Verbesserte Rotorlager sorgen für besseren Wind

Sep 02, 2023

Von WPED-Mitwirkender | 30. August 2019

Von Andreas Bierlein, Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG, und Antonio Silverio, Schaeffler Group USA Inc.

Um die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Effizienz von Windkraftanlagen zu erhöhen, hat Schaeffler sein gesamtes Sortiment an Pendelrollenlagern (SRBs) für die Rotorwelle der Windkraftanlage modernisiert.

Anhand der Daten von 10.000 Windkraftanlagen wurden verschiedene Schadensbilder gründlich untersucht und entsprechende Gegenmaßnahmen und Lösungen entwickelt. Diese neuen SRB-Designs bieten eine hohe Verschleißfestigkeit sowie deutlich niedrigere Reibungsmomente und Betriebstemperaturen – und verlängern so die Lebensdauer der Turbine deutlich.

Rotorwellenlager sind vielfältigen dynamischen Belastungen ausgesetzt, insbesondere hohen axialen Belastungen.

Robustes DesignDa das Rotorlager eine kritische Komponente im Inneren von Windkraftanlagen ist, hat Schaeffler sein Angebot an Standard-SRBs erheblich optimiert, um deren Leistung weiter zu verbessern.

Die anfänglichen Designverbesserungen konzentrierten sich auf zwei Bereiche: Der erste Schritt bestand darin, die Profile von Rollen und Laufbahnen zu modifizieren, um selbst unter extremsten Bedingungen die niedrigsten Kontaktspannungen zu erreichen. Der zweite Schritt bestand darin, eine Mittelrippe für den Innenring zu entwerfen, die die axiale Steifigkeit erhöht und die übermäßige axiale Verschiebung der Rolle, die eine Hauptursache für den an allen Rollen und Laufbahnen beobachteten vorzeitigen Verschleiß ist, drastisch reduziert.

Diese neuen SRB-Designs haben im Rahmen ihrer Validierung für das Schaeffler-Gütesiegel „X-life“ umfangreiche Tests erfolgreich absolviert. Die hierfür erforderlichen Validierungsschritte wurden von der deutschen Zertifizierungsstelle für Windkraft, dem Germanischen Lloyd, zertifiziert (GL-Zertifikat GL-CER-002-2015). Außerdem wurde ein patentiertes asymmetrisches Pendelrollenlager-Design (ASRB) entwickelt, um den Turbinenwirkungsgrad weiter zu verbessern.

Der ASRB erhöht die axiale Tragfähigkeit erheblich und sorgt gleichzeitig für eine ausgewogenere innere Lastverteilung zwischen beiden Rollenreihen. Die verbesserte Lastverteilung zwischen den Rollenreihen sorgt für einen erhöhten Widerstand gegen plastische Verformung und verlängert die Lagerlebensdauer deutlich.

Durch zwei unterschiedliche Kontaktwinkel verfügt der ASRB über eine doppelte Tragfähigkeit. Axiale Lasten werden von der Reihenseite mit dem höheren Kontaktwinkel (windwärts) getragen, während radiale Lasten hauptsächlich von der Reihenseite mit dem niedrigeren Kontaktwinkel (windwärts) getragen werden.

Betriebsdatenermittlung Bei der Untersuchung ausgefallener Lager wurde festgestellt, dass ein erheblicher Prozentsatz der Ausfälle vor allem bei Fixierlagern der 3-Punkt- und 4-Punkt-Lagerwellensysteme auftrat. Außerdem konzentrierte sich der größte Schaden auf die axial belastete Reihe (windabgewandt) der Festlager. Der Schaden, der überwiegend an der Oberfläche festgestellt wurde, wird gemäß ISO 15243 entweder als Ermüdung in der Nähe der Oberfläche (Oberflächenzerrüttung) oder als abrasiver Verschleiß klassifiziert.

Das innovative asymmetrische Pendelrollenlager von Schaeffler erzeugt geringere Axialverschiebungen, was das Risiko einer Beschädigung der Lagerrollen und Laufbahnen deutlich verringert.

Abrasiver Verschleiß in den Hauptlagern von Windkraftanlagen, die unter unregelmäßigen Bedingungen betrieben werden, ist bereits ein weithin bekanntes Problem. Diese Art von Schäden wird hauptsächlich durch unterschiedliche Wellengeschwindigkeiten und Belastungen verursacht, die zu einem sehr dünnen oder fehlenden Schmierfilm führen können. Wenn sich der trennende Schmierfilm zwischen den Rollen- und Laufbahnoberflächen verschlechtert, kommt es zu Mikropitting, Verschmierungen und schließlich zu umfangreichen Schäden an der Oberfläche.

Eine umfassende Reihe interner Testsimulationen wurde durchgeführt, um die beste Lösung für die in der Nähe der Oberfläche gefundenen Schadensmuster zu ermitteln. Mehrere relevante Lagermerkmale wurden identifiziert, simuliert und mit modernsten Werkzeugen und Testgeräten getestet. Um den durch die Grenzschmierbedingungen verursachten Oberflächenverschleiß zu reduzieren oder sogar zu beseitigen, wurden verschiedene Lösungen erarbeitet und umgesetzt.

Eine der ersten Gegenmaßnahmen bestand darin, einen Schmierstoff zu entwickeln und zu validieren, der die richtigen Lasttrageeigenschaften für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen, einschließlich niedriger Wellengeschwindigkeiten und extremer Belastungen, aufweist. Neben der Verbesserung der Schmierbedingungen wurde großer Wert auf die Optimierung des Lagerdesigns mit Verbesserungen wie extrem strengen Grenzwerten für die Oberflächengüte und speziellen Walzenbeschichtungen gelegt. Abschließend wurden alle Fertigungsschritte und Produktionsprozesse neu bewertet und optimiert.

Durch den Einbau eines asymmetrischen Pendelrollenlagers können die Axialkräfte auf die Planetenträgerlager des Getriebes um 70 % reduziert werden.

Das Ergebnis: neue SRB-Designs, die eine deutlich höhere Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß durch schlechte Schmierbedingungen oder sogar Partikelverunreinigungen bieten.

DesignverbesserungenWie oben erwähnt, wurde das Design des Standard-SRB durch eine Verbesserung der Qualität der Oberflächenbeschaffenheit optimiert.

Zu den weiteren Designverbesserungen gehörten:

Zusätzlich zur Optimierung bestehender Standardkonstruktionen hat Schaeffler eine völlig neue Lagerlösung für Hauptwellenlager in Windkraftanlagen entwickelt und patentiert: das asymmetrische Pendelrollenlager. Durch unterschiedliche Kontaktwinkel verbessert diese Konstruktionsinnovation die Lastverteilung zwischen beiden Lagerreihen, senkt Anpressdruck und Reibmoment und erhöht die axiale Steifigkeit um ca. 50 %.

Die erhöhte axiale Steifigkeit führt zu einer drastischen Reduzierung der axialen Verschiebung der Hauptwelle, zu weniger axialem Gleiten und Rutschen der Rollen und zu einer erhöhten Zuverlässigkeit der Getriebelager und der Elastomerhalterungen der Drehmomentstütze. Weitere Verbesserungen können durch die Anwendung optionaler Beschichtungen wie der diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtung Triondur C auf den Rollen für Verschleißfestigkeit sowie der Chrombeschichtung Durotect CK auf dem Innenring zur Verhinderung von Passungsrost erzielt werden.

Validierung Das neue ASRB-Design von Schaeffler wurde einer umfangreichen Reihe von Validierungstests unterzogen, sowohl im eigenen Haus als auch im Feld. Im Vergleich zur Standardkonstruktion bestätigten die Testergebnisse des ASRB eine Reduzierung der axialen Verschiebung um 50 %, eine verbesserte Rollenlastverteilung auf beide Lagerreihen, eine Reduzierung der auf die Planetenträgerlager des Getriebes übertragenen Kräfte um 70 % und eine Steigerung um 67 % im Bewertungsleben.