Wälzlager für Windkraftanlagen: Frühzeitige Lagerschäden vermeiden

Die Wälzlager-Entwicklung für Windkraftanlagen hat u.a. zum Ziel, die Widerstandsfähigkeit gegen typische Schadensbilder und damit die Lebensdauer der Lager zu erhöhen. Hier sind inzwischen gute Fortschritte erzielt worden. Darüber hinaus erweitern die führenden Anbieter ihr Portfolio. Bei NSK steht die Expansion im Geschäftsfeld der Hauptrotorlagerungen im Fokus.

Die Windtechnik ist ein besonders anspruchsvoller Anwendungsbereich von Wälzlagern. Die Lager sind teilweise sehr groß, sie werden hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt, und die Umgebungsbedingungen sind sehr ungünstig für Präzisionskomponenten der Antriebstechnik.

Unter diesen Vorzeichen stellt eine Anlagenlebensdauer von 175.000 Stunden oder zwanzig Jahren bei kaum möglichem Zugang zu den Lagern die Wälzlager-Entwickler vor großen Herausforderungen. Erschwerend kommt hinzu, dass es spezifische Schadensbilder gibt, gegen die Vorkehrungen getroffen werden müssen.

Expansion des Geschäftsfeldes für Hauptrotorlagerungen
Ein zentrales Projekt des weltweit agierenden NSK-Geschäftsbereichs „Wind“ ist die Expansion im Bereich von Wälzlagern, die in der Hauptrotorlagerung zum Einsatz kommen. An diese Lagerung werden extrem hohe Anforderungen gestellt. Deshalb sind hier intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, für die NSK auf umfassende Expertise in der Entwicklung von Wälzlagern für Windkraftanlagen und Erfahrung im praktischen Betrieb zurückgreifen kann.

Durch die Programmerweiterung um diese Großwälzlager wird NSK zum Systemanbieter, der sein etabliertes Portfolio für Getriebelager erweitert und dann alle Lagerstellen einer Windkraftanlage anbietet, in der typischerweise 20 bis 30 Wälzlager verbaut sind. Auf der Messe Wind Energy 2014 wurde ein 400 kg schweres Pendelrollenlager für eine Hauptrotorlagerung gezeigt.

Marktwachstum und höherer Marktanteil
Bei Wälzlagern für Windkraftanlagen gehört NSK zu den weltweit führenden Herstellern und erwartet für die kommenden Jahre eine weitere Steigerung von Produktionszahlen und Marktanteilen. Dazu wird das Wachstum des Marktes beitragen: 2013 wurden weltweit Anlagen mit einer Gesamtleistung von 36 Gigawatt (GW) installiert, Schätzungen gingen für 2014 von etwa 50 GW aus – bei einem Gesamtbestand von 311 GW im Jahr 2013.

Darüber hinaus plant NSK aber auch eine deutliche Steigerung des Marktanteils in der Windkrafttechnik. Diese Erwartung ist u.a. begründet in neu entwickelten Baureihen, die NSK auf der „Wind Energy 2014“ in Hamburg vorgestellt wurde.

Integrierte Wälzlager für Planetenstufen
Eine Neuentwicklung sind zweireihige Kegelrollenlager in O-Anordnung, die für eine integrierte Bauweise vorgesehen sind und in den Planetenstufen der Getriebe von Windkraftanlagen zum Einsatz kommen. Diese Lager werden ohne Außenring gefertigt und direkt in die Planetenräder der Getriebe integriert. Bislang waren in dieser Bauform schon mehrreihige Zylinderrollenlager erhältlich, jetzt wird diese Planetenlagerserie um Kegelrollenlager erweitert.

Kernkompetenz Werkstofftechnik
Zu den zentralen Kompetenzen von NSK gehört die Werkstoffentwicklung. Es stehen Werkstoffe zur Verfügung, deren Zusammensetzung und damit auch deren Eigenschaftsprofil exakt auf bestimmte Umgebungsbedingungen und Beanspruchungen hin optimiert wurde. Dazu gehören die Betriebstemperaturen ebenso wie hohe mechanische Belastungen, Feuchtigkeit und ins Lagerinnere eindringende Partikel. Beispiele sind die NSK-eigenen Sonderstähle WTF und STF. Wälzlager, die aus diesen Materialien gefertigt werden, erreichen eine deutlich längere Lebensdauer als Lager aus konventionellen Wälzlagerstählen. Dies gilt auch und gerade für die Windkrafttechnik, die aufgrund der erschwerten Wartungsbedingungen extreme Anforderung an die Lebensdauer der Lager stellt. Anlagenlebensdauer von zwanzig Jahren werden hier angestrebt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass extrem ungünstige Umgebungsbedingungen herrschen und die Lager sehr dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

Maßnahmen gegen das „White Structure Flaking“
In den vergangenen Jahren hat NSK große Anstrengungen unternommen, um das in der Branche viel diskutierte Schadensbild des „White Structure Flaking“ (WSF) in den Griff zu bekommen. Dabei handelt es sich um Strukturveränderungen unterhalb der Oberfläche der Lagerlaufbahnen, die den Werkstoff schwächen und zu Rissen und Abblätterungen führen können. Kennzeichnend für dieses Schadensbild ist es, dass die Schäden relativ früh während der Laufzeit einer Windkraftanlage auftreten können.
 
Die Ursachen des WSF sind nicht vollständig erschlossen. Bereits vor vielen Jahren wurden jedoch im Automotive-Geschäftsbereich von NSK ähnliche Schäden an den Wälzlagern von Kfz-Lichtmaschinen beobachtet. Hierbei wurde festgestellt dass auch elektrische Ströme eine Rolle spielen und daraufhin erfolgreich Gegenmaßnahmen entwickelt. Für die Windkraft konnten später weitere wichtige negative Einflüsse identifiziert werden, insbesondere Wasserstoffeintrag durch den Schmierstoff und Schlupf bzw. Gleiten an den Kontaktflächen.

Für Lager in Windkraftanlagen stellt NSK bereits seit längerem eine Reihe von Optionen bereit, um derartige Schäden zu reduzieren – zum Beispiel brünierte Laufbahnen (Black Oxide Coating; BOC) und STF-Werkstoffe mit carbonitierten Oberflächen.
 
Neuer Werkstoff für die Windkrafttechnik
Den F&E-Ingenieuren von NSK in Japan gelang es, das Schadensbild des WSF weitgehend nachzubilden. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde die Entwicklung neuer Werkstoffe vorangetrieben. Das Ergebnis dieser Maßnahmen, ein neuer Werkstoffe mit extrem hoher Resistenz gegen WSF wird auf der Wind Energy am Beispiel eines Zylinderrollenlagers vorgestellt.

Damit bietet NSK eine neue Option gegen eine Schadensursache, die viele Frühausfälle verursacht hat. Für die erhöhte Widerstandsfähigkeit dieses neuen Werkstoffes gegen „White Structure Flaking“ konnte in Versuchen der Faktor Sieben ermittelt werden (im Vergleich zu Standard-Wälzlagerstahl). Darüber hinaus erreichen die Lager bei herkömmlichem Verschleiß – d.h. bei Abblätterungen an der Laufbahn, die aus Strukturveränderungen direkt an der Oberfläche resultieren („Flaking“) – ebenfalls eine deutlich längere Lebensdauer. Bei der Simulation von eindringenden Partikeln, die über den Schmierstoff ins Lager gelangen, wurde im Vergleich zu Standard-Wälzlagerstahl eine dreifache Lebensdauer erzielt.

Mit diesem Eigenschaftsprofil eignen sich Wälzlager aus diesem Werkstoff nicht nur für den Einsatz in Windkraftanlagen, sondern auch in den Getrieben von anderen Großanlagen z.B. der Stahl- und Grundstoffindustrie sowie in großen Baumaschinen.