ib24 Ingenieurbüro Hubert Gregorius

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1 Ingenieurbüro Hubert Gregorius ib24 Thema des Vortrages ist Optimierte Schmierstoffe in Windenergieanlagen Was bietet/braucht der Markt?. Hauptanlass ist dabei, eine Vorstellung davon zu vermitteln, was einen optimalen Schmierstoff ausmacht. Welche Sichtweisen gehören zum Begriff optimal, welche Schmierstoffhersteller liefern Öle und Fette in die Windkraft und kann es den optimalen Schmierstoff überhaupt geben? Was bedeutet optimaler Schmierstoff? Ausgehend davon, dass jeder der an der Windkraft Beteiligten sei es der Getriebe-, Lager-, Windenergieanlagenhersteller oder der Endkunde - seine Wünsche erfüllt haben möchte, bieten sich jeweils andere Kriterien für einen Schmierstoff der passt. Wobei konträre Wünsche nicht nur möglich sind, sondern tatsächlich auch auftreten. Der Betreiber einer WEA hat z. B. das Bestreben einen preisgünstigen Schmierstoff einsetzen zu können, wo hingegen der Schmierstoffhersteller einen möglichst hohen Preis erzielen möchte. Die Getriebe- und Lagerhersteller fordern beide eine optimale Schmierung ihrer Bauteile. Deren Bedingungen sind aber teilweise sehr unterschiedlich. So soll nun der Schmierstoff der Diener vieler Herren sein was bekanntlich nicht einfach bzw. unmöglich ist. Noch schwieriger wird es, wenn durch eine ein- oder gar mehrseitige Optimierung sei es die Optimierung in der Herstellung, Vereinfachung der Logistik oder äußere Zwänge, dabei die Praxis auf der Strecke bleibt. Denn letztendlich ist es einer Verzahnung, einem Wälzlager, einer Pumpe oder einem Filter völlig egal ob der Schmierstoff preiswert oder teuer ist, aus der Kanne oder dem Tankwagen kommt oder firmenpolitische Entscheidungen zum Einsatz geführt haben. Entscheidend ist, dass in jedem Punkt des Einsatzes und unter jeder Betriebsbedingung eine ausreichende Schmierung und Kühlung gewährleistet ist. Das bedeutet für den Einsatz in einer Windenergieanlage, dass alle Schmierstoffe im Sommer und Winter, bei Stillstand und unter Volllast pump- und filtrierbar sein müssen und einen ausreichenden Schmierfilm bilden. Dies führt zu der Überlegung, dass es primäre und sekundäre Eigenschaften eines Schmierstoffes gibt. Wobei die primären auf jeden Fall erfüllt werden müssen und die sekundären eine eher untergeordnete Rolle spielen. Daraus darf aber nicht abgeleitet werden, dass sekundäre Eigenschaften ganz ausgeblendet werden können. Auch Korrosion, übermäßige Schaumbildung, zu geringe oder zu intensive Ölabgabe führen mittel- oder langfristig zu unzulässigen Betriebszuständen und Ausfall eines Bauteiles. Aber was sind nun die primären Eigenschaften eines Schmierstoffes und wer bestimmt die Bedingungen? Auf keinen Fall werden sie vom Hersteller des Schmierstoffes, des Getriebes, des Lagers oder des Filters bestimmt, auch nicht vom Betreiber. Einzig und allein die Physik, Chemie, Umgebungsbedingungen und Tribologie bestimmen welche Eigenschaften der Schmierstoff haben muss. Dies sind: Wärmeleitfähigkeit, spez. Wärmekapazität, Druck-Viskositäts-Koeffizient, Viskositätsindex und die Viskosität im Betriebspunkt. Wie schon gesagt, dürfen natürlich Korrosionsschutz, Schaumverhalten, Wasseraufnahmefähigkeit, Rückstandsbildung, Filtrierbarkeit, Mischbarkeit und weitere Eigenschaften nicht vernachlässigt werden. Sind sie doch für einen langjährigen Einsatz ohne Komplikationen - mit Bauteilen die nicht an der Leistungsübertragung beteiligt sind - mit verantwortlich. Ein weiterer Aspekt für den Einsatz von optimalen Schmierstoffen ist die derzeitige Technologie. In der Vergangenheit wurden - genau wie heute die Anlagen nach dem Stand der Technik entwickelt und konzipiert. Ständig kommen neue Erkenntnisse auf, die auch in die Produkte einfließen. Das bedeutet, dass wir die Sicherheiten genauer einschätzen können, sprich den Unsicherheitsfaktor verkleinert haben. Was aber, wenn ein einzelnes Bauteil seine Funktion nicht zu 100% erfüllen kann? Oder mehrere Bauteile/Funktionen in Kombination es nicht können? Seite 1 von 4

2 Ingenieurbüro Hubert Gregorius ib24 Dies kann heute sehr schnell zu einem Schaden führen, da die unbekannten Sicherheiten die früher noch vorhanden waren jetzt nicht mehr da sind. In solchen Fällen sind optimale Schmierstoffe mit einem besonderen Konzept und speziellen technischen Werten noch eine Möglichkeit um Probleme in den Griff zu bekommen. Optimale Schmierstoffe sind nicht diejenigen die aus einem Standardprogramm herausgenommen wurden, beste Profite erzielen, einfach zu Händeln oder zu besorgen sind, sondern die, die gezielt für den Einsatz unter bekannten Bedingungen und Belastungen und unter Berücksichtigung der eingesetzten, technischen Komponenten entwickelt worden sind und über ihren gesamten Lebenszyklus keine Veränderung erleben. Was braucht der Markt? Ausgehend von den primären Eigenschaften eines Schmierstoffes also den Eigenschaften die für einen stetigen Schmierfilm zwischen den Kontaktpartnern und der Wärmeabfuhr notwendig sind, ist klar, worauf das Hauptaugenmerk bei der Auswahl eines Schmierstoffes zu richten ist. Wie schnell und wie viel Energie kann der Schmierstoff aufnehmen und wieder abgeben und kann die aktuell erforderliche Schmierspalthöhe bei den Gleitverhältnissen erzeugt und bei der herrschenden Temperatur und dem herrschendem Druck aufrechterhalten werden? Diese Frage führt zu den produktspezifischen Eigenschaften eines Schmierstoffes: - Viskositätsindex - Viskosität im Betriebspunkt - spezifische Wärmeaufnahmekapazität - Wärmeleitfähigkeit - Druck-Viskositäts-Koeffizient Bedauerlicherweise sind die vorgenannten Werte kein Gegenstand der Produkt-Datenblätter und erfahrungsgemäß nicht bekannt. Ausnahme ist der Viskositätsindex, der leicht über eine Formel errechnet werden kann und nur die Viskosität bei 40 C und 100 C benötigt. Anders sieht es bei den übrigen Werten aus. Hierzu sind aufwändige und kostenintensive Tests notwendig. Aufgrund Kosteneinsparung werden allgemeine Werte herangezogen, die in der Vergangenheit von einem renommierten Schmierstoffhersteller für seine Produkte ermittelt worden sind. Diese Vorgehensweise ist ungenügend. Neue Untersuchungen eines bekannten Institutes haben ergeben, dass Druck-Viskositäts-Koeffizienten sehr stark vom Grundöl abhängig sind und differieren. Als Konsequenz folgt daraus, dass Änderungen an einem Produkt neue Messungen erforderlich machen. Noch sicherer wäre es die Produkte so zu belassen wie sie entwickelt wurden. Keiner ist derzeit in der Lage vorherzusagen welche Änderung sich letztendlich wie auswirkt. Erfahrungen aus der nahen Vergangenheit haben gezeigt, dass geringfügige Änderungen auch wenn sie als Verbesserung gedacht waren, ungeahnte negative Folgen haben. Neben den vorgenannten produktspezifischen Eigenschaften eines Schmierstoffes sind natürlich noch weitere Faktoren wie Durchmesser und Drehzahl der Wälzlager und der Zahnräder zu berücksichtigen. Daraus und natürlich dem Wind den man nicht im Griff hat, folgen Seite 2 von 4

3 Ingenieurbüro Hubert Gregorius ib24 Umfangsgeschwindigkeiten die den gesamten Bereich von 0 bis 100 % abdecken. Da unterschiedliche Viskositätslagen zum gleichen Zeitpunkt nicht vorherrschen können wird klar, dass eine einmal festgelegte Viskositätslage nur ein Kompromiss sein kann. Was bietet der Markt? Während der Windenergiemarkt im stetigen Steigen begriffen ist, sind immer mehr Konsolidierungen bei den Schmierstoffherstellern zu verzeichnen. Wie im Fischbecken verschlingt der Große den Kleinen und verändert damit die Wettbewerbssituation. Dabei sind sichtbare und unsichtbare Folgen mehr oder weniger erkennbar. Sichtbare und spürbare Folgen sind Marken- und Produktschwund, wechselnde Zuständigkeiten und Verlagerungen. Unsichtbare Folgen sind z. B. Änderungen in der Herstellung und den Produkten, und Rebranding. Besonders spürbar sind die Auswirkungen im Service und Support. Endkunden sind davon besonders betroffen und wünschen sich Verbesserungen. Trotz alledem ist es nicht einfach ein Produkt seiner Wahl einzusetzen. Die Schmierstoffhersteller haben einige Hürden zu überwinden, um letztendlich die Chance für den Einsatz eines Ihrer Produkte zu bekommen. Zu den Hürden zählen Normen und Richtlinien, Anforderungen der Getriebehersteller, der Lagerhersteller und der Windenergieanlagenhersteller. Alles zusammen hat bislang dazu geführt, dass nur eine Handvoll Öle und Fette eine Freigabe für den Einsatz in WEA hat. Wobei berücksichtigt werden muss, dass es die generelle Freigabe nicht gibt. Jeder der Beteiligten hat seine spezifischen Vorstellungen die sich in Tests wie z. B. Fresstests, Graufleckentests, FE-8 Wälzlagertest und False Brinelling Test äußern. Gibt es den optimalen Schmierstoff? Es ist vorstellbar einen Schmierstoff zu entwickeln, der das Gros der standardisierten Tests besteht. Leider spiegelt jeder einzelne Test aber nur einen kleinen Teil der tatsächlichen Bedingungen in und um Windkraftanlagen wieder. Man muss sich deshalb wohl damit abfinden, dass es den Schmierstoff nicht geben wird. Und um mit den Worten von George Herbert zu sprechen: Ein magerer Kompromiss ist besser als ein dicker Prozess. Dipl.-Ing. Hubert Gregorius Seite 3 von 4

4 Ingenieurbüro Hubert Gregorius ib24 Literatur Elastohydrodynamische Schmierung Marek Wisniewski. Handbuch der Tribologie und Schmierungstechnik Band 9 Expert Verlag - ISBN expert Praxislexikon Tribologie PLUS Wilfried J. Bartz; Uwe Jens Möller Ausgabe - Expert Verlag - ISBN Druck- u. Temperatureinfluss auf Viskosität und Kompressibilität von flüssigen Stoffen Jochen Blume. Dissertation von 1987 Fakultät für Maschinenwesen der RWTH Aachen Graufleckentragfähigkeit Abschlußbericht aus Forschungsvorhaben Nr. 259/I; Heft 583, 1999 Forschungsheft Forschungsvereinigung Antriebstechnik E.V. Schmierstoffe im Betrieb Uwe Jens Möller; Jamil Nassar Auflage - Springer Verlag (VDI-Buch) ISBN Seite 4 von 4

5 Thema Optimierte Schmierstoffe für Windenergieanlagen Dipl.-Ing. Hubert Gregorius Technische Akademie Esslingen März 2005

6 Gliederung Schmierstoffe Anforderungen und Eigenschaften Der Markt Was braucht er? Was bietet er?

7 Schmierstoffe - Was ist Optimal? Anforderungen aus der Sicht von Schmierstoffherstellern Getriebe- + Lagerhersteller Windenergieanlagenhersteller Betreiber Praxis

8 Schmierstoffhersteller Geringe Entwicklungs-u. Herstellkosten Einfache und preiswerte Inhaltsstoffe Gute Lösungseigenschaften Erfüllung der Vorgaben aus DIN T3 Monetäre Effizienz

9 Getriebe- und Lagerhersteller Hoher Schutz gegen Verschleiß und GF Guter Korrosionsschutz Gutes Ölabgabevermögen Geringe Schaumneigung Hohes Luftabscheidevermögen Erfüllung aller Freigabeforderungen

10 Windenergieanlagenhersteller Hohe Verfügbarkeit des Produktes Einfache Handhabung und Lagerhaltung Lange Standzeit + Produktstabilität Keine gesundheitlichen Risiken Alle Freigaben von Getriebe- + Lagerherstellern

11 Betreiber Geringer Preis + Bestes Produkt Lange Standzeit Keine Rückstandsbildung Hohe Verfügbarkeit Kostenloser und schneller Support

12 Anforderungen aus der Sicht der Praxis Scherstabilität Schmierspalthöhe Ölabgabevermögen Wärmeaufnahme und -abgabe Reibungsminderung

13 Mischungsverhältnis Fertiges Produkt η = 320 mm²/s Grundöl Additiv VI-Verbesserer η = 211 mm²/s Anteil: 80 % η = 220 mm²/s Anteil: 10 % η = 150 mm²/s Anteil: 10 % η = mm²/s

14 Mineralöl v 40 = 320 mm²/s v 100 = 24 mm²/s VI = 95 Esteröl v 40 = 320 mm²/s v 100 = 36,1 mm²/s VI = 160 Poly-a-Olefin v 40 = 320 mm²/s v 100 = 32,1 mm²/s VI = 140 Polyglykol v 40 = 320 mm²/s v 100 = 52,5 mm²/s VI = 230

15 Viskositätsverlauf

16 Viskositätsverlauf

17 Viskositätsverlauf

18 0,9 / 1,3 0,37 / 0,55 Umfangsgeschwindigkeiten 2/3 und 3/3 Stufe in m/s 2,8 / 4,2 0,8 / 1,2 8,3 / 12,4 2,5 / 3,8 7,0 / 10,6

19 K Konvektion R Strahlung L Leitung

20 Die spezifische Wärmekapazität c p ist die Wärmemenge, die erforderlich ist um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erhöhen. Flüssigkeiten Metalle Wasser 4,183 Aluminium 0,921 Alkohol 2,47 Glyzerin 2,39 Öl 1,88 2,05 Stahl 0,50 0,67 Kupfer 0,385 Messing 0,377 c p = C m kj kg K Blei 0,130 Quecksilber 0,138

21 Beispielrechnung für Mischtemperatur Q = m c p ΔT m g T g = m 1 T m n T n Ölfüllung 300 Liter (270 kg) Dichte 900 kg/m³ Ölsumpftemperatur 65 C Pumpmenge 40 l/min (36 kg) T g = m 1 T 1 + m 2 T 2 m g T 2 = 90 C ΔT= 3 C T 2 = 110 C ΔT= 6 C T 2 = 130 C ΔT= 9 C

22 P = kw n = Upm d 0 = 210 mm B = 150 mm b = 1 mm p = 4042 bar Innerhalb von 0,0002 s kann der Druck beim EHD-Kontakt um das fache steigen.

23 Druckisothermen für ein gemischtbasisches Mineralöl der ISO VG 100 mit folgender Kohlenstoff-Verteilung: C in aromatischer Bindung: C A 19 % C in naphthenischer Bindung: C N 22 % C in paraffinischer Bindung: C P 59 % Aromatisch: > 50 % Aromaten = Ringförmig, ungesättigt Naphthenbasisch: > 70 % Naphthene = Ringförmig, gesättigt Paraffinbasisch: > 75 % Paraffine = Kettenförmig, gesättigt Die Abhängigkeit der Viskosität von Druck und Temperatur ist entscheidend für die Schmierfilmeigenschaften eines Schmierstoffes.

24 Druck-Viskositäts-Koeffizient α [10-4 m²/n] für Öle der ISO VG C 70 C 100 C 130 C Mineralöl 2,14 1,61 1,23 0,96 PAO 1,29 0,99 0,79 0,64 Polyglykol 1,18 0,93 0,75 0,62 Silikonöl 2,73 2,13 1,71 1,40 Das Druck-Temperatur-Viskositätsverhalten ist stark abhängig vom verwendeten Grundöl und zugesetzten VI-Verbesserer.

25 Druck-Viskositäts-Koeffizient für Öle der ISO VG p-v-koeffizient a [10-4 m²/n] 2,5 2 1,5 1 0, Temperatur [ C] Mineralöl PAO Polyglykol Silikonöl

26 Schmierfilmdicke nach Dowson / Toyoda h 0 = 3,06 α P 0,56 η 0 0,69 u 0,69 w -0,1 E -0,03 R 0,41 Ein Schmierfilm ist tausendmal dünner als lang.

27 Relativer Druck-Viskositäts-Koeffizient α 0,56 für Öle der ISO VG C 70 C 100 C 130 C Mineralöl 140 % 136 % 132 % 128 % PAO 105 % 104 % 103 % 102 % Polyglykol 100 % 100 % 100 % 100 % Silikonöl 160 % 159 % 158 % 158 % Entscheidend für die Prognose der Schmierfilmdicke ist die genaue Kenntnis vom Druck-Viskositäts-Koeffizient bei Betriebszustand. Dieser muss für jedes abweichende Grundöl bzw. VI-verbesserte Öl neu bestimmt werden.

28 Schleifringe Offene Verzahnung Blattlager Generatorlager Gondellager Rotorlager Hydraulik Pitchantrieb Azimutantrieb Hauptantrieb Was bietet der Markt?

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Diskussion