Ein-Lager-Konzept

Nur noch eins

Ein-Lager-Konzept für die Rotorlagerung von Multi-Megawatt-Anlagen
Bei Multi-Megawatt-Anlagen ist ein deutlicher Trend hin zu Ein-Lager-Konzepten mit Momentenlagerung zu erkennen.
Anspruchsvolles Engineering: Mit anforderungsgerecht ausgelegten Rotorlagerungen bietet die Schaeffler Gruppe Industrie ein Lagerungskonzept, das den Einsatz von Multi-Megawatt-Windkraftanlagen on- wie offshore zuverlässiger und effizienter macht.

Der Trend zu großen Multi-Megawatt-Anlagen, die besonders 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 schnelllaufendem Generator, als Hybrid-Lösung mit verkürztem Getriebe und mittelschnellem Generator oder als Direktantrieb komplett ohne Getriebe.

Genaue Führung ohne Spiel

Die Ein-Lager-Konzepte sind kompakt. 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. Das wiederum hat zur Folge, dass das Kopfgewicht der Windkraftanlage sinkt, Fundamente kleiner dimensioniert werden können und sich die Logistik vereinfacht. Die Lagerung bietet außerdem 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.

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Bearinx berechnet das Lager

Schaeffler hat bereits viele Ein-Lager-Lösungen umgesetzt, zum Beispiel für Fünf-Megawatt-Offshore-Anlagen. Die besondere Herausforderung dieser Lagervariante ist das anspruchsvolle Engineering, da für Auslegung und Lebensdauerberechnung keine Standard-Tools mehr eingesetzt werden können. Schaeffler hat daher das Wälzlager-Berechnungsprogramm Bearinx um elastische Einflüsse erweitert, die mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) ermittelt werden. Das Berechnungsprogramm kann damit Lager samt der Einflüsse des Gehäuses nicht mehr nur für ausgewählte Lastfälle betrachten. Vielmehr werden rund 250 klassierte Lastfälle unter Berücksichtigung aller Elastizitäten ausgewertet, sodass 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 kann somit die gesamte Lebensdauerberechnung in Abhängigkeit von der Lastverteilung unter Berücksichtigung von Elastizitäten durchführen. Schaeffler hat damit ein einzigartiges Berechnungsprogramm für die Auslegung von Rotorlagerungen für Multi-Megawatt-Anlagen.

Im Kunststoff-Segment-Käfig

Die für den jeweiligen Anlagentyp individuell ausgelegten Momentenlagerungen von Schaeffler 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. Außerdem 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 haben Momentenlager einen integrierten Korrosionsschutz, der durch zinkflammgespritzte Oberflächen und Mehrschicht-Lackierung erreicht wird. Besondere Härteverfahren ermöglichen zudem maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften für integrierte Funktionen wie Dichtungen oder die Verbindung zur Umgebung. pb

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