NATÜRLICHE ENERGIEN

Ausgabe 4/201434. Jahrgang Preis : 5 Euro

HAMBURG WASSER :Nordex N117/3000auf dem KlärwerksgeländeKöhlbrandhöft

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34 — WIND-KRAFT Journal 4/2014 : DIE AUSGABE ZUR HAMBURG WINDENERGY

Neben dem zur Energieerzeugung notwendigen Drehmomentdes Rotors einer Windkraftanlage treten weitere Kräfte und Mo-mente am Rotor auf. Diese werden hauptsächlich durch die un-gleichmäßige Anströmung des Rotors über die vom Rotor über-strichene Fläche und durch den Turmschatten erzeugt.Jedes Rotorblatt wird pro Umdrehung von unterschiedlichenWindgeschwindig keiten und Windrichtungen beaufschlagt.Somit entstehen zusätzliche wechselnde Kräfte und Momenteam Rotor, die vom Rotor auf die Maschine übertragen werdenmüssen. Bei heutigen Rotordurchmessern, die inzwischen die100-Meter-Marke teilweise deutlich überschritten haben, istdieser Einfluss des unterschiedlichen „Wetters“ über der Rotor-fläche entsprechend stark ausgeprägt. Für einen ruhigen Lauf und eine lange Lebensdauer von Wind-kraftanlagen ist es deshalb zunehmend wichtiger, möglichst allediese äußeren Kräfte von den sensiblen Maschinenbau Kompo-nenten einer Windkraftanlage fern zu halten. Das geschieht, ab-hängig vom Anlagentyp auf unterschiedliche Weise. Neben eini-gen Sonderkonstruktionen wird grundsätzlich zwischen Drei-Punkt-Lagerung und Vier-Punkt-Lagerung unterschieden.

Vier-Punkt-Lagerung:Die Vier-Punkt-Lagerung ist so aufgebaut, dass alle Lasten direkt vom Hauptlager in den Maschinenträger und von diesemdirekt über das Azimutlager in den Turm übertragen werden.Das hat zunächst den Anschein, dass Getriebe und Generatornur durch Drehmoment belastet werden.Die am Rotorlager auftretenden hohen Kräfte und Momentehaben jedoch eine nicht vermeidbare Verformung des Maschi-nenträgers zur Folge. Diese Verformungen zwischen Rotor-welle und Maschineträger werden über die elastische Getriebe-lagerung in das Getriebe übertragen. Zu der Verformung des

Maschinenträgers addieren sich die tatsächlich vorhandenenFertigungstoleranzen. Diese bestehen aus der gesamtenToleranz kette zwischen Hauptlager und Getriebe. Durch dieseToleranzen werden bereits während der Montage des GetriebesZwangskräfte in vertikaler Richtung auf das Hauptlager und dasGetriebe aufgebracht. Diese wirken je nach Toleranzlage nachoben oder nach unten. Da die elastischen Drehmomentstützen das Antriebsdreh -moment bei möglichst kleiner Verdrehung des Getriebes über-tragen müssen, ist eine Mindeststeifigkeit der elastischenDrehmomentstützen erforderlich. In diesem realitätsnahen Beispiel mit einer konventionellenElastomerlagerung wirken 3000kN in vertikaler Richtung aufdas Getriebe. Die Lastrichtung hat eine toleranzabhängige Mit-tellage und schwingt in ± vertikaler Richtung. Beim Getriebetrifft diese Lastschwankung zuerst auf das sensible Planeten-trägerlager der ersten Getriebestufe. Dabei entstehen am Plan-etenträger-Lager auch lastfreie Zustände, die zum „An-schmieren“ der Wälzkörper führen können.

Zur Reduzierung dieser Lasten hat ESM eine elastomerhy-draulische Drehmomentstütze entwickelt. Durch den Austauscheiner in den Elastomerlagern hermetisch eingeschlossenenFlüssigkeit zwischen den mit Leitungen diagonal verbundenenElastomerlagern erfolgt ein Lastausgleich, so dass die elastis-chen Getriebelager fast nur das Drehmoment übertragen unddie Zwangskräfte auf etwa 10% der konventionell wirkendenZwangskräfte reduziert werden.Das mechanische Ersatzsystem ist als Hydraulikelement miteiner in Reihe geschalteten Elastomerfeder darstellbar. Parallelzu diesem Gesamtsystem wirkt eine Elastomerfeder mit einerdeutlich geringeren Steifigkeit (siehe Bild 4).

Optimierter Einsatz von elastischen Lagerungen im Triebstrang von Windkraftanlagen Dipl. Ing. Franz Mitsch, ESM Energie- und Schwingungstechnik GmbH

Bild 1 : Am Rotor wirkende Kräfte am Beispiel einer WEA mit Vier-Punkt-Lagerung

Beispielhafte Lastrechnung für Getriebe mit Standard-Lagerung:Vertikale Steifigkeit der Drehmomentstütze 300kN/mm Montagefehler +1mmVerformung des Maschinenträgers 4mm=> vertikale Last auf das Getriebe 5mm x 300kN/mm x 2 = 3000kN

Beispielhafte Lastberechnung für Getriebe mit Elastomerhydraulik-Lagerung:Vertikale Steifigkeit der Drehmomentstütze 30kN/mm Montagefehler +1mmVerformung des Maschinenträgers 4mm=> vertikale Last auf das Getriebe 5mm x 30kN/mm x 2 = 300kN

Bild 2 : Momente und Kräfte am Rotor erzeugen Kräfte auf die Getriebelagerung

Bild 3 : Elastomerhydraulik-System mit kleiner Verschiebe-steifigkeit (grüne Pfeile) und 10-fach höherer Torsions -steifigkeit (blauer Pfeil)

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plung zwischen Rotor und Getriebe bzw. bei direkt getriebenenAnlagen zwischen Rotor und Generator verzichtet. Durch dieEntwicklung der elastomerhydraulischen Kupplung von ESMergeben sich neue Perspektiven. Die Hydraulikkupplung basiertauf dem gleichen System wie die hydraulische Entkopplung derVier-Punkt-Lagerung. ESM ist es gelungen, mit Hilfe der Elas-tomerhydraulik die Funktion der radialen Verschiebbarkeit in nureiner Kupplungsebene zu realisieren. Kosten- und Platzbedarffür eine radiale verschiebbare Kupplung halbieren sich etwa beidiesem System.

Bei radialer Verschiebung zwischen Antriebsscheibe und Ab-triebsscheibe wird die Flüssigkeit in der Elastomerhydraulik indie Lager der jeweils gegenüberliegenden Elemente ver-schoben, so dass bei gleich bleibender torsionaler Steifigkeiteine lastreduzierende Radialverschiebung ermöglicht wird.Beim Verschieben der Flüssigkeit durch entsprechend aus-gelegte Kanäle werden radiale Schwingungen des Trieb-stranges bedämpft. Ein besonderer Reiz besteht darin, dass beim Auftreten vonkurzzeitigen Lastspitzen, wie zum Beispiel im Kurzschlussfall,

Bild 4 : Mechanisches Ersatzsystem der Elastomerhydraulik

Bild 5 : Torsionale Kräfte bei der Elastomerhydraulik

Bild 6 : Torsionale Verschiebung bei der Elastomerhydraulik

Getriebelagerung Skizze Eigenschaften

Steif und optimalausgerichtet

Gewicht und Kostennicht realisierbar

Einschichtige Gummifedern

Vertikal und horizontal hoheSteifigkeit in allen Richtungen

MehrschichtigeGummifedern(ESM-Drehmo-mentstütze)

Das Lagersystem ist in ver-tikaler Richtung verhältnis-mäßig steif und trägt deshalbnur wenig zur Reduzierungder Zwangskräfte bei.

In allen Achsen weiche Getriebelagerung(ESM-Pendelstütze)

Kleine Rückstellkräfte in alleRichtungen, große Bewegun-gen des Getriebes

Pendelnd aufge-hängtes Getriebe(ESM-Kupplung)

Aufnahme aller Gier- undNickmomente im Hauptlager.Getriebelagerung überträgtnur das Antriebsmoment.Keine Zwangskräfte

Pendelnd aufge-hängtes Getriebe(ESM-Kupplung)

Aufnahme aller Gier- undNickmomente im Hauptlager.Getriebelagerung überträgtnur das Antriebsmoment.Keine Zwangskräfte

Lenkerlagerung desGetriebes

Zwangsfreie Lagerung, jedochhoher Kosten- und Wartungs -aufwand durch viele unterLast bewegte Bauteile. Das System wird deshalb nurselten eingesetzt.

Tab 1 : Möglichkeiten zur Reduzierung der Zwangskräfte Funktionsbeschreibung der ElastomerhydraulikBeim Aufbringen des Antriebs-Drehmo-mentes wird jeweils gegen den Flüssigkeits-druck des diagonalen Elementes gedrückt.Somit erfolgt keine Flüssigkeitsbewegung.Die Steifigkeit und Dämpfung des Elastomer-hydraulik-Elementes verhalten sich wie beieinem konventionellen Elastomerbauteil.Bei vertikaler Verschiebung erfolgt ein diago-naler Flüssigkeitsaustausch. Damit ist einevertikale Verschiebung auch unter anstehen-dem Drehmoment mit geringer Kraft möglich,aufgrund der Flüssigkeitsbewegung in denLeitungen.

Konventionelle Systeme zur Reduzierung der ZwangskräfteDie Tabelle rechts zeigt die bisher einge -setzten Möglichkeiten zur Reduzierung derZwangskräfte, die alle in Windkraftanlagenverwendet werden.

Elastomerhydraulische KupplungDie rotierende Entkopplung des Triebstrangsmit radialem Freiheitsgrad war bisher nur miteiner Zweischeibenkupplung möglich. AusKosten- und Platzgründen wird deshalb bish-er häufig auf eine radial verschiebbare Kup-

Bild 7 : Elastomerhydraulische Kupplung mit 6-fach Stern (links) und 3-fach Stern (rechts)

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die Flüssigkeit aus den Elastomerelementen abgelassen wer-den kann. Dadurch erfolgt über den Zeitraum der Lastspitzenein Abknicken der Steifigkeitskennlinien. Bei der geringerenSteifigkeit sind somit entsprechende torsionale Verformungenmöglich. Kurzzeitige Lastspitzen in der Kupplung werden kom-pensiert. Das Ablassen der Flüssigkeit kann mithilfe eines Über-druckventils geschehen, welches bei Lasten größer Nennlastöffnet. Idealerweise wird die Flüssigkeit jedoch direkt in einenHydrospeicher geleitet. Der Vordruck im Hydrospeicher wirddazu geringfügig höher eingestellt als der bei Nennlastherrschende Druck in den Elementen der Elastomerhydraulik.Somit ist gewährleistet, dass bei Lastspitzen die Druckflüs-sigkeit in die Hydrospeicher abfließt und sofort nach Ende derLastspitzen wieder in die Elastomerelemente zurückfließt. Eswird ein unterbrechungsfreier Betrieb gewährleistet. Aufgrundder beim Verschieben der Flüssigkeit auftretenden hohenDämpfung kann sich das tordierende System nicht auf-schaukeln.Dieses System wurde bereits in Windkraftanlagen mit Getriebeund in direkt getriebenen Windkraftanlagen mit langsamdrehenden Generator realisiert.

Elastomerhydraulisches StützlagerIn jüngster Zeit finden Windkraftanlagen mit mittelschnellenGeneratoren steigende Beachtung. Dabei ist der Generator inder Regel fest mit dem Getriebe verbunden. Durch das zusät-zlich am Getriebe angebrachte Generatorgewicht verschiebt

sich der Schwerpunkt der gesamten Getriebe-Generator- Einheit weit nach hinten. Das dadurch entstehende Nickmo-ment des Generators nach hinten erfordert eine Abstützung desGenerators.Anforderung an diese Stütze ist die Aufnahme des Genera-torgewichtes. Da sich der Generator bei jeder Art der Getriebe-lagerung relativ zum Maschinenträger bewegt und nurmöglichst kleine dynamische Kräfte auf den Generator und denMaschinenträger erwünscht sind, muss das erforderliche Stüt-zlager sehr weich sein. Das wäre zum Beispiel mit einer sehrlangen Stahlfeder möglich, die jedoch aufgrund der hohenKräfte und Verformungen sehr groß bauen würde. Die Alternative ist die neu entwickelte elastomerhydraulischeStützlagerung von ESM. Diese kann bei kleiner Steifigkeit hoheKräfte in kleinem Einbauraum übertragen. Zum Erreichen desgroßen Federweges verdrängt die im Elastomer befindlicheFlüssigkeit ein in einem angeschlossenen Membranspeicherbefindliches Luftvolumen, welches als zusätzliches Federele-ment dient. Somit sind geringe Steifigkeiten bei großen Kräftenin kleinem Einbauraum möglich.Zusammengefasst sind die Vorteile des elastomerhydraulis-chen Stützlagers:• Sehr kleine Steifigkeit im Hochlastbereich• Horizontal weich• Leicht montierbar• Kraft einfach einstellbar

Bild 8 : Einbaubeispiel einer konventionellen Kupplung mit zwei Ebenen

Bild 9 und 10: Vergleich konventionelle Kupplung und elas-tomerhydraulische Kupplung in Bezug auf den Bauraumund die Masse. Es wird deutlich, dass eine radiale Ver-schiebung im Haupttriebstrang aus Platz und Kostengrün-den nur mit der Elastomerkupplung sinnvoll ist.

Bild 11 : Schematische Darstellung des elastomerhy-draulischen Stützlagers von ESM

Bild 12 : Elastomerhydraulisches Stützlager von ESMBild 13 Unten : Einbaubeispiel in einer 3 MW-WEA

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Drei-Punkt-LagerungDie Drei-Punkt-Lagerung ist so aufgebaut, dass sich die am Ro-tor eingeleiteten Kräfte und Momente auf drei Punkte amMaschineträger verteilen. Zum einem ist das Hauptlager fest mitdem Maschinenträger verbunden. Zum anderen ist dasGetriebe mit axial weichen Elastomerbuchsen am Maschinen-träger befestigt. Der Kraftfluss erfolgt über Hauptlager und Ro-torwelle zum Getriebe. Das Getriebe überträgt die Kräfte ausNickmoment und Giermoment. Die axialen Zwangsbewegun-gen von der Rotorwelle auf das Getriebe werden durch diegeringe axiale Steifigkeit der Elastomerbuchsen kompensiert.Dadurch, dass diese Lagerung auf drei Punkten statisch bes-timmt ist, treten theoretisch keine Zwangskräfte auf. Bisher wer-den jedoch in der Regel die Getriebe auf beiden Seiten mit jezwei Lagerböcken gelagert, so dass aus der gewünschten Drei-Punkt-Lagerung tatsächlich eine statisch unbestimmte Fünf-Punkt-Lagerung entsteht. Am Zahlenbeispiel einer Drei-Punkt-Lagerung (Bild 15) mit denim 2-3 MW Bereich üblichen Abmessungen kann aufgezeigtwerden, dass die durch die unbestimmte Lagerung entstehen-den Zwangskräfte tatsächlich einen nennenswerten Einflusshaben.Selbst bei der Annahme sehr enger Bearbeitungstoleranzenentsteht durch die Aufsummierung aller in der Toleranzkettebeteiligten Toleranzen an den Lagerböcken eine Mindesttoler-anz von ±0,2mm. Durch die vertikale Einfederung desGetriebes entstehen in diesem Beispiel bei der vertikalen Ein-federung von 3mm zusätzlich ±0,33mm radiale Verformungender Buchsen, so dass insgesamt ein vertikales Kräftepaar vonetwa 100kN entsteht. Das daraus entstehende wechselnde Moment wirkt horizontal, senkrecht zur Getriebeachsrichtung imBereich des Hohlrades der ersten Getriebestufe.Die Reduzierung dieser Zwangskraft ist durch den Einsatz vonnur einer Spannbuchse auf jeder Getriebe Seite bei gleichzeit-iger Einsparung von Bauteilen (eine statt zwei Buchsen) einfach

möglich. ESM hat dazu Spannbuchsen entwickelt, die mit Hilfeeiner entsprechenden Vorrichtung im Auge des Getriebearmsheutiger Anlagengrößen montiert werden können.Alternativ ist es möglich, nur eine Buchse je Seite am Maschi-nenträger zu befestigen. Dann sind jedoch zwei Drehmo-mentstützen-Paare am Getriebe erforderlich.

Elastisch gelagerte Kegelrollenlager für Drei-Punkt-LagerungDas bei der Drei-Punkt-Lagerung verwendete Pendelrollenlagerhat besonders bei großen Wellendurchmessern ein nicht uner-hebliches Axialspiel. Bei der dadurch möglichen axialen Bewe-gung neigt das Lager zum Anschlagen, was zur Stoßbelastungam Hauptlager und insbesondere an dem an der Rotorwelle befestigten Getriebe führt. Deshalb wurde ein Elastomerlager entwickelt, welches den Einsatz von Kegelrollenlagern ermöglicht. Die bei der Drei-Punkt-Lagerung nötige kardanischeBewegung des Lagers wird von dem Elastomerlager übernom-men. Das Elastomerlager ermöglicht einen ähnlichen axialenFederweg wie das Pendelrollenlager, jedoch trägt die Einfederung aufgrund der Federkennlinie zur Entlastung desSystems bei. Selbst bei Extremlasten wird die Kraft stoßfrei in-nerhalb der progressiven Kennlinie des Elastomerlagers über-tragen. Ein weiterer Vorteil ist die gleichmäßige Belastung der Wälzkör-per bei der Umdrehung, die bei herkömmlichen Lagern nichtgegeben ist, da das Lagergehäuse an den Befestigungspunktenzum Maschinenträger deutlich steifer ist.

Bild 14 : Dreipunktlagerung

Bild 15 : Die auftretenden Zwangskräfte bei einer Drei-Punkt-Lagerung

Bild 16 : Radialer Einbau einer Spannbuchse in 3 MW Getriebe

Bild 20 : Elastisch gelagertes Kegelrollenlager für Drei-Punkt-Lagerung

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Zusammengefasst lauten die Vorteile des elastisch gelagerten Hauptlagers:• Reduzierung und Dämpfung axialer Bewegung • Gleichförmige Lasteinleitung in das Wälzlager• Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Kegelrollenlagerstatt Pendelrollenlager

• Kostengünstiger Einsatz von Hohlwellen• Körperschallisolation• Größere Toleranzen möglich• Einfachere Dichtung aufgrund kleiner RelativbewegungenDie Elastische Lagerung von Wälzlagern bietet sich weiterhinauch zur Vermeidung von Zwängen in Vier-Punkt-Lagerungensowie zur Planetenträger- und Planeten-Lagerung an.

Axial verspannbare BuchsenAlternativ zur radial verspannbaren Buchse hat ESM auch axialverspannbare Buchsen entwickelt. Durch Verdrängung desElastomers im mittleren Bereich der Buchse spannt sich dieBuchse von selbst vor. Das kann wie in Bild 21 veranschaulicht gleichzeitig mit der axialen Befestigung der Buchse geschehen.Alternativ können eine oder mehrere zusätzliche Schraubenverwendet werden (Bild 17), um die Buchse unabhängig von derEinbausituation vorzuspannen. Gegenüber konventionell einge-pressten Buchsen lassen sich die Buchsen einfach montierenund demontieren. Je nach Anwendungsfall können die Buchsenmit mehreren kleinen Schrauben und leichtem Werkzeug oderauch mit einer zentralen Schraube mit Drehmoment- Schrauberoder Ziehzylinder verspannt werden.Aufgrund der einfachen Montage können diese Buchsen ein-

ESM Energie- und Schwingungstechnik Mitsch GmbHAuf der Rut 5, D-64668 Rimbach-MitlechternTel.: +49 (0) 62 53 /9 88 5- 0Fax: +49 (0) 62 53 /9 88 5- 50www.esm-gmbh.de

Bild 17 : Mit neun M16-Schrauben vorgespannte Buchse

Bild 18 : Ungleichförmige Belastung im Bereich des Hohlrades bei Getrieben mit Drehmomentstützen

Bild 19 : Gleichförmige Belastung durch kreisförmige Anordnung kleinererBuchsen am Getriebeumfang

Bild 21 : Schnitt durchaxial verspannteBuchse vonESM

Bild 22 : Kupplung mit biege-momentfreier Lasteinleitung

Bild 23 : Kupplung mit biegemomentfreier Lastübertragungdurch gezielte Steifigkeitsverteilung in den Elastomer Elementen

fach am Getriebeumfang befestigt werden. Dadurch entstehteine gleichmäßige Lasteinleitung in das Getriebe. DasGetriebegehäuse und damit das Hohlrad der sensiblen erstenPlanetenstufe werden weniger belastet (Bild 18 und 19). Gleichzeitig entfallen die sehr schwingungsanfälligenGetriebestützen.

Kupplung mit biegemomentfreier LasteinleitungBei fliegenden Kupplungen für große Drehmomente bestehtbisher das Problem großer Biegemomente im Bolzen, so dassder Bolzen einen wesentlichen Kosten- und Gewichts-Faktordarstellt.Deshalb hat ESM zur Übertragung der Lasten eine Kombinationaus Sandwich-Schichtfeder und Konuslager entwickelt (Bild 22und 23). Dadurch, dass die Sandwichelemente in Torsion -sichtung nur einen Bruchteil der Steifigkeit der Konuslagerhaben, verschiebt sich die Lasteinleitung in Richtung desKonuslagers. Das Konuslager wiederum projiziert die radialenKräfte in die Flansch ebene. Damit ist der Verbindungsbolzen inradialer Richtung lastfrei. Solche Kupplungen werden imWesentlichen zur Übertragung des Drehmomentes, sowie derNick-und Gier-Kräften von Windkraftanlagen eingesetzt, bei de-nen das Rotorlager im Getriebegehäuse integriert ist. Über dieKupplung werden sämtliche Rotorkräfte vom Getriebegehäusein den Maschinenträger übertragen.

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