Mehrwert für Megawatt

Wälzlager – Der Betrieb von Windkraftanlagen stellt enorme Anforderungen an die Lagerungen in den Getrieben. Speziell die geforderte Betriebssicherheit der Anlagen stellt die Hersteller von Wälzlagern vor eine echte Herausforderung.

10. April 2008

Eine positive Folge der steigenden Energiepreise ist die zunehmende Nutzung regenerativer Energien. So deckt alternativ erzeugte elektrische Energie in Deutschland schon heute mehr als zehn Prozent des Stromverbrauchs, und bereits im Jahr 2025 soll allein die Windenergie rund 25 Prozent zur Stromerzeugung in Deutschland beitragen. Insgesamt sind hier schon heute Windkraftanlagen mit einer Leistung von mehr als 20.000 Megawatt installiert, allein im Jahr 2006 kamen mehr als 1.000 neue Anlagen mit einer Leistung von über 2.200 Megawatt hinzu. Eine ähnliche Entwicklung zeigt sich auch in anderen Ländern, von Dänemark bis Indien.

Der wesentliche technische Trend ist das »Upscaling« in immer größere Leistungsbereiche: Während Windkraftanlagen noch vor wenigen Jahren die Leistung von max. einem Megawatt lieferten, werden mittlerweile schon Anlagen mit bis zu fünf Megawatt projektiert oder als Prototypen installiert. Zugleich steigen die Anforderungen an die Betriebssicherheit, schließlich liegt die Betriebsdauer einer Windkraftanlage im Schnitt bei rund zwanzig Jahren, und grundlegende Wartungsarbeiten und Reparaturen sind nur unter sehr erschwerten Bedingungen möglich. Dies gilt erst recht für kommende Generationen von Windkraftanlagen, die auf See eingesetzt werden.

Besonders hohe Anforderungen werden an den Haupttriebstrang gestellt, der jedoch erheblichen dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, die zudem nach Ort, Größe und Zeit variieren. Extrem hoch sind die Ansprüche an Verfügbarkeit, Wartungsfreiheit und Lebens dauer deshalb speziell bei der Lagerung der drehenden Teile einer Windkraftanlage. Neben den Hauptgetriebelagern sind das die Rotorwellenlager, Yaw- und Pitchgetriebelager, Generatorlager sowie die Lager für Nebenaggregate wie Pumpen, Pumpenmotoren und Kühlermotoren.

Eine besondere Herausforderung für die Hersteller von Wälzlager ist dabei, dass die verschiedenen Lager im Haupttriebstrang sehr unterschiedlichen Anforderungen ausgesetzt sind. Entscheidend bei den Rotorwellenlagern sind zum Beispiel die statische und dynamische Tragfähigkeit sowie die Fettgebrauchsdauer. Zudem müssen sie neben hohen radialen Belastungen auch die axiale Belastung ohne große axiale Verschiebung aufnehmen. Beim Generatorlager dagegen ist zum Beispiel auch die Stromisolierung ein wichtiger Faktor.

Parallel zur Entwicklung der Windturbinen zu immer größeren Leistungen stieg auch die Komplexität der Getriebekonzepte: So kamen bei kleineren Anlagen zunächst reine Stirnradgetriebe mit integrierten Rotorwellenlagerungen zum Einsatz, und den Übergang in die Megawatt-Klasse prägten kombinierte Planeten-Stirnradgetriebe. Moderne Anlagen der Multi-Megawatt-Klasse dagegen sind mit mehrstufigen Planetenradgetrieben bzw. Differenzialgetrieben ausgestattet.

Hohe Anforderungen

Trotz der widrigen Einsatzbedingungen und der ungleichförmigen dynamischen Belastungen sind die Anforderungen sehr hoch: So erwarten die Anwender bei der Konstruktion mit einer Planetenstufe und zwei Stirnradstufen für die schnell laufende Welle eine nominelle Lebensdauer von 30.000 Stunden, für die langsam laufende Zwischenwelle sind es 80.000 und für Planetenträger und Planetenrad sowie die langsam laufende Welle sogar 100.000 Stunden. Unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen wie Temperatur, Schmierung und Lastkollektiv liegt die geforderte Lebensdauer bei mehr als 175.000 Stunden. Bei der Planung eines Getriebes der Megawatt-Klasse mit einer Planeten- stufe und zwei Stirnradstufen müssen Konstrukteure deshalb nicht nur die jeweils angemessene Lagerbauart auswählen, sondern zum Beispiel auch die Art der Lagerung festlegen, beispielsweise mit Fest- und Loslager, eine angestellte Lagerung oder eine schwimmende Lagerung.

Individuelle Eigenschaften

Alle diese Lagerungsprinzipien bieten jeweils spezifische Vor- und Nachteile. Zum Beispiel erlaubt eine angestellte Lagerung zwar eine exakte Führung der Welle insbesondere in axialer Richtung, jedoch besteht hier die Gefahr der gegenseitigen Verspannung. Eine Lösung bietet hier die Wahl einer Lagerbauart, die neben radialen auch in mindestens einer Richtung axiale Kräfte aufnehmen kann, wie beispielsweise Kegelrollenlager. Ähnliches gilt für die schwimmende Lagerung, bei der die Welle sich axial um einen bestimmten Weg verschieben kann. Im Einsatz sind angestellte und schwimmende Lagerungen zum Beispiel bei Lagerkonstruktionen für Planetenträger und Planetenrad.

Ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer eines Wälzlagers ist auch seine optimale Schmierung. So zeigen sich Schäden an Wälzlagern vor dem Ablauf der erwarteten Lebensdauer in der Regel als erhöhter Verschleiß, Ermüdung, Fressspuren oder Heißlauf des Lagers, die sämtlich auf Schmierungsmängel zurückzuführen sind. Vermeiden lassen sich diese Defekte, wenn die Versorgung mit Schmierstoff en schon konstruktiv in den konkreten Anwendungsfall eingebunden wird.

Wichtige Aspekte einer geeigneten Schmierung sind dabei die optimale Trennung der Kontaktflächen durch einen Schmierfilm, die Reibungsreduzierung, das Fernhalten bzw. Abführen von Verschmutzungen, der Korrosionsschutz und vor allem auch die Wärmeabfuhr.

Mit dem zunehmenden Trend zu immer größeren Anlagen werden auch diese konstruktiven Herausforderungen künftig immer weiter steigen und die Anforderungen an die Wälzlagerungen verändern. So werden zum Beispiel künftig Planetenräder mit integrierter Laufbahn zum Einsatz kommen, und bei Zylinderrollenlagern werden die größeren Bauteilmassen und Umfangsgeschwindigkeiten zu erhöhtem Schlupf führen, der konstruktiv einzudämmen ist. Auch die Schmierstoffentwicklung wird mit neuen Anforderungen konfrontiert werden. Die Wälzlagerhersteller stehen deshalb vor intensiven Entwicklungsarbeiten, um diese Herausforderungen zu meistern. Der Ratinger Wälzlagerspezialist NSK zum Beispiel liefert schon seit Ende der 1980er-Jahre geeignete Wälzlager für alle wesentlichen Komponenten einer Windkraftanlage und nutzt komplexe FEM-Berechnungsmethoden, um die dynamischen Belastungen am Wälzlager exakt zu erfassen und daraus die richtige Lagerkonstruktion abzuleiten. Ein eigens konstruierter Prüfstand ermöglicht zudem die Simulation von Anfahr- und Bremsvorgängen an Wälzlagern. Eine in den vergangenen Monaten eigens errichtete neue Produktionsstätte für Wälzlager für anspruchsvolle Aufgaben in der Windkrafttechnik und im Großanlagenbau gewährleistet zudem, dass das Unternehmen an den prognostizierten Wachstumsraten im Windkraftanlagenbau von mehr als 20 Prozent als weltweiter Entwicklungs- und Fertigungspartner partizipiert. Ralf Petersen, NSK/bt

Erschienen in Ausgabe: 02/2008