Großlager

Wälzlager erreichen in den meisten industriellen Anwendungen eine sehr hohe Lebensdauer. Seit den ersten Ansätzen zu ihrer Berechnung Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die Verfahren immer weiterentwickelt und gelten für Standardanwendungen als sehr genau. Die Einsatzbedingungen für die Wälzlager von Windenergieanlagen unterscheiden sich davon jedoch maßgeblich: Hohe stochastische Lasten, ständig variierende Drehzahlen und Schnittstellen mit komplexen Steifigkeitsprofilen erhöhen die Ausfallwahrscheinlichkeit und führen dazu, dass Ausfälle weit vor Ende der berechneten Ermüdungslebensdauer nicht ungewöhnlich sind. Nicht berechenbare Phänomene wie „White Etching Cracks“ in den Lagern der Getriebestufen und im Generator führen speziell in Windenergieanlagen häufig zu Problemen.

Für oszillierende Wälzlager, wie sie im Bereich der Rotorblattlagerung eingesetzt werden, fordern die Zertifizierungsbehörden aktuell keine Lebensdauerberechnung; bisher angewandte Verfahren führen nur zu bedingt aussagekräftigen Ergebnissen. Stillstandsmarken, Ringbrüche, Kontaktkorrosion, Kernversagen und Verschleiß sind daher typische Beispiele für auftretende Schäden.

Das Fraunhofer IWES forscht seit 2013 an den Großwälzlagern von Windenergieanlagen, um Ihre Zuverlässigkeit zu steigern sowie neuen Berechnungsmethoden und Designs den Weg zu ebnen. Das „Large Bearing Laboratory“ (LBL) am neu geschaffenen Institutsstandort Hamburg bündelt diese Aktivitäten und erweitert sie um experimentelle Testmöglichkeiten für Lager von Windenergieanlagen der nächsten Generation. Versierte Lagerexperten des Instituts haben zu diesem Zweck eigene Verfahren zur Erstellung von Dauertestprogrammen entwickelt. Diese erzeugen über eine komplexe Datenanalyse die erforderlichen Zeitreihen für Dauertests, die unterschiedliche Schadensmechanismen (Kontaktermüdung, Verschleiß, Strukturermüdung) nachbilden können. Komplexe Schnittstellen wie Rotorblatt und Rotornabe im Bereich von Rotorblattlagern werden am Großwälzlagerprüfstand durch Adapterbauteile emuliert, die das Steifigkeitsverhalten der Komponenten detailgetreu wiedergeben und somit eine realitätsnahe Belastung der Prüflinge ermöglichen. Mit den Ergebnissen der Tests zu Ermüdung und Verschleiß können auf dieser Basis die Auslegungsmethoden verbessert und das Ausfallrisiko verringert werden.

 

Prüfziele


Die Prüfstrategie des Fraunhofer IWES ist prinzipiell unterteilt in eine Funktions- und eine Dauerprüfung. Während der Funktionsprüfung werden dominierende Schadensmechanismen im Lager bestimmt. Diese Schadensmechanismen bestimmen das Programm der anschließenden gerafften Lebensdauerprüfung. Die Aufstellung des Testprogramms, ausgehend von den Zeitreihen der Lastsimulation, wird ebenfalls vom Fraunhofer IWES übernommen. Eine umfangreiche Datenanalyse erlaubt dabei die Beschleunigung bzw. Raffung der Testdauer auf Laufzeiten, die innerhalb der Entwicklung einer WEA vertretbar sind.  

© Jan Brandes

Letzter Check der sechs Hydraulikzylinder der Lasteinleitung.

© Jan Brandes

Lager mit fünf Metern Durchmesser liegen zur Prüfung bereit.

Auf dem Teststand, der Ende 2018 den Betrieb aufnehmen wird, kann die Zertifizierung eines Lagers lange vor seinem ersten Einsatz an einer Windenergieanlage erfolgen. Weiterhin wird das Interesse der Industrie an verkürzten Testzeiten bedient, so dass neue Produkte schneller eine nachgewiesene Marktreife erlangen können. Im Rahmen des aktuellen Verbundprojektes HAPT (Highly Accelerated Pitch Bearing Test) werden auf dem Lagerprüfstand zunächst sechs Lager mit einem Nenndurchmesser von fünf Metern in Funktions- und Dauertests untersucht.

Die begleitende Simulation der Lager unterstützt die Prüftätigkeiten und umfasst Einzelkontaktsimulationen sowie globale Lagermodelle für FE- und MKS-Analysen. Die Schnittstellen (Lagergehäuse, Rotorblatt, Getriebegehäuse, Rotornabe, Turmkopf) werden ebenfalls in FE-Modellen abgebildet. Alle Simulationsmodelle werden mit Messdaten abgeglichen und validiert. Eigene Controller und aeroelastische Anlagenmodelle erlauben außerdem die Untersuchung von Veränderungen in der Betriebsführung, zum Beispiel bei Einzelblattverstellung (Individual Pitch Control) und der damit verbundenen Rückwirkung auf die Lagerstellen.

Die Analyse von Simulations- und Messdaten ermöglicht die Abschätzung dominierender Schadensmechanismen und die detaillierte Ermüdungslebensdauerberechnung. Dabei werden nicht nur die Lager als Ganzes, sondern einzelne Laufbahnabschnitte berechnet, um eine exaktere Aussage treffen zu können. Von der Konzeptentwicklung über die Simulation, Auslegung, Prüfung und schließlich Begutachtung deckt das IWES-Portfolio den kompletten Lebenszyklus eines Großwälzlagers ab. Neben dem Großlagerprüfstand BEAT 6.1 betreibt das Fraunhofer IWES weitere Prüfinfrastruktur für Rotorblattlager und Hauptlager sowie kleinere Prüfstände zur Durchführung von Grundlagenversuchen und für die Prüfung großer Stückzahlen.


Technische Kennzahlen

- Testen von Lagern mit 3-6,5 m Durchmesser
- Einleitung statischer Lasten bis 50 MNm
- dynamische Biegemomente mit +/- 25 MNm bei 0,7 Hz
- hochintegriertes Kontroll- und Datenerfassungssystem mit sehr hohen Prozessgeschwindigkeiten – autarker Betrieb über Monate
- Messsystem mit 500 hochaufgelösten Messkanälen und redundanten Datenbanken
- beschleunigte Prüfung: Nachbildung der Lasten aus 20 Betriebsjahren in 6 Monaten
- Emulation von Anschlussbauteilen und ihrer Eigenschaften

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© Martina Buchholz

Das Fraunhofer IWES hat in Zusammenarbeit mit einem Anlagen- sowie einem Lagerhersteller einen Blattlagerprüfstand aufgebaut, auf dem der komplette Verbund Nabe - Blattlager - Blatt geprüft wird. Durch diesen Aufbau sind alle maßgeblichen Schnittstellen realitätsnah abgebildet. Am Rotorblatt kann ein maximales Biegemoment von 15 MNm erzeugt und in Flapwise- und Edgewise-Belastung aufgeteilt werden. Zusätzliche Lasthebel an den freien Blattlagerflanschen sorgen für eine realistische Verformung des Nabenflansches am untersuchten Blattlager. Pitchbewegungen mit Amplituden von bis zu 5° können unter Last ausgeführt werden. Der Prüfstand steht auch Kunden zur Verfügung. Für den Test von Nabe - Blatt-lager-Rotorblatt-Zusammenbauten kann der Prüfstand direkt verwendet werden, für den Test einzelner Lager kann das Fraunhofer IWES entsprechende Beistellteile anfertigen lassen.

 

Technische Kennzahlen

- max. Biegemoment 15 MNm
- Pitchbewegung unter Last mit +/- 5°
- Abfahren generischer Programme sowie modifizierter Zeitreihen
- 400 Messkanäle
- Schmierfilmdickenmessung

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Der Rotorwellen-Prüfstand für Hauptwellen von 2- bis 5-MW-Anlagen ist Bestandteil des Dynamic Nacelle Testing Laboratorys in Bremerhaven. Dort können ab 2016 beschleunigte Betriebsfestigkeitsuntersuchungen an den Hauptwellen durchgeführt werden. Mittels einer leistungsstarken hydraulischen Lasteinleitung werden Querkräfte bis zu 3.000 kN und Biegemomente bis 15 MNm erzeugt. Ein 300-kW-Antriebssystem sorgt mit einem max. Drehmoment von 50 kNm für eine Rotationsfrequenz bis zu 1 Hz. Der umfassende Einsatz von Sensorik ermöglicht die Ermittlung von Kräften, Verformungen und Temperaturen und liefert Informationen zum zu erwartenden Ermüdungsrisswachstum.

Download Datenblatt (englisch)

 

Technische Kennzahlen

- Max. Biegemoment: 15 MNm
- Max. Querkraft: 3 MN
- Max. Drehzahl: 60 min-1
- 300 kW Antriebssystem
- Schwerlastfundament
- modulare Testaufbauten möglich

Von Konzeption bis Test: Entwicklung eines Blattlagerprüfstandes