Wälzlager - Neuigkeiten
28.09.2009
Engineering ist gefragt
Auswahl und Berechnung von Wälzlagern für WindkraftanlagenAn Wälzlager für Windkraftanlagen werden extrem hohe Anforderungen gestellt. Daher unterscheidet sich auch die Vorgehensweise bei der Auswahl und Berechnung solcher Wälzlager grundlegend von der Wälzlager-Auswahl in anderen Anwendungsfeldern.
Wenn es um die Auswahl von Wälzlagern für Industrieeinsätze geht, kann der Konstrukteur – ggfs. in Zusammenarbeit mit seinem Lieferanten – anhand von Parametern wie Drehzahl und Drehmoment, Radial- und Axiallast sowie der zu erreichenden Steifigkeit und Vorspannung relativ einfach ein Wälzlager für eine definierte Lagerstelle auswählen. Das breite Programm, das Komplettanbieter wie NSK bereitstellen, schafft die Voraussetzung dafür, dass es selbst für besondere Anwendungsfälle oder spezielle Umgebungsbedingungen das richtige Wälzlager gibt. Wenn dies nicht der Fall ist, können auch kundenspezifische Sonderlager zum Einsatz kommen.
Extrem hohe Anforderungen
In der Windkrafttechnik sind die Abläufe, die zur Auswahl eines Lagers führen, grundlegend anders, und das ist im Wesentlichen in einem einzigen Parameter begründet: der Lebensdauer. Die Hersteller von Windkraftanlagen bzw. von Getrieben für diese Anlagen fordern für die Wälzlager eine Lebensdauer von 20 Jahren, d.h. von 175.000 Stunden. Dies allein ist schon ein extremer Wert, der aber an sich noch kaum aussagekräftig ist. Zusätzlich muss man berücksichtigen, dass die externen Belastungen, die auf das Lager einwirken, aufgrund des Windes sehr dynamisch – d.h. ungleichförmig – sind. Außerdem sind zumal bei Offshore-Anlagen, die künftig immer häufiger eingesetzt werden, die Umgebungsbedingungen sehr ungünstig: Salzwasser ist stark korrosiv. Bei Generatorlagern ist auch die elektrische Korrosion in Betracht zu ziehen. Last but not least sind die Service-Möglichkeiten der Betreiber von Windparks erheblich eingeschränkt, und jeder ungeplante Ausfall eines Lagers würde erhebliche Kosten nach sich ziehen.
Entscheidend: Die Lebensdauerberechnung
Allein die Lebensdauerberechnung eines solchen Lagers setzt ein hohes Maß an Expertise voraus. Schon deshalb ist die Auswahl von Wälzlagern für Windkraft-anlagen aufwändiger als in anderen Einsatzfeldern. Zahlreiche Einflussgrößen sind hier zu berücksichtigen. Neben den Lagerbelastungen und den Drehzahlen im Anwendungszusammenhang interessiert den Konstrukteur auch die Konstruktion, die das Wälzlager umgibt, d.h. die Beschaffenheit der Welle und des Gehäuses, deren Werkstoffe und ihre Toleranzen.
Auf der Basis dieser Daten führt man zunächst die konventionellen, genormten Berechnungen nach DIN ISO 281 durch, die auch als Katalogmethode bekannt sind. Die Parameter sind Lagerbelastung, Drehzahl, Tragzahl und Lagerart. In weiteren Berechnungen werden auch Einflussgrößen wie Temperatur, Schmierung und Reinheit des Öls einbezogen.
Genauer als die Norm verlangt
Anhang 4 der DIN ISO 281 nimmt eine vereinfachte Geometrie der Wälzlager als Basis für die Berechnung der modifizierten Referenzlebensdauer an. Diese Art der Berechnung reicht in den meisten Fällen vollkommen aus. In der Windkraftindustrie sind jedoch exaktere Werte erwünscht. Für diese Aufgabe hat NSK die Software „STIFF“ entwickelt. STIFF berücksichtigt bei der Lebensdauerberech-nung auch die exakte innere Geometrie, das Betriebsspiel bzw. die Vorspannung, die Verformung des Welle-Wälzlager-Systems sowie die Lastzone und die Lastverteilung zwischen Wälzkörpern und Laufbahn. In diesem Modell sind die Wälzkörper in Scheiben unterteilt. Für jede Scheibe wird eine individuelle modifizierte Referenzlebensdauer ermittelt. Anhand der Zeitanteile für jeden Lastfall kommt man zu einer realistischen Angabe der Gesamtlebensdauer.
Gezielte Optimierung der Konstruktion
Neben der schnellen und exakten Berechnung der Lebensdauer bietet die STIFF-Software den Vorteil, dass man eine kurzfristige Variantenanalyse durchführen und so vorhandene Konstruktionen optimieren kann. Zudem können spezielle Anpassungen des Wälzlagers zeitsparend geprüft werden. Dieser Vorteil wird häufig genutzt, denn gerade in der Windkrafttechnik kommen eben wegen der hohen Anforderungen häufig kundenspezifisch modifizierte Wälzlager zum Einsatz. Darüber hinaus gehören auch Vorhersagen zur Steifigkeit, die Abschätzung des Leistungsverlustes und Untersuchungen zur Betriebssicherheit zu den Berechnungszielen, die die NSK-Geschäftseinheit Wind Energy bei der Auswahl von Wälzlagern verfolgt.
Engineering im Vorfeld: Intensive Zusammenarbeit mit den Kunden
Angesichts der Fülle von Daten, die hier zu berücksichtigen sind, und der anspruchsvollen Lebensdaueranforderungen überrascht es nicht, dass solche Projekte immer in enger Kooperation mit dem Kunden stattfinden. Neben dem Engineering spielt dabei auch der Versuch eine wichtige Rolle: NSK hat Wälzlagerprüfstände konzipiert, die eine Simulation der dynamischen Belastungen und Bewegungsverhältnisse erlauben. Dazu gehört z.B. ein Großlagerprüfstand mit der Möglichkeit, dynamische Kräfte und Momente aus der Rotorbelastung aufzubringen, und ein Prüfstand zur Simulation von Anfahr- und Bremsvorgängen von schnelldrehenden Rollenlagern.
Super-TF-Technologie für die Windkrafttechnik
Neben der Auswahl der Lagerbauart spielt die Werkstoffauswahl eine ganz entscheidende Rolle: Eine Lebensdauer von zum Beispiel 175.000 Stunden unter ungünstigen Bedingungen und dynamischen Belastungen kann nur durch den Ein-satz von Sonderwerkstoffen erreicht werden. Daher hat NSK auf der Basis seiner langjährigen Werkstoffkompetenz Materialien entwickelt, die eigens für extreme Betriebsbedingungen entwickelt wurde. Ein Beispiel dafür ist die Super-TF-Technologie Hier kommt ein hochreiner Wälzlagerstahls in Verbindung mit einem besonderen Wärmebehandlungsverfahren zum Einsatz, das einen optimierten Restaustenitgehalt gewährleistet. Dieser Werkstoff gewährleistet, dass ins Lager eingedrungene Fremdkörper eine geringere Spannung im Werkstoff erzeugen als dies bei konventionellem Stahl der Fall ist. Das schafft die Voraussetzung dafür, dass Schäden durch Verunreinigungen sehr viel seltener auftreten.
Lager aus diesem Werkstoff erreichen bei sauberem Schmierstoff eine etwa doppelt so lange Lebensdauer. Die Super-TF-Technologie kann für einen großen Bereich von Lagertypen angewendet werden, z.B. für Zylinderrollenlager, die zu den am häufigsten eingesetzten Lagertypen in der Windkrafttechnik gehören, aber auch für Kegel- und Pendelrollenlager.
Verschiedene Arten der Lagerung
Bei modernen Windkraftanlagen der Megawatt- und Multi-Megawatt-Klassen sorgen überwiegend mehrstufige Planetenradgetriebe bzw. Differentialgetriebe für die nötige Untersetzung des Haupttriebstrangs. Der Konstrukteur muss hier nicht nur die jeweils angemessene Lagerbauart auswählen, sondern z.B. auch die Art der Lagerung festlegen. Zur Auswahl stehen die Lagerung mit Fest- und Loslager, eine angestellte Lagerung oder eine schwimmende Lagerung. Jede Lage-rungsart bietet jeweils spezifische Vor- und Nachteile. So besteht bei einer angestellten Lagerung, die eine exakte Führung der Welle insbesondere in axialer Richtung erlaubt, die Gefahr der gegenseitigen Verspannung. Hier muss man also Lagerbauarten wie z.B. Kegelrollenlager wählen, die neben radialen auch in mindestens einer Richtung axiale Kräfte aufnehmen können. Ähnliches gilt für die schwimmende Lagerung, bei der sich die Welle axial um einen bestimmten Weg verschieben kann. Angestellte und schwimmende Lagerungen werden z.B. bei Lagerkonstruktionen für Planetenträger und Planetenrad eingesetzt.
Neue Konzepte für Hauptgetriebe
Neben dem Trend zu immer höheren Leistungen und zu Offshore-Anlagen stellen auch neue Antriebs- und Getriebekonzepte die Konstrukteure vor neue Herausfor-derungen. Hier arbeitet NSK intensiv mit den Herstellern von Windkraftanlagen und deren Antriebskomponenten zusammen. Ziel dabei ist es, den neuen Konzepten, die z.B. die Effizienz der Windturbinen erhöhen oder das Gewicht in der Gondel verringern, schnell zur Marktreife zu verhelfen und ihrem Nutzer einen Vorsprung im Wettbewerb zu verschaffen. Die über zwanzigjährige Erfahrung in der Entwicklung von Wälzlagern für die Windkraftindustrie ist dabei von Vorteil – ein Vorteil übrigens, von dem auch die Anwender von Wälzlagern außerhalb der Windkrafttechnik profitieren.