Turbinenkomponenten: Lager

Aug 24, 2023

Von Joshua Smalley | 16. Juni 2015

Foto mit freundlicher Genehmigung von Timken

Wo werden Lager in einer Windkraftanlage eingesetzt?

Obwohl Lager an vielen Stellen in der Gondel eingesetzt werden, beispielsweise in den Gier- und Pitchlagern und an den Generatoren, sind die Lager an Hauptwellen und Getrieben am problematischsten.

Als Hauptwellenlager werden in modularen Windkraftanlagenkonstruktionen häufig Pendelrollenlagereinheiten (SRB) mit einem Durchmesser von mehr als 1 m verwendet. Konstrukteure entscheiden sich häufig für einzelne SRB-Designs, von denen eines von einem einzigen Hauptlager und zwei Drehmomentarmen getragen wird, die die Reaktionslasten des Getriebes aufnehmen.

Mindestens zwei Faktoren tragen zu frühen Ausfällen von Hauptwellenlagern bei. Eine davon ist die hohe Schublast auf einen radialen SRB. Obwohl es keine offizielle Höchstgrenze gibt, liegt das übliche Verhältnis der zulässigen Axial- zur Radiallast für zweireihige Pendelrollenlager zwischen 0,15 und 0,20. Der zweite Grund ist eine unzureichende Schmierfilmbildung. Im Allgemeinen sind die Betriebsbedingungen für die Lagerung der Hauptwelle nicht ideal für die Schmierfilmbildung. Bei einer maximalen Betriebsgeschwindigkeit von etwa 20 U/min reichen die Geschwindigkeit der Lageroberfläche und die Schmierfilmerzeugung möglicherweise nicht aus, um die Unebenheiten zwischen Rolle und Laufbahn zu trennen.

Eine Hauptwellenkonstruktion mit Kegelrollenlager (TRB) und Vorspannung kann auch die Leistung des Antriebsstrangs verbessern. TRBs tragen dazu bei, die Stabilität und Steifigkeit des Systems, die Lastverteilung zwischen den Reihen und die vorhergesagten Wechselwirkungen zwischen Rolle und Lauffläche sicherzustellen. Dieses Design ermöglicht mehrere Konfigurationen.

Zum einen bietet ein weit verbreitetes einzelnes Kegelrollenlager ein wirtschaftliches Design, das ein gesamtes System mit zwei unterschiedlichen TRBs vorspannen kann. Eine gegen den Wind gerichtete und gegen den Wind gerichtete Lagerreihe kann dann die Anwendungslast aufnehmen, indem sie den Kontaktwinkel und die Tragfähigkeit nach Bedarf anpasst. Bei einem weitverbreiteten Wirkzentrum sind die Lager in der Regel kompakter.

Eine andere Konfiguration des Kegelrollenlagers mit großem Durchmesser verwendet einen Abstandshalter zwischen den Kegellaufringen. Dies hat sich aufgrund seiner praktischen Leistung und einfachen Montage zu einer attraktiven Option entwickelt. Steile Laufwinkel erzeugen eine hohe Kippsteifigkeit in einem kurzen axialen Raum, um aufgebrachten Nick- und Giermomenten entgegenzuwirken. Separate Lagerkomponenten können Dichtungen und Fett enthalten, um die Handhabung und Installation zu vereinfachen. Eine werkseitig eingestellte Vorspannung sorgt für eine ordnungsgemäß montierte Einstellung.

In einer dritten Konfiguration bietet ein einzelnes vorgespanntes Kegelrollenlager eine hohe Belastbarkeit und bewältigt die Kombination von Radialschublasten im Vergleich zu einem einzelnen SRB. Die einzelne Vorspannung gewährleistet eine Lastverteilung auf beide Lagerreihen und toleriert größere Systemfehlausrichtungen im Vergleich zur Konstruktion mit Abstand zwischen den Kegellaufbahnen.

Lager werden auch in Getrieben von Windkraftanlagen eingesetzt. Ein Serviceunternehmen gibt an, dass bestimmte Getriebemodelle eine besondere Konstruktionsschwäche aufweisen: die Verwendung eines vierreihigen zylindrischen Lagers mit einem durchgehärteten Laufring in den Planetenrädern. Dies ist keine optimale Lagerkonfiguration für die Anwendung. Das Unternehmen fügt hinzu, dass es bei der Neufertigung eines solchen Getriebes am besten ist, ein einsatzgekohltes Innenringlager mit beschichteten Rollen zu verwenden. Auch hier handelt es sich bei der Beschichtung um die Wolframkarabiner-Variante.

Darüber hinaus verbessert die Änderung des Spiels zwischen den einzelnen Reihen die Lastverteilung und ermöglicht so eine längere Lagerleistung. Dies kann auch häufige Ausfälle aufgrund von Gehäuserissen aufgrund von Ablagerungen, die sich am Boden eines Getriebes ansammeln, verhindern. In Hochgeschwindigkeits- und Zwischenpositionen ist es außerdem notwendig, einsatzaufgekohlte und beschichtete Lager zu verwenden. Diese einfachen Upgrades können die Gesamtleistung des Getriebes erheblich steigern und so zu einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer führen.

Die Zuverlässigkeit von Getrieben hat sich in den letzten 10 Jahren dank eines besseren Verständnisses der Lagerbelastungen erheblich verbessert. Ein Unternehmen gibt auf seine überholten Getriebe eine Garantie von fünf Jahren, im Gegensatz zu nur zwei Jahren für einige OEM-Garantien. Trends bei der Neukonstruktion von Hauptwellen- und Getriebelagern wurden durch unerwartete Ausfälle in diesen Einheiten vorangetrieben. Der ungeplante Austausch eines Hauptwellenlagers kann Betreiber bis zu 450.000 US-Dollar kosten und sich offensichtlich auf die finanzielle Leistungsfähigkeit auswirken.

Von: Paul Dvorak, Windkrafttechnik und -entwicklung