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Neue Herausforderungen an Rotorlagerungen der 7-MW-Offshoreklasse

Bild 1: Die Los-Festlager-Kombination mit den winkelbeweglichen CARB und SRB gleichen hohe Wellendurchbiegungen, Winkelfehler und Versatz der beiden Lagergehäuse sehr gut aus.

Bild 2: Im Vergleich mit der „flexiblen“ CARB- und SRB-Lösung kann die CRB- und DRTRB-Variante etwas kompakter (kürzer) ausgeführt werden.

Bild 3: Auf Basis von zwei individuell ausgearbeiteten TRB mit unterschiedlichen Tragzahlen, Ringdurchmessern und Druckwinkeln lässt sich eine relativ kompakte Rotorlagereinheit im XXL-Format mit gegossener Rotor-Hohlwelle und einteiligem Gehäuse für eine 7-MW-Turbine realisieren.
Bild 4: Kompakter Triebstrang mit teilintegriertem Momentenlager SKF Nautilus. Das Momentenlager sitzt auf einer kurzen Rotorwelle zwischen Nabe und Getriebe.
Bild 5: Extrem kompakte Bauweise mit Momentenlager SKF Nautilus als zentralem Bindeglied zwischen Nabe und langsam laufendem Generator, der vor dem Turm platziert ist.

Matthias Hofmann, Technischer Berater Windkraft bei SKF

2013 November 19, 08:00 CET

Spätestens mit dem 32-Gigawatt-Offshoreprojekt „Round 3“ in Großbritannien wurde eine neue Offshore-Turbinengeneration der 6- bis 7-Megawatt-Klasse eingeläutet. Sie verfügen über extrem lange Rotorblätter im Bereich von 170 Meter sowie ein Naben- und Blattgewicht von rund 200 Tonnen. Der Überhang vom Nabenmittelpunkt zur Mitte des Turms ist relativ groß, um die Freigängigkeit der durchbiegenden Blattspitzen zu ermöglichen. Dem entgegen stehen die Ziele, möglichst kompakte und leichte Triebstränge zu entwickeln, um die Gesamtkosten der Maschinen und Installation zu senken.

Schweinfurt, den 19. November 2013

 

Von Dipl. Ing. Matthias Hofmann, Technischer Berater Windkraft bei SKF

 

Um in derartigen Dimensionen möglichst hohe Leistungen bei möglichst geringen Betriebskosten erzielen zu können, bietet SKF für die unterschiedlichen Triebstrangkonzepte eine Vielzahl von Rotorlagerlösungen an:

 

Sphärische Lagerungen bei Turbinen mit Hauptgetriebe (2-Punkt-Lagerung „flexibel“)

In der 5-MW-Klasse hat sich vor allem die 2-Punkt-Lagerung mit CARB (Toroidalrollenlager) und SRB (Pendelrollenlager) in getrennten Rotor-Lagergehäusen etabliert. Damit ist die Welle gegenüber einer 3-Punkt Lagerung eindeutig gelagert und das Getriebe übernimmt hier nicht die Funktion des Gegenlagers. Das CARB dient als reines Loslager, dessen axiale Verschiebefunktion durch die bordlose Ausführung realisiert wird. Im geeigneten Lagerabstand befindet sich generatorseitig das kleinere SRB, das die Funktion eines Festlagers übernimmt (Bild 1). Die spielbehaftete Lagerung in dieser Größenordnung erfordert eine ganzheitliche dynamische Betrachtung des kompletten Antriebstrangs und ist beispielsweise für die Planetenträgerlagerung des Hauptgetriebes sowie der Getriebeaufhängung relevant.

 

Die Los-Festlager-Kombination mit den winkelbeweglichen CARB und SRB gleichen hohe Wellendurchbiegungen, Winkelfehler und Versatz der beiden Lagergehäuse sehr gut aus. Die Rollen des Lagers haben selbsteinstellende Eigenschaften. Damit nehmen sie selbsttätig immer die Stellung ein, in der die Last über die Rollenlänge gleichmäßig verteilt ist. Selbst wenn Schiefstellungen oder Axialverschiebungen auszugleichen sind, ist die Tragfähigkeit der SKF-Rollenlager sehr hoch.

 

Mit den positiven Erfahrungen ist die 2-Punkt-Lagerung CARB und SRB prädestiniert, auch auf eine neue 7-MW-Maschine mit Hauptgetriebe angewandt zu werden. Auf Basis einer Hohlwelle ist ein CARB mit einer Bohrung von 1.700 bis 1.800 mm und ein SRBmit einer Bohrung von 1.200 bis 1.300 mm einsetzbar. Auch in dieser Größe bietet SKF das CARB und SRB der Explorer-Klasse „Next Generation“ an. Diese haben deutlich verbesserte Leistungsparameter hinsichtlich Ausdauer, Drehvermögen und dynamischer Belastbarkeit. Ihre gesteigerte Leistungsfähigkeit beruht im Wesentlichen auf verbessertem Wälzlagerstahl für höhere Ermüdungsfestigkeit, optimierter Wärmebehandlung mit dem XBite-Verfahren (spezielles bainitisches Durchhärten), optimierter Spannungsverteilung im Wälzkontakt sowie verfeinerter Kontaktgeometrie für bessere Schmierung und weniger Wartungsbedarf.

 

SKF bietet auch für diese Größen individuell konstruierte CARB und SRB Wind-Rotorlagergehäuse an. Diese sind auf der Basis von Betriebslasten und mit Berücksichtigung der Gehäuseverformung optimal auf die Spannungsverteilung im Rolle-Laufbahn-Kontakt und auf die Ausprägung der Lastzonen ausgelegt. Abhängig vom Schmiermedium (Fett oder Öl) können wahlweise schleifende SKF Kontaktdichtungen oder einfache wie auch komplexe Labyrinthdichtungen integriert werden.

 

„Steife“ Lagerungen bei Turbinen mit Hauptgetriebe (2-Punkt-Lagerung „steif“)

Auf den ersten Blick ähnlich erscheint ein Lagerkonzept auf Basis einer Los-Festlager-Anordnung mit CRB (Zylinderrollenlager) und DRTRB (gepaartes Kegelrollenlager). Mit den hauptsächlich von getriebelosen Anlagen abgeleiteten und seit Jahren erprobten Typen, die in der Regel auf stillstehenden Achszapfen in zentraler Nähe zur Nabe montiert sind, ergeben sich interessante Hauptlagerkonzepte – auch für eine modular aufgebaute 7-MW-Getriebemaschine.

 

Anspruchsvoller gegenüber sphärischen Lagerungen sind die Fertigungsgenauigkeit, Form- und Lagetoleranzen beider Lagersitze zueinander. Diese Lagertypen und ihre Anordnung erfordern in der Regel ein einteilig langes Rotorlagergehäuse, bei dem beide Lagersitze in einer Aufspannung gefertigt werden und damit radialen Versatz ausschließen (Bild 2).

 

Mit Hilfe der Simulationssoftware „Beacon flexibel“ untersucht SKF die Verformung der Rotorwelle sowie das Lagergehäuse inklusive Maschinenträger auf schädlichen Einfluss für die Lastzone und Lagerschiefstellung. Dies betrifft vor allem bei der „fliegenden Lagerung“ das radial hochbelastete CRB. Erfahrungsgemäß muss hier die Gehäusekonstruktion optimiert und Lager Laufbahnen profiliert werden, um die Kantenspannungen auf ein vertretbares Niveau zu bringen. Zur Auswahl für eine 7-MW-Turbine stehen grundsätzlich ein- und zweireihige CRB-Typen mit schlanken Rollensätzen und formoptimierten Käfigen mit Lagerbohrungen größer 1.700 mm.

 

Als generatorseitiges Festlager bietet sich ein in X-Anordnung zusammengepasster TRB-Lagersatz mit schlanken Kegelrollen und Stahlblechkäfig an. Bestimmend für die Auswahl des Druckwinkels sind die radialen- und axialen Belastungen in Abwägung mit der sich wunschgemäß in der Lagerachse kreuzenden Wirklinien. Für große TRB-Bohrungsdurchmesser (> 1.000 mm) ergibt sich somit der Bedarf, den Einsatz von Einheiten im TDI-Design (einteiliger Innenring) sowie den individuellen Aufbau mit zwei einzelnen TRB individuell konstruktiv zu untersuchen.

 

Eine relativ große Varianz bei Vorspannung und Axialluft und somit bei der Lagerlebensdauer ergibt sich bei flachwinkligen DRTRB durch den Einfluss aller Fertigungstoleranzen. Dies ist vor allem für große TRB (> 1.000 mm Bohrung) relevant und kann eine relativ aufwendige und exakte Vorspannungseinstellung durch Einpasseneines Zwischenrings erfordern. Im Vergleich mit der „flexiblen“ CARB- und SRB-Lösung kann die CRB- und DRTRB-Variante etwas kompakter (kürzer) ausgeführt werden. Eine separate Plug-&-Play-Rotorlagereinheit (Welle, Lager, Gehäuse) kann über eine senkrecht stehende Rotorwelle schrittweise montiert werden.

 

Ebenfalls als „steife“ Lagerung bei Turbinen mit Hauptgetriebe gilt eine in O-Anordnung angestellte TRB- und TRB-Rotorwellenlagerung. Auf Basis von zwei individuell ausgearbeiteten TRB mit unterschiedlichen Tragzahlen, Ringdurchmessern (Bohrung ca. 2.000 mm) und Druckwinkeln lässt sich eine relativ kompakte Rotorlagereinheit im XXL-Format mit gegossener Rotor-Hohlwelle und einteiligem Gehäuse für eine 7-MW-Turbine realisieren (Bild 3).

 

Kompaktheit und Gewichtsreduzierung ist auch hier ein zentrales Thema. Das komplette Design gilt in allen Belangen als höchst anspruchsvoll. Daher ist es erforderlich, die komplette Lageranordnung auf Montagemöglichkeiten, Steifigkeiten, Verformung und Einfluss auf die Vorspannung beider TRB frühzeitig zu untersuchen. Für diese Anordnung liegen heute im Bereich größer 5 MW nahezu keine Erfahrungen bezüglich realer Betriebstemperaturen vor. Durch den relativ geringen Lagerabstand in der O-Anordnung und den großen Ringdurchmesser muss aufgrund von Temperatureinflüssen mit Vorspannungsverlust und damit mit einem Einfluss auf die Ausbildung der Lastzone, Spannungsverteilung im Wälzkontakt und ggf. Reduzierung der Lagerlebensdauer gerechnet werden. Aus Sicht von SKF können speziell bei dieser Anordnung die vorhandenen SKF Ölschmiersysteme ein geeignetes Mittel sein, um das Temperaturniveau der vorgespannten Lagerung separat und kontrolliert zu steuern.

 

SKF NautilusTM in Turbinen mit Hauptgetriebe

In den vergangenen Jahren wurden sehr kompakte Triebstränge mit teilintegriertem Momentenlager NautilusTM in den Leistungsklassen von 2 bis 6 MW bei ca. 125 m Rotordurchmesser umgesetzt. Der Maschinenträger umschließt dabei rotorseitig das Momentenlager (Bild 4). Alle Kräfte und Biegemomente werden bestenfalls von der Rotorwelle über das Hauptlager auf den Maschinenträger abgeleitet. Das Momentenlager sitzt auf einer kurzen Rotorwelle zwischen Nabe und Getriebe. Wird die Hohlwelle länger gehalten, ermöglicht ein Mannloch den Durchschlupf in die Nabe.

 

Das in O-Anordnung angeordnete, zweireihige Kegelrollenlager, gepaart mit den großen Ringdurchmessern, bildet die Basis für die große Stützweite zur Aufnahme und Übertragung der hohen Biegemomente. Die innere Konstruktion mit 45° Druckwinkel und relativ kleinen Rollen-Kegelwinkeln mit Treffpunkt im Apex-Punkt, sorgt für ein pures Abrollen im Wälzkontakt ohne schädliches Gleiten an den Rollenenden. Die Konstruktion mit flexiblen SKF Segmentkäfigen vermeidet bei Verformung der Turbinen-Frontpartie innere Käfig-Zwangskräfte.

 

Im Vergleich zu herkömmlich vorgespannten Kegelrollenlagern mit einteiligem Käfig ergeben sich somit niedrigere Reibmomente und Lagertemperaturen. Dies bildet auch die Basis für den heutzutage üblichen Betrieb mit Fettschmierung, die gegenüber der Ölschmierung geringere Anforderungen an das Schmier- und Dichtungssystem hat.

 

Bei zukünftigen Rotordurchmessern von 170 m in der 7-MW-Klasse wächst der Überhang von Mitte Nabe zu Mitte Turm, um die Freigängigkeit der durchbiegenden Blattspitzen zu gewährleisten. Damit wird genügend Gondellänge zur Unterbringung eines modularen Triebstrangs mit zweifach gelagerter Rotorwelle und angeflanschtem Hauptgetriebe zur Verfügung stehen. Sollte ein Momentenlager eingesetzt werden, ist es zielführend, den Nabenüberhang zu verkürzen (beispielsweise durch steifereRotorblätter und mehr Gondelneigung), den Rotoranbindungspunkt zum Momentenlager möglichst klein zu halten und den Schwerpunkt des 70- bis 100-Tonnen-Getriebes möglichst in der Mitte des Turms oder darüber hinaus wirken zu lassen. Andernfalls ergibt sich eine ungünstige Belastung für das Momentenlager sowie eine extrem einseitige Belastung für das Turmhauslager.

 

Ähnliches gilt für mögliche 7-MW-Hybridturbinen, bei denen der komplette Antriebsstrang (Hauptlager, Getriebe und Generator) in einer Gehäuseeinheit zusammengeführt ist. Bei der Integration eines Rotorlagers innerhalb des Getriebes gilt es auch weiterhin, die Verzahnung des Getriebes eingangsseitig von den Verformungen des Rotorlagers und der Umgebungskonstruktion zu entkoppeln. Damit wird gewährleistet, dass die folgende Eingangswelle reines Drehmoment erfährt und der exakte Zahneingriff nicht gestört wird.

 

SKF NautilusTM in Direktantrieben (DD)

Die Auswahl der Lagertypen und deren Anordnung haben Einfluss auf die Gesamtverformung sowie die Steifigkeit des Triebstrangs und damit auch auf den vorzuhaltenden Luftspalt in der elektrischen Maschine, auf die Magnetstärken und die Magnetmasse. Bei den aktuellen Preisentwicklungen für Neodym und Kupfer kann bei mehreren Tonnen benötigter Magnetmasse für eine 5-MW-DD-Turbine eine Luftspaltreduzierung von nur einem Millimeter bereits eine gewaltige Kosteneinsparung bewirken und die Effizienz der Turbine in ihrer Gesamtlebensdauer maßgeblich steigern.

 

Neben den TRB-und-TRB- sowie DRTRB-und-CRB-Rotorlagerkonzepten, vorrangig montiert auf stillstehenden Achszapfen, ist vor allem die Variante mit Momentenlager auf den weltweiten Vormarsch (Bild 5). Das Momentenlager dient dabei als zentrales Bindeglied zwischen Nabe und langsam laufendem Generator, der vor dem Turm platziert ist („Bug-Generator“). Der Überhang gilt als technisch höchst anspruchsvoll für das Rotorlager. Das ist aber von Vorteil aufgrund der sehr kompakten Bauform gegenüber der Variante mit extrem langer und zweifach gelagerter Rotorwelle mit „Heck-Generator“ und zusätzlich eigenständiger Generatorlagerung.

 

SKF Untersuchungen zur Verformung bei extrem hohen My Nickmoment ergeben für ein an die Nabe zentral angeordnetes und vorgespanntes NautilusTM eine überwiegende Verkippung, weniger eine radiale Einfederung, wie es bei Konzepten mit einer 2-Punkt-Lagerung der Fall ist. Setzt man das Lager mit großem Ringdurchmesser kompakt an die Nabe, kann eine radiale Verschiebung des Läufers und des Luftspalts durch das steife Momentenlager erheblich reduziert werden.

 

Sollte ein NautilusTM Momentenlager vorgesehen werden, muss grundsätzlich zwischen einer Variante mit feststehendem oder drehendem Außenring unterschieden werden. Beide Varianten erfordern eine detaillierte Ausarbeitung der Lagerperformance und Luftspaltoptimierung (Exzentrizität, Einfederung, Winkelversatz) per FEM zur Verformung der Gesamtkonstruktion. Daneben stehen sehr pragmatische Überlegungen bezüglich Zugänglichkeit zum Dichtungswechsel sowie zur Schmierstoffein- und Altfettausbringung. SKF bietet hierzu entsprechende Großdichtungen in einteiliger sowie geteilter Ausführung an. Hinzu kommen rotierende oder nicht rotierende SKF Schmieraggregate für eine Fett- oder Ölschmierung.

 

Das SKF-Momentenlager NautilusTM hat zwischenzeitlich eine zehnjährige Evolution durchlaufen. Die jüngste Neuerung ist eine Variante mit massiven Innenringen, die eine direkte Verschraubung mit der angrenzenden Konstruktion ermöglicht. Durch Eliminierung des klassischen Wellensitzes wird der Einfluss der Toleranzen zwischenWelle oder Achszapfen und Lagerbohrung eliminiert und damit die Variation der Lagervorspannung wesentlich reduziert. Dies führt zu einer exakteren Lastverteilung auf alle Wälzkörper und damit zu einer höheren Betriebszuverlässigkeit.

 

Weil Gehäuse und Welle angeschraubt werden und die Dichtungen bereits integriert sind, vereinfacht sich die Montage deutlich. Das spart Montagezeiten und reduziert die Montagefehler beim Umgang mit Großlagern.

 

Zudem hat SKF eine spezielle Oberfläche zum Schutz vor Korrosion und zur Erhöhung der Reibung zwischen den Oberflächen, die beispielsweise Antriebsmomente übertragen müssen, entwickelt. Weiterhin bietet SKF auch einen rollensegmentierten Käfig an, der noch mehr Flexibilität bei betriebsbedingten Verformungen ermöglicht. Die bei SKF vorrangig einsatzgehärteten Momentenlager zeichnen sich insgesamt durch hohe Härte, Festigkeit und risshemmende Druckeigenspannungen in der beanspruchten Randschicht sowie durch gute Kernzähigkeit und damit erhöhte Sicherheit gegen Bruch aus.

 

Fazit

Für Rotorlager in der 7-MW-Klasse ist SKF grundsätzlich breit aufgestellt und kann somit auf Kundenwünsche offen eingehen. Die heutige Vielfalt von unterschiedlichen Triebsträngen wird in Zukunft sogar weiter ausgedehnt werden. SKF versteht sich dabei als Partner der Windkraftanlagen-Hersteller und -Betreiber und verfügt in aller Welt über Fertigungsstätten. Dort arbeiten Experten, die neue Triebstränge von der Idee bis zur Serienreife mitentwickeln.



Pressekontakt:

Dietmar Seidel, Leiter Technische Fachpresse Deutschland,
Tel. 0 97 21 / 56 – 28 43, E-Mail: dietmar.seidel@skf.com

Renate Schleyer, Technische Fachpresse Deutschland,
Tel. 0 97 21 / 56 – 33 39, E-Mail: renate.schleyer.fachpresse@skf.com

SKF ist ein weltweit führender Anbieter von Wälzlagern, Dichtungen, Mechatronik-Bauteilen und Schmiersystemen mit umfassenden Dienstleistungen in den Bereichen Engineering, Wartung und Instandhaltung sowie Training. Weltweit ist SKF in mehr als 130 Ländern präsent und arbeitet mit rund 15.000 Vertragshändlern zusammen. Der Umsatz der Unternehmensgruppe betrug im Jahr 2012 MSEK 64.575. Die Anzahl der Mitarbeiter lag bei 46.775. Mehr Infos unter www.skf.de


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