Schwingungstechnik in Windkraftanlagen Franz Mitsch, Dr. Karl-Heinz Hanus, ESM GmbH

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1 Schwingungstechnik in Windkraftanlagen Franz Mitsch, Dr. Karl-Heinz Hanus, ESM GmbH Der einfachste Fall eines schwingenden Systems ist der Einmassen-Schwinger mit einem Freiheitsgrad, eine Masse an einer Feder und einem Dämpfer auf einem festen Fundament gelagert. Schwingungstechnisch wird diese Anordnung durch die 1 c Eigenfrequenz f bestimmt: f = (für den Fall Dämpfung = 0), wobei c die 2π m Steifigkeit der Feder und m die Masse ist. Wird der Einmassen-Schwinger am Fußpunkt mit konstanter Amplitude X1 erregt, so schwingt in Abhängigkeit von der Frequenz die Masse mit einer bestimmten Amplitude X2. Das Verhältnis dieser Amplituden wird als Übertragungsfunktion T bezeichnet und ist in Abbildung 1 für verschiedene Dämpfungen dargestellt. Abbildung 1: Übertragungsfunktion eines Einmassen-Schwingers Daraus ist zu erkennen, dass für Frequenzen deutlich kleiner wie die Eigenfrequenz die Ausgangsamplitude gleich der Eingangsamplitude ist und um die Eigenfrequenz herum die Ausgangsamplitude deutlich größer der Eingangsamplitude ist. Für Frequenzen größer 2 Eigenfrequenz ist die Ausgangsamplitude kleiner wie die Eingangsamplitude, d.h. die Masse ist von der Schwingung am Fußpunkt isoliert. Da dies auch in der umgekehrten Richtung funktioniert, bedeutet dies, dass Schwingungen (Körperschall), die von der Masse (Maschine) ausgehen, nur abgeschwächt bzw. nicht an den Fußpunkt (Fundament) übertragen werden. In Abbildung 1 ist auch zu erkennen, dass eine höhere Dämpfung die Ausgangsamplitude im Bereich der Verstärkung reduziert, während die Isolation mit zunehmender Dämpfung etwas geringer wird. Die in Abbildung 1 gezeigten Dämpfungen sind zum einen für ein typisches Lagerelastomer (Verlustwinkel = 8 ) und zum anderen für ein hochdämpfendes Elastomer (Verlustwinkel = 20 ) dargestellt.

2 In Abbildung 1 wurde zur Beschreibung der Dämpfung - wie bei der Beschreibung von Polymeren bzw. Elastomeren üblich - der Verlustwinkel δ verwendet. Der im Maschinenbau öfters verwendete Dämpfungsgrad D ist für kleine Dämpfungen gleich der Hälfte des Verlustfaktors: D = tan(δ) / 2. In der realen Welt der Schwingungstechnik ist die oben erwähnte Masse eine Maschine, z.b. Getriebe oder Generator einer WKA, die an drei oder vier Stellen elastisch gelagert ist. Damit hat dieses System 6 Freiheitsgrade drei translatorische und drei rotatorische. Diese können am bestehenden System messtechnisch mit Hilfe der Modalanalyse ermittelt werden. Während der Entwicklungsphase können die Positionen der Elastomerlager sowie Steifigkeiten und Dämpfung mit Hilfe von Mehrkörper-Simulations-Programmen optimiert werden. Damit kann vermieden werden, dass z.b. Eigenfrequenzen des Generators mit Anregungsfrequenzen aus dem Antriebsstrang zusammenfallen. An die Lagerelemente werden bestimmte Anforderungen gestellt. Wie oben beschrieben sollten die Teile eine möglichst niedrige Steifigkeit und Dämpfung haben um eine optimale Körperschallisolation zu erhalten. Gleichzeitig wirkt sich eine höhere Dämpfung positiv auf die niederfrequenten Schwingungen aus. Außerdem muss das Gewicht der Maschine getragen und alle auftretenden Kräfte sicher und dauerhaft übertragen werden. Dazu sollten die Lagerelemente möglichst steif sein. Diese sich widersprechenden Anforderungen müssen für eine korrekte und sichere Funktion der Bauteile entsprechend optimiert werden. Aufgrund dieser Anforderungen kommen als Lagerelemente sehr häufig Gummi- Metall-Elemente zum Einsatz. In Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und den auftretenden Lasten können hierbei verschiedene Elastomertypen gewählt werden. Für die elastische Lagerung von Maschinen werden im allgemeinen Elastomermischungen auf Basis von Naturkautschuk verwendet. Im Vergleich zu den meisten synthetischen Elastomeren zeichnet sich Naturkautschuk durch eine hohe Festigkeit, sehr gute dynamische Lebensdauer und hohe Elastizität aus. Leider ist dies gepaart mit einer geringen Beständigkeit gegenüber Ölen und Fetten sowie einer begrenzten Hitzebeständigkeit. Ist eine hohe Öl- und Hitzebeständigkeit und/oder eine hohe Dämpfung gefordert, so müssen Elastomermischungen auf Basis von Synthesekautschuk eingesetzt werden. Lagerung des Antriebsstranges Hinsichtlich des Antriebsstranges gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Systeme von Windkraftanlagen. Das sind Anlagen mit Getriebe und getriebelose Anlagen. Im Folgenden wird die elastische Lagerung für beide Anlagentypen betrachtet. Getriebelagerung Die elastische Getriebelagerung hat grundsätzlich folgende Aufgaben zu erfüllen: Übertragung der am Getriebe auftretenden Kräfte Isolation des am Getriebe auftretenden Körperschalls Dämpfung von Schwingungen der Windkraftanlage

3 Es werden fünf unterschiedliche Getriebe-Lagerkonzepte betrachtet: Frei aufgeständerte Getriebe mit integrierter Rotorwelle Diese Lagerung wurde bisher für Getriebe von Pitch- und Stall-Anlagen im Leistungsbereich zwischen 600kW und 1.5MW eingesetzt. Zwischen dem Getriebe und dem Maschinenträger sind je nach Anlagentyp 4-8 Elastomerlager angeordnet, welche Zug-, Schub- und Druckkräfte bei gleichzeitig optimierter Körperschallisolation und Dämpfung übertragen (Abbildung 2). Abbildung 2: Frei aufgeständertes Getriebe mit integrierter Rotorwelle Bei diesem System ist die Getriebe-Rotorwelleneinheit direkt mit dem Rotor verbunden. Alle am Rotor auftretenden Kräfte werden bei dieser Lagerung vom Getriebe und anschließend von der Körperschallisolation übertragen. Das heißt, dass die Elastomerlager das Rotor- und Getriebegewicht, das Rotordrehmoment sowie alle am Rotor angreifenden Nick- und Gierkräfte übertragen. Getriebe mit Dreipunktlagerung Die Dreipunktlagerung ist bei Anlagen im Leistungsbereich zwischen 500kW bis über 4MW sowohl bei Stall- als auch bei Pitch-geregelten Anlagen stark verbreitet. Bei dieser Lagerung fließt nur ein Teil der Rotorkräfte über das Getriebe, so dass dieses deutlich leichter gebaut werden kann. Die relativ lange Rotorwelle ist direkt hinter dem Rotornabenflansch mit dem Hauptlager, in der Regel ein Pendelrollenlager, gelagert. Das Getriebe ist auf das hintere Ende der Rotorwelle aufgesteckt. Die Aufgabe der Schwingungsisolierung ist es, das Getriebe an zwei Lagerpunkten elastisch im Maschinenträger aufzuhängen. Die Lagerung muss das Drehmoment sowie einen Teil der am Rotor entstehenden Nick- und Gierkräfte bei gleichzeitiger Körperschallisolation und Dämpfung übertragen. Da in der Regel die Schwingungen des Getriebes hauptsächlich senkrecht zu den axial angeordneten Getriebewellen, d.h. in Umfangsrichtung,

4 horizontal und vertikal auftreten, reicht die Körperschallisolation in der Getriebeebene aus. Die Lagerung erfolgt über die am Getriebe angegossenen Drehmomentstützen über geschlossene Buchsen oder über montagefreundlichere, zweigeteilte Spannbuchsen (Abbildung 3). Zur Anpassung an die jeweiligen Anforderungen werden die Buchsen mit einer bis drei Elastomerschichten ausgeführt. Das Gegenlager ist mit dem Maschinenträger verschraubt. Zur Anordnung der Lager gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Eine Buchse wird in die Drehmomentstützen eingebaut. Vor und hinter der Drehmomentstütze ist ein Lagerbock, welcher den Bolzen der Buchse trägt. Für größere Anlagen werden zwei Buchsen auf jeder der beiden Getriebeseiten - vor und hinter der Getriebe-Drehmomentstütze - angeordnet. Beide Buchsen werden durch einen Bolzen verbunden, welcher in die Getriebe-Drehmomentstütze eingepresst ist. Abbildung 3: Getriebe mit Dreipunktlagerung Getriebe mit doppelter Rotorwellenlagerung oder Vierpunktlager In jüngster Zeit werden besonders größere Anlagen im Leistungsbereich über 2MW verstärkt mit doppelter Rotorwellenlagerung ausgeführt. Diese Lagerung überträgt nur die Torsionskräfte. Um Zwangskräfte vom Getriebe fernzuhalten, müssen die Rückstellkräfte möglichst klein sein. Die Lagerung erfolgt in der Regel ähnlich wie bei der Dreipunktlagerung. Neuerdings wird die Lagerung auch mit speziell für diesen Einsatz entwickelten Pendelstützen oder Klemmlagern ausgeführt. Momentenlager Getriebe mit Momentenlager werden, so wie bei der Vierpunktlagerung üblich, elastisch gelagert. Ringförmige Lagerung der Getriebe-Rotoreinheit Bei dieser Lagerung wird die gesamte Rotor-Getriebeeinheit mit kreisförmig um das Getriebe angeordneten Elastomerlagern am Maschinenträger befestigt (Abbildung 4). Diese Elemente übertragen das Rotor- und Getriebegewicht, das Rotordrehmoment sowie alle am Rotor angreifenden Nick- und Gierkräfte. Diese Lagerung wurde bisher für Getriebe von Pitch-Anlagen im Leistungsbereich zwischen 600kW und 1.5MW eingesetzt.

5 Abbildung 4: Ringförmige Lagerung der Getriebe-Rotoreinheit Elastische Lagerung von Generatoren Lagerung schnelllaufender Generatoren von Getriebeanlagen Diese Lagerung hat die Aufgabe, den im Generator entstehenden Körperschall vom Maschinenträger zu isolieren. Gleichzeitig müssen die am Generator auftretenden Kräfte von den Elastomerlagern übertragen werden. Häufig ist es auch erforderlich, den im Bereich des Generators relativ weichen Maschinenträger mit den Generatorlagern zu bedämpfen. Die Generatoren werden in der Regel mit vier Elastomerlagern am Maschinenträger befestigt. Um die Generatoren ausrichten zu können, sind die Lager mit einer Höheneinstellung ausgestattet. Lager für langsam laufende Generatoren von getriebelosen Anlagen Langsam laufende Generatoren sind in der Regel starr mit dem Maschinenträger verbunden. Zur besseren Körperschallisolation sowie zur Bedämpfung niederfrequenter Schwingungen und für eine gleichmäßige Lasteinleitung können auch diese Generatoren elastisch gelagert werden. Dazu werden mehrere Elastomerelemente ringförmig zwischen Generator und Maschinenträger angeordnet. Diese Elemente müssen, vergleichbar mit den Getriebelagerungen, alle am Rotor auftretenden Kräfte übertragen. Niederfrequente Schwingungen von Windkraftanlagen Eine Windkraftanlage ist ein nahezu ungedämpftes Schwingungssystem mit vielen Freiheitsgraden. Ein solches System neigt dazu, bereits bei geringer Anregung in den jeweiligen Eigenfrequenzen stark zu schwingen. Dominierende Schwingungen in Windkraftanlagen sind die erste bis dritte Turm- Biegeeigenfrequenz, die jeweils erste bis dritte Eigenfrequenz der Rotorblätter, edgewise und flapwise, sowie die Torsionsschwingungen der genannten Bauteile

6 und des gesamten Triebstranges. Zusätzlich treten Überlagerungen der genannten Schwingformen auf. Schwingungen einzelner Bauteile und besonders die Überlagerung von Schwingungen wirken sich negativ auf die Bauteillebensdauer aus. So wurden zum Beispiel in den vergangenen Jahren durch selten, aber heftig auftretende stall induzierte Edgewise-Schwingungen an schwach gedämpften Stall-Anlagen viele Rotorblätter zerstört. Auch die in der Vergangenheit zu beobachtenden Getriebeschäden sind zumindest teilweise auf Schwingungen zurückzuführen. Durch die Überlagerung der zweiten Turmfrequenz mit der Triebstrangfrequenz oder auch mit einzelnen in Umfangsrichtung wirkenden Blatt-Eigenfrequenzen können - besonders im fast ungedämpften Anlagenstillstand - große Torsionslastspitzen entstehen. Deshalb ist es wichtig, Windkraftanlagen bestmöglich zu bedämpfen. Betrachtet man als einfaches Beispiel die erste Turm-Eigenfrequenz, die bei Windkraftanlagen im Frequenzbereich zwischen kleiner 0,3 Hz bis etwa 0,8 Hz liegt. Der gemessene Dämpfungsfaktor der ersten Turm-Eigenfrequenz liegt zwischen 0,0033 und 0,007 [Schaumann, Seidel (DEWEK2000)]. Das heißt, dass die Schwingung des Turmes im Resonanzbereich um den Faktor 70 bis 150 größer als die Erregung wird. Ohne Dämpfung wäre dieser Faktor unendlich groß, so dass die Anlage bereits bei kleinster Erregung zerstört würde. Die im Turm vorhandene Dämpfung setzt sich aus der Reibungsdämpfung im Fundament, aus der Luftreibung, durch Reibung der Turm-Einbauteile, durch Reibung an Knotenpunkten im Turm selbst und durch Reibung zwischen Turm und weiteren Komponenten zusammen. Da die in Kapitel drei beschriebenen Bauteile einen weichen Knoten zwischen Turm und Rotor bilden, wird mit diesen die Dämpfung der gesamten Windkraftanlage positiv beeinflusst. Zusätzlich können auf das System abgestimmte Schwingungstilger bzw. Schwingungsdämpfer im Turm (Abbildung 5), in den Rotorblättern und in der Gondel installiert werden, welche den Schwingungen im Resonanzbereich entgegenwirken und diese damit bedämpfen. Abbildung 5: Dämpfer für die 1. Turmbiegefrequenz

7 Eine weitere Möglichkeit zur Schwingungsbedämpfung sind aktive Regelungs- Systeme, die in die Anlagenregelung integriert werden. So können zum Beispiel Blatt, Triebstrang und auch Turmschwingungen durch gezieltes Gegenpitchen der Rotorblätter beeinflusst werden. Schwingungstilger zur Geräuschreduktion Unter Tilger versteht man in der Mechanik einen Zusatzschwinger, der die Amplitude eines bei seiner Resonanzfrequenz schwingenden Systems deutlich reduzieren kann. Ein Tilger im eigentlichen Sinn ist ein ungedämpftes Feder-Masse-System, d.h. eine Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme findet nicht statt. Bei technischen Anwendungen werden allerdings zum größten Teil gedämpfte Feder- Masse-Systeme eingesetzt. Man spricht dann von einem Schwingungsdämpfer. Die Feder kann dabei ein Elastomerelement mit entsprechender Steifigkeit und Dämpfung sein. Die Masse richtet sich nach der Masse des zu beruhigenden Systems und sollte im optimalen Fall bei etwa 10 % der Systemmasse sein, muss aber aus Gewichts- und Platzgründen oft niedriger werden. Bei der Auslegung des Dämpfers müssen Frequenz, Masse und Dämpfung optimal aufeinander abgestimmt werden. Schwingungsdämpfer werden in weiten Bereichen der Technik zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen eingesetzt. So haben diese Bauteile schon seit langer Zeit im Fahrzeug und Maschinenbau eine breite Anwendung erfahren. In Windkraftanlagen werden Schwingungsdämpfer zurzeit nur vereinzelt eingesetzt. Zum einen werden wie im vorangehenden Kapitel erwähnt - Schwingungsdämpfer zur Reduzierung von niederfrequenten Schwingungen im Turm oder in der Gondel eingesetzt. Zum anderen werden damit tonale Anteile im von Windkraftanlagen abgestrahlten Geräuschspektrum verringert. Das Frequenzspektrum des von Windkraftanlagen emittierten Geräusches setzt sich zusammen aus einem bestimmten Grundpegel dem verschiedene, mehr oder weniger starke, Töne überlagert sind. Diese tonalen Anteile haben verschiedene Ursachen - bei Anlagen mit Getrieben sind dies i.allg. die Zahneingriffsfrequenzen der entsprechenden Planetenstufen. Liegen diese benachbart zu Resonanzen von Komponenten in der Gondel (z.b. Teile des Maschinenrahmens) oder des Turmes, so ergibt dies einen deutlich wahrnehmbaren Ton im von der WKA abgestrahlten Geräusch. In einem konkreten Beispiel ist es mit Hilfe von zwei Tilgern von je ca. 150 kg Gesamtgewicht gelungen, die Vibrationen bei 160 Hz an allen Einzelkomponenten bis hin zu Turm und Rotor um bis zu einem Faktor 10 abzusenken (Abbildung 6). Die Reduzierung des Körperschallpegels in der gesamten Anlage hat zu einer hörbaren Verbesserung des abgestrahlten Geräusches geführt. Der im Spektrum auftretende Ton von 160 Hz konnte damit auf ein akzeptables Niveau abgesenkt werden, so dass die Geräuschmessung ohne Strafzuschlag bestanden wurde. Die Größen und Bauformen der Tilger können den Gegebenheiten und Erfordernissen der entsprechenden Anlagen bzw. Maschinen angepasst werden.

8 Abbildung 6: Körperschallreduzierung mit Hilfe eines Tilgers auf dem Hauptrahmen