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Neue Lagerausführung für Windgetriebe

SKF stellt ein neues Lager für Windgetriebe vor, das sich nicht nur durch eine längere Lebensdauer, sondern auch durch eine höhere Robustheit auszeichnet.

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Die Windindustrie steht unter dem ständigen Druck, die Stromgestehungskosten (LCoE) zu senken, wodurch neue Triebstrangkonstruktionen entstehen. Eine Erhöhung der Getriebe-Drehmomentdichte ist dabei erforderlich, um das Gewicht in der Höhe zu begrenzen und die Größe der größten Bauteile für den Transport zu limitieren [1]. Alle Komponenten, einschließlich der Rollenlager, müssen daher kompakter ausgelegt werden, ohne dass die Feldleistung davon beeinträchtigt wird.

Moderne Windgetriebe bestehen aus zwei oder mehr Planetengetriebestufen. Um eine höhere Drehmomentdichte zu erzielen, wird die Anzahl der Planetenräder erhöht. Dabei wird das Drehmoment auf mehr Zahnradkontakte verteilt, was eine Reduzierung des Planeten- und Hohlraddurchmessers möglich macht. Diese neuen Konstruktionstrends führten zu einer erheblichen Verkleinerung des Getriebes, aber auch zu einem geringeren Platzangebot für das Lager, das die Planeten abstützt (Bild 1).

Starke Rollenlagerlösungen sind gefragt

Eine Möglichkeit, um die Größe von Planetenrädern weiter zu reduzieren, ist der Einsatz von hydrodynamischen Gleitlagern. Allerdings sind Rollenlager in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen, der Drehzahl und der Planetenradgeometrie, wie z. B. dem Verhältnis von Breite zu Durchmesser, nicht nur eine kostengünstige, sondern auch eine bewährte und zuverlässige Lösung. Daher werden neue Rollenlagerlösungen benötigt, die höhere Belastungen und Kontaktdrücke aufnehmen können, damit die Drehmomentdichte gesteigert werden kann.

Diese neuen Konstruktionstrends führten zu einer erheblichen Verkleinerung des Getriebes.

Ein weiterer wichtiger Treiber bei der Entwicklung neuer Lagerlösungen für Windgetriebe ist die Notwendigkeit, die Zuverlässigkeit und Robustheit gegenüber typischen Ausfallarten in der Praxis zu erhöhen, wie z. B. vorzeitige Ausfälle durch weiß anätzende Risse (engl. „White Etching Cracks“, WEC) [2] oder Graufleckigkeit (engl. „Micropitting“) [4].

In diesem Artikel wird das langlebige SKF Windgetriebelager vorgestellt. Es ist das Ergebnis eines Entwicklungsprojekts mit dem Fokus auf einer neuen Lagerausführung mit

  • einer längeren Lagerlebensdauer, um ein Downsizing der Lager zu ermöglichen, und
  • einer höheren Robustheit gegen die bei Windgetrieben typischen Ausfallarten.

Bild 1: Typische Ring- und Planetenraddurchmesser in der ersten Stufe von Windgetrieben (links) und Skizze einer Planetengetriebestufe mit mehreren Planeten (rechts).

Das langlebige SKF Windgetriebelager

Das langlebige SKF Windgetriebelager wurde entwickelt, um die hohen Anforderungen an Wälzlager in Windgetrieben zu erfüllen. Es kombiniert einen speziellen Lagerstahl mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsverfahren, das die Lagerkomponenten an und unterhalb der Oberfläche anreichert.

Bild 2: Thermochemische Wärmebehandlung des langlebigen SKF Windgetriebelagers
Die Anreicherung an und unterhalb der Oberfläche führt zu einem feinen Gefüge mit feinen Ausscheidungen und einem abgestimmten Gehalt an stabilem Restaustenit, der gleichmäßig im Gefüge verteilt ist. Alle diese Merkmale wirken sich nach allgemeiner Auffassung positiv auf die Ermüdungsfestigkeit eines Lagerstahls aus, einschließlich seiner Widerstandsfähigkeit gegen von der Oberfläche ausgehende Schäden und deren Ausbreitung [5]. Diese Anreicherung trägt auch zu Druckeigenspannungen und einer höheren Oberflächenhärte als bei den heute verwendeten Standard-Windgetriebelagern bei, wodurch sich die Ermüdungsbeständigkeit des langlebigen SKF Windgetriebelagers im Wälzkontakt weiter erhöht.

Leistungsbewertung

Lagerlebensdauer-Tests

Es wurde eine Testreihe durchgeführt, bei der eine sehr hohe Belastung, eine zuvor mit Eindrücken versehene Laufbahn sowie Bedingungen mit Voll- und Mangelschmierung untersucht wurden. Die zuvor vorgenommenen Eindrücke wirken als lokale Spannungserhöhungen auf der Oberfläche und verringern die Wirksamkeit der Schmierung. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Prüfbedingungen im Hinblick auf Belastung (C/P) und Schmierung (kappa)

Die Tests wurden mit mittelgroßen Kegelrollenlagern durchgeführt, die heute auf der schnellen Welle von Getrieben im 2-MW- und 3-MW-Bereich eingesetzt werden.

Es wurden zwei Lagervarianten getestet. Als Ausgangsbasis dient ein modernes durchgehärtetes Serienlager mit SKF Explorer [3] Eigenschaften und Brünierung, das mit dem langlebigen SKF Windgetriebelager verglichen wird.

Alle Lebensdauertestergebnisse wurden in einem einzigen normalisierten Weibull-Diagramm zusammengefasst, das in Bild 3 dargestellt ist. Diese Abbildung verdeutlicht die erhebliche Leistungssteigerung des langlebigen SKF Windgetriebelagers gegenüber der Basisversion. Der Stern zeigt die modifizierte Lebensdauer nach ISO/TS 16281:2008 für das langlebige SKF Windgetriebelager (siehe Abschnitt 4). Die Modellparameter sind so gewählt, dass die berechnete Lebensdauer nahe der unteren Grenze des Vertrauensbereichs von L10h liegt.

Bild 3: Zusammengefasste und normalisierte Testergebnisse neben den modellbasierten Simulationen

Robust gegen vorzeitige Ausfälle durch WEC

Auch wenn die Einführung von Maßnahmen zur Erhöhung der Robustheit, wie z. B. die Brünierung, die Zahl der vorzeitigen Lagerausfälle schon deutlich reduziert hat [6], gibt es am Markt immer noch einen Bedarf an robusteren Lösungen. Dies gilt sowohl für den Ersatzteilmarkt, und zwar als Problemlösung für ältere, vorzeitig ausfallende Lagerausführungen, als auch für neue Getriebekonstruktionen, da es noch keine umfassenden Kenntnisse über die genauen Grenzbetriebsbedingungen gibt, bei denen es zu vorzeitigen Lagerausfällen kommt [6].

Es wurden bereits mehrere Treiber für vorzeitige Ausfälle im Zusammenhang mit WEC festgestellt [4]. Verschiedene Tests wurden entwickelt, um die Robustheit von Lagerlösungen zu prüfen. Bei SKF wird ein Prüfstand dazu genutzt, vorzeitige Ausfälle durch Einwirkung hoher Zugspannungen zu reproduzieren [7]. In der Anwendung selbst können hohe Zugspannungen durch ungeeignete Passungen, Rundlaufabweichungen des Wellendurchmessers oder Verformungen des Lagersitzes entstehen. Auf diesem Prüfstand ist das Lager auf einer Welle mit künstlicher Welligkeit montiert, was zu hohen Zugspannungen in der Laufbahn am oberen Ende der Wellen führt (Bild 4). Selbst bei Kontaktdrücken von etwa 1,5 GPa im Wälzkontakt, die im Normalbetrieb von Windgetrieben üblich sind, kommt es nach relativ kurzer Testdauer zu vorzeitigen Ausfällen, die den in der Praxis beobachteten Ausfällen sehr ähnlich sind (Bild 4).

Das Balkendiagramm in Bild 5 zeigt, dass sechs langlebige SKF Windgetriebelager unter identischen Bedingungen getestet wurden, ohne dass es zu einem Ausfall kam. Alle Tests wurden nach 1.600 Stunden oder mehr beendet. Lager aus Standardstahl mit Wärmebehandlung fielen im Schnitt nach 178 Stunden aus.

Bild 4: Reproduktion von vorzeitigen Ausfällen mit WEC durch Aufbringen erhöhter Ringspannungen [7]: Zugspannungen im Innenring (a) und ausgefallenes Lager nach dem Test mit WEC und einem linsenförmigen Merkmal an der Rissoberfläche (b), wie es auch bei mehreren ausgefallenen Lagern, die aus dem praktischen Einsatz kamen, festzustellen war.
Bild 5: Vergleich der Laufzeit auf dem Zugspannungsprüfstand zwischen Lagern aus Standardstahl mit Wärmebehandlung und langlebigen SKF Windgetriebelagern. Die durchschnittliche Zeit bis zum Ausfall der Lager aus Standardstahl mit Wärmebehandlung beträgt 178 Stunden, während alle langlebigen SKF Windgetriebelager die festgelegte Testdauer ohne Ausfall durchliefen.

Neue Lebensdauermodelle für langlebige SKF Windgetriebelager

Die Windindustrie verlangt eine Bewertung der Lagerlebensdauer nach ISO/TS 16281:2008 [10]. Allerdings lässt sich die Lagerlebensdauer von modernen Lagerlösungen weder nach ISO/TS 16281:2008 noch nach ISO 281:2007 berechnen. Daher hat SKF eine Methode entwickelt, um die Lagerleistung von langlebigen SKF Windgetriebelagern in die modifizierte Lebensdauerberechnung nach ISO/TS 16281:2008 zu integrieren. Dabei wird eine Erhöhung der dynamischen Tragzahl mit einer Erhöhung des Lebensdauerbeiwerts αISO kombiniert.

Nach ISO 281:2007 wird αISO wie folgt berechnet:

Wie bei Ioannides et al. [11] dargelegt, kann die vorteilhafte Wirkung moderner Wärmebehandlungen und einer verbesserten Oberflächengüte im ISO-Modell durch Hinzufügen entsprechender Kennziffern in αISO berücksichtigt werden. Um die Leistungssteigerung des langlebigen SKF Windgetriebelagers einbeziehen zu können, wurden die Beiwerte Ψbrg für den Explorer-Effekt und ΦHDB für den zusätzlichen Effekt des optimierten Lagerstahls und der Wärmebehandlung in αISO integriert:

Basierend auf den bereits erwähnten Lebensdauertests kann die Anpassungsfunktion Ψbrg und ΦHDB bestimmt werden.

Die langlebigen SKF Windgetriebelager haben verbesserte Materialeigenschaften sowohl an als auch unterhalb der Oberfläche. Daher ist das „SKF Generalized Bearing Life Model“ (GBLM) [8], das die Effekte an und unterhalb der Oberfläche voneinander trennt (siehe Bild 6), als Lebensdauermodell am besten geeignet, um die gesteigerte Leistung so realistisch wie möglich abzubilden. Die Basis des SKF GBLM-Modells kann wie folgt dargestellt werden:

Der durch das Volumenintegral dargestellte Term der Gleichung, der sich auf den Bereich unterhalb der Oberfläche bezieht, kann mithilfe gängiger Verfahren zur Bestimmung der Wälzermüdung gelöst werden [8]. Der durch das Flächenintegral vorgegebene Term für den Bereich an der Oberfläche berücksichtigt jedoch die im Zusammenhang mit der Oberflächenermüdung stehenden Ausfallarten. Der Term für den Bereich an der Oberfläche beinhaltet auch die Modellierung des Lagerkonstruktionsmerkmals, das die Festigkeit der Oberfläche wie in der vorliegenden Anwendung steigern kann. Dieser Ansatz wurde bereits erfolgreich bei der Lebensdauerberechnung von Hybridlagern [9] angewendet und wird bei immer mehr SKF Produkten zum Einsatz kommen.

Sobald die verschiedenen Beiwerte des neuen Lebensdauermodells auf Basis der zuvor beschriebenen Lebensdauertests festgelegt sind, kann die Lebensdauer der langlebigen SKF Windgetriebelager bestimmt werden.

Bild 6: Trennung der Bereiche an und unterhalb der Oberfläche gemäß dem SKF GBLM-Modell

Der Prozess zur Aktualisierung und Validierung der modifizierten ISO/TS 16281:2008 und der SKF GBLM-Lebensdauermodelle für langlebige SKF Windgetriebelager wurde von DNV erfolgreich auditiert.

Die Verlängerung der Lagerlebensdauer hängt von den tatsächlichen Betriebsbedingungen ab. Bild 7 zeigt die durchschnittliche Lebensdauerverlängerung, die in mehreren Berechnungsbeispielen für die verschiedenen Stufen typischer Getriebe ermittelt wurde. Die so erzielte Verlängerung der Lebensdauer beträgt mehr als das Vierfache. Dank der kombinierten Leistungssteigerung an und unterhalb der Oberfläche wird eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer bei einer Vielzahl von Betriebsbedingungen erreicht.

Bild 7: Durchschnittliche Verlängerung der Lebensdauer durch Modellierung der Umstellung von SKF Explorer auf langlebige SKF Windgetriebelager bei den verschiedenen Stufen eines typischen Windgetriebes. Das Ergebnis ist über viele Berechnungen, die die jeweiligen unterschiedlichen Betriebsbedingungen modellieren, gemittelt, da die Lebensdauerverlängerung von der Ölreinheit, dem Kappa-Wert und den jeweiligen Lasten abhängig ist.

So tragen langlebige SKF Windgetriebelager zur Erhöhung der Drehmomentdichte bei

Die Größe des Lagers, das das Planetenrad stützt, bestimmt häufig die Mindestgröße des Planetenrads. Daher wirkt sich eine mögliche Verkleinerung dieses Lagers direkt auf die Planetenradabmessungen und damit auf die Größe des Hohlrads und folglich auch auf die Drehmomentdichte des Getriebes aus.

In diesem Abschnitt wird anhand eines Anwendungsbeispiels gezeigt, wie langlebige SKF Windgetriebelager durch Verkleinerung des Planetenlagers bei gleichbleibender Lagerlebensdauer zur Erhöhung der Drehmomentdichte beitragen kann. Dieses Beispiel basiert auf einem modernen 6-MW-Windgetriebe, das von einem 4-reihigen Zylinderrollenlager gestützt wird, dessen Außenlaufbahn in das Zahnrad integriert ist. Der Kunde wünscht, dass eine Lebensdauer von 30 Jahren erreicht wird, die Anforderungen der IEC 61400-4 [10] erfüllt werden und der Außenlaufbahndurchmesser minimiert wird.

Bild 8 zeigt, wie die Lagergröße bei gleicher Lagerlebensdauer reduziert werden kann. Der erste Balken zeigt die Lagerlebensdauer der ursprünglichen Lagerauswahl. Der zweite Balken zeigt, wie sich die Lebensdauer erhöht, wenn dieses Lager durch ein langlebiges SKF Windgetriebelager ersetzt wird. Der dritte Balken zeigt die Lebensdauer der optimierten Lagerausführung mit langlebigen SKF Windgetriebelagern. Der Außenlaufbahndurchmesser ist um 25 Prozent reduziert, von 460 mm auf 350 mm, während die Lebensdauer weiterhin den Kundenanforderungen entspricht.

Bild 8: Lebensdauer und Außenlaufbahndurchmesser bei einer 7-MW-Getriebekonstruktion: (1) ursprüngliche Größe, SKF Explorer, (2) ursprüngliche Größe, langlebiges SKF Windgetriebelager und (3) optimierter Außenlaufbahndurchmesser, langlebiges SKF Windgetriebelager.
So kann der Kunde nicht nur die Abmessungen der Planetenräder um bis zu 25 Prozent reduzieren, sondern folglich auch das Hohlrad der Planetengetriebestufe, wie in den Skizzen von Bild 9 dargestellt.
Bild 9: Skizze zur Erhöhung der Drehmomentdichte durch Einsatz eines langlebigen SKF Windgetriebelagers: Die Verkleinerung des Planetenlagers (b) ermöglicht eine Verkleinerung des Planetenrads um 25 Prozent, wodurch sich eine Erhöhung der Drehmomentdichte ergibt (c).

Similar size reductions can be achieved on different positions in the gearbox:

  • Depending on the gear stage, the gearbox manufacturer requires a size reduction focusing on diameter or on bearing width (more relevant for higher speed stages).
  • On the high-speed shaft, downsizing with SKF high durability gearbox bearings will contribute to a reduced risk for slip-related damages, where roller (set) inertia plays an important role.

Fazit

Der bei den neuen langlebigen SKF Windgetriebelagern verwendete optimierte Lagerstahl und das spezielle Wärmebehandlungsverfahren bieten nachweislich folgende Vorteile:

  • Zuverlässiges Downsizing der Lager- und Getriebeabmessungen um bis zu 25 Prozent bei gleicher Belastung und eine fünfmal längere Wälzermüdungslebensdauer an und unterhalb der Oberfläche.
  • Es werden die gesteigerten Anforderungen an die Konstruktionszuverlässigkeit und die Lebensdauer von 30 bis 40 Jahren mit einer branchenweit führenden Lagerlebensdauer erfüllt; diese ist in einer Änderung der ISO/TS 16281:2008 und bald auch im SKF GBLM-Modell enthalten, das erfolgreich von DNV auditiert wurde.
  • Höhere Zuverlässigkeit im praktischen Einsatz durch eine größere Robustheit gegenüber den rauen Betriebsbedingungen von Windgetrieben.

Zudem wird es dank der höheren Robustheit von langlebigen SKF Windgetriebelagern gegenüber den typischen Ausfallarten bei Windgetrieben weniger ungeplante Anlagenstillstände geben und auch die Reparaturkosten werden geringer ausfallen. Somit bieten die neuen langlebigen SKF Windgetriebelager die Problemlösung für die Praxis, um die Zuverlässigkeit hinsichtlich vorzeitiger Lagerausfälle zu steigern.

Literatur

  1. “Focus areas in Vestas Powertrain”, A. Weber, A. Hansen, Conference for Windpower Drives, Aachen (2021)
  2. “White etching cracks – a consequence, not a root cause of bearing failure”, K. Stadler, R.H. Vegter, D. Vaes, SKF Evolution (2018)
  3. “SKF Rolling Bearing Catalogue”, 2018, SKF
  4. “Understanding and preventing surface distress”, G. Morales, V. Brizmer, SKF Evolution (2011)
  5. “Steels for bearings”, H.K.D.H. Bhadeshia, Progress in Materials Science, 57 (2012)
  6. “Benefits of using black oxidized bearings in wind applications”, K. Stadler, B. Han, V. Brizmer, R. Pasaribu, SKF Evolution (2015)
  7. “Investigation on the mechanisms of white etching crack (WEC) formation in rolling contact fatigue and identification of one root cause for bearing premature failure”, J. Lai, K. Stadler, Wear (2016)
  8. “A major step forward in life modelling”, G. Morales, A. Gabelli, SKF Evolution (2015)
  9. “The SKF Generalized Bearing Life Model for Hybrid Bearings”, G. Morales, A. Gabelli, A. Felix, SKF Evolution (2019)
  10. “Wind turbines – Part 4: Design requirements for wind turbine gearboxes”, IEC 61400-4:2012
  11. “An Analytical Formulation for the Life of Rolling Bearings”, E. Ioannides, G. Bergling, A. Gabelli, Acta Polytechnica Scandinavica, vol. 137 (1999)

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