Antriebsstrang-Komponenten

Inforgrafik Blattlager
© Foto Fraunhofer IWES Nordwest

Position der Blattlager einer WEA

Rotorblattlager von Windenergieanlagen werden unter für Wälzlager ungünstigen Bedingungen betrieben. Bei Stillstand oder bei geringer Drehzahl müssen hohe Biegemomente vom Lager aufgenommen werden, das sich zudem in einer relativ nachgiebigen Anschlusskonstruktion befindet. Typische Normen für die Berechnung von Lagerlebensdauern wie die ISO 281 können nicht angewendet werden, und die erfahrungsbasierte Auslegung der Lager stößt durch neue Lagerbauarten und Betriebsweisen wie Individual Pitch Control (IPC) an ihre Grenzen. Die Schadensmechanismen im Lager sind von diversen Einflussfaktoren abhängig, die sich außerdem je nach konkretem Lager und Schmiermittel unterschiedlich auswirken. In dieser Situation kann der Einsatz von Blattlagern in Windenergieanlage nur durch eine möglichst realitätsnahe Prüfung abgesichert werden.

Das Fraunhofer IWES hat hierzu in Zusammenarbeit mit der Senvion GmbH 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. Pitch-bewegungen mit Amplituden von bis zu 5° können unter Last ausgeführt 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 Schadensmech-anismen 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. Der Prüfstand ist mit 400 Messkanälen ausgerüstet und kann zusätzlich hochfrequente Systeme zur Vibrations- und Schmierfilmdickenüberwachung aufnehmen.

Verwendung für andere Kunden

Der Prüfstand steht, ohne die Beistellteile der Senvion GmbH, der Öffentlichkeit zur Verfügung. Für den Test von Nabe – Blattlager – Rotorblatt – Zusammenbauten kann der Prüfstand direkt verwendet werden, für den Test einzelner Lager kann das Fraunhofer IWES entsprechende Beistellteile anfertigen lassen.

Kurzinterview mit dem Kunden

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

Datenblatt (englisch)

© Foto Martina Buchholz
© Foto Martina Buchholz

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.

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

Datenblatt (englisch)
 

© Foto Fraunhofer IWES

Die Entwicklung eines geeigneten Condition-Monitoring-Systems zur Schadensfrüherkennung in Getrieben ist insbesondere für Offshore-Anwendungen von großer Bedeutung. In Windenergieanlagen sind Getriebe die Komponenten mit der längsten Stillstandszeit. Service und Wartung sind – vor allem im Offshore-Bereich – mit hohen Kosten verbunden. Deshalb werden Getriebe zunehmend mit Ölsensoren ausgerüstet, die als Bestandteil eines Online-CMS den Zustand des Getriebes überwachen und Fehler rechtzeitig an den Betreiber melden. Auf diese Weise sollen Schäden reduziert und Anlagenausfälle vermieden werden. Allerdings genügt die technische Zuverlässigkeit der Ölsensorik zur Zeit noch nicht den hohen Anforderungen der WEA-Betreiber, da es im Feld sehr häufig zu Falschmeldungen und damit zu unnötigen und teuren Wartungseinsätzen kommt.

 

Ölqualität als Zustandsanzeiger

Fehler oder Defekte können die Sensoren anhand der Ölqualität detektieren. Mehrere Studien zum Thema Oil-Condition-Monitoring konnten den Zusammenhang zwischen dem Zustand des Getriebes und der Qualität des Öls bzw. des Schmiermittels nachweisen. Allerdings besteht Unklarheit darüber, ob die Sensoren den Zustand des Öls bzw. des Getriebes zuverlässig detektieren können. Um die Zuverlässigkeit der Ölsensoren sicherzustellen und damit die Verfügbarkeit der Windenergieanlage zu erhöhen, sind deshalb geeignete Testeinrichtungen erforderlich. Hier können die Ölsensoren einer strengen Prüfung unterzogen werden, bevor sie in Getrieben zum Einsatz kommen.

Neue Testmethoden für Ölsensoren

Der Schwerpunkt des BMU-Projekts „DegradO“ am Fraunhofer IWES liegt im Bereich der Degradation bzw. dem Verschleiß der WEA sowie ihrer Betriebsmittel unter dem Einfluss der Offshore-Umweltbedingungen. Der wachsenden Windindustrie fehlen bisher Verfahren, um realistische Last- und Umweltbedingungen zu simulieren. Ziel von DegradO ist es, neue Testmethoden zu entwickeln, um Degradationsprozesse an WEA und ihrer Komponenten zu untersuchen und mittels geeigneter Testeinrichtungen unter realistischen Bedingungen reproduzierbar nachzubilden. Eine dieser Testeinrichtungen ist ein Ölsensorprüfstand, mit dessen Hilfe das Fraunhofer IWES die Betriebsbedingungen im Ölkreislauf eines WEA-Getriebes für unterschiedliche Einbaubedingungen reproduzierbar nachbildet, um die Leistungsfähigkeit verschiedener Ölsensortypen hierfür zu untersuchen. Darüber hinaus wird in dem Ölsensorprüfstand der Alterungszustand des Getriebeöls unter wechselnden Betriebsbedingungen und durch Eigenschaften im Hinblick auf kontaminierende Schadstoffe nachgebildet (Abrieb, Wasser, Staub usw.), um hierfür die Einsatzfähigkeit der Ölsensoren in diesen Szenarien zu untersuchen. Ziel ist die Entwicklung und anschließende Bereitstellung standardisierter Prüfungen von Ölsensoren für die Industrie.

Dienstleistungen

In Abstimmung mit dem Kunden können die Sensoren für unterschiedliche Betriebs- und Alterungsbedingungen des Getriebeöls geprüft werden. Durch Einstellung unterschiedlicher Kontaminierungen und Betriebsbedingungen des Getriebeöls lassen sich Szenarien einstellen, wie sie in der Realität in einem WEA-Getriebe für Ölsensoren vorherrschen können. Im Fokus der Tests steht die Überprüfung der Zuverlässigkeit, der Messgenauigkeit und der Einsatzfähigkeit der Ölsensoren unter Einwirkungen von Störeinflüssen wie z.B. Partikel, Wasser oder Luft im Öl. Bei Bedarf können zusätzlich Schwingungs- und Temperaturtests unter realistischen Bedingungen in einer HALT (Highly Accelerated Life Test) / HASS (Highly Accelerated Stress Screen)-Prüfkammer durchgeführt werden.

Zielgruppe

• Windparkbetreiber
• Windenergieanlagenhersteller
• Getriebehersteller
• Ölsensorhersteller
• Ölhersteller

Technische Daten

• Öl-Arten: Mineral Öl, PAO, PAG. Prüfungen mit frischem und gealtertem Öl möglich
• Temperatur: 30°C -100°C
• Volumenstrom: bis 15l/min
• Öldruck: bis 10 bar.
• Zuführung von Verunreinigungen: Wasser, Ferromagnetische und nicht Ferromagnetische Partikel. Analyse von Lufteintrag durch Flender Zahnräder möglich.
Einbaumöglichkeiten: 6 Sensoren in der Horizontalleitung, 4 Sensoren in der Vertikalleitung


Datenblatt (englisch)