Wie große Offshore-Windkraftanlagen eine Herausforderung für Lagerkonstruktionen darstellen

Von Paul Dvorak | 23. Februar 2018

Phillipp Schmid, Anwendungsingenieur, SKF

Philipp Schmid

Seit 2012 werden in europäischen Gewässern jedes Jahr Offshore-Turbinen mit einer Gesamtleistung von mehr als einem GigaWatt (GW) in Betrieb genommen. Laut WindEUROPE wurden im Jahr 2016 im Offshore-Windbereich in Europa netto 1.558 MW an zusätzlicher netzgekoppelter Kapazität installiert.

Trotz der Herausforderungen beim Bau von Offshore-Turbinen wird erwartet, dass die Kapazität dort wächst, da geeignete Landstandorte knapper werden und die Betreiber die größere Konstanz des Windes auf See nutzen. Auch die Ausgangsleistung von Offshore-Turbinen ist tendenziell höher als die ihrer landgestützten Pendants. Laut WindEUROPE lag die durchschnittliche Leistung der im Jahr 2016 installierten Offshore-Turbinen bei 4,8 MW. Turbinen mit einer Leistung von 9 MW oder mehr befinden sich derzeit in der Startphase – die Entwicklung der V164-9,5 MW von Vestas ist ein Paradebeispiel.

Die generische Turbine mit Getriebe verfügt über eine Zweipunktaufhängung durch zwei große Lager. Die Anordnung kommt bei Anlagen im 6-MW-Bereich zum Einsatz.

Offshore-Windkraftanlagen verfügen zudem tendenziell über längere Rotorblätter, die größere Kräfte auf die Antriebsstränge ausüben. Darüber hinaus sind Antriebsstränge und deren Lager aufgrund der Salzwasserumgebung einem höheren Korrosionsrisiko ausgesetzt. Die Durchführung von Offshore-Wartungsarbeiten ist schwierig, potenziell gefährlich und kostspielig. Daher sind Betreiber bestrebt, die Häufigkeit von Wartungsbesuchen zu reduzieren, was erhebliche Anforderungen an die Rotorlager und ihre Fähigkeit stellt, unter diesen Bedingungen über lange Zeiträume zuverlässig zu funktionieren.

Es gibt vier gängige Lagerkonstruktionskonzepte für Turbinenrotorwellen. Die erste ist eine Zweipunktaufhängung mit einem Toroidalrollenlager auf der Rotorseite und einem Pendelrollenlager auf der Generatorseite. Dies kommt beispielsweise bei Anlagen der 6-MW-Klasse zum Einsatz.

Für höhere Leistungsklassen geht der Trend zur „starren“ Lagerung, die aus Los- und Loslager in Kombination aus Zylinderrollenlager und zweireihigem Kegelrollenlager besteht. Alternativ gibt es ein speziell entwickeltes Lager, das beides in einem Lager vereint, wie z. B. das Nautilus von SKF, oder Anordnungen mit zwei eingestellten Kegelrollenlagern. In jedem Fall haben die Konstruktion, die Konstruktionsmaterialien und die mechanischen Geometrien dieser Lager einen erheblichen Einfluss auf ihre Fähigkeit, zwischen den Wartungsintervallen zuverlässig zu funktionieren.

Die gattungsgemäße Turbine ist mit einer Dreipunktaufhängung ausgelegt. Ein Punkt für das große Hauptwellenlager und zwei weitere Punkte auf beiden Seiten des Getriebes.

Auch andere Lagermerkmale haben Aufmerksamkeit erregt. Lagerkäfige bestehen beispielsweise im Allgemeinen aus bearbeitetem Messing oder Blech, wobei letzteres häufiger bei größeren Lagern zu finden ist. Käfige werden nach Möglichkeit immer in einem Stück eingebaut, bei größeren Lagern können sie jedoch auch aus Reihen von Segmenten bestehen, die einzeln gefertigt und hintereinander positioniert werden. Alle Arten von Käfigen können innenringzentriert werden, was zu weniger Verschleiß führt und somit die Lebensdauer des Lagers verlängert – gerade bei Offshore-Windkraftanlagen wichtig.

Auch die Getriebelager wurden verbessert. Einer der wichtigsten jüngsten Fortschritte ist eine chemische Oberflächenbehandlung, die eine schwarze Oxidation auf der Laufbahn bewirkt. Im Vergleich zu unbehandelten Lagern können schwarz oxidierte Lager eine Reihe von Vorteilen für Windkraftanlagenanwendungen bieten, darunter ein geringeres Risiko eines vorzeitigen Lagerausfalls durch weiße Ätzrisse, eine größere Beständigkeit gegen chemische Angriffe durch die aggressiveren Bestandteile einiger Schmierstoffe, eine geringere Wasserstoffpermeation, und verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus können schwarz oxidierte Lageroberflächen eine geringere Reibung, ein geringeres Risiko von Rutschschäden und eine größere Toleranz gegenüber schlechter Lagerschmierung bieten.

Der Ausschnitt zeigt, wie ein OEM eine Direktantriebskonfiguration mit einer Zweipunktaufhängung auf beiden Seiten des Rotors handhabt.

Neben der Offshore-Umgebung müssen Lager auch den potenziell schädlichen Auswirkungen hoher elektrischer Ströme standhalten. Beispielsweise sind Windkraftanlagen mit Frequenzumrichtern ausgestattet, was die Lager vor neue Probleme stellt. Die dreiphasigen Wechselspannungsausgänge des Wandlers haben die Form einer Reihe von Rechteckimpulsen und nicht echter Sinuswellen, was zur Folge hat, dass die Summe dieser Spannungen nicht Null ist und eine Gleichtaktspannung vorliegt. Diese Gleichtaktspannung kann zu Leckströmen zum Generatorrotor über seine Lager führen, die Laufbahnen beschädigen und die Schmiermitteleigenschaften beeinträchtigen.

Um den Durchgang dieser Leckströme zu verhindern, bestehen die Wälzkörper von Generatorlagern aus keramischen Werkstoffen, die zudem eine geringere Trägheit aufweisen, als dies bei entsprechenden Stahlkugellagern möglich ist. Neben nichtleitenden Wälzkörpern sind Lager auch mit keramikbeschichteten Ringen erhältlich, die eine zusätzliche Isolierung zur Verlängerung der Lagerlebensdauer bieten.

Bei leistungsstärkeren Konstruktionen geht der Trend zur Verwendung einer „starren“ Lageranordnung. Dabei wird ein Loslager, eine Zylinderrollenkonstruktion (direkt hinter dem Rotor), mit einem zweireihigen Kegelrollenlager (direkt vor dem Getriebe) kombiniert. Die Turbine mit Getriebemomentenlagerung trennt das Getriebe.

Ebenso wichtig ist die Fähigkeit der Turbinengondel, sich entsprechend der Windrichtung auszurichten, und die Fähigkeit der Rotorblätter, als Reaktion auf die Windgeschwindigkeit zu „federn“. Diese Funktionen werden durch Großwälzlager unterstützt, die mit zunehmender Turbinenleistung ebenfalls größer geworden sind. Zweireihige Vierpunkt-Kontaktlager werden normalerweise in Blattfedermechanismen eingesetzt, während die Turmlager normalerweise einreihige Vierpunkt-Kontaktlager sind. Aufgrund der zunehmenden Blattlänge befinden sich jedoch neue Konzepte in der Entwicklung. Diese Lager sind spritzverzinkt, um Korrosion zu verhindern, und aufgrund der extremen Wetterbedingungen in der Offshore-Umgebung sind sie auch mit speziellen Dichtungen ausgestattet.

Die vier Profile zeigen, wie sich das Antriebsstrangdesign mit den Leistungen entwickelt hat. Unten sind jeweils Rotordurchmesser und Gondelgewichte angegeben. Darunter sind die Zahlen für die Turbinengewichte aufgeführt, wenn die Konstruktionen für eine Nennleistung von 10 MW vergrößert würden. Direct Drive HTS von AMSC bezieht sich auf Hochtemperatur-Supraleitung, ein Material, das eine deutliche Reduzierung des Generatorgewichts verspricht.