Wälzlagertechnologie von NSK sorgt für mehr Betriebssicherheit bei Windkraftanlagen

Die Erzeugung von Windenergie ist eine der wachstumsstärksten Industrien für erneuerbare Energiequellen. Gleichzeitig ist sie eine der wichtigsten Technologien, um dem mit der globalen Erwärmung verbundenen Treibhauseffekt entgegen zu wirken. Bereits seit Ende der achtziger Jahre liefert NSK Wälzlager, die in Windturbinen zum Einsatz kommen. Mit dem zunehmenden Größenumfang von Windturbinen in Bauart und –menge kommt der Betriebssicherheit und damit der ökonomischen Effizienz der Wälzlager in den Turbinen eine immer größere Bedeutung zu. Der kritischste Punkt hierbei liegt im Generatorgetriebe des Hauptantriebstranges, die den Wälzlagern buchstäblich alles abverlangen. Jeder Ausfall der Windturbine beeinträchtigt die gesamtwirtschaftliche Betriebsleistung und zieht enorme Ausgaben für Reparatur und Ersatzteile nach sich. Besonders drastisch wurde dies bei den Ausfällen von Generatorgetrieben deutlich, die sich in amerikanischen Windparks in den 80iger und 90iger Jahren ereigneten. Der „Verbund US-amerikanischer Getriebehersteller“ (American Gear Manufacturers Association, AGMA) hat aus diesen Vorfällen Konsequenzen gezogen und Richtlinien für Generatorgetriebe in Windturbinen entwickelt, in denen der Wahl der Wälzlager besonders viel Raum gewidmet ist.

Hauptgetriebe
Die durch den Wind initiierte Drehung des Rotors führt zur Drehung der Rotorwelle. Ein Hauptgetriebe verbindet die Rotorwelle mit dem Generator und steigert die Drehzahl von etwa 10 bis 30 rpm auf etwa 1 500 bis 1 800 rpm. Dies ist der Drehzahlkennwert, der für die Mehrzahl der Induktionsgeneratoren erforderlich ist. Das Hauptgetriebe ist meist ein Dreistufengetriebe, das aus einer Planetengetriebestufe und zwei Stirnradstufen besteht.
Die in jüngster Vergangenheit gestiegenen Leistungsanforderungen an Windenergieanlagen bedingen mit zunehmenden Eingangsmomenten auch größere Turbinen: größere Windturbinen bedeutet größere Getriebe und damit auch größere Wälzlager. Untersuchungen der Belastungsverhältnisse zeigten, dass Planetenräder Wälzlager mit hoher Tragfähigkeit erforderlich machen. Aus diesem Grund wurde der Außenring einiger Wälzlager im Planetenrad entfernt. Die Bohrungsfläche des Zahnrades wird dabei zum Zweck der höchstmöglichen Steigerung der Tragfähigkeit der Wälzlager und der Vergrößerung des Rollendurchmessers als Außenringlaufbahn eingesetzt.

Steigerung der Betriebssicherheit
Während des Entwicklungsprozesses für die Konstruktion eines Wälzlagers ist die Ermüdungslebensdauer ein Kriterium, mit dem eindeutig ermittelt wird, ob das Wälzlager den Betriebsbedingungen entspricht oder nicht. NSK hat zur Ermittlung dieser Ermüdungslaufzeit eine neue Theorie entwickelt, die unter Zugrundelegung der Neubearbeitung der ISO-Norm aus dem Jahr 2000 die Faktoren von Ermüdungsgrenzbelastung, Schmierbedingungen und Verschmutzungsgrad des Schmiermittels ermittelt. Aus diesen Überlegungen entstand dann das ABLE-Forecaster-Programm (Advanced Bearing Life Equation),(http://www2.jp.nsk.com/BearingGuide/html/bearing.html), das dem Anwender die Möglichkeit einer exakteren Berechnung der Lagerlebensdauer gibt und ihm die Wahl des richtigen Wälzlagers für den jeweiligen Einsatz erleichtert.
Die in Hauptgetrieben für Windturbinen eingesetzten Wälzlager sind vielen unterschiedlichen Belastungen wie zum Beispiel Biegungsbelastung und Kippmoment ausgesetzt. Derartige Betriebsbedingungen machen eine Analyse der Spannungsverteilung zwischen den Wälzkörpern und der Laufbahn auf die Kontaktflächen unter Berücksichtigung der Lagerluft erforderlich. Die Berechnungsprogramme von NSK, die für die Tribologie, die numerische Analyse und die Analyse des Wälzlagers eingesetzt werden, wurden in einer Softwareprogrammgruppe namens BRAIN (Bearing Analysis in NSK) zusammengefasst.
BRAIN schließt die Programme PACS und STIFF ein. PACS ist eine Programmgruppe für die Analyse der Lagerkinematik, das nach Lagerbauart gegliedert das Reibungsverhalten innerhalb des Wälzlagers untersucht. STIFF ist ein Programm zur Analyse der Verformung von Wellen und Wellensystemen einschließlich Lagerung. Mit STIFF, in dem die Lager als nicht-lineare Federelemente betrachtet werden, lässt sich eine höhere Genauigkeit bei komplizierten Analysen von Getrieben erzielen.

Wälzlagermaterial mit langer Lebensdauer
Wälzlager in Getrieben sind grundsätzlich verschleißanfälIig. Zum Beispiel durch Verunreinigungen im Schmierstoff, die ihre Lebensdauer drastisch verkürzen können. Für Fälle, in denen Wälzlager in Hauptturbinen nicht die erforderliche Lebensdauer erreichen, kann der Super-TF (STF) oder der Hi-TF (HTF) Stahl von NSK eingesetzt werden. STF- und HTF-Stahl mindert Spannungskonzentrationen durch die Optimierung des Restaustenitgehalts zur Steigerung der Lagerlebensdauer bei Betriebsbedingungen, die Schmierölverunreinigungen unterliegen. Gängige Normen, wie etwa die der AGMA für die Konstruktion und Spezifikation von Getrieben für Windturbinen“ (Standard for Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines), haben die Werte im Hinblick auf den Schmierstoffreinheitsgrad für Bauteile in Windturbinen festgelegt. Wälzlager aus STF- und HTF-Stahl, die bei Betriebsbedingungen dieses Schmierstoffreinheitsgrades arbeiten, haben im Vergleich zu Wälzlagern aus Standardstahl eine 1,5 bis 2 Mal höhere Lebensdauer.

Grenzwerte für Kontaktspannungen
Die Spannung in der Kontaktfläche, die sich in einem Linienkontakt zwischen den Rollen und der Lauffläche bildet, ist nicht ebenmäßig verteilt, weil Verformungen und Schiefstellungen in den Wellensystemen auftreten. Gängige Normen schreiben die Grenzwerte für den Druck in der Kontaktfläche vor. Diese Werte beruhen auf empirischen Daten, die aus den Erfahrungen vergangener Bauteilausfälle gewonnen wurden. NSK berechnet für jedes Wälzlager die Wälzkörperbelastung und dessen höchste Spannungseinwirkung auf die Kontaktfläche. Aus all diesen Bedingungen ergeben sich die jeweiligen Spezifikationen für Wälzlager.

Kontakt zwischen Bord und Rollenstirnseite
Die Schrägverzahnung der Getriebestufen ruft Axialbelastungen hervor, die von den Festlagern der Wellen, meist Kegelrollenlager, aufgenommen werden müssen. Aufgrund der auf ein Kegelrollenlager wirkenden Radialbelastung und dessen Druckwinkel wird hier eine zusätzliche Axialbelastung induziert. Dabei muss besonders Augenmerk auf die sich im Rolle-Bordkontakt entwickelnden Wärme geachtet werden. Während der Wälzlagerumdrehungen erzeugt die Gleitreibung zwischen dem Innenringbord und der Rollenstirnseite Wärme, die zu Fressspuren an den Bauteilen und damit zum Ausfall des Wälzlagers führen kann. Die erzeugte Wärme hängt von dem Druck auf die Kontaktflächen und der Gleitgeschwindigkeit der Rollen ab. Auf der Basis dieses PV-Wertes hat NSK untersucht, welche Axialbelastung zugelassen werden kann.
In einigen Fällen werden Zylinderrollenlager des Typs NJ an der Festlagerseite der Welle eingesetzt, da sie die Eigenschaft besitzen, an einer Seite gewisse Axialbelastungen zwischen den Rollenstirnseiten und dem Innenringbord aufzunehmen. Es besteht die Möglichkeit, den Grad der Wärmeentwicklung sowohl in Kegelrollenlagern als auch in Zylinderrollenlagern des Typs NJ zu verifizieren. NSK verwendet Rollen mit sphärischer Profilierung an den Rollenstirnseiten, die zu einer Optimierung der Wärmeentwicklung und Spannungsverteilung führt.

Käfigkonstruktion
Grundsätzlich gilt: große Rollen, kleiner Käfig. Dies bedeutet, dass die Abmessungen von Käfigsteg und Ring optimiert werden müssen. Vor diesem Hintergrund hat NSK für Windturbinen einen neuen EM-Käfig für Zylinderrollenlager entwickelt und in einer Normspezifikation festgelegt. Die EM-Konstruktion sichert dem Lager eine höhere Lebensdauer zu und hat mit seiner gesteigerten Festigkeit gegenüber herkömmlichen Käfigen deutliche Vorteile. Die spezielle Profilierung der Rollenführung des Käfigs steigert die Verschleißfestigkeit des Käfigs. Trotz der Schwierigkeiten, die mit dem Entwurf eines einteiligen Käfigs verbunden sind, ist es NSK gelungen, eine Fertigungsmethode zu entwickeln, die hohen Ansprüchen an die Festigkeit des Käfigs gerecht wird und die zugleich eine Massenproduktion zulässt. Und erst die macht den Einsatz der neuen Technologie wirtschaftlich und rechnet sich für den Betreiber der Anlagen.