Mehr Leistung bei weniger Gewicht

Triebstrang aeroMaster 4 (Grafiken: aerodyn Energiesystem GmbH)
Triebstrang aeroMaster 4 (Grafiken: aerodyn Energiesystem GmbH)
18.05.2018

Neue Windkraftanlagen, On- wie Offshore, werden immer größer. Dem gegenüber stehen Forderungen nach geringerem Gewicht und kleineren Abmessungen. Um diese Herausforderung zu meistern, gibt es verschiedene Lösungsansätze. Vielversprechend ist dabei der Einsatz reibwerterhöhender Folien. Ein Gastbeitrag von Peter Krämer, Technischer Leiter der aerodyn Energiesysteme GmbH.

Bei On- wie Offshore-Anlagen geht der Trend hin zu größeren Anlagen, denn diese stehen für geringere Energiekosten pro Kilowattstunde. Entsprechend können sie auch wirtschaftlicher betrieben werden. Die Grenzen setzten letztendlich die Infrastruktur des jeweiligen Landes und die vorhandenen Errichtungskräne. Das gilt vor allem für Onshore-Anlagen.

Besonderes Augenmerk genießen aktuell Neuentwicklungen in der 4MW-Klasse. Das ist die derzeit größte Onshore-Klasse, die mit Rotordurchmessern von 126 Metern, 140 Metern und 150 Metern entwickelt wird. Bei diesen Dimensionen birgt die Konstruktion der Anlagen durchaus vielfältige Herausforderungen. So gibt es Gewichtsbegrenzungen für den Transport der Gondel und auch Begrenzungen für die Abmessung, wobei die Höhe von vornherein meist auf die übliche Brückenhöhe von 4,20 Metern beschränkt ist.

Grundsätzlich versuchen Konstrukteure und Entwickler, die Lasten so gering wie möglich zu halten. Parallel dazu werden die Strukturbauteile in mehreren Loops so weit wie möglich optimiert. Doch dies ist teilweise auch fertigungsbedingt begrenzt. So dürfen beispielsweise bei den Gußbauteilen die Wanddicken bestimmte Werte nicht unterschreiten. Bei den aeroMaster 4-Anlagen von aerodyn etwa lautet das Ziel, ein Transportgewicht von 75 Tonnen pro Transporteinheit nicht zu überschreiten.

Gewicht einsparen durch reibwerterhöhende Maßnahmen

Ein weiterer Punkt ist die Optimierung der Schraubverbindungen. Deren Dimension ist von den vorherrschenden Kräften abhängig. Dimensionierend sind dabei oft die großen Drehmomente, die vom Rotor eingeleitet und dann über den Triebstrang und verschiedene andere Stellen weitergeleitet werden – von der Nabe in die Welle, dann ins Getriebe, dann in den Generator. Überall hier sind Flansche oder Schraubschnittstellen erforderlich, über die große Drehmomente übertragen werden. Genau an diesen Stellen kann durch die Erhöhung der Reibwerte an den Übergangsstellen letztendlich Gewicht eingespart werden. Für reibwerterhöhende Maßnahmen gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie zum Beispiel eine Zink-Flammbespritzung, einen speziellen Farbauftrag oder reibwerterhöhende Folien von 3M. Vor diesem Hintergrund prüfte aerodyn für eine neu zu entwickelnde 4-MW-Anlage verschiedene Konstruktions- und Umsetzungsansätze, um Gewicht zu sparen. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Verbindungsstelle zwischen der Welle und dem Getriebe.

Mit umfangreichen Entwicklungsschritten zur Gewichtseinsparung

Verglichen wurde eine häufig anzutreffende Standardkonstruktion mit einer Schmiedewelle mit Spannsatz zum Getriebe, wie aus den kleineren aeroMaster Anlagen bis 2,5 MW bekannt, und die aus der aeroMaster5 bekannte Konstruktion mit einer Gusswelle und einem Flansch zum Getriebe statt eines Spannsatzes. Gewählt wurde die Gusswelle mit relativ großem Durchmesser, da damit die Kosten für den Spannsatz gespart werden können und außerdem eine bessere Demontage bei Getriebereparaturen gewährleistet ist.

Aus den Erfahrungen bei der 5-MW-Anlagen-Entwicklung wurde zunächst eine Lösung mit einem Zwischenring und kombinierter Arretierscheibe gewählt. Der Zwischenring hat den Vorteil, dass man einen großen Flanschdurchmesser zum Getriebe verwirklichen kann und den Ring gleichzeitig zur Aufnahme der Arretierscheibe verwenden kann. Um die großen Momente zu übertragen, muss zur Welle hin ein doppelreihiger Schraubflansch vorgesehen werden. Die Schrauben müssen zudem einen Wartungszugang haben, sodass der Durchstiegsdurchmesser innerhalb der Welle nicht zu klein geraten darf und der Hohlraum im Getriebeflanschbereich entsprechend groß ausfallen sollte. Im nächsten Entwicklungsschritt wurde beschlossen, die Arretierscheibe nach vorne zur Nabe zu bringen, um die Transporteinheit Gondel leichter zu machen.

Bild 2: Entwicklungsschritt mit Zwischenring

Der Vorteil der Kombination Arretierscheibe-Zwischenring war nun jedoch nicht mehr gegeben und so wurde überlegt, mit reibwerterhöhenden Maßnahmen oder einer formschlüssigen Verbindung auf eine kleinere leichtere Lösung zu kommen. Nach umfangreichen Untersuchungen wurde die Lösung 3M Friction Shims gewählt. Das Ziel dabei war es, auf die Zwischenscheibe zu verzichten und den Anschlussflansch mit einer Schraubenreihe zum Getriebe hin umzusetzen.

Reibwerterhöhende Folien eröffnen vielfältige Möglichkeiten, leichtere und kompaktere Konstruktionen zu realisieren, ohne dabei Kompromisse bei der Kraft- und Drehmomentübertragung eingehen zu müssen. Die Funktionalität der 3M Friction Shims basiert auf Diamantpartikeln mit definierter Größe und Verteilung, die aus einer Chemisch-Nickel-Matrix herausragen. Die Beschichtung wird dabei auf dünne Stahlfolien aufgebracht, die entsprechend der Kundengeometrie gestanzt oder lasergeschnitten werden. Bei der Montage der Komponenten drücken sich die Diamanten dann in die Gegenflächen ein und erzeugen so einen Mikroformschluss. Mit dieser Methode können statische Reibwerte von 0,6 und höher erreicht werden. Das heißt: In  Abhängig von den Anwendungsparametern können somit bis zu 4-mal höhere Drehmomente sicher und reproduzierbar durch die Verbindung übertragen werden.

Neue Konstruktion bringt viele Gewichts- und Finanzvorteile

Die Entwicklung des neuen Anlagenkonzeptes war aufwendig, hat sich jedoch gelohnt. So konnte das Gewicht der Rotorwelle durch den Wegfall der zweiten Verschraubungsreihe um zirka 200 Kilogramm reduziert werden.

Bild 3: Der Wegfall des Rings reduziert das Gewicht um etwa 2 Tonnen und bringt eine geschätzte Kostenersparnis von rund 5000 Euro.

Bild 4: Zwischenring bringt erhebliche Vorteile

Der kleinere Flansch am Getriebe mit kleinerer Welle macht 1 Tonne an Einsparung aus. Die Kosten des Getriebes sind annährend unverändert, da einerseits das Material für den Planetenträger mit Welle höherwertiger und damit teurer ist, andererseits konnte das äußere Planetenträger-Lager verkleinert werden.  Ein weiterer Vorteil der neuen Konstruktion ist es, dass die Schraubenbolzenanzahl verringert werden konnte – von 44 Stück Stehbolzen M56 auf 28 Stehbolzen M56. Und nicht zuletzt können durch die geringere Anzahl von Bolzen und die bessere Zugänglichkeit die Montagezeiten verkürzt werden. Das Gleiche gilt für die Wartung der Bolzen. Auch dies ist ein wichtiger Aspekt, da alle wichtigen Bolzenverbindungen regelmäßig überprüft werden müssen.

Hersteller-Know-how ist bei reibwerterhöhenden Folien sehr wichtig

Dass die passgenaue Auslegung der reibwerterhöhenden Folien für eine so komplexe Konstruktion wie eine Windkraftanlage unabdingbar ist und ein hohes Herstellerwissen erfordert, versteht sich von selbst. Im Zuge dieses Projektes wurden zunächst die Ebenheiten und die Rauheitswerte der zu fügenden Gegenkörper festgelegt. Anhand dieser Werte wurde dann der entsprechende 3M Friction Shim, hier Grade 25 ausgewählt. Im Anschluss daran wurde eine Zeichnung anhand der Fügefläche erstellt und in Segmente unterteilt.

Für die 3M Friction Shims wird ein Reibwert von > 0,5 erwartet. Dieser wurde in aufwendigen Tests belegt. aerodyn arbeitet dabei mit 3M und der Technischen Universität Chemnitz zusammen. So komplex wie die Tests war letztendlich auch der Entwicklungsprozess. Gemeinsam haben die beteiligten Partner Punkt für Punkt eine gewichts- und kostenoptimale Anlagenkonzeption erarbeitet. Fasst man das Ergebnis zusammen kommt man auf eine Gesamt-Gewichtsersparnis von ca. 3,2 t und eine Kostenersparnis von mehreren Tausend Euro.

Die Konstruktion hat Anfang 2016 begonnen und wird voraussichtlich Anfang 2018 abgeschlossen sein. Die erste Anlage soll dann Ende 2018 in Korea gebaut werden. Ein weiterer Lizenznehmer aus dem Nahen Osten plant ebenfalls die Anlage in Serie zu bauen und die erste Anlage in 2019 zu errichten.

Peter Krämer

Technischer Leiter, aerodyn Energiesysteme GmbH, Rendsburg