Schwingungselemente zwischen Getriebe und Maschinenträger angeordnet

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1 Schwingungselemente für Windkraftanlagen 1. Elastische Lagerung des Triebstranges Aufgrund der hohen statischen und dynamischen Lasten im Antriebsstrang von Windkraftanlagen werden an die Lagerelemente sehr hohe Anforderungen gestellt. Die Bauteile sollen 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. Um die hohen Lasten aufzunehmen, müssen die Lagerelemente gleichzeitig steif sein. Aufgrund dieser Anforderungen kommen als Lagerelemente 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. 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. Getriebe Lagerkonzepte 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 Getriebe mit integrierter Rotorwelle Schwingungselemente zwischen Getriebe und Maschinenträger angeordnet 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 1).

2 Abbildung 1: Frei aufgeständertes Getriebe mit integrierter Rotorwelle Bei diesem System ist die Getriebe-Rotorwellen-Einheit 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. Ringförmige Lagerung der Getriebe-Rotor-Einheit Bei dieser Lagerung wird die gesamte Rotor-Getriebe-Einheit mit kreisförmig um das Getriebe angeordneten Elastomerlagern am Maschinenträger befestigt (Abbildung 2). 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. Abbildung 2: Ringförmige Lagerung der Getriebe-Rotor-Einheit Getriebe mit Dreipunktlagerung

3 Die Dreipunktlagerung ist bei Anlagen im Leistungsbereich zwischen 500kW bis über 5MW 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. 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 Keillagerung Die Keillagerung ist ein innovatives Lagerkonzept, bei dem sich am Getriebeumfang drei oder mehr keilförmige Lagerpunkte befinden. Der Vorteil dieses Lagerkonzeptes ist die im Vergleich zur herkömmlichen Dreipunktlagerung geringere Baubreite des Getriebes. Dadurch wird der kranlose Getriebeaustausch vereinfacht, was vor allem im Offshore-Bereich von Bedeutung ist. Die Verteilung der angreifenden Kräfte auf mehrere Lagerpunkte ermöglicht eine schlankere und damit kostengünstigere Ausführung des Maschinenträgers (Abbildung 4).

4 Abbildung 4: Getriebe mit Keillagerung Getriebe mit doppelter Rotorwellenlagerung oder Vierpunktlager In jüngster Zeit werden besonders größere Anlagen im Leistungsbereich über 2MW verstärkt mit doppelter Rotorwellenlagerung ausgeführt. Die elastische Lagerung überträgt bei diesem System nur die Torsionskräfte. Um Zwangskräfte vom Getriebe fernzuhalten, müssen die Rückstellkräfte möglichst klein sein. Hier finden zwei verschiedene Bauformen Einsatz: Das Multi-Sandwich-Lager und die Pendelstütze. Beim Multi-Sandwich-Lager (Abbildung 5) wird das Rotordrehmoment über geschichtete Elastomerfedern übertragen, die die Torsionskräfte in den Maschinenträger einleiten. Ein neuentwickeltes Verfahren zur Höhennivellierung in den Elastomerelementen ermöglicht die lastfreie Montage des Getriebes. Abbildung 5: Vierpunktlagerung mit Multi-Sandwich-Lager Für große Anlagen der Multi-Megawatt-Klasse ab 5 MW wird die Vierpunkt-Lagerung auch mit speziell für diesen Anlagentypus entwickelten Pendelstützen (Abbildung 6) ausgeführt. Durch die spezielle Bauform ist die Pendelstütze noch weicher als das Multi-Sandwich-Lager und kann die auftretenden großen Lasten dennoch sicher übertragen.

5 Abbildung 6: Vierpunktlagerung mit Pendelstütze Kupplung für den Haupttriebstrang Die Kupplung ist für den Haupttriebstrang von Anlagen mit Drei- und Vierpunktlagerung konzipiert. Sie überträgt das Drehmoment von der Rotorwelle über Elastomerelemente auf die Getriebe-Eingangswelle (Abbildung 7). Sie dient im Wesentlichen der Körperschallentkopplung, der Triebstrangdämpfung und besonders bei der Vierpunktlagerung der Reduzierung von Zwangskräften. Abbildung 7: Kupplung im Haupttriebstrang Elastische Lagerung des Hauptlagers Ein weiterer Übertragungspfad des Körperschalls von Getriebe und Rotorwelle auf den Maschinenträger ist das Hauptlager. Durch spezielle ringförmig angeordnete Elastomerbauteile wird das Hauptlager vom Maschinenträger entkoppelt (Abbildung 8). Die Körperschall - Isolation des Hauptlagers ermöglicht aufgrund der geringen kardanischen Steifigkeit den Einsatz von einfacheren Kegelrollenlagern, statt Pendelrollenlager. Ein weiterer Vorteil ist die homogene Lasteinleitung in die Wälzlager. Die Toleranzen um die Elastomerbauteile können größer werden, so dass das Lagergehäuse kostengünstig in den Maschinenträger integriert werden kann.

6 Abbildung 8: Elastische Lagerung des Hauptlagers Generator Lagerkonzepte 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 (Abbildung 9). Um die Generatoren ausrichten zu können, sind die Lager mit einer Höheneinstellung ausgestattet. Abbildung 9: Lagerung schnelllaufender Generatoren Elastomerlager für langsam laufende Generatoren von getriebelosen Anlagen Elastische Aufhängung des gesamten Generators 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 (Abbildung 10). Dazu werden

7 mehrere Elastomerelemente ringförmig zwischen Generator und Maschinenträger angeordnet. Diese Elemente müssen, vergleichbar mit den Getriebelagerungen, alle am Rotor auftretenden Kräfte übertragen. Abbildung 10: Elastische Generatorlagerung getriebeloser Anlagen 2. Schwingungstilger zur Reduzierung von Schwingungen Schwingungstilger zur Bedämpfung niederfrequenter 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 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 stallinduzierte edgewise -Schwingungen an schwach gedämpften Stall-Anlagen 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. Als einfaches Beispiel sei die erste Turm-Eigenfrequenz betrachtet, 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)].

8 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. Die oben beschriebenen Bauteile zur Entkopplung des Triebsstrangs vom Maschinenträger bilden einen weichen Knoten zwischen Turm und Rotor, wodurch die Dämpfung der gesamten Windkraftanlage positiv beeinflusst wird. Zusätzlich können auf das System abgestimmte Schwingungstilger bzw. Schwingungsdämpfer im Turm (Abbildung 11), in den Rotorblättern und in der Gondel installiert werden, welche den Schwingungen im Resonanzbereich entgegenwirken und diese damit zusätzlich bedämpfen. 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. Abbildung 11: Dämpfer für die 1. Turmbiegefrequenz Schwingungstilger zur Körperschallreduktion Unter einem 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

9 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 Abschnitt 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. Dazu werden ein oder mehrere Schwingungsdämpfer an den Übertragungspfad des Körperschalls montiert, z.b. direkt an der Drehmomentstütze (Abbildung 12). Abbildung12: Schwingungstilger zur Körperschallreduktion 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 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 13). 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.

10 Abbildung 13: Körperschallreduzierung mit Hilfe eines Tilgers auf dem Hauptrahmen