Teilnahme am Forschungsprojekt: Designkonzept für oszillierende Wälzlager

Teilnahme am Forschungsprojekt: Designkonzept für oszillierende Wälzlager 1

Die stetig ansteigende Nachfrage an erneuerbaren Energien fordert eine ständige Weiterentwicklung der jeweiligen grünen und sauberen Erzeugungstechnologien. Für die Windenergie stellt dies im Bereich der Forschung und Entwicklung in unterschiedlichsten Teilbereichen eine große Herausforderung dar. Konkret für die Windkraft bedeutet das: Stärkere Leistungen, steigende Turmhöhen und größere Rotoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung, dass Anlagen möglichst lange und wartungsarm laufen müssen.

Gerade im Hinblick auf die Lebensdauer stellen Lagersysteme ein kritisches Teilelement einer jeden Windanlage dar. Aufgrund immer größer werdender Windenergieanlagen sind Pitchlager (Verstellung der Rotorblätter) und Yawlager (Verstellung der Gondel) hohen Belastungen ausgesetzt und neigen zu frühzeitigen Schäden. Diese Lager gilt es von daher so auszulegen, dass eine angemessene Lebenszeit ohne unvorhergesehene Wartungs- und Reparaturleistungen gewährleistet werden kann. Gleichzeitig müssen jedoch betriebswirtschaftliche Größen bei der Auslegung der Lagersysteme berücksichtig werden, um dem Endkunden ein wirtschaftlich konkurrenzfähiges Angebot bieten zu können.

Versuche, die unterschiedlichen Gesichtspunkte möglichst effizient bei der Erstellung des Designs zu berücksichtigen, stehen im Bereich der Forschung und Entwicklung auf der Tagesordnung. Der Einsatz von „Individual Pitch Control“ Strategien stellen aktuell beispielsweise eine effiziente Technik zur Lastreduktion der Gesamtanlage und somit zur Material- und Ressourcenersparnis dar. Dadurch steigen jedoch die Anforderungen an die Laufbahn der Pitchlager weiter an und erhöhen das Risiko von konstruktionsbedingten Schäden. Als Ursache der Lagerschäden wird speziell die Ermüdung dieser Lager genannt. Das heißt, dass Risse z. B. in den Lagerschalen entstehen und sich anschließend durch das Material ausbreiten. Erst nach einer gewissen Zeit führen dann diese gewachsenen Risse zu einem spontanen Versagen des Lagers.

Ziel des von P. E. Concepts in Kooperation mit der Hochschule Bremerhaven durchzuführenden Forschungsvorhabens „WindBearing“ ist es, ein Designkonzept für oszillierende Wälzlager zu erstellen, das eine lange Lebensdauer der Lager ermöglicht und gleichzeitig den Gegebenheiten von großen Windenergieanlagen mit relativ weichen Strukturkomponenten, wie Nabe und Blattwurzel, Rechnung trägt. Dieses Designkonzept soll im Weiteren eine Grundlage für konkrete zukünftige Lagerdesigns sein. Als wesentlicher Bestandteil des Designkonzeptes ist ein neuartiger Berechnungsansatz zur Abschätzung der Lebensdauer von oszillierenden Wälzlagern geplant, der mit Hilfe der „Finiten Elemente Methode“ (FEM) lokale Beanspruchungen, wie z. B. der Wälzkörper auf die Lagerschale, detailliert abbildet. Auf Grundlage dieser lokalen Beanspruchungen werden mögliche Versagensmodi definiert, welche die Lebensdauer des Lagers bestimmen. Dieser Aufgabenbereich der Konzepterstellung und Berechnung liegt bei der P. E. Concepts.

Für den Aufbau der notwendigen Messstände, die Durchführung der Tests sowie für die Messdatenaufbereitung ist der Verbundpartner fk-wind der Hochschule Bremerhaven vorgesehen. Hierbei übernimmt die fk-wind: die Erarbeitung eines Konzeptes zur versuchstechnischen Verifikation der Annahmen von lokalen Schadensmechanismen. Neben der Konzepterstellung beinhaltet dies den Aufbau einer Versuchsreihe zur Abbildung lokaler Belastung und Schädigung in einem Wälzlager, die Durchführung der Versuche sowie die Auswertung der Ergebnisse. Anschließend wird auf Basis des von der P. E. Concepts entwickelten Zusammenhangs zwischen lokaler Belastungsart und Versagensmodus eine Versuchsreihe für ein Testlager aufgebaut.