Erhöhte Lagerzuverlässigkeit im Hauptwellenstützsystem

Sep 04, 2023

Von Nic Sharpley | 21. Januar 2014

Die Hauptwelle einer Windkraftanlage benötigt für den Betrieb ein zuverlässiges Lager. Es ist bekannt, dass einige Lagerkonstruktionen vorzeitig ausfallen, was zu kostspieligen Wartungsreparaturen führt. Jüngste Verbesserungen und Fortschritte bei der Lagerkonstruktion erhöhen die Zuverlässigkeit und gewährleisten die Stabilität der Hauptwelle.

Bradley Baldwin • GM für Windenergie • Timken • www.timken.com

Das verschleißfeste SRB von Timken reduziert Scherspannungen und Unebenheitswechselwirkungen, die vor Verschleiß wie Graufleckigkeit schützen.

Modulare Windturbinenkonstruktionen verwenden üblicherweise Pendelrollenlager (SRB), um die Hauptwellenlasten zu tragen und zu tragen. Die einzelne SRB-Konstruktion, bekannt als 3-Punkt-Montage, die von einem einzigen Hauptlager und zwei Reaktionsdrehmomentarmen des Getriebes getragen wird, wird üblicherweise ausgewählt, um Folgendes zu ermöglichen:

• Ein kürzeres Gondelpaket, • Hohe Systemdurchbiegung und Fehlausrichtung, • Eine kommerziell wirtschaftliche Lieferkette

Leider kam es bei einigen Betreibern bei einigen einzelnen SRB-Designs viel früher als erwartet zu Ausfällen vor Ort, was die Lebensdauer erheblich verkürzte. Ein ungeplanter Austausch des Hauptwellenlagers kann Windparkbetreiber bis zu 450.000 US-Dollar kosten und hat offensichtliche Auswirkungen auf die finanzielle Leistungsfähigkeit.

Einflussfaktoren Hohe Axiallast auf ein Radial-SRB-Lager : Obwohl es keine offizielle Höchstgrenze gibt, liegt ein herkömmliches Verhältnis der zulässigen Axial-zu-Radiallast für zweireihige Pendelrollenlager zwischen 0,15 und 0,20. Daher sollte die Axiallast nur 15 bis 20 % der Radialreaktion des zweireihigen Lagers betragen. In einigen Anwendungen kann dieses Verhältnis bis zu 0,30 oder 0,35 betragen. Dabei treten verschiedene Schadensarten auf, die mit der Ablösung der Lagerreihe zusammenhängen. Dieses Lösen kann sich auf die Lastverteilung zwischen den Reihen, die Schrägstellung der Rollen, die Spannung der Halterungen, übermäßige Wärmeentwicklung und das Verschmieren der Rollen auswirken. In der festen Position der Hauptwelle liegt dieses Verhältnis häufig in der Nähe von 0,60, was dazu führt, dass nur eine der beiden Reihen die Radial- und Schubbelastung aufnimmt. Aufgrund dieser ungleichen Reaktion funktioniert das Lager möglicherweise nicht wie ursprünglich vorgesehen oder konstruiert.

Das SRB-Design mit 3-Punkt-Befestigung stützt das Hauptwellenlager und zwei reaktionsfähige Drehmomentstützen am Getriebe.

Mangelhafte Schmierfilmbildung: Generell sind die Betriebsbedingungen der Hauptwellenlagerung für die Schmierfilmbildung nicht optimal. Bei einer maximalen Betriebsgeschwindigkeit von ca. 20 U/min reichen die Geschwindigkeit der Lageroberfläche und die Schmierfilmerzeugung möglicherweise nicht aus, um die Unebenheiten zwischen Rolle und Laufbahn voneinander zu trennen. Darüber hinaus verändern sich ändernde Nick- und Giermomente ständig und nahezu augenblicklich die Lage und Richtung der Lastzone. Dadurch wird die Bildung und Qualität des Schmierfilms unterbrochen. Bei SRBs mit 3-Punkt-Montage, die unter radialem Spiel arbeiten, wird das Schalten beschleunigt und erhöht das Risiko von Mikropitting oder Schmieren.

Eine ungleiche Lastverteilung tritt auf, wenn das zulässige Verhältnis von Schub- zu Radiallast für zweireihige Pendelrollenlager über 0,15 bis 0,20 ansteigt. Die tragende Reihe gegen den Wind löst sich und führt dazu, dass nur noch die Reihe gegen den Wind die Last trägt.

Entwerfen Sie Lösungen zur Verbesserung der LeistungGlücklicherweise gibt es auf dem Markt problemlos Upgrades für bestehende Turbinen sowie anspruchsvollere technische Designlösungen für neuere Turbinenplattformen.

In den frühen Verschleißstadien des 3-Punkt-montierten SRB kann der deutliche Verschleißpfad in der windabgewandten Reihe die entworfene Kontaktgeometrie erodieren, was zu höheren Laufbahnspannungen als vorhergesagt und möglichen Lagerausfällen führt.

SRB-Upgrades für bestehende Turbinen Für den direkten Austausch mit bestehenden Flotten bietet ein Unternehmen einen verschleißfesten SRB an, der hochentwickelte Oberflächentechnologie in Kombination mit verbesserten Oberflächengüten nutzt. Die verschleißfesten Lager erhöhen den Schutz der Laufbahn vor Mikropitting, indem sie Scherspannungen und Unebenheitswechselwirkungen reduzieren. Die technische Oberfläche ist eine langlebige und einzigartige Beschichtung aus amorphem Kohlenwasserstoff (WC/aC:H) aus Wolframkarbid. Im Allgemeinen sind WC/aC:H-Beschichtungen mäßig härter als HRC60-Stahl, 1 bis 2 Mikrometer dick und weisen beim Gleiten auf Stahl niedrige Reibungskoeffizienten auf. Die hochentwickelte Oberfläche der Rollen poliert und repariert beschädigte Laufbahnen während des Betriebs. Durch verbesserte Oberflächengüten erhöht sich die Dicke des Schmierfilms und trägt so zur Verbesserung der Unebenheitskontakte bei. Die konstruierte Oberfläche reduziert Unebenheitswechselwirkungen und Oberflächenscherspannungen, die Verschleiß verursachen. Die Vorteile führen zu einer erhöhten berechneten Lagerlebensdauer und auch zu einer Reduzierung des Rollmoments.

Die steilen Laufwinkel eines TDO erzeugen eine hohe Kippsteifigkeit auf kurzem axialem Raum, um den aufgebrachten Nick- und Giermomenten entgegenzuwirken. Durch Hinzufügen von Dichtungen und Fett kann das Lager auch als einzelne Einheit fungieren.

Vorteile von Kegelrollenlagerkonstruktionen (TRB). Das TRB-Hauptwellendesign und die Vorspannungseigenschaften verbessern die Leistung des Antriebsstrangs. TRBs tragen dazu bei, die Stabilität und Steifigkeit des Systems, die Lastverteilung zwischen den Reihen und die vorhergesagten Wechselwirkungen zwischen Rolle und Lauffläche sicherzustellen. Das Design ermöglicht auch mehrere Kegelrollenlagerkonfigurationen.

Einzelne Kegelrollenlager (2-TS) Der weit verbreitete 2-TS-Stil bietet eine wirtschaftliche konische Lösung, die ein gesamtes System mit zwei unterschiedlichen TRBs vorspannen kann. Die Upwind- und Downwind-Lagerserien werden dann so ausgelegt, dass sie der Anwendungslast gerecht werden, indem der Kontaktwinkel und die Tragfähigkeit nach Bedarf angepasst werden. Durch die weitverbreitete Wirkmitte sind die Lager meist kompakter und wirtschaftlicher.

Im Gegensatz zu einer einzelnen SRB-Konstruktion kann der TDI hohe Lastkapazitäten aufnehmen und sorgt für eine gleichmäßige Lastverteilung, was den Verschleiß verringert.

Zweireihige Kegelrollenlagerausführungen (TNA, TDO oder TDI). Das TNA-Lager mit großem Durchmesser, auch TDO genannt, wenn ein Abstandshalter zwischen den Kegelringen verwendet wird, hat sich aufgrund seiner praktischen Leistung und einfachen Montage zu einer attraktiven Option entwickelt. Die steilen Laufwinkel erzeugen eine hohe Kippsteifigkeit auf kurzem axialem Raum, um den aufgebrachten Nick- und Giermomenten entgegenzuwirken. Separate Lagerkomponenten können mit Dichtungen und Fett zu einer Einheit zusammengefasst werden, um die Handhabung und Installation zu vereinfachen. Die werkseitig eingestellte Vorspannung sorgt für eine ordnungsgemäß montierte Einstellung. Die kompakte Axialbauweise bietet den Turbinenkonstrukteuren die Möglichkeit, die Gesamtlänge der Gondel zu reduzieren. Der Durchmesser des Lagers nimmt mit zunehmender Turbinengröße zu (ungefähr 3,2 m Außendurchmesser für 5 MW). Diese Bauformen eignen sich besonders für Windkraftanlagen mit Direktantrieb, finden sich aber auch in Getriebebauweisen.

Ein einzelnes vorgespanntes TDI bietet eine hohe Belastbarkeit und bewältigt im Vergleich zu einem einzelnen Pendelrollenlager die Kombination aus Radial- und Axiallasten. Der TDI gewährleistet eine Lastverteilung über beide Lagerreihen und toleriert im Vergleich zu einem TDO-Design größere Systemfehler. Darüber hinaus trägt die Vorspannung des Lagers dazu bei, Schmieren, Schleudern und Grauflecken zu verringern. In einigen Fällen wird ein TDI bei modularen Turbinen direkt mit dem SRB ausgetauscht.

Die 2-TS-Hauptwellenlageranordnung bietet eine wirtschaftliche konische Lösung in kompakter Bauweise.

Ausgehend von der Anforderung, die allgemeine Nachhaltigkeit zu verbessern, arbeiten OEMs und Lagerhersteller von Windkraftanlagen an der Entwicklung zuverlässigerer Hauptwellensysteme. Fortschritte in der Technik haben zu Upgrades der bestehenden sphärischen Turbinenkonstruktionen mit Dreipunktmontage geführt. Darüber hinaus haben die Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Offshore-Turbinen den Einsatz vorgespannter Kegelrollenlager erhöht. Diese Verbesserungen im Hauptwellendesign können die Zuverlässigkeit des gesamten Antriebsstrangsystems erhöhen und zu insgesamt niedrigeren Gesamtbetriebskosten führen.WPE

Weitere Beiträge: Tony Fierro, Jerry Fox, Laurentiu Ionescu und Thierry Pontius, alle von Timken.