Getriebe von Windkraftanlagen müssen zuverlässig funktionieren. Dabei sind insbesondere Auswahl, Installation und Einsatz der Lager von hoher Bedeutung. Jeder Fehler kann hier zu Stör- und Schadensfällen im Lager oder in anderen Getriebekomponenten und so direkt oder indirekt zum Ausfall der Anlage führen.
Exklusiv in kem Der Autor Liu Su ist Senior Applic- tion Engineer bei The Timken Company, USA-Canton
Als kraftübertragender Teil, der Rotor und Generator verbindet, wandelt das Getriebe von Windkraftanlagen die langsame Geschwindigkeit des Rotors in die für Mittel- oder Hochgeschwindigkeitsgeneratoren erforderlichen Drehzahlen um. Damit ist das Getriebe eines der wichtigsten Bauteile einer Windkraftanlage. Die Betriebsbedingungen in einer Windkraftanlage sind komplex, die Bau- und Funktionsweise des Getriebes muss äußerst zuverlässig sein. Insbesondere sind Auswahl, Installation und Einsatz der Lager von hoher Bedeutung. Jeder Fehler kann zu den unterschiedlichsten Schadens- und Störfällen im Lager oder in anderen Getriebekomponenten und so direkt oder indirekt zur Abschaltung der Anlage führen, damit die Produktivität beeinträchtigen und ungeplante Austausch- und Wartungskosten verursachen. Timken bietet eine Vielzahl effektiver Lösungen für solche Probleme an.
Es gibt viele Getriebebauweisen für Windturbinen, die meisten von ihnen sind als Kombination von Planeten- und Stirnradstufen aufgebaut. Im Folgenden wird eine Bauweise mit Krafteintrag über die Planetenstufe, bei fixiertem Hohlrad und Kraftübertragung über das Sonnenrad in den Stirnradteil, betrachtet.
Fehlermodi bei Planeten- trägerlagern und Lösungen
Auswahl und Einsatz von Lagern für den Planetenradträger sind von der Konstruktionsart des Rotors abhängig. Als Trägerlagerung kommen häufig vollrollige Zylinderrollenlager zum Einsatz. Werden Pendelrollenlager als Rotorlager verwendet (egal, ob bei 3-Punkt-Montage mit einem einzelnen Pendelrollenlager oder bei 4-Punkt-Montage mit zwei Pendelrollenlagern) können sich Rotor und Planetenradträger aufgrund des radialen und axialen Spiels von Pendelrollenlagern axial nach vorne und hinten bewegen, wenn die Turbine abbremst oder andere Bedingungen auftreten, in denen sich die Richtung der Axiallast ändert.
Werden Zylinderrollenlager als Lager für den Planetenträger verwendet, wird an diesem Punkt die Axialbewegung des Rotors – aufgrund des notwendigen Axialspiels zwischen den Innen- und Außenringen – auf die Zylinderrollenlager des Planetenträgers übertragen. Ist diese Bewegung groß genug, hat dies Auswirkungen auf die Zylinderrollenlager. Da das Hohlrad im Getriebegehäuse fixiert ist, kann die Axialbewegung des Planetenträgers mit den Planetenrädern hier zu einem Verschleiß der Zahnoberflächen der Planetenräder führen.
Timken empfiehlt, einreihige Kegelrollenlager mit einem gewissen Lagerabstand zu verwenden, die den Einfluss der axialen Rotorbewegung auf die Planetenräder verringern, indem eine Vorspannung auf die Kegelrollenlager aufgebracht wird. Darüber hinaus kann die Lastzone der vorgespannten Kegelrollenlager optimiert werden, um die Kontaktspannungen der Laufflächen zu verringern und die Steifigkeit der Planetengetriebestufe zu verbessern. Weiterhin können zusätzliche Axialkräfte aufgenommen werden, die in den Planetenträger übertragen werden.
Fehlermodi im Planetenradlager und mögliche Lösung
Ein häufig verwendeter Lagertyp in Planetenrädern besteht aus einem Paar doppelreihiger Zylinderrollenlager. Ein unzureichender Festsitz oder eine zu geringe Kontaktfläche zwischen dem Lageraußenring und der Bohrung des Planetenrades aufgrund einer Verformung des Zahnrades führt zum Kriechen und Verschleiß des Außenrings.
Bei schräg verzahnten Planetenrädern werden die gleichen Axialkräfte auf das Planetengetriebe ausgeübt, sie agieren allerdings im Zusammenspiel mit Sonnenrad und Hohlrad in entgegengesetzter Richtung. Es entsteht ein Kippmoment mit der Folge einer größeren Belastung der äußeren beiden Rollenreihen, während die Belastung der beiden mittleren Reihen geringer ausfällt. Eine ungleiche Lastverteilung auf die vier Rollenreihen hat unterschiedliche Lebensdauern zur Folge, da bei den äußeren beiden Reihen die Materialermüdung früher als bei den inneren Reihen auftritt.
Die Zuverlässigkeit der Planetenstufe lässt sich mit einem Planetenrad mit integrierter „Flexpin“-Lagereinheit verbessern. Das Planetenrad und die Außenringe der Lager sind nahtlos integriert, um ein potenzielles Wandern und nachfolgenden Ausfall der Außenringe zu verhindern. Diese Lösung bietet einen größeren Bauraum für zusätzliche und größere Rollen, um die Tragfähigkeit zu erhöhen. Außerdem kann die Lastzone durch Vorspannung der beiden Kegelrollenreihen optimiert werden, um die Kontaktspannung und das Risiko des Rollenversatzes zu verringern und eine gleichmäßigere Lastverteilung zu erzielen.
Die Flexpin-Bauweise ermöglicht eine flexible Verformung im Betrieb, was einen korrekten Zahneingriff, insbesondere bei Systemen mit multiplen Planetenrädern, gewährleistet. Diese Leistungsmerkmale erlauben eine gleichmäßigere Lastverteilung auf die Planetenräder und senken die Genauigkeitsanforderungen, die bei Produktion und Montage einzuhalten sind.
Fehlermodi bei Lagern für schnelle Abtriebswellen
Bei Abtriebswellen mit relativ hohen Drehzahlen wird oft eine Kombination aus Zylinderrollenlager und Vierpunktkontakt-Kugellager eingesetzt. Bei hoher Drehzahl und gleichzeitig niedriger Belastung treten bei Zylinderrollenlagern häufig Rollenschränken und Anschmierungen der Laufflächen auf, während bei den Kugellagern Anschmierungen und Abplatzungen möglich sind.
Als Lösung bietet sich die Verwendung einer Kombination aus verschleißfesten Zylinderrollenlagern und einem einreihigen Kegelrollen-Festlager (Locator) an. Die verschleißfesten Zylinderrollenlager können Anschmierungen während ihrer gesamten Lebensdauer dauerhaft verhindern und Laufflächenschäden vermeiden, die durch Verunreinigungen des Schmiermittels und mangelnde Schmierung während des Betriebs entstehen. Die einreihigen Kegelrollen-Festlager nehmen radiale und bidirektionale Axiallasten auf, während die reine Abwälzbewegung das Anschmierrisiko minimiert.
Zuverlässigkeit des Getriebes verbessern
Der Markt für Windkraftanlagen wächst derzeit rasant, gerade für Windkraftanlagen im Multi-Megawatt-Bereich. Forschung und Entwicklung konzentrieren sich daher verstärkt auf die Zuverlässigkeit der Anlagen und deren Komponenten. Die hier dargestellten Lösungen für häufig auftretende Fehler in Getriebelagern verfolgen das Ziel einer dauerhaften Optimierung der Getriebebauformen, um die Zuverlässigkeit des Getriebes und der gesamten Turbine deutlich zu verbessern.
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