Welchen Beitrag Gleitlager zu Getrieben von Windkraftanlagen leisten können

May 24, 2023

Von Paul Dvorak | 27. April 2017

Ein aktuelles Programm des National Renewable Energy Laboratory bewertete die Haltbarkeit eines 1-MW-Getriebes mit Gleitlagern. Die Ergebnisse sind ermutigend für eine breitere Nutzung und zuverlässigere Getriebe.

Ein Techniker montiert das Getriebe mit vier Gleitlagern.

Wenn ein Windkraftgetriebe in seiner Planetenstufe noch nicht mit einer verbesserten Wälzlagerung ausgestattet ist, wird dies bei der Reparatur bald der Fall sein, da neue Lagerkonstruktionen eine höhere Belastbarkeit aufweisen. Zu den jüngsten Designvorlieben gehören vorgespannte Kegelrollenlager oder Zylinderrollen mit in die Planetenräder integrierten Laufbahnen. Aber selbst diese Anordnungen werden irgendwann durch Abplatzungen durch Ermüdung des Rollkontakts beschädigt und müssen ausgetauscht werden. Ist es möglich, dass ein Getriebe mit Gleitlagern den rauen Bedingungen von Windkraftanlagen besser standhält?

Ein Ziel für das Getriebe der nächsten Generation ist die Steigerung der Antriebseffizienz.

Ingenieure von NREL und Romax Technology sowie anderen Industriepartnern haben kürzlich ein vom US-Energieministerium unterstütztes Projekt abgeschlossen, bei dem Getriebe-, Generator- und Stromrichtertechnologien der nächsten Generation getestet werden sollen, um die Stromgestehungskosten zu senken. Das Getriebelayout umfasste Flexstift- und Gleitlagertechnologie, um die Verteilung der Planetenlast zu verbessern und das Verständnis der Lager in dieser Anwendung mit niedriger Drehzahl und hoher Belastung zu fördern. Im Rahmen des Projekts wurde der Antriebsstrang entworfen, gebaut und auf einem Leistungsprüfstand im National Wind Technology Center getestet.

Dr. Ashley Crowther, Global Vice President of Engineering bei Romax Insight, präsentierte die vielversprechenden Testergebnisse auf dem jüngsten Drivetrain Reliability Collaborative Meeting bei NREL. Ziel des Programms war es, einen Antriebsstrang der nächsten Generation vorzuschlagen, der die Windindustrie voranbringen würde. „Wir suchten nach einer fortschrittlichen Getriebeanordnung für die Windindustrie, um die Technologie zu testen, mit dem Ziel, die Systemkosten und den Wartungsaufwand zu senken und gleichzeitig die Effizienz zu steigern“, sagte er. Gleitlager in Windkraftgetrieben sind selten, obwohl es seit Kurzem einige davon von europäischen Getriebe-Originalherstellern (OEMs) gibt.

Ein früheres NREL-Projekt lieferte einen Antriebsstrang zur Modifikation, dessen Hauptwelle von zwei Kegellagern getragen wurde und einen Generator mit mittlerer Drehzahl enthielt. Das herkömmliche Getriebe wurde durch ein einstufiges Gleitlager mit vier Planeten ersetzt, die auf flexiblen oder flexiblen Stiften montiert waren. Aus Kostengründen war das Testgetriebe einstufig, aber während der Konzeptforschung sagte Jon Keller, Programmleiter von NREL, das Team habe sich eine Reihe von Übersetzungsverhältnissen angesehen und festgestellt, dass die niedrigsten Energiekosten mit einem zweistufigen Getriebe möglich seien ein Verhältnis von etwa 30.

Die Abbildung, ein Querschnitt, zeigt das Sonnenrad und die flexiblen Stifte, die die Spindeln tragen, sowie die Gleitlager, die die Planeten tragen.

Der flexible Stift im Inneren einer Spindel ermöglicht eine leichte Verschiebung, wenn sich die Planetenlast ändert. Auf jeder Spindel sitzt ein Gleitlager.

Bei dieser Anwendung dreht sich der Planet auf einem dünnen Ölfilm über dem Lagerzapfenmaterial und der Ring ist stationär. Das Material ist Stahl, der mit speziellen Legierungen beschichtet ist, die dem Hersteller in Europa gehören.

Diagramme von Dehnungsmessstreifen im Getriebe zeigten, dass sich die Lastverteilung mit der Last verbesserte und bei Nenndrehmoment eine nahezu gleichmäßige Lastverteilung erreichte.

Der Zweck des Flexstifts besteht darin, die Lastverteilung durch das Vier-Planeten-System zu verbessern. Ein dreibeiniger Hocker bietet eine Analogie. Alle drei Beine berühren den Boden, sodass der Hocker nicht wackelt. Aber ein vierbeiniger Hocker könnte leicht wackeln, wenn die Beine steif sind. Ebenso kann ein Planetensystem mit mehr als drei Planeten die Planetenlasten ungleichmäßig verteilen. Die Durchbiegung des Systems, kleine Abstände und Konstruktionsfehler (normalerweise innerhalb der Toleranz) spielen alle eine Rolle bei der Größe der ungleichmäßigen Lastverteilung. Wenn das System jedoch eine gewisse Flexibilität aufweist, wäre es so, als hätte man an jedem Stuhlbein eine Feder, sodass er immer auf vier Beinen ruht. Der Flexstift bietet eine Möglichkeit, dies in einem Vier-Planeten-System zu tun. Ein früherer Artikel (http://tinyurl.com/bearings-journal oder WPE&D Mai 2016) enthält weitere Einzelheiten zum Wiederaufbau des Getriebes.

Vorteile und Herausforderungen

Der Stift darf sich biegen, sodass sich die Planeten auf den Spindeln nach oben und unten bewegen oder verschieben können. Obwohl der Flexstift kein neues Konzept ist und Romax diese Getriebe bereits zuvor entwickelt hat, verbessert er das Design und ermöglicht die Kombination eines kompakteren Getriebes mit den Gleitlagern.

Obwohl die Öltemperatur mit zunehmender Belastung anstieg, blieben die Temperaturen im akzeptablen Bereich.

Ein weiterer Vorteil der Gleitlager sind geringere Kosten aufgrund ihrer Einfachheit im Vergleich zu Wälzlagern. Crowthers Team vermutet außerdem, dass diese Art von Lagern die Zuverlässigkeit verbessern würden, da sie aus weniger Teilen bestehen und dennoch längerfristige Haltbarkeitstests und Feldversuche erfordern. Allerdings reduziert das Design die Anzahl der Teile erheblich und dürfte in dieser Hinsicht die Zuverlässigkeit verbessern. Beispielsweise werden bei der Konstruktion zwischen zwei und vier Lagerreihen (je nach Konstruktion) von jedem Planeten entfernt und durch ein Lager ersetzt. Gleitlager können

Die Partikelanzahl blieb während des simulierten Jahres der Starts und Stopps stabil.

Außerdem reduzieren sie das Gewicht und ihre Montage ist einfacher als bei vorgespannten Ausführungen. „Die Gleitlager bieten also viele Vorteile, auch wenn wir im Moment sicherlich keine Vorliebe für Lagerzapfen oder Rollen haben“, sagte Crowther.

Auch beim Design gibt es Herausforderungen. Beispielsweise hält eine Presspassung Stifte im Träger, und die Kombination aus Stift und Spindel ist ebenfalls eine Presspassung. Es ist wichtig, die Steifigkeit der Anpassung und ihre Auswirkung auf die Modelle auf Systemebene zu verstehen. Die Modellierung all dieser Elemente in Simulationssoftware ist eine Herausforderung und ein empfohlener Verbesserungsbereich.

Flexstifte

Die flexiblen Stifte lassen die Zahnräder schweben, so dass die mit dem Drehmoment zunehmende Belastung die Stifte verbiegt. Aufgrund der Paare auf der Welle verschiebt sich die Spindel leicht, sodass die Drehmomente auf jedem Planeten nahezu gleich sind. Spindeln kippen nicht. Das ist wichtig. Die Lastverteilung bei einem Vier-Planeten-Design absorbiert Drehmomentschwankungen und reduziert Zahnfehlstellungen. Das Balkendiagramm „Drehmoment versus Last“ zeigt Ergebnisse, wobei 417 kNm nahe der Nennlast liegen und die relative Last auf jedem Planeten nahe bei 1 liegt.

Schmierung

Das Schmiersystem musste das Lager mit Öl versorgen. Die Ölzufuhr erfolgt durch das Hauptwellengehäuse, in den Träger, den Stift hinunter und die Spindel hinauf zum Planeten. Eine Drehdurchführung ermöglicht das Pumpen von Öl von einem stationären Abschnitt zum Planeten oder rotierenden Abschnitt.

Hier gibt es Herausforderungen. „Aufgrund von Einschränkungen durch die Modifizierung eines älteren Antriebsstrangs konnten wir nicht ganz den Druck erreichen, den wir wollten. Die Rotation verursachte auch Druckschwankungen. Aber es funktionierte einigermaßen gut und erzeugte einen Druck von einem Bar mit einem bekannten Getriebeöl „Das System verwendete Filter von 8,5 und 3 Mikrometern. Darüber hinaus erhitzten wir das Öl, um eine ideale Viskosität auf 55 °C zu halten. Dadurch ergab sich eine Durchflussrate von etwa 0,5 bis 4 l/min zum Journal“, sagte Crowther.

Im Vergleich zu anderen Gleitlageranwendungen läuft das Zapfendesign mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit. „Wir haben die Konstruktionsparameter für die Gleitlager unter Berücksichtigung einer axialen Belastungskomponente aufgrund der Neigung des Antriebsstrangs um 5° berechnet, aber es gab keine große Belastung durch einen Schrägungswinkel auf die Zahnräder, wie es üblich ist. Dann gab es radiale Belastungen auf die.“ Lagerzapfen durch Zahneingriffskräfte sowie einige kleine Belastungen durch Eingriffswinkel an den Zahnrädern und Abweichungen bei der Herstellung“, sagte Crowther.

Die Modellierung des Lagerzapfens erforderte ein Verständnis der Auslenkungen, einschließlich der Neigung der Zahnräder, und insbesondere der Art und Weise, wie sich diese auf die Neigung des Planetenzahnradeingriffs auswirken. „Wir haben die Filmsteifigkeit berechnet, und das war Forschungsarbeit, aber aus dieser und anderen Arbeiten hat Romax Technology einige Modellierungsentwicklungen für Romax Designer durchgeführt. Wir haben die Druckverteilung über die Breite des Journals untersucht. Am Ende konnten wir das tun.“ „Besorgen Sie sich eine gute Steifigkeitsberechnung, um das Design fertigzustellen“, erklärte Crowther.

Instrumentierung

Um die Funktion des Designs zu bestätigen, mussten viele Parameter gemessen werden. Die Haltbarkeit wurde beim Abbau und durch einen Partikelzähler der im Öl befindlichen Ablagerungen beurteilt. „Für die Funktion wollten wir wissen, dass wir über den richtigen Druck, kühle Betriebstemperaturen und die Möglichkeit verfügen, physikalische Messungen wie Bauteildehnungen zu erfassen. Das Getriebe war für Temperatur und Druck am Ende des Stifts instrumentiert, was gute Informationen lieferte.“ wie die Zeitschrift lief", sagte er. Dehnungsmessstreifen am Flexstift maßen die Biegung und bestätigten, dass sie ordnungsgemäß funktionierte. Dadurch wurde auch die Lastverteilung zwischen den vier Pins überprüft.

Funktionstests

Das vorherige Diagramm „Drehmoment versus Last“ zeigt Lasten bei niedrigem und Nenndrehmoment, bei dem die Lastverteilung recht gut ist. Bei niedrigem Drehmoment spielt eine ungleichmäßige Verteilung keine Rolle, da die Belastung der Lager und Zahnräder gering ist. Aber mit steigendem Drehmoment steigen auch die Belastungen. „Sie lagen zwischen 0,95 und 1,05 relativer Last, was ziemlich gut ist. Wenn man ein herkömmliches Getriebe mit vier Planeten und ohne Flexstifte entwerfen würde, wäre ein Lastverteilungsfaktor von etwa 1,25 angemessen. Flexstifte ermöglichen entweder ein kleineres Getriebe oder eine höhere Zuverlässigkeit.“ , oder Sie können einen Kompromiss in der Mitte einkalkulieren“, sagte Crowther.

Die Zahnbelastungsverteilung, ein weiteres wichtiges Leistungskriterium, wurde mithilfe einer Zahnmarkierungsmasse und einer Zahnwurzeldehnungsmessung beurteilt. Mithilfe der Dehnungsmessstreifenmessungen konnten Zahnlastverteilungen ermittelt werden, die als ausreichend erachtet wurden. „Ein kleiner Kontakt zeigte sich auf einer Seite. Der herausfordernde Faktor, die Steifigkeit des Flexstifts an den Presssitz der Spindel anzupassen, war der Auslöser dafür, dass wir das nächste Getriebe problemlos korrigieren könnten, wenn wir mit der Produktion beginnen würden“, sagte er.

„Der Lastfaktor KHß entsprach den Anforderungen“, sagte Crowther. „Es handelt sich um die Spitzenlast gegenüber der Hauptlast, und der Wert nimmt mit zunehmendem Drehmoment ab, sodass er sich in Richtung des Nenndrehmoments verbessert, aber noch weiter verbessert werden könnte“, sagte er.

Bei den Leistungstests lief das Getriebe im Dauerzustand unter Last, bis sich alles beruhigte. „Die Temperaturen waren ziemlich kühl. Ein Thermoelement befand sich in der Lastzone und eines außerhalb, und die Temperaturen stiegen ziemlich gleichmäßig an, aber viel niedriger als das, was zu einer Getriebeabschaltung führen würde. Die Lager laufen also kühl und es kommt zu geringem Verschleiß. Wartung der Ölwanne „Die Öltemperatur bei Heizgeräten war vor allem der Treiber für die Öltemperatur“, schloss Crowther.

Ein auf die Standards der International Standards Organization (ISO) oder Behälter eingestellter Partikelzähler war Teil der Haltbarkeitstests, die das Äquivalent von Starts und Stopps von einem Jahr, also etwa 5.000 Zyklen, ergaben. Durch diese Tests blieb die Partikelzahl stabil. „Während der Start-Stopp-Tests haben wir keine Partikelbildung festgestellt, die dieses Ding verschleißen würde, was gut ist .

Mit einem begrenzten Budget entschied sich das Team für zwei Tests: Start-Stopp-Tests, bei denen 5.000 Zyklen lang vom Stillstand auf 10 U/min in 10 Sekunden bei drehmomentloser Last gefahren werden mussten. Dieser Ansatz würde etwa einen einjährigen Betrieb in etwa 21 Stunden simulieren.

Selbst bei ausgeschalteter Ölpumpe während des Dithering-Tests wurde das Gleitlager nicht heiß.

Auf diese Tests folgte ein Dithering-Test bzw. ein Oszillieren des Getriebes. „Dieser letztere Test würde eine Turbine im Leerlauf oder bei schwacher Brise simulieren und könnte Tausende von Stunden im Leben einer Turbine darstellen. Der Dither-Test simulierte also langsame Rotationen. Dies ist wichtig, weil eine langsame Rotation weder die Filmdicke noch den Druck erzeugt, um die Lagerzapfen anzuheben.“ „Das Lager arbeitete im Grenzschmierbereich – die Oberflächen rieben aneinander. Das Ziel bestand darin, herauszufinden, wie gut das Gehäuse standhalten würde“, sagte Crowther.

Schließlich wurde gefordert, es ohne Öldruck zu betreiben. „Also haben wir die Ölversorgung abgestellt, ohne auch nur einen Riegel zur Verfügung zu haben, um zu sehen, was passieren würde. Und danach haben wir einen Teardown durchgeführt“, sagte er.

Die Zahnräder erlitten beim Test ohne Öl und Dithering den erwarteten Zahnschaden. Ein solcher Schaden würde bei jedem Getriebe in einer ähnlichen Situation auftreten, aber die Gleitlager wiesen kaum Verschleiß auf.

Während des Abbaus suchte das Team nach Schäden am Lagerzapfen und anderen Abnutzungserscheinungen an den Zahnrädern. Ein Blick in die Zapfen wie bei Wälzlagern ist nicht möglich, daher war es nicht möglich, bei der Prüfung mit einem Endoskop das Getriebe auf Schäden zu untersuchen.

„Die Zahnräder haben diesen harten Dithering-Test nicht so gut überstanden, da sie ohne Öl betrieben wurden“, berichtet Crowther. „Wir haben schreckliche Passungsrostkorrosion gesehen. Dieser Haltbarkeitstest war schrecklich genug, um erhebliche Schäden an den Zahnrädern zu verursachen. Das zeigt, wie hart dieser Test für die Lagerzapfen war, denn jedes Windturbinengetriebe würde Zahnräder mit dieser Art von Passungsrost erkennen, wenn man sie beobachtet.“ „Ich habe einen solchen Test durchgeführt“, sagte Crowther.

Standardkriterien für akzeptablen und schlechten Gleitlagerverschleiß – Bilder mit verschiedenen dunklen Streifen auf Lageroberflächen – ermöglichen es dem Team, die Ergebnisse zu beurteilen oder zu bewerten. „Denken Sie daran“, sagte Crowther, „dass Gleitlager aufgrund von Verschleiß und nicht aufgrund der Ermüdungsdauer beim Rollkontakt ausfallen, weil die Last nicht auf einer Linie verläuft, sondern über eine große Fläche verteilt ist.“

Er berichtet, dass das Team beim Abbau einige Abnutzungserscheinungen am Zapfen und an der Spindel festgestellt habe, die jedoch als geringfügig und akzeptabel angesehen wurden.

Weitere Tests folgten. Einer war ohne Ölversorgung, für 54.000 Zyklen bei ± 0,5° bei 2 Hz, ein anderer für 1 Stunde Dithering mit 25 % Ölfluss und dann 6 Stunden Dithering mit Null Ölfluss.

Die Grafik „Beschleunigtes Zittern – Ölfluss Null“ zeigt den Pumpendruck. „Die Öltemperatur ist interessant, weil wir dachten, dass das Gleitlager heiß werden würde, aber das war nicht der Fall“, sagte Crowther. „Als die Ölpumpe wieder eingeschaltet wurde, kamen die Ablagerungen heraus, die sich möglicherweise aufgrund von Verschleiß im Lager angesammelt hatten, und der Zählerstand stieg etwas an.“

Das Gleitlager zeigte einen akzeptablen Verschleiß und funktionierte recht gut. Es legte die weiche Kupferschicht (ca. 700 µm dick) frei, nachdem das Beschichtungsmaterial (ca. 20 µm) abgenutzt war. Außerdem liegt es aufgrund der Schwerkraft etwas abseits.

Die geringen Schäden, die an den Gleitlagern festgestellt wurden, sind für diese Anwendung vielversprechend.

Crowther schloss mit mehreren Branchenempfehlungen:

• Halten Sie ein gewisses Maß an Schmierung während des Transports, der Montage, im Standby-Modus, bei Unterbrechungen, bei längerem Stillstand und in ähnlichen Zeiträumen aufrecht

• Ermutigen Sie Turbinen-OEMs, mit Getriebe-OEMs zusammenzuarbeiten, um mehr Gleitlagergetriebe für eine langfristige Evaluierung in Betrieb zu nehmen

• Entwickeln Sie die Lieferkette zu OEMs, qualifizieren Sie Zulieferer für Gleitlager und ermitteln Sie die benötigte Menge

• Entwickeln Sie neue Zertifizierungsberechnungen und Designpraktiken

• Erweitern Sie Probetests oder langfristige Feldleistungen im Volumen

• Entwickeln Sie Zustandsüberwachungs- und Inspektionsstandards

• Filmdicke messen und Analyse validieren

• Verbessern Sie die Modellierung und Validierung von Presspassungen

WINERGY VERWENDET BEREITS ZAPFENLAGER IN GROSSEN GETRIEBEN

Der Getriebehersteller Winergy erkannte, dass Gleitlager ihre Vorteile in mehreren anderen Schwerindustrien unter Beweis gestellt haben. Warum also nicht auch in der Windindustrie? Im vergangenen Jahr teilte das Unternehmen mit, dass seit März 2013 ein 2-MW-Getriebeprototyp mit Gleitlagern in einer Vestas V90-Turbine in Schweden im Einsatz sei.

Kürzlich berichtete ein Sprecher von Winergy, Tobias van der Linde, dass die Vestas-Turbine mit Gleitlagern immer noch in Betrieb sei und eine gute Leistung erbringt. Mittlerweile hat das Unternehmen zwei weitere Getriebe in der 2- bis 3-MW-Klasse und für andere Turbinenhersteller in Betrieb genommen. Für 2017 sind mehrere weitere Inbetriebnahmen geplant.

Van der Linde berichtet außerdem, dass das Unternehmen Gleitlagergetriebe für zukünftige Offshore-Turbinen mit mehreren Megawatt baut und testet, die voraussichtlich Ende 2018 in Betrieb gehen.

Technische Daten zu den Getrieben wollte das Unternehmen nicht preisgeben, gab jedoch an, dass im Vergleich zu Getrieben mit Wälzlagern keine Änderungen an Peripheriegeräten wie der Ölversorgungsanlage erforderlich seien. Außerdem besteht kein erhöhter Ölbedarf, die Lagertemperaturen bleiben bei Nennleistung konstant und alle Tests zeigen keinen Verschleiß der Lager. Gleitlager sind in Winergy-Getrieben und für den HybridDrive erhältlich.