Auf höchstem Niveau - GL Group

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

Wissenschaft Spezial Das Getriebe für Windenergieanlagen im Fokus der nationalen und internationalen Normung Dipl.-Ing. R. Grzybowski, Dr.-Ing. K. Steingröver, Germanischer Lloyd, Hamburg Zusammenfassung Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit von Getrieben für Windenergieanlagen (WEA) sind in den letzten Jahren nationale und internationale Normen und Richtlinien entstanden. Diese Normen und Richtlinien sind aber nicht als Ersatz für anerkannte Normen wie die ISO 6336 (Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern) oder die ISO 281 (Lebensdauerberechnung von Lagern) gedacht. Vielmehr enthalten sie feste Regeln (z. B. zur Bestimmung der Breitenlastverteilung bei Stirnrädern) und Vorgaben (z. B. Mindestsicherheiten) zur Anwendung dieser Normen, um diese an die Verhältnisse von Getrieben für WEA anzupassen. Für die Tragfähigkeitsnachweise von Bauteilen, für die keine genormten Regeln existieren (z.B. Strukturkomponenten), wird hingegen die Vorgehensweise (z. B. mittels der FEM) einschließlich der Randbedingungen (Lasten, Kerbwirkung, Werkstoffkennwerte, Vergleichsspannungshypothesen, partielle Sicherheitsfaktoren etc.) genau vorgegeben. Zukünftig wird das Getriebe nicht mehr isoliert, sondern als Teil des gesamten Antriebsstrangs betrachtet werden, dessen Betriebssicherheit nicht mehr nur allein mit den Tragfähigkeitsnachweisen der einzelnen Bauteile beschrieben werden kann. Die Betriebssicherheit wird deshalb verstärkt zusätzlich anhand der Ergebnisse der dynamischen Simulationen des gesamten Antriebsstrangs beurteilt werden. Die Vorgehensweise bei derartigen Simulationen ist somit ein wichtiger Punkt bei der Weiterentwicklung der Normen und Richtlinien im Bereich der Windenergieanlagen. 1. Einleitung – Anforderungen an Getriebe für WEA Windenergieanlagen (WEA) sind Kraftwerke, die bestimmten Sicherheitsansprüchen genügen müssen. Die Hauptunterschiede von Getrieben für WEA im Vergleich zu Industriegetrieben sind die Übersetzung ins Schnelle sowie das Fehlen eines soliden Fundaments. Getriebe für WEA müssen dabei höchste Verfügbarkeit während des Betriebs (im Normalfall 20 Jahre) gewährleisten. Dabei sind sie hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Kostengünstige und leichte Bauweise sind weitere Anforderungen an derartige Getriebe. Die Anforderungen an Getriebe für WEA sind durch ihre Randbedingungen gekennzeichnet. Sie lassen sich in äußere und innere Randbedingungen unterteilen. Die äußeren Randbedingungen sind: · unterschiedliche Klimabedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit ...) · wechselnde Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen · Windturbulenzen · häufiges Starten und Abschalten (Bremsen) · Stillstand Die inneren Randbedingungen sind: · hohes Übersetzungsverhältnis ins Schnelle · vorgegebener Bauraum · hohe Belastungen der einzelnen Komponenten · hohe Anforderungen an Konstruktion, Werkstoffe und Qualität · geringe Geräuschemissionen 2. Bauteilanforderungen Die in der ISO/IEC81400-4 (AGMA 6006) beschriebenen Anforderungen basieren auf einem regen Erfahrungsaustausch zwischen allen Beteiligten. Schon im Vorwort zu dieser Norm heißt es, dass sich der Betrieb und die Beanspruchung des Getriebes für Windenergieanlagen nicht mit anderen industriellen Anwendungen vergleichen lassen. Der Zweck dieser Norm ist es, die Unterschiede zu beschreiben. In dieser Norm werden zum einen die Anforderungen an das Getriebe als Ganzes dargestellt, zum anderen die Anforderungen an die einzelnen Bestandteile wie z. B. Verzahnungen, Lager, Wellen, etc. beschrieben. Für die Festigkeits- und Lebensdauernachweise wird dabei, soweit möglich, auf bewährte internationale und nationale Normen (z. B. ISO 6336:2006 für Stirnräder, ISO 281:2007 für Lager und DIN 743 für Wellen etc.) zurückgegriffen, wobei die jeweiligen Rechenverfahren durch feste Vorgabe der Randbedingungen auf die Verhältnisse von Getrieben für WEA angepasst wurden. 2.1. Anforderungen an Stirnräder In Bild 1 sind die Tragfähigkeitsgrenzen für vergütete bzw. einsatzgehärtete Stirnräder dargestellt. Neben den klassischen Tragfähigkeitsgrenzen Grübchen und Zahnbruch, für die international genormte Berechnungsverfahren zur Verfügung stehen (siehe [8]), können andere Grenzen wie z. B. Graufleckigkeit, Fressen oder Verschleiß maßgebend sein, für die bisher jedoch keine international genormten Berechnungsverfahren existieren. Bild 1: Tragfähigkeitsgrenzen für Stirnräder aus Vergütungsstahl bzw. Einsatzstahl (nach [7]) Die Tragfähigkeit von Stirnrädern wird allgemein anhand der ISO 6336 [8] nachgewiesen. Die insbesondere in der Anfangszeit der WEA vermehrt aufgetretenen Verzahnungsschäden haben jedoch gezeigt, dass bei der Anwendung der ISO 6336 bzw. der Vorgängerversionen bei vielen Faktoren für Getriebe in WEA zu viel Interpretationsspielraum vorhanden ist. Aus diesem Grund wurden in die Windkraftnormen gezielt Vorschriften zur Anwendung der ISO 6336 aufgenommen, die diesen Interpretationsspielraum einengen. Die Ausfallrate von Verzahnungen, die die Randbedingungen z. B. der AGMA 6006 erfüllen, ist deutlich niedriger als die von Getrieben, die gemäß ISO 6336 unter Ausnutzung des Interpretationsspielraums ausgelegt wurden. Das Zusammenwirken zwischen den Windkraftnormen und der Tragfähigkeitsnorm ISO 6336 ist in Bild 2 dargestellt. Bild 2: Zusammenwirken der Windkraftnormen mit der ISO 6336 (hier IEC 61400-4) beaufort 6 1/2008
Wissenschaft Spezial Tabelle 1: Randbedingungen für die Anwendung der ISO 6336 (dynamischer Festigkeitsnachweis) Bild 3: Tragfähigkeitsgrenzen für Wälzlager AGMA 6006 / ISO/IEC 81400-4 IEC 61400-4 <strong>GL</strong>-Richtlinie ≥ 1,15 K A Lastkollektiv oder K A aus T 1) eq Lastkoll. oder K A aus T eq K v ≥ 1,05 K Hß ≥ 1,15 ≥ 1,15 2 2 f ma = (f ∑Υ + f Hß,1 + f Hß,22 ) 0,5 f ma = ((f ∑β b/l) 2 2 + f Hß,1 + f Hß,22 ) 0,5 – K γ – 1,1 (3 Planeten) 1,25 (4 Planeten) Y N, Z N 0,85 bei 10 10 Lastspielen S Hmin 1,25 1,25 (1,20) 2) 1,2 S Fmin 1,56 1,56 (1,45) 2) 1,5 S Bmin — 1,50 (1,30) 2) 1,5 … … … … 1) K A aus T eq nur für Entwurf 2) Werte in Klammern aus IEC 61400-1 [9] 1,0 (3 Planeten) 1,25 (4 Planeten) Bild 4: Zusammenspiel der Windkraftnormen mit der ISO 281 (hier IEC 61400-4) Tabelle 2: Randbedingungen für die Anwendung der ISO 281 (Lebensdauerberechnung) AGMA 6006 / ISO/IEC 81400-4 IEC 61400-4 <strong>GL</strong>-Richtlinie Vereinfachter und erweiterter Ansatz nach ISO 281: L h10 ≥ 30,000 h (HSS) ≥ 40,000…100,000 h (IMS) – – ≥ 100,000 h (Planet, LSS) L h10m – – ≥ 130,000 h 1) Erweiterte Kontaktanalyse der Lagerhersteller: L adv > Lebensdauer der WEA > Lebensdauer der WEA > 175,000 h oder > L WEA p line < 1300 N/mm² (HSS) < 1300 N/mm² (HSS) – < 1650 N/mm² (LSIS) < 1650 N/mm² (LSIS) f s > 2 > 3 > 2 … … … … 1) mit a 23 bzw. a DIN < 3,8 Aus diesem Bild ist ersichtlich, dass in den Windkraftnormen gezielte Vorgaben zur Bestimmung einzelner Faktoren der ISO 6336 enthalten sind. Zudem werden aber weitere Nachweise gefordert (z. B. die erweiterte Kontaktanalyse), die nicht Bestandteil der ISO 6336 sind. Eine Auswahl der in den Windkraftnormen dargestellten, maßgeblichen Randbedingungen zur Anwendung der ISO 6336 ist in Tabelle 1 angeführt. Die in Tabelle 1 dargestellten Mindestwerte für die einzelnen Faktoren beruhen auf Erfahrungen mit WEA bis zu 2 MW Leistung. Die Absolutwerte für die Faktoren in den einzelnen Normen und Richtlinien zeigen dabei in der Regel eine gute Übereinstimmung, so dass eine Verzahnung, die die Anforderungen der Norm „X” erfüllt, in der Regel auch die Anforderungen der Norm „Y” erfüllen wird. 2.2 Anforderungen an Lager In Bild 3 sind die Tragfähigkeitsgrenzen für Wälzlager dargestellt. Neben der klassischen Tragfähigkeitsgrenze Ermüdung, für das international genormte Berechnungsverfahren zur Verfügung stehen (siehe [10]), können andere Grenzen wie z. B. Verschleiß maßgebend sein, für die bisher jedoch noch keine genormten Berechnungsverfahren existieren. Die Tragfähigkeit von Lagern wird allgemein mittels der in ISO 281 [10] beschriebenen Ansätze „Basic dynamic load rating” bzw. „Modified rating life” nachgewiesen. Die insbesondere in den letzten Jahren vermehrt aufgetretenen Lagerschäden haben auch hier gezeigt, dass diese Verfahren allein keinesfalls als Lebensdauernachweis geeignet sind, sondern sinnvoll nur noch für die Vorauslegung verwendet werden können. In den neueren Windkraftnormen ist deshalb die „erweiterte Kontaktanalyse” nach ISO 281 Annex B bzw. gemäß den Verfahren der Lagerhersteller als Lebensdauernachweis unter Berücksichtigung der max. Pressung vorgesehen. Des Weiteren Bild 5: Ausschnitt aus einer Lagerauswahltabelle (nach [2]) enthalten die Windkraftnormen Tabellen zur Lagerauswahl, da viele der oben angeführten Lagerschäden auf eine falsche Lagerwahl zurückzuführen waren. Das Zusammenwirken zwischen den Windkraftnormen und der Tragfähigkeitsnorm ISO 281 ist in Bild 4 dargestellt, ein Beispiel für eine Lagerauswahltabelle zeigt Bild 5. Aus Bild 4 ist ersichtlich, dass in den Windkraftnormen zum einen gezielte Vorgaben zur Anwendung der ISO 281 enthalten sind, zum anderen aber auch zusätzliche Nachweise gefordert werden, wie z. B. die erweiterte Kontaktanalyse, die nicht normativer Bestandteil der ISO 281 ist. Eine Auswahl der in den Windkraftnormen dargestellten, maßgeblichen Randbedingungen zur Anwendung der ISO 281 ist in Tabelle 2 angeführt. Die in dieser Tabelle dargestellten Werte für die einzelnen Lebensdauern und Pressungen beruhen auf Erfahrungen mit WEA bis zu 2 MW Leistung. 2.3 Zusätzliche Anforderungen in der IEC 61400-4 2.3.1 Lastannahmen In der IEC 61400-1 werden die Mindestanforderungen an die Lastannahmen für ▶ beaufort 6 1/2008
Seite 1 und 2: Windenergie-Newsletter für Kunden
Seite 3 und 4: Interview Neuer Fundamenttyp für O
Seite 5 und 6: Foto: © BARD BARD „Wind Lift I
Seite 7: Jubiläum 20 Jahre Windenergie unte
Seite 11 und 12: Wissenschaft Spezial · Umgebungsbe
Seite 13 und 14: Hélimax-President: Richard Legault
Seite 15 und 16: WINDTEST Hundertprozentig GL Aus al

Auf höchstem Niveau - GL Group

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?