Auf höchstem Niveau - GL Group

Wissenschaft Spezial
WEA definiert. Zusätzliche Anforderungen
für Getriebe werden in der IEC 61400-4
beschrieben. Die Betriebsfestigkeitslasten
werden im Produktionsbetrieb überlagert
mit
· Start- und Stoppvorgängen bei Einschalt-,
Nenn- und Abschaltwindgeschwindigkeit
in Abhängigkeit vom Betriebsführungskonzept,
· Notbremsungen nach Ansprechen des
Sicherheitssystems (z. B. Überdrehzahl),
· Netzausfällen.
Weiterhin sollen Zusatzbelastungen aus
dem Triebstrang der WEA berücksichtigt
werden:
· reversierende Lasten
· Kupplungsrückstellkräfte aus der
Verlagerung des Generators
· Bremskräfte (resultierende Kräfte aus
den Bremszangen an der Bremsscheibe)
· Rückstellkräfte der Getriebeaufhängung
aus den Verformungen von Rotorlager
und Maschinenträger
Für die Bestimmung der Lastkollektive
für das Getriebe (Verzahnungen und Lager)
wird ein Verweildauerkollektiv nach
DIN 45667 des Antriebsmoments benötigt.
Über die Drehzahl von Rad und Ritzel
können die Verweildauern in Lastspiele
umgerechnet werden.
Das Verweildauerkollektiv wird von der
Belastungs-Zeit-Funktion (BZF) des Antriebsmoments
durch Momentanwertzählung
ermittelt (Bild 6). In gleichen Zeitabständen
wird die Belastung abgefragt, der
jeweiligen Klasse zugeordnet und gezählt.
Die Häufigkeit der Zählung pro Klasse ist
ein Maß für die Verweildauer in dieser
Klasse.
Die Lastklassen können entweder in Abhängigkeit
von ihrer jeweiligen Verweildauer
oder ihrer akkumulierten Verweildauer
dargestellt werden (Bild 7). Im Beispiel
wird die akkumulierte Darstellung des Verweildauerkollektivs
verwendet. Hier sind
typische Verweildauerkollektive für verschiedene
mittlere Jahreswindgeschwindigkeiten
dargestellt. Die Lastannahmen
sollen alle Auslegungslasten (Betrieb und
Extremlast) sowie sonstige Lasten (z. B.
aus der Regelung resultierende Lasten)
enthalten. Mit diesen Lastannahmen wird
Bild 6: Momentanwertzählung
Zeitreihe Rotordrehmoment
Bild 7: Verweildauerkollektiv
Verweildauerkollektiv (schematisch)
das Getriebe konstruiert und dann als Prototyp
getestet.
2.3.2 Strukturkomponenten
Zu den Strukturkomponenten im Getriebe
zählen die Drehmomentstütze und der
Planetenträger sowie weitere Last übertragende
Bauteile (Gehäuse).
Als Belastungen werden äußere Lasten gemäß
den Anforderungen der IEC 61400-4
und den gegebenen Anschluss- und Umgebungsbedingungen
berücksichtigt. Die
Verformungen der Strukturkomponenten
sowie zusätzliche Kräfte aus dem Eigengewicht
müssen bei der Auslegung berücksichtigt
werden.
Deshalb werden in der IEC 61400-4 Angaben
zum Festigkeitsnachweis mit der
Methode der Finiten Elemente (FEM)
gemacht. Dadurch sollen Fehler bei der
Wahl der Verfahren, bei der Modellierung
und Durchführung der Analyse sowie der
Interpretation der Ergebnisse vermieden
werden.
Die Festigkeitsanalyse besteht aus folgenden
Teilschritten:
· Modellierung der Strukturkomponente
und der Randbedingungen
· Belastung der Komponente im Betrieb
und unter Extremlast
· Durchführung des Nachweises der
Betriebfestigkeit und der Bruchfestigkeit
· Auswertung und Bewertung der
Ergebnisse
FE-Modelle für Getriebe von WEA werden
in der Regel komponentenweise erstellt
(siehe Beispiele in den Bildern 8 und 9).
Bei diesen Modellen ist darauf zu achten,
dass sinnvolle Randbedingungen eingeführt
werden, die die Interaktion mit den
benachbarten Strukturbereichen in geeigneter
Weise repräsentieren.
Bei der Berechnung der Betriebsfestigkeit
und Bruchfestigkeit müssen die partiellen
Sicherheitsfaktoren für die Lasten und das
Material entsprechend IEC 61400-1 einbezogen
werden. Die Dimensionierung einer
Struktur richtet sich nach der Art des Versagens.
Der Tragfähigkeitsnachweis ist in
Abhängigkeit von Werkstoff und Belastung
durchzuführen. Weiterhin werden Vorgaben
hinsichtlich der Berechnungsmethoden
für spröde und duktile Werkstoffe
getätigt. In der Regel werden Betriebsfestigkeitsnachweise
als Schädigungsrechnung
mit den Zeitreihen der Belastungen
(Kräfte und Momente) durchgeführt. Bei
der Auswertung sind die Ergebnisse auf
ihre Plausibilität zu prüfen. Die Berechnungsergebnisse
sind in einer von den
Programmen aufbereiteten grafischen
Form (Gesamt- und Teildarstellung) zu
dokumentieren.
Bild 8: FE-Modell einer Drehmomentstütze (Ausschnitt)
Bild 9: FE-Modell eines
Planetenträgers
2.3.3 Getriebetests
Neben dem rechnerischen Nachweis der
Tragfähigkeiten und Lebensdauern der
einzelnen Bauteile eines Getriebes ist in
den neueren Normen auch der Funktionsnachweis
in Tests vorgeschrieben. Dabei
wird zwischen Prototypentests, Feldtests
und Serientests unterschieden. Im Prototypentest
soll überprüft werden, ob die in
der Auslegungsphase getroffenen Annahmen
und Randbedingungen zutreffend
sind. Im Feldtest auf der WEA sollen insbesondere
die Lastannahmen überprüft sowie
das Systemverhalten getestet werden.
In den Serientests soll schließlich gezeigt
werden, dass die Seriengetriebe dem Leistungsstand
des (erfolgreich) getesteten
Prototyps entsprechen. Weitere Bauteiltests
sowie Funktionstests (Dichtigkeit,
Kühl- und Schmiersystem etc.) können
nach Vorgabe in der Testspezifikation vorgesehen
werden.
Zeit
Rotordrehzahl
Rotordrehmoment
Verweildauer
Verweildauer separiert
Verweildauer akkumuliert
2,5 E + 0,6
2,0 E + 0,6
1,5 E + 0,6
1,0 E + 0,6
3,0 E + 0,3
0,0 E + 0,0
1,0 E + 0,0 1,0 E + 0,2 1,0 E + 0,4 1,0 E + 0,6
akkumulierte Verweildauer / Std
8,5 m/s
10 m/s
15 m/s
2.3.3.1 Testplan
Vor jedem Test sollte ein Testplan mit
folgendem Inhalt erstellt werden:
· Ziel des Tests einschließlich der zu untersuchenden
Größen
· Beschreibung des vorgesehenen
Testablaufs (Laststufen, Dauer etc.)
10 beaufort 6 1/2008