausreichenden Kompensationswirkung muss die Gegenschwingung des Aktors im gesamten Arbeitsbereich (20 – 800 Hz) mit einer Genauigkeit von ± 5 Grad in der Phase und ± 0,5 dB in der Amplitude erzeugt werden. Ein Kernstück des aktiven Tilgersystems ist das elektronische Steuergerät, auf dem speziell entwickelte Regelalgorithmen implementiert werden. Eine Autotuning-Funktion übernimmt die Feinjustierung des Systems. Je nach Anwendung kann ein Steuergerät einen oder mehrere Aktoren gleichzeitig ansprechen. Für die Entwicklung und Industrialisierung des Steuergerätes und der Sensoren kann ContiTech Vibration Control auf Entwicklungskompetenzen innerhalb des Continental-Konzerns zurückgreifen. Dr. Hans-Jürgen Karkosch, Thomas Knickelmann, ContiTech Vibration Control

Ausgabe:
:K 04/2008
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