Immer hart am Wind

Titelstory

Lagertechnik – Wälzlager in Windkraftanlagen sind enormen Belastungen ausgesetzt. Die Wahl der optimalen Bauteile erfordert deshalb nicht nur den Einsatz von Hochleistungskomponenten, sondern auch spezielle Expertise für eine maßgeschneiderte Ausstattung der Lager.

18. Februar 2013

Ein Kennzeichen von technischen Komponenten in Windkraftanlagen sind die hohen Anforderungen an ihre Robustheit. So unterliegen die in Windkraftanlagen verbauten Komponenten meist ungleichförmigen mechanischen und thermischen Belastungen und sind zudem extremen Witterungseinflüssen ausgesetzt. Dazu kommt, dass die Anlagen in der Regel an entlegenen Standorten oder gar im offenen Meer aufgestellt wurden und die entscheidenden Komponenten in großen Höhen montiert und daher nur schwer zugänglich sind. Eventuelle Reparatur- und Wartungsarbeiten gestalten sich deshalb sehr zeit- und kostenintensiv. Sämtliche Bauteile einer Windkraftanlage müssen daher auf diese besonderen Anforderungen und anspruchsvollen Betriebsbedingungen ausgerichtet sein, weil jeder ungeplante Ausfall der Anlage die gesamtwirtschaftliche Betriebsleistung beeinträchtigt und enorme Ausgaben für Reparatur und Ersatzteile nach sich zieht.

Häufige Ursachen von Schadensfällen an Windenergieanlagen sind erfahrungsgemäß Schäden an Getriebe und Generator sowie an den Lagern der Hauptachse und an der Blattverstellung, die die hohen mechanischen Belastungen über die Laufbahnen und Schraubenverbindungen der Blattlager sicher in die Rotornabe ableiten müssen. Neben häufigen Anfahr- und Bremsvorgängen beansprucht dabei vor allem der Wind selbst die Rotorblätter. Weil der Wind nicht immer gleichförmig weht, müssen sämtliche Bauteile zudem den dynamischen, ungleichförmigen Belastungen durch unterschiedliche Windstärken, Turbulenzen und Böen standhalten. Hinzu kommt, dass auch die Rotorachse kurzzeitig ungleich belastet wird, wenn eines der Rotorblätter vor dem Turm durchläuft. Zugleich sind Windkraftanlagen den unterschiedlichsten Wettereinflüssen ausgeliefert und müssen sowohl Sonnenhitze und Staub wie den verschiedensten Niederschlagsformen standhalten. So verursacht beispielsweise Eisbildung an den Rotorblättern eine Unwucht des Rotors, die die eingesetzte Lagertechnik weiter belastet und zudem oft spezielle Lagerkomponenten wie besondere Schmierstoffe oder Dichtungen erfordert. Für Gunther Schulz, Geschäftsführer des Antriebsspezialisten Rodriguez aus Eschweiler, steht daher fest: »Bei der Auswahl der geeigneten Lagertechnik ist eine Lebensdauer von 20 Jahren bei maximaler Verfügbarkeit und minimalem Wartungsaufwand gefordert.«

Bewährte Lösung

An der horizontalen Rotationsachse zum Beispiel bewähren sich deshalb die Kugeldrehverbindungen aus dem Kaydon-Programm von Rodriguez, die in vielen Schwerindustrie-Anwendungen schon lange im Einsatz sind. Kaydon-Drehkränze zählen neben Dünnringlagern, doppelreihigen Schrägkugellagern für Gewindetriebe und bidirektionalen Zylinderrollenlagern für Werkzeugmaschinen zum Präzisionslager-Portfolio der Rodriguez GmbH. Für den Einsatz in Windkraftanlagen wurden zudem spezielle Kugeldrehverbindungen entwickelt, die den dort herrschenden Betriebsbedingungen und daraus resultierenden Anforderungen gerecht werden.

Raue Bedingungen

Die Kaydon-Kugeldrehverbindungen sind applikationsgerecht mit Verzahnungen am Innen- oder Außenring ausgerüstet, werden bei Bedarf jedoch auch unverzahnt ausgeführt. Der große Bohrungsdurchmesser ermöglicht die Führung der Kabel und anderer Bauelemente innen durch den Drehkranz. Je nach Einsatzgebiet fertigt der Hersteller die Komponenten aus Vergütungsstählen mit zinkflammgespritzten Oberflächen oder aus anderen Edelstählen. Korrosionsgeschützte Varianten besitzen zudem unterschiedliche mehrschichtige Lackierungen, die die Lebensdauer der Lager weiter verlängern. Damit eignen sie sich neben dem Einsatz in Offshore-Windkraftanlagen auch für Bohrplattformen, die petrochemische Industrie und für viele andere Anwendungsbereiche mit rauen Betriebsbedingungen.

Hochbeanspruchte Komponenten einer Windkraftanlage sind auch die Blattflanschlager zur Lagerung der Rotorblätter an der Rotornabe sowie deren Verbindung mit der Maschinengondel. Sie dienen der synchronen Winkelverstellung und damit der Leistungsregulierung der Anlage. Je nach dem Anwendungsfall und der Größe der Windkraftanlage, deren Rotoren einen Durchmesser von 40 bis 90 Metern haben können, kommen hier zum Beispiel ein- oder zweireihige Vierpunktlager wie die Kaydon-Kugeldrehverbindungen unterschiedlicher Baugrößen zum Einsatz, die die auftretenden Axial- und Radiallasten sowie Kippmomente aufnehmen können.

Die Gondel selbst ist über ein Azimutlager – üblicherweise ein einreihiges Vierpunktlager – horizontal drehbar auf dem Turm montiert, das die optimale Nachführung des Rotors gemäß der Windrichtung gewährleistet. So lassen sich durch das entsprechende Einstellen des Turmkopfes die Windverhältnisse optimal ausnutzen. Gleichzeitig werden extreme Belastungen vermieden. Die beidseitige Abdichtung des Lagers schützt sein Inneres vor Staub oder anderen Schmutzpartikeln, was den Lagerverschleiß verringert und die Verunreinigung des Schmierstoffs verhindert. Zudem gewährleisten die Dichtungen, dass der sich bei höheren Temperaturen leicht verflüssigende Schmierstoff zuverlässig im Lager verbleibt.

Spezialisten sind gefragt

Die konstruktive Bauteilauslegung und Lebensdauerberechnung erfordert jedoch nicht allein den Einsatz von Hochleistungsprodukten, weiß Schulz und erklärt: »Die Lebensdauerberechnung der Wälzlager setzt auch ein hohes Maß an Expertise voraus.« Schließlich steigt der Bedarf an individuellen Lösungen auch im Bereich der Windkraftanlagen. Zudem bringt die Windkraftindustrie immer neue, verbesserte Anlagentypen und -ausführungen hervor, um dem jeweiligen Standort bzw. Primärbedürfnis optimal gerecht zu werden. Bereits Anfang der 1990er-Jahre implementierte Rodriguez deshalb am Standort Eschweiler eine Eigenfertigung im Bereich Lineartechnik sowie für die Bearbeitung rotativer Präzisionslager, die seitdem kontinuierlich ausgebaut wurde.

Eigene Fertigung

Inzwischen fertigt Rodriguez bestimmte Produktgruppen und Baugrößen dieses Bereichs in der eigenen Werkstatt, wie zum Beispiel die robusten und leistungsfähigen Kugeldrehverbindungen, und entwickelt zudem kundenspezifische Lösungen mit individuellen Antriebskomponenten. Der moderne Maschinenpark mit präziser Messtechnik eröffnet dafür nicht nur in der Fertigung von Kugeldrehverbindungen neue Möglichkeiten, sondern auch für die kundenspezifische Modifikation von Dünnringlagern.

Auf einen Blick

-Die Rodriguez GmbH mit Sitz in Eschweiler ist ein führender Anbieter von Dünnringlagern, Präzisions-Rollenlagern, Sonderlagern und Lineartechnik sowie von Komponenten und Systemen für die Fahrzeugindustrie .

-Neben einem umfangreichen Programm an Standardkomponenten bietet das Unternehmen kundenspezifische Bearbeitungen und individuelle Sonderlösungen aus eigener Fertigung sowie antriebstechnische Komplettsysteme mit einem umfassenden Rundum-Service für die Lagermechanik.

Erschienen in Ausgabe: 01/2013