Gewichts-, Größen- und Servicevorteile durch ein neues Triebstrang-Design für Windturbinen

1. Einleitung:

2008 startete Winergy Untersuchungen, um herauszufinden, welches das effizienteste Konzept für einen Windturbinen-Antriebsstrang sei. Das Ergebnis dieser Studie diente als Ausgangspunkt für die Entwicklung des ersten kundenspezifischen 3,0 MW-HybridDrive im ersten Halbjahr des Jahres 2011.

Der Lieferumfang des ersten Systems beinhaltete Getriebe, Generator und einige Zubehörteile, wie zum Beispiel Ölversorgungsanlage, Bremsscheibe, Sensoren, Verdrahtung usw.

Bild 1: Prinzipskizze des Winergy HybridDrive

2. Technische Lösung:

Der Grundgedanke des Winergy HybridDrive Konzeptes ist: Ein zweistufiges Getriebe treibt einen permanentmagneterregten Generator an. Dieses Modell ist in Bild 1 dargestellt. Wie alle anderen Winergy-Produkte ist auch der HybridDrive nach Kundenbedürfnissen ausgelegt. Die Anwendung kann an nahezu beliebige Kundenkonzepte angepasst werden.

Bild 2: Zwei Ansichten des HybridDrive

2.1. Getriebe:

Das Getriebe hat zwei koaxial zueinander liegende Planetenradstufen mit feststehenden Hohlrädern, die Teil des Gehäuses sind. Jede Getriebestufe wird von einem Planetenträger angetrieben. Damit ist die Getriebeausführung identisch zu allen anderen Winergy-Planetengetrieben und kann sich auf mehr als 20 Jahre Track-Record beziehen.

2.2. Generator:

Für dieses erste HybridDrive Projekt hat man sich für eine Lösung mit einem permanentmagneterregten Generator entschieden. Der hohe Wirkungsgrad dieser Ausführung, auch bei Teillast, war u.a. ausschlaggebend für diese Entscheidung. Natürlich können auch andere elektrische Maschinen, zum Beispiel elektrisch angeregte Synchrongeneratoren, vorgesehen werden, jede mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen.

2.3. Verbindung von Getriebe und Generator:

Sowohl Getriebe als auch Generator sind nach dem Baukastenprinzip konstruiert und können unabhängig voneinander zusammengebaut und transportiert werden. Dies ist möglich aufgrund der besonderen Ausführung der Flanschverbindung, die auf einer gemeinsamen Flanschplatte mit einem Kegelrollenlager basiert.

Die direkt miteinander verbundenen Gehäuse von Getriebe und Generator und die gewählten Toleranzen erlauben es, auf eine Kupplung zwischen den beiden Einheiten zu verzichten.

2.4. Wartungsfreundlichkeit:

In allen Stufen der Prototypenentwicklung wurde großer Wert auf die Wartungsfreundlichkeit des HybridDrive gelegt. Darum ist er aus Modulbauelementen konstruiert und bietet zudem die Möglichkeit, Inspektionen mittels Endoskop durchzuführen. Dabei wird das Endoskop durch eine entsprechende Gewindebohrung in das Gehäuse eingeführt.

3. Prototypentests und Ergebnisse:

Winergys Konzept zur Prüfung des Produktes umfasst in Anlehnung an das V-Modell mehrere Stufen. Auf jeder Stufe wird jedes Bauteil oder jede Baugruppe so weit wie möglich qualifiziert. Während der aufwendigen Anlagentests müssen nur das Verhalten und die Einflüsse der Bauteile aufeinander untersucht werden. Bild 3 vermittelt einen Eindruck des Testkonzepts.

3.1. Getriebetest:

Mit der Prüfung eines einzelnen Getriebes wird die zufrieden stellende Funktion dieser Baugruppe sichergestellt. Die Wirksamkeit der Verzahnungskorrekturen, der Lager und der Verbindungen zwischen den einzelnen Teilen wurde in einer Reihe von Probeläufen getestet, einschließlich der klassischen Prototypentests mit Standard- und Spezialmessungen sowie einem Überlasttest, der nahezu zwei Wochen dauerte.

Während der Prototypentests wurden verschiedenste Lastpunkte mit einer Laufzeit von je acht bis zwölf Stunden angefahren. Im Rahmen dieser Testreihe wurden

• Temperaturverhalten,
• Geräusche und Schwingungen und
• Ölparameter

fortlaufend aufgezeichnet und überprüft.

Die meisten zusätzlichen Messungen bezogen sich überwiegend auf das Geräusch- und Schwingverhalten. Zur Untersuchungen wurden u.a. folgende Messungen durchgeführt:

• Anlauf- und Auslauftests,
• FFT-Analyse und
• Ordnungsanalyse

Zusätzlich durchgeführte Messungen der Lastverteilung in allen vier Zahneingriffen zeigten die Eigenschaften der berechneten Verzahnungskorrekturen.

3.2. Generatortest:

Der Generator wurde ohne Umrichter mehreren Tests ohne Belastung unterzogen. Die Tests wurden durchgeführt, während die Maschine von einem kleinen Motor angetrieben oder von einem kleinen Umrichter gespeist wurde. Da die Maschine nicht mit dem Getriebe verbunden war, wurde eine zusätzliche Ölversorgungsanlage installiert.

Es wurden folgende Messungen durchgeführt:

• Widerstandsmessung der Ständerwicklung
• Erwärmungslauf mit offenen Klemmen
• Leerlauftest mit offenem Ständer (einschließlich FFT)
• Klemmenkurzschluss
• Erwärmungslauf mit kurzgeschlossenen Klemmen
• Schwingungsmessung
• Mechanische Tests (Kühlung und Rastmoment)
• Wellen- und Lagerspannungsmessung

3.3. Test des Getriebe-Generator-Teilsystems / Klimakammertest:

Ein Teil der Tests am Subsystem ‚Getriebe-Generator‘ wurde in der Winergy-Klimakammer durchgeführt. In Bild 4 sind zwei Aufnahmen zu sehen, die die Anordnung zeigen. Der komplette HybridDrive und die entsprechende Ölversorgungsanlage wurden in der Originalanordnung aufgestellt, so wie sie auch auf der Turbine mit entsprechendem Inklinationswinkel stehen.

Nachdem der gesamte HybridDrive auf -40°C heruntergekühlt worden war, wurde das Anlaufverhalten des Antriebs überprüft. Gemessen wurden die unterschiedlichen Temperaturen der Lager, des Öls und der Wicklungen sowie die Aufwärmdauer, um eine Öltemperatur von +0°C zu erreichen.

Bild 4: Prüfstandsanordnung während des Klimakammertests

3.4. Anlagentest

3.4.1. Prüfstandsanordnung

Zwei komplette HybridDrives wurden auf einem Prüfstand aufgebaut, wie in Bild 5 dargestellt. Zu dem Prüfstand gehören auch zwei Umrichter, die auf der Netzseite miteinander verbunden waren. Vom Netz mussten nur die Verluste eingespeist werden.

3.4.2. Geräusch- und Schwingungsmessungen

Die Geräuschmessungen am HybridDrive erfolgten gemäß IEC 9614-2 [IEC 9614]. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die gemessenen Schallleistungspegel bei unterschiedlichen Ausgangsleistungen.

Tabelle 1: Schallleistungspegel an verschiedenen Betriebspunkten

3.4.3. Messung des Wirkungsgrades:

Der Wirkungsgrad eines Getriebes wird über die mechanische Eingangs- und Ausgangsleistung gemessen. Da es am Markt keine verfügbaren hochpräzisen Drehmoment-Messgeräte im Meganewtonmeter-Bereich gibt, wird das Drehmoment mit Dehnungsmessstreifen gemessen. Obwohl diese kalibriert sind, ist ihre Genauigkeit niedrig und es ist oft schwierig, die tatsächlichen Toleranzen zu bestimmen. Für die HybridDrives ist es möglich, den Gesamtwirkungsgrad über die elektrische Eingangs- und Ausgangsleistung zweier Systeme (siehe Bild 6) zu messen. Die Genauigkeit der Messungen elektrischer Leistung in diesem Leistungsbereich ist erheblich höher. Wenn  man alle Toleranzarten berücksichtigt, liegt die absolute Ungenauigkeit unter 0,1%. Der Wirkungsgrad des HybridDrive wurde somit in einer Vielzahl von unterschiedlichen Lastpunkten bestimmt.

Bild 6: Schema der Volllasttests während des Anlagentests

Auch bei Teillast lag der Wirkungsgrad (siehe Bild 7) über 94%. Bei Nennleistung konnten Werte über 96,5% erreicht werden.

Bild 7: Wirkungsgrad-Kurven bei verschiedenen Drehmomentwerten

4. Feldtest:

Während der Felderprobung werden die wesentlichen Messwerte wie Windgeschwindigkeit, Drehzahl, Drehmoment und Temperaturen an verschiedenen Bauteilen kontinuierlich aufgezeichnet. So lassen sich Aussagen über die im Rahmen der Entwicklung angenommenen Belastungen gewinnen. Hierzu gehören unter anderem die Modell-Validierung (MKS-Modell), Informationen über den Betrieb der Anlage bei unterschiedlichen Betriebszuständen oder auch die Modellierung von unvorhergesehenen Ereignissen bzw. Sonderlastfällen wie z.B. eine Anlagenabschaltung mittels Not-Stopp.

Die bisher im Rahmen der Felderprobung durchgeführten Messungen und Validierungsschritte am HybridDrive sowie der WEA T10x von W2E zeigen, dass das Gesamtkonzept die gestellten Erwartungen an Energieertrag, Zuverlässigkeit und Funktion deutlich erfüllt. Besonders zu erwähnen ist hierbei, dass die Anlage bereits wenige Stunden nach der Erst-Inbetriebnahme Nennleistung im Automatikmodus erreicht hat und mit einem Energieertrag von über 4.000.000 kWh nach weniger als vier Monaten als Prototyp einen Kapazitätsfaktor von > 45% erreicht hat.

Nachdem im April 2013 der HybridDrive vom TÜV Rheinland gemäß „GL Richtlinie für die Zertifizierung von Windturbinen, Ausgabe 2010“ zertifiziert wurde, stellt der erfolgreiche Abschluss der Felderprobung den letzten Baustein des Zertifizierungsprozesses dar.

4.1. Offen für neue Möglichkeiten

Der HybridDrive kann mit Gleitlagern anstelle der sonst üblichen Wälzlager als Planetenradlager ausgeführt werden. Diese bieten nicht nur durch ihren kompakten Bauraum und ihre im Vergleich höhere Dämpfung technische Vorteile, sie sind auch aufgrund ihrer einfacheren Geometrie kostengünstiger als vergleichbare Wälzlager.

4.2. Frost & Sullivan Award

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Frost & Sullivan bedachte den HybridDrive 2013 mit dem begehrten „Product Differentiation Excellence Award“. Das Beratungsunternehmen untersucht, wie erfolgreiche Unternehmen mit innovativen Produkten und Qualität auf die Herausforderungen des Marktes und der Kunden reagieren. Insbesondere die hohe Leistungsdichte, der modulare Aufbau des HybridDrive sowie die Möglichkeit des Einsatzes von Gleitlagern waren ausschlaggebend für die Vergabe des Preises.

F&S Award und der HybridDrive in der Gondel.

5. Ergänzung – Summary:

Nachdem der HybridDrive von Winergy im September 2012 alle Prototypentests auf Systemebene erfolgreich abgeschlossen und im April 2013 die Komponentenzertifizierung des TÜV Rheinland erhalten hat, wurde nun der erste HybridDrive am 14.06.2013 zum Kunden ausgeliefert. Damit ist der Grundstein für den Feldtest und eine baldige Serienfreigabe gelegt.

Die bisherigen Ergebnisse bestätigen die Entwicklungszielsetzungen in vollem Umfang. Parallel zu diesen technischen Validierungen wurde der HybridDrive von Frost & Sullivan ausgezeichnet, wobei die herausragende Leistungsdichte des HybridDrive, das modulare Konzept und die Gleitlager überzeugten. Besonders aber die bereits vorliegenden Folgeaufträge für den HybridDrive zeigen und bestätigen die bisher erreichten Ziele und das aufgebaute Kundenvertrauen.

Die Prototypenturbien von W2E.