Lagerauswahl und Berechnungen für Windkraftanlagen

Die Anforderungen an Lager für Windkraftanlagen sind extrem hoch. Daher unterscheiden sich die Vorgehensweisen bei der Lagerauswahl und Lebensdauerberechnung grundlegend von der Auswahl von Lagern in anderen Anwendungsbereichen.

Bei der Auswahl von Lagern für den industriellen Einsatz können Konstrukteure relativ einfach Lager für eine definierte Lagerstelle auswählen bei Bedarf mit ihren Lieferanten zusammen und entscheiden anhand von Parametern wie Drehzahl und Drehmoment, radialer und axialer Belastung sowie der erforderlichen Steifigkeit und Vorspannung bzw. Durch das breite Angebot von Komplettanbietern wie NSK ist auch für außergewöhnliche Anwendungen oder besondere Einsatzbedingungen immer das richtige Lager verfügbar. Ist dies nicht der Fall, können auch spezielle Sonderlager verwendet werden.

Hohe Anforderungen
In der Windkrafttechnik unterscheiden sich die Verfahren zur Lagerauswahl grundlegend, im Wesentlichen aufgrund eines einzigen Parameters:der Lagerlebensdauer. Die Hersteller von Windkraftanlagen und deren Getriebe verlangen für ihre Lager eine Lagerlebensdauer von 20 Jahren (also 175.000 Stunden). Dies ist bereits ein Extremwert, deckt aber nicht alle Anforderungen ab. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass äußere Belastungen des Lagers durch den Wind hochdynamisch (also unregelmäßig) sind. Hinzu kommen die ungünstigen Umgebungsbedingungen für immer häufiger eingesetzte Offshore-Anlagen:Seeluft ist stark korrosiv. Bei Generatoranlagen muss auch Elektrokorrosion berücksichtigt werden. Schließlich sind die Serviceoptionen für Windparkbetreiber äußerst begrenzt, und jeder ungeplante Stillstand eines Lagers führt zu erheblichen Kosten.

Die Bedeutung der Berechnung der Lebensdauer
Allein die Berechnung der Lebensdauer eines solchen Lagertyps erfordert ein hohes Maß an Know-how. Deshalb ist die Lagerauswahl für Windkraftanlagen komplexer als in anderen Anwendungsgebieten. Zahlreiche Parameter müssen berücksichtigt werden. Neben den Lagerbelastungen und den Drehzahlen im Anwendungskontext müssen Konstrukteure auch die Konstruktion berücksichtigen, in die das Lager eingebaut wird – d. h. die Konfiguration von Welle und Gehäuse, deren Materialien und deren Toleranzen.

Auf Basis dieser Daten werden zunächst die üblichen, genormten Berechnungen nach DIN ISO 281, auch als Katalogverfahren bekannt, durchgeführt. Die Parameter sind Lagerbelastung, Drehzahl, Tragfähigkeit und Lagertyp. Bei weiteren Berechnungen werden auch Parameter wie Temperatur, Schmierung und Reinheit des Öls berücksichtigt.

Größere Präzision als vom Standard gefordert
Anhang 4 der DIN ISO 281 geht von einer vereinfachten Lagergeometrie als Grundlage für die Berechnung der modifizierten Referenzlebensdauer aus. In den meisten Fällen ist diese Art der Berechnung ausreichend. In der Windkraftindustrie werden jedoch genauere Werte bevorzugt. NSK hat dafür seine STIFF-Software entwickelt. Bei der Berechnung der Lagerlebensdauer berücksichtigt STIFF auch die genaue Innengeometrie, das Laufspiel und die Vorspannung, die Verformung des Welle-Lager-Systems sowie die Lastzone und Lastverteilung zwischen Wälzkörper und Lagerlaufbahn.

Bei diesem Modell sind die Wälzkörper in Scheiben unterteilt. Für jede Scheibe wird eine individuelle, modifizierte Referenzlagerlebensdauer ermittelt. Anhand des Zeitanteils für jeden Lastfall erhält man eine realistischere Aussage über die Gesamtlebensdauer des Lagers.

Gezielte Designoptimierung
Neben der schnellen und präzisen Berechnung der Lagerlebensdauer ermöglicht die STIFF-Software auch kurzfristige Versionsanalysen und damit die Optimierung bestehender Konstruktionen. Außerdem können spezielle Anpassungen des Lagers schnell getestet werden. Dieser besondere Vorteil wird häufig ausgenutzt:Gerade wegen der hohen Anforderungen werden in der Windkrafttechnik oft kundenspezifische Lager eingesetzt. Darüber hinaus gehören Steifigkeitsvorhersagen, Effizienzverlustabschätzungen und Untersuchungen zur Betriebssicherheit zu den Berechnungszielen der NSK Wind Energy Unit bei der Lagerauswahl.

Engineering im Vordergrund:Intensive Zusammenarbeit mit Kunden
Bei der Datenmenge, die in diesem Bereich zu berücksichtigen ist und den hohen Anforderungen an die Lagerlebensdauer ist es nicht verwunderlich, dass solche Projekte immer in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden durchgeführt werden. Neben dem Engineering spielt auch das Testen eine wichtige Rolle. NSK hat Lagerprüfstände entwickelt, die eine Simulation dynamischer Belastungen und Bewegungen ermöglichen. Dazu gehören beispielsweise ein großer Lagerprüfstand, der dynamische Kräfte und Momente aus der Rotorbelastung aufbringen kann, sowie ein Prüfstand zur Simulation von Beschleunigungs- und Verzögerungs- und Bremsvorgängen für schnell drehende Wälzlager.

Super-TF-Technologie für die Windkrafttechnik
Neben der Auswahl der Lagerausführung spielt auch die Materialwahl eine entscheidende Rolle:Eine Lagerlebensdauer von beispielsweise 175.000 Stunden unter ungünstigen Bedingungen und dynamischer Belastung ist nur durch den Einsatz spezieller Werkstoffe zu erreichen. Deshalb hat NSK seine langjährige Materialkompetenz genutzt, um spezielle Werkstoffe für extreme Einsatzbedingungen zu entwickeln. Eine solche Entwicklung ist die Super-TF-Technologie. Bei dieser Technologie kommt ein hochreiner Wälzlagerstahl in Kombination mit einer speziellen Wärmebehandlungstechnologie zum Einsatz, die einen optimierten Restaustenitgehalt garantiert. Dieser Werkstoff sorgt dafür, dass in das Lager eindringende Fremdkörper weniger Spannungen im Material erzeugen als bei herkömmlichem Stahl. Dadurch treten Schäden durch Verunreinigungen seltener auf.

Lager aus diesem Material, die mit einem sauberen Schmierstoff verwendet werden, haben ungefähr die doppelte Lebensdauer. Die Super-TF-Technologie kann für eine Vielzahl von Lagertypen eingesetzt werden, beispielsweise für Zylinderrollenlager, die zu den am häufigsten verwendeten Lagertypen in der Windkrafttechnik zählen, sowie für Kegel- und Pendelrollenlager.

Verschiedene Lagertypen
In modernen Windkraftanlagen der Megawatt- und Multi-Megawatt-Klasse sorgen vor allem mehrstufige Planeten- und Differenzialgetriebe für die notwendige Drehzahluntersetzung des Hauptantriebsstrangs. In diesem Fall müssen Konstrukteure nicht nur den geeigneten Lagertyp auswählen, sondern auch die Art der Lagerung festlegen. Es stehen Lagerbaugruppen mit Fest- und Freilager, eine justierte Lagerbaugruppe oder eine Loslagerbaugruppe zur Verfügung.

Jeder Lagertyp hat bestimmte Vor- und Nachteile. Eine angepasste Lageranordnung, die eine präzise Führung der Welle insbesondere in axialer Richtung ermöglicht, birgt daher die Gefahr einer gegenseitigen Verspannung. Daher müssen hier Lagerbauarten wie Kegelrollenlager gewählt werden, die neben Radialkräften auch die Aufnahme von Axialkräften in mindestens eine Richtung ermöglichen. Gleiches gilt für Loslager, bei denen sich die Welle über eine gewisse Distanz axial bewegen kann. Fest- und Loslager werden beispielsweise in Lagerkonstruktionen für Planetenträger und Planetenräder eingesetzt.

Neue Designs für Hauptzahnräder
Neben dem Trend zu immer höheren Leistungen und Offshore-Anlagen stellen neue Antriebs- und Getriebekonzepte auch Konstrukteure vor neue Herausforderungen. NSK arbeitet eng mit den Herstellern von Windkraftanlagen und deren Antriebskomponenten zusammen. Ziel ist es, neue Konstruktionen, die beispielsweise die Effizienz von Windenergieanlagen steigern oder das Gewicht in der Gondel reduzieren, schnell für den Markt zu entwickeln und ihren Anwendern einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen. NSK verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Wälzlagern für die Windkraftindustrie – ein Vorteil, von dem auch Anwender von Wälzlagern außerhalb der Windkraftbranche profitieren.

Weitere Informationen zu Produkten und Dienstleistungen von NSK finden Sie unter www.nsk.com.