Mit anforderungsgerecht ausgelegten Rotorlagerungen bietet die Schaeffler Gruppe Industrie ein Lagerungskonzept, das den Einsatz von Multi-Megawatt-Windkraftanlagen onshore wie offshore effizient macht. Das Engineering erfolgt mit dem weiterentwickelten Wälzlager-Berechnungsprogramm BEARINX der Schaeffler Gruppe, das die Vorteile der Finite-Elemente-Methode (FEM) mit den bisherigen Möglichkeiten von BEARINX vereint. Damit wird es möglich, nicht mehr nur ausgewählte, sondern alle relevanten, kritischen Lastzustände auszuwerten. Der Einsatz von Momentenlagerungen in sog. Ein-Lager-Konzepten ermöglicht ein hohes Maß an Systemintegration und führt zu einer kompakten und damit weniger aufwändigen Bauweise von Windkraftanlagen. Das vorgespannte Lager verhindert zudem negative axiale Belastungen auf den Antriebsstrang.
Trend zu kompakten Ein-Lager-Konzepten
Der Trend zu großen Multi-Megawatt-Anlagen, die insbesondere in Offshore-Windparks eingesetzt werden, verändert auch die Lagerungskonzepte von Windkraftanlagen. Insbesondere die Ein-Lager-Konzepte gewinnen an Bedeutung. Dabei wird der Rotor nur noch von einem zweireihigen Kegelrollenlager - einem so genannten Momentenlager - in O-Anordnung gelagert, das alle Kräfte und Momente aufnimmt. Dieses Ein-Lager-Konzept kann unterschiedliche Ausprägungen annehmen, etwa mit Welle und Getriebe sowie schnell laufendem Generator, als Hybrid-Lösung mit verkürztem Getriebe und mittelschnellem Generator oder als Direktantrieb komplett ohne Getriebe.
Die Ein-Lager-Konzepte erweisen sich dabei stets als sehr kompakte Bauformen. Unabhängig davon wie weit der Gedanke der Systemintegration in den Konzepten umgesetzt wird - die Möglichkeiten reichen hier bis hin zu Konzepten, in denen die Nacelle komplett in die Lager-Getriebe-Generator-Einheit integriert ist - können Bauteile eingespart und damit das Gewicht reduziert werden. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Kopfgewicht sinkt, Fundamente kleiner dimensioniert werden können und sich die Logistik vereinfacht.
Die Lagerung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Kegelrollenlager vorgespannt eingesetzt werden können und damit kein axiales Spiel und keine axialen Verschiebungen mehr zulassen. Diese genauere Führung der Rotorwelle hat zur Folge, dass weniger Bewegung auf das System einwirkt und somit negative Auswirkungen auf Getriebe und Generator vermindert werden.
Alle Lastzustände auswerten
Die Schaeffler Gruppe Industrie hat bereits zahlreiche Ein-Lager-Lösungen, zum Beispiel für 5-MW-Offshore-Anlagen, umgesetzt. Die besondere Herausforderung dieser Lagervariante ist das anspruchsvolle Engineering, da für Auslegung und Lebensdauerberechnung keine Standard-Tools mehr eingesetzt werden können. Die Schaeffler Gruppe hat daher ihr Wälzlager-Berechnungsprogramm BEARINX um elastische Einflüsse erweitert, die mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) ermittelt werden. Das Berechnungsprogramm kann damit Lager inklusive der Einflüsse des Gehäuses nicht mehr nur für ausgewählte Lastfälle betrachten. Vielmehr werden rund 250 klassierte Lastfälle unter Berücksichtigung aller Elastizitäten ausgewertet, so dass eine optimale Auslegung mit Blick auf annähernd alle kritischen Lastzustände möglich wird. Dazu werden die Ergebnisse der FEM-Berechnungen des Gehäuses in eine Steifigkeitsmatrix überführt und in die BEARINX-Berechnung übernommen. Diese Steifigkeitsmatrix repräsentiert nicht nur die Elastizitäten an den einzelnen Lagerstellen, sondern auch die Einflüsse der Elastizitäten von einer Lagerstelle zur anderen. Das BEARINX System ist somit in der Lage, die gesamte Lebensdauerberechnung in Abhängigkeit von Lastverteilung unter Berücksichtigung von Elastizitäten durchzuführen.
Die für den jeweiligen Anlagentyp individuell ausgelegten Momentenlagerungen der Schaeffler Gruppe werden alternativ zum klassischen Stahl-Bolzen-Käfig auch mit Kunststoff-Segmentkäfig angeboten. Als Material wird PEEK eingesetzt, ein hochfester Kunststoff, der bei geringem Verschleiß und Gewicht hohe Kräfte aufnehmen kann. Darüber hinaus reduziert der Kunststoff-Segment-Käfig die Reibung und erhöht so die Effizienz der Anlage. Die neue Käfigbauform verbessert nicht nur die Führung der Wälzkörper, sondern ermöglicht auch eine optimierte Schmierstoffversorgung. Zusätzlich können Momentenlager einen integrierten Korrosionsschutz aufweisen, der durch zinkflammgespritzte Oberflächen und Mehrschicht-Lackierung erreicht wird. Besondere Härteverfahren ermöglichen zudem maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften für integrierte Funktionen wie zum Beispiel Dichtungen oder die Verbindung zur Umgebung.
