Anforderungen an zukünftige Hauptgetriebe für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierung

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1 Anforderungen an zukünftige Hauptgetriebe für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierung Dipl.-Ing. Rainer Grzybowski, Dr.-Ing. Karl Steingröver; Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Erneuerbare Energien Zertifizierung; Hamburg Zusammenfassung Im Zuge der immer größer werdenden Windenergieanlagen müssen deren Hauptgetriebe auch weiter steigende Drehmomente am Getriebeeingang übertragen können. Dieses erfordert neue Getriebekonzepte, bei denen neben der Leistungsverzweigung in der ersten Planetenstufe weitere Leistungsverzweigungen, z.b. durch Parallelschaltung von zwei Planetenstufen notwendig werden. Des Weiteren müssen zukünftig die maßgeblichen Betriebsbereiche Volllast, Teillast und Trudeln stärker bei der Auslegung der Verzahnungen und Lager sowie bei der Getriebekonstruktion berücksichtigt werden. Dieses gilt insbesondere für die Mikrogeometrie von Verzahnungen und Lagern. Zudem wird die Überwachung zukünftiger Hauptgetriebe eine maßgebliche Rolle spielen. Hierzu müssen die Getriebe serienmäßig mit Schwingungssensoren, Ölsensoren sowie einer Drehmomentmessung ausgestattet werden. Mit Hilfe dieser Sensorik ist es dann möglich eine Abschätzung der Restlebensdauer für die einzelnen Verzahnungen und Lager durchzuführen. 1 Einleitung In den Antriebssträngen der meisten Windenergieanlagen (WEA) werden Getriebe eingesetzt. Derzeit ausgeführte Getriebe weisen eine Leistung bis 3 MW, in wenigen Fällen bis 6 MW auf. Noch größere Getriebe bis zu 12 MW sind zurzeit in der Entwicklung. Die Hauptunterschiede von Getrieben für WEA im Vergleich zu Industriegetrieben sind die Übersetzung ins Schnelle sowie das Fehlen eines soliden Fundaments. Die Nichtberücksichtigung dieser Unterschiede war sicherlich ein maßgebender Grund für die vergleichsweise hohe Ausfallrate bei Hauptgetrieben für WEA in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts. Auch wenn in den letzten Jahren die Verfügbarkeit von Getrieben für WEA deutlich gestiegen ist (siehe z.b. [1]), ist die Stillstandszeit einer WEA aufgrund eines Getriebeschadens immer noch vergleichsweise hoch, siehe Bild 1. Deshalb ist die Steigerung der Verfügbarkeit

2 während des Betriebs (im Normalfall 20 Jahre) auch weiterhin eine wichtige Anforderung an Hauptgetriebe für WEA. WEA-Stillstandszeit in Abhängigkeit von der Fehlerart Hydraulik Elektrik Elektronik Anemometer Azimutverstellung Sensoren Andere Rotor Aerodynamische Bremse Mechanische Bremse Blattverstellsystem Generator Hauptwelle / Hauptlager Getriebe Bild 1: WEA-Stillstandszeit in Abhängigkeit von der Ausfallart nach [1] 2 Getriebekonzepte 2.1 Aktuelle Getriebekonzepte Die überwiegende Anzahl heutiger Hauptgetriebe mit Übersetzungen im Bereich von i = 80 bis 100 ist nach dem Prinzip Planetenstufe mit zwei nachgeschalteten Stirnradstufen bzw. zwei Planetenstufen mit nachgeschalteter Stirnradstufe aufgebaut. Beispiele hierfür sind in Bild 2 dargestellt. Maßgebliches Designkriterium ist das vergleichsweise hohe Drehmoment am Getriebeeingang. Dieses hohe Drehmoment kann unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraumes nur durch Verwendung einer oder zwei Planetenstufe(n) am Getriebeeingang übertragen werden. 2.2 Zukünftige Getriebekonzepte Für WEA mit höheren Leistungen sind die in 2.1 dargestellten Getriebekonzepte nicht mehr so ohne weiteres anwendbar. Insbesondere die steigenden Drehmomente am Getriebeeingang erfordern neue Konzepte, bei denen neben der Leistungsverzweigung in der ersten Planetenstufe weitere Leistungsverzweigungen, z.b. durch Parallelschaltung von zwei Plane-

3 tenstufen und/oder durch Differentialplanetenstufen notwendig werden können. Zwei Beispiele sind hierfür sind in Bild 3 dargestellt. a) Konzept mit einer Planetenstufe und zwei Stirnradstufen b) Konzept mit zwei Planetenstufen und einer Stirnradstufe Bild 2: Typische Konzepte für Hauptgetriebe für WEA. a) bis 2 MW, b) bis 3 MW a) Konzept mit Differentialplanetenstufe b) Konzept mit Parallel- und Differentialplanetenstufe Bild 3: Typische Konzepte für Hauptgetriebe für WEA >> 2 MW 3 Auftretende Belastungen und daraus resultierende Anforderungen für Hauptgetriebe In Bild 4 sind zwei typische Lastkollektive (LDD) für Hauptgetriebe dargestellt, die als charakteristisch für die von den WEA-Herstellern vorgegebenen Kollektiven anzusehen sind. Diese Lastkollektive unterscheiden sich durch unterschiedlich gestaltete LCF-Bereiche (low cycle fatigue), während die HCF-Bereiche (high cycle fatigue) kaum Unterschiede aufweisen.

4 Das Lastkollektiv mit stark ausgeprägtem LCF-Bereich kann als charakteristisch für ältere WEA angesehen werden, während das Lastkollektiv mit kaum ausgeprägtem LCF-Bereich charakteristisch für moderne WEA ist. Die Unterschiede beruhen im Wesentlichen auf der Reglercharakteristik der WEA. Bild 4: Typische Lastkollektive für Hauptgetriebe Leitet man aus diesen Lastkollektiven eine Häufigkeitsverteilung ab, so ergeben sich für beide LDD praktisch identische Häufigkeitsverteilungen, da die Unterschiede in den Kollektiven im LCF-Bereich in der Darstellung als Häufigkeitsverteilung aufgrund der geringen Lastspielzahlen nicht mehr dominant in Erscheinung treten. Eine derartige Häufigkeitsverteilung ist in Bild 5 dargestellt. In diesem Bild sind drei maßgebliche Betriebsbereiche erkennbar: Volllast, Teillast und Trudeln. In vielen Fällen werden jedoch auch heute noch Getriebe nur nach dem Kriterium Nennmoment ausgelegt. Die in Bild 5 dargestellten maßgeblichen Bereiche finden dabei nur selten Berücksichtigung. 4 Anforderungen an zukünftige Hauptgetriebe Die Konstruktion von zukünftigen Hauptgetrieben sollte nicht mehr nur anhand des Nennmomentes erfolgen. Vielmehr sollten die besonderen Randbedingungen, die sich aus den Betriebsbereichen Volllast, Teillast und Trudeln ergeben, in der Konstruktion eines Hauptgetriebes berücksichtigt werden. Dieses soll nachfolgend beispielhaft anhand einiger Konstruktionsparameter näher verdeutlicht werden.

5 Rotordrehzahl nxr in min Belastungskollektiv, vave = 7,5 m/s C B A Rotordrehmoment M xr in knm A - Volllast B - Teillast C - Trudeln Rotorumdrehungen N Rotor in 20 Jahren Bild 5: Typische Belastungs-Häufigkeitsverteilung für WEA 4.1 Anwendungsgerechte Verzahnungsauslegung Die Verzahnungsauslegung erfolgt heute immer noch vorwiegend nach den Kriterien Flanken- und Fußtragfähigkeit (siehe z.b. [5]). Grauflecken- und Fresstragfähigkeit werden in den meisten Fällen erst nach der Auslegung verifiziert. In der Regel ergeben sich auch ausreichende Grauflecken- und Fresstragfähigkeiten, da in Hauptgetrieben für WEA üblicherweise Schmierstoffe verwendet werden, die durch spezielle Additivierungen höchste Fressbzw. Graufleckentragfähigkeiten aufweisen (FZG-Kraftstufe 12 (Fressen) und FZG-Kraftstufe 10 (Graufleckigkeit)). Hierbei ist jedoch folgendes zu beachten: Die FZG-Tests zu Ermittlung der Kraftstufen werden bei bestimmten Öltemperaturen ermittelt (siehe z.b. [6]). Im WEA- Betrieb treten diese Temperaturen aber je nach Betriebsbereich und Standort mehr oder weniger oft auf. Insbesondere im Teillastbetrieb sowie beim Übergang von Teillast zu Volllast werden diese Temperaturen nicht erreicht. Die Wirkung der Additive bei niedrigen Temperaturen ist jedoch in der Regel nicht bekannt. Deshalb sollten Verzahnungen so ausgelegt werden, dass für diese Schadensarten weit höhere Sicherheiten erzielt werden, als z.b. nach [2] gefordert. 4.2 Anwendungsgerechte Verzahnungskorrekturen Die Ausbildung der Tragbilder der einzelnen Verzahnungen hat maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer der Verzahnungen. In vielen Fällen werden die Korrekturen derart gewählt, dass sich bei Nennmoment ein möglichst großes Tragbild und somit eine gleichmäßige Pres-

6 sungsverteilung ergibt. Ein Beispiel hierfür ist in Bild 6 dargestellt. Hierdurch wird ein vergleichsweise kleiner Wert für den Breitenfaktor K Hß gemäß ISO [7] erzielt. Wird eine Verzahnung mit derartigen Korrekturen ausgeführt, führt dieses unter bestimmten Betriebsbedingungen jedoch zwangsläufig zu Kantenträgern, welche mittel- bis langfristig zu Graufleckigkeit oder gar Grübchen führen. Berücksichtigt man jedoch die unterschiedlichen Betriebsbereiche, so müssen die Korrekturen so gewählt werden, dass z. B. unter Volllast keine Kantenträger auftreten und sich unter Teillast noch ausreichend große Tragbilder ergeben (siehe Bild 7). Eine derartige Auslegung führt nach ISO allerdings zwangsläufig zu höheren Breitenfaktoren K Hß. Hier ist es zwingend notwendig, die ISO zukünftig so anzupassen, dass vernünftig ausgeführten Verzahnungskorrekturen im Vergleich zu nach Nennmoment ausgelegte Verzahnungskorrekturen kein rechnerischer Tragfähigkeitsnachteil entsteht. Die Vorgabe von Mindestwerten für K Hß, wie z.b. in [4] dargestellt, ist dabei nur als erster Schritt anzusehen. Bild 6: Beispiel für eine resultierende Flankenpressung für nach Nennmoment ausgelegte Korrekturen (K Hß = 1,08) Bild 7: Beispiel für eine resultierende Flankenpressung für an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen angepasste Verzahnungskorrekturen (K Hß = 1,24) 4.3 Anwendungsgerechte Lagerungen In Hauptgetrieben für WEA werden heute überwiegend Rollenlager eingesetzt, da diese eine vergleichsweise hohe Tragfähigkeit bei geringem Bauraum aufweisen. Die Mikrogeometrie (Bombierung) dieser Lager kann nur für einen Betriebspunkt optimiert werden. Bei nicht ausreichender Bombierung können somit bereits im Voll- sowie im oberen Teillastbereich hohe Kantenpressungen auftreten (siehe Bild 8), welche letztendlich zum Versagen der Lager führen. Wie schon bei der Mikrogeometrie der Verzahnungen kann durch eine optimale Formgebung der Wälzkörper sowie der Laufbahnen eine bessere Pressungsverteilung erreicht werden (siehe Bild 9). Für eine Lagerlebensdauer von 20 Jahren dürfen die Pressungen nach [2] und [3] im Wälzkontakt jedoch an keiner Stelle einen bestimmten Wert überschreiten (z.b N/mm 2 für Planetenlager).

7 Bild 8: Beispiel für Pressungsverteilung bei zylindrischen Wälzkörpern ohne Bombierung Bild 9: Beispiel für Pressungsverteilung bei zylindrischen Wälzkörpern mit Bombierung Hingegen kommt es beim Trudeln sowie im unteren Teillastbereich häufig vor, dass die Wälzkörper auf den Laufbahnen gleiten anstatt zu rollen. Diese sehr geringen Belastungen (hauptsächlich Eigengewicht der Bauteile) führen zu Schlupf, welcher in den genormten Berechnungsmethoden nicht berücksichtigt wird. Um einem Versagen der Lager unter diesen Bedingungen zu vermeiden, muss bei der Auswahl der Lager dieser Lastzustand gesondert beachtet werden. Außerdem führen die unterschiedlichen Betriebsbereiche bei der Auslegung der Wälzlager auch zu unterschiedlichen Lebensdauerbeiwerten a ISO. Die niedrigsten Lebensdauerbeiwerte ergeben sich beim Trudeln und im unteren Teillastbereich. Für diese Bereiche müsste anstelle mit der äquivalenten Drehzahl mit der aktuellen Drehzahl gerechnet werden. Dieses muss zukünftig bei der Berechnung der Lebensdauer berücksichtigt werden. 4.4 Berücksichtigung von WEA-spezifischen Schadensarten Gemäß Bild 5 ist das Trudeln (praktisch keine Belastung und keine Drehzahl) ein maßgeblicher Betriebsbereich. Dieser wird jedoch üblicherweise beim Design von Getrieben nicht berücksichtigt. In diesem Betriebsbereich, insbesondere mit aktivierter Rotorarretierung, können jedoch Schäden an den Verzahnungen und Lagern auftreten, welche aus anderen Anwendungen so nicht bekannt sind. Es handelt sich hierbei um sogenannte Stillstandsmarkierungen. Ein typisches Beispiel ist in Bild 10 dargestellt.

8 Bild 10: Stillstandsmarkierung auf den Zahnflanken einer schrägverzahnten Stirnradstufe Derartige Stillstandsmarkierungen entstehen durch Mikrobewegungen im Zahnflankenkontakt. Die Gleitverhältnisse innerhalb dieser Mikrobewegungen sind allerdings nicht ausreichend um einen stabilen Schmierfilm zu erzeugen. Aufgrund des Metall-Metall-Kontaktes entsteht Korrosion. Die langfristige Auswirkung der Stillstandsmarkierungen auf die Lebensdauer der Verzahnungen und Lager ist allerdings noch nicht bekannt. Abhilfe könnte z.b. durch einen zusätzlichen Hilfsantrieb geschaffen werden, welcher im Bereich des Trudelns das Getriebe kontrolliert in Bewegung hält. 5 Überwachung von Getrieben Die Überwachung von Hauptgetrieben für WEA beschränkt sich zurzeit auf die Messung einiger Lagertemperaturen. Wird ein Condition Monitoring System (CMS) auf der WEA installiert, erfolgt zusätzlich eine Schwingungsüberwachung mittels einiger weniger Sensoren, die nachträglich an dem Getriebe appliziert werden. Gemäß [3] ist eine Schwingungsüberwachung für Offshore-Anwendungen zwingend vorgeschrieben. Aktuell können in vielen Fällen sich ankündigende Schäden an Verzahnungen und Lagern mittels CMS detektiert werden. Die jetzige wenig professionelle Überwachung ist für zukünftige Hauptgetriebe nicht mehr akzeptabel. Insbesondere fehlen Informationen zur Belastung des Getriebes sowie zum Ölzustand. Aus diesem Grund werden zukünftige Hauptgetriebe serienmäßig mit Schwingungs- und Ölsensoren ausgestattet werden. Des Weiteren wird eine Drehmomentmessung z.b. am Getriebeausgang integriert werden.

9 6 Zusätzliche Konstruktionsmerkmale Zukünftige CMS werden eine Abschätzung der Restlebensdauer der maßgeblichen Getriebekomponenten (vor allem Verzahnungen, Lager) auf Basis von akkumulierten Messwerten beinhalten. Im Bild 11 ist das zukünftige Zusammenspiel zwischen dem Getriebe, CMS und Betriebsführung (BF) graphisch dargestellt. Betriebsführung Betreiber Datenhandling Getriebe Restlebensdauer Überwachungsstelle Condition Monitoring System Bild 11: Zukünftige Verknüpfung zwischen Getriebe und CMS / BF Diese Restlebensdauerabschätzungen werden für Verzahnungen und Lager auf dem Wöhlerlinienprinzip [8] bzw. dem Miner-Prinzip [9] basieren, welche immer noch die Grundlage für die jeweilige Auslegung der Verzahnungen und Lager bilden. Hier bestehen zwei Möglichkeiten: Abschätzung der Restlebensdauer aus der Extrapolation der aktuellen akkumulierten Belastung: Bei diesem Verfahren wird die Restlebensdauer kontinuierlich ausgegeben. Vergleich der aktuellen Belastung mit dem Auslegungskollektiv: Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass ein Bauteil 20 Jahre hält. Nur in dem Fall, dass die aktuelle akkumulierte Belastung das Auslegungskollektiv überschreitet, wird die Gesamtlebensdauer entsprechend reduziert. Voraussetzung für beide Verfahren ist, dass die Belastung kontinuierlich gemessen werden muss. Zusätzlich müssen diejenigen Größen, die maßgebenden Einfluss auf die Lebensdauerberechnung haben, kontinuierlich gemessen werden. Des Weiteren muss das

10 Schwingverhalten (= Lastüberhöhung) in die Restlebensdauerberechnung integriert werden. Mit Hilfe dieser Messwerte kann dann die Abschätzung der Restlebensdauer kontinuierlich verfeinert werden. In Bild 12 ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt. Bild 12: Einflussgrößen auf die aktuelle Belastung 7 Ausblick WEA-Getriebe sind als komplexe Gebilde zu sehen, deren Betriebssicherheit zukünftig -vor allem für Offshore-Anwendungen- nur noch mit entsprechend adaptierten Condition Monitoring Systemen gewährleistet werden kann. Zukünftig müssen bei der Auslegung des Getriebes die drei hauptsächlichen Betriebsbereiche (Voll- und Teillast sowie Trudeln) stärker beachtet werden. Durch Vergleich der Auslegungsdaten des Getriebes mit der gekoppelten Überwachung aus Betriebsführung und Sicherheitssystem sowie dem CMS kann dann die Restlebensdauer einzelner Bauteile (insbesondere Verzahnungen und Lager) bestimmt werden. 8 Literatur [1] McMillan, D.; Ault, G.W.: Specification of Reliability Benchmarks for Offshore Wind Farms. Institute for Energy & Environment, Department of Electronics and Electrical Engineering, University of Strathclyde, Glasgow, United Kingdom (2010)

11 [2] Germanischer Lloyd: Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen (2010) [3] Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines (in Vorbereitung für 2012) [4] Grzybowski, R.; Steingröver, K.: Das Getriebe für Windenergieanlagen im Fokus der nationalen und internationalen Normung. Dresdner Maschinenelemente Kolloquium - DMK (2007) [5] Niemann, G.; Winter, H.: Maschinenelemente Band II. 2. Auflage, Springer (1988) [6] ISO :2000, Gears - FZG - test procedures - Part 1: FZG test method A/8.3/90 for relative scuffing load-carrying capacity of oils. [7] ISO :2006, Calculation of load capacity for spur and helical gears - Part 1: Basic principles, introduction and general influence factors. [8] Wöhler, A.: Bericht über die Versuche, welche auf der Königlich-Niederschlesischen- Märkischen Eisenbahn mit Apparaturen zum Messen der Biegung und Verdrehung von Eisenbahnwagen-Achsen während der Fahrt, Zeitschrift für Bauwesen, 8 (1858) 642 [9] Miner, M.A.: Cumulative damage in fatigue. J. Appl. Mech. 12 (1945) 159