Für fettgeschmierte Großlager in Windkraftanlagen

Wellendichtung Seventomatic von Freudenberg für Wellendurchmesser ab 1,5 m

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Dichtungen auf der Hauptwelle in Windkraftanlagen sind aufgrund der entstehenden Kräfte extremen Belastungen ausgesetzt. Verschärft werden die ohnehin schon hohen Anforderungen durch immer größere Wellendurchmesser. Freudenberg Sealing Technologies ist es jetzt gelungen, eine Dichtung zu entwickeln, die eine Leckage fettgeschmierter Hauptlager selbst bei großen Wellendurchmessern zuverlässig verhindert und auch starken Wellenschlag toleriert.

Dr.-Ing. Frank Schönberg und Dr. Kristian Müller-Niehuus, Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG, Weinheim/Bergstraße

Inhaltsverzeichnis

1. Konsistente Linienkräfte
2. Simulation und Realität
3. Anpassungen am realen Prototypen

Zum Gewinnen sauberer Energie werden immer größere Windkraftanlagen eingesetzt. Rotoren mit Durchmessern von 180 m sind daher heute keine Seltenheit mehr. Einerseits lässt sich dadurch die Einzelleistung der jeweiligen Windkraftanlage steigern, andererseits spart man Material und Baukosten im Vergleich zur Errichtung mehrerer kleinerer Anlagen. Allerdings entstehen beim Betrieb derart großer Anlagen gewaltige Kräfte, die sich insbesondere auf Wälzlager und Hauptwellendichtungen auswirken und auf Dauer zu Problemen führen können. Um diesen hohen Anforderungen zu genügen, sind neue Dichtungskonzepte notwendig. Freudenberg Sealing Technologies ist es jetzt gelungen, eine Dichtung für Wellendurchmesser ab 1,5 m entwickeln, die sowohl radial innen- als auch außendichtend einsetzbar ist und dank ihrer Konstruktion sogar starken Wellenschlag toleriert.

Konsistente Linienkräfte

Herkömmliche Wellendichtungen, die Vorspannkräfte an der Dichtlippe mithilfe einer Wurmfeder erzeugen, kommen konstruktionsbedingt bei sehr großen Durchmessern an ihre Grenzen. Denn um den nötigen Anpressdruck für diese Größe aufbauen zu können, müssten Wurmfedern und damit die Dichtungen selbst sehr massiv ausgeführt sein. Zudem lässt sich in dieser Bauweise eine radial außendichtende Lösung schwer bis gar nicht realisieren. Die neue Wellendichtung Seventomatic von Freudenberg für Wellendurchmesser ab 1,5 m verwendet daher eine Mäanderfeder, um die nötigen Vorspannkräfte aufzubauen. Diese Feder wird während des Vulkanisationsprozesses sicher mit dem Elastomerteil zu einer Einheit verbunden.

Bei dieser Entwicklung für fettgeschmierte Großlager lässt sich die Anpressrichtung der Dichtlippe nahezu beliebig einstellen. Das namensgebende Design basiert auf der Form der Zahl 7 – ein langer Dichtschenkel ist mit dem statischen Teil der Dichtung über ein flexibles Gelenk verbunden. Herausragend an dieser Konstruktion ist, dass sie konsistente Linienkräfte erzeugt und im Vergleich zu anderen Lösungen gegenüber Wellenschlag unempfindlich ist. Die neue Wellendichtung akzeptiert in der Standardgröße ohne Funktionseinbußen eine Auslenkung von ±4 mm; die Dichtlippe folgt also einem Weg von maximal 8 mm. Daher zeigt sich die Dichtung ebenfalls äußerst gutmütig gegenüber Fertigungstoleranzen der Welle – Ungenauigkeiten bezüglich Rundheit werden zuverlässig ausgeglichen. Zudem ist diese Dichtung einfach zu installieren und es gibt die Möglichkeit, im Retrofit Dichtungen mithilfe eines speziellen Klebesets zu wechseln.

Hergestellt wird die Dichtung aus einem Werkstoff der Ventoguard-Gruppe, basierend auf einem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR). Er bietet im Vergleich zu Standardwerkstoffen neben einer längeren Lebensdauer eine hohe Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit, und ist damit prädestiniert für Klimaextreme in verschiedenen Einsatzregionen sowie Belastungen durch Schmierfette, salzhaltige Luft und Ozon.

Simulation und Realität

Die Grundform der Seventomatic basiert auf den bewährten Freudenberg-Dichtungen für Tunnelbohrmaschinen. Das Ziel bei der neuen Entwicklung war, das spezielle Design einer Dichtung für Tunnelbohrmaschinen mit den Vorteilen eines klassischen Radialwellendichtringes (RWDR) für die Hauptwelle des Rotors zu kombinieren. In beiden Bereichen geht es um großformatige Dichtungen, raue Umgebungsbedingungen und die Abdichtung fettgeschmierter Lager.

In der Entwicklung nutzte Freudenberg Sealing Technologies umfangreiche Simulationen, um die Konstruktion eines robusten Designs schon im Vorfeld zu ermöglichen. Dazu wurde ein FEM-Modell der Seventomatic parametrisiert, im Versuchsraum abgebildet und anschließend das Design der neuen Dichtung in etwa 400 automatisierten Simulationen herausgearbeitet. Mithilfe der dabei gewonnenen Datensätze erstellte man ein mathematisches Modell, um das Verhalten der Dichtung hinsichtlich der Linienkraft und der maximalen Folgemöglichkeit bei Wellenschlag und Exzentrizität vorauszusagen. Das 3D-Flächen-Diagramm zeigt die Optimierung der Linienkraft in Abhängigkeit der unterschiedlichen Dicken des statischen Teils der Dichtung und der Dichtlippe selbst.

Anpassungen am realen Prototypen

Es hat sich gezeigt, dass die Robust-Design-Simulationen die Anforderungen und Bedingungen so umfangreich und gezielt abdecken, dass Anpassungen am realen Prototypen kaum mehr notwendig sind. Die neue Dichtung für Hauptlager in Windkraftanlagen hält das in den verbauten Wälzlagern verwendete Fett zuverlässig zurück, ist unempfindlich gegenüber statischer und dynamischer Exzentrizität und bietet gleichzeitig eine konstante Linienkraft. Der obere Ast der Hysterese in den Kraft-Weg-Kennlinien (s. unteres Bild) zeigt die Konstanz der Kraft über den Weg bei Auslenkung der Dichtlippe in beide Richtungen.

Lebensdauerversuche an Proben mit etwa 15 Mio. Lastwechseln zeigten weder erkennbare Schädigungen noch Einschränkungen der Funktionen. Die Versuche wurden bei einer um 40 °C höheren Temperatur durchgeführt, sodass nach üblichen Berechnungen eine Lebensdauer von 20 Jahren angenommen werden kann. Weitere Prüfungen betrafen Temperaturwechsel zwischen -30 und +100 °C sowie die Haltbarkeit bei Schwingungen von 8 Hz mit einer Amplitude von ±3 mm bei +110 °C. Zusätzlich wurden die Linienkräfte montierter Dichtungen nach 240 Tagen Lagerung bei Raumtemperatur und +100 °C untersucht.

Die Großwellendichtung Seventomatic ist abgestimmt auf die zuverlässige Abdichtung fettgefüllter Wälzlager und Wellen ab 1,5 m Durchmesser. Das Design in Form einer 7 sorgt für konstante Linienkräfte und ein großes Toleranzfeld für die Exzentrizität der Welle. Zudem kann die Wellendichtung sowohl radial innendichtend als auch außendichtend eingesetzt werden, was Konstrukteuren mehr Freiheit für die Entwicklung von neuen und optimierten Designs im Bereich der Windkraftanlagen bietet. bec

www.fst.de

Detaillierte Informationen zu Dichtungslösungen für erneuerbare Energien, Energieübertragung und -verteilung:

hier.pro/9pegx

Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG

Höhnerweg 2 – 4
D-69469 Weinheim/Bergstraße

Telefon: + 49 (0) 6201 – 80-66 66
Fax: + 49 (0) 6201 – 88-66 66

Email: info@fst.com

Geschäftsführer:

  • Claus Möhlenkamp (Vorsitzender der Geschäftsleitung)
  • Dr. Theodore G. Duclos
  • Ludger Neuwinger-Heimes

Vorsitzender des Aufsichtsrats:

Dr. Tilman Krauch

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