Von Dr. John Coultate, Leiter der technischen Entwicklung
& Mike Hornemann, Zuverlässigkeitsingenieur
Romax InSight

Ein Blick in die Vergangenheit.

Mit der Entwicklung der Windenergieanlagen von der Kilowatt-Klasse zu den heute installierten Multi-Megawatt-Anlagen haben sich auch die Komponenten im Inneren der Gondel weiterentwickelt, um mit den neuen Leistungsanforderungen Schritt zu halten.

Insbesondere die Antriebsstränge mussten sich erheblich verändern, um stärkeren, variableren Windlasten und höheren Leistungen gerecht zu werden – und das ohne signifikante Kostensteigerungen. Also nahmen die Ingenieure die Herausforderung an, und die Hersteller lieferten.

Was früher ein Industriegetriebe von der Stange war, ist heute speziell für die rauen Bedingungen einer Multi-Megawatt-Turbine ausgelegt. Eine moderne Getriebeturbine hat in der Regel ein dreistufiges Getriebe mit einer langsam laufenden Planetenstufe und zwei parallelen Stufen. Durch die Verwendung von Planetengetrieben haben die Konstrukteure Hochleistungsgetriebe geschaffen, die langlebig genug sind, um harten Belastungen standzuhalten, und gleichzeitig kompakt genug, um eine vernünftige Gondelgröße beizubehalten.

Dieses Getriebedesign hat sich auch für Turbinen mit einer Leistung zwischen 500 kW und 2,5 MW als wirtschaftlich erwiesen. Die Langlebigkeit ist jedoch die einzige Herausforderung, die in der Windturbinen-Getriebebranche noch nicht gelöst ist. Für Turbinengetriebe wird in der Regel eine Lebensdauer von 20 Jahren angegeben, aber nur wenige schaffen es über die 10-Jahres-Marke hinaus.

Warum diese Diskrepanz? Ein Teil der Antwort liegt in der Art und Weise, wie die Lebensdauer von Getrieben und Lagern definiert wird. Die Lebensdauer eines Getriebeteils ist stochastisch, nicht deterministisch. Das bedeutet, dass es unmöglich ist, genau vorherzusagen, wann ein Bauteil ausfallen wird, auch wenn es möglich ist, die Wahrscheinlichkeit bei bestimmten Parametern abzuschätzen.

Eine moderne Konstruktion. Diese dreistufige (Planeten-/Parallel-/Parallel-) Konstruktion ist bei neueren Getrieben üblich.

Denken Sie daran, dass die Antriebsstränge von Windturbinen beim Anfahren, Abschalten, Notstopps und Netzanschluss starken und wechselnden Belastungen ausgesetzt sind. Die Belastung einer Turbine hängt von ihrem Standort im Windpark und dem Gelände ab. Lastfälle, die zu Drehmomentumkehrungen führen, können für die Lager besonders schädlich sein, da die Rollen bei der plötzlichen Verlagerung der belasteten Zone rutschen können. Graufleckigkeit, eine Form der Oberflächenermüdung, ist ein Beispiel für Schäden an Lagern, die ihre Langlebigkeit beeinträchtigen können.

Die Lebensdauer eines Lagers wird im Allgemeinen als „L10“-Lebensdauer definiert, d.h. die Dauer, nach der 10 % der Lager ausfallen. Wenn L10 für ein Lager 20 Jahre beträgt, dann besteht eine 10%ige Chance, dass das Lager in weniger als 20 Jahren ausfällt. Dies ist wichtig, weil es Hersteller und Windkraftbetreiber dazu zwingt, über die „Lebensdauer“ in Form von Wahrscheinlichkeiten nachzudenken.

Es ist auch wichtig zu berücksichtigen, dass eine Windkraftanlage mehr als ein Lager hat. Ein typischer Antriebsstrang hat 20 bis 25 Lager, einschließlich der Hauptlager, des Getriebes und der Generatorlager. Was passiert also, wenn wir die L10-Lebensdauer für jedes Lager in einem Antriebsstrang kombinieren, um eine „Lebensdauer auf Systemebene“ zu berechnen? Eine einfache Berechnung für einen Antriebsstrang mit 25 Lagern, die alle eine L10-Lebensdauer von 20 Jahren haben, zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein oder mehrere Lager innerhalb von 20 Jahren ausfallen, 93 % beträgt.

Eine typische Windturbine enthält 20 bis 25 Lager, die alle in einer Zuverlässigkeitsberechnung der Lebensdauer auf Systemebene berücksichtigt werden müssen.

Auf der Grundlage dieser Berechnung werden fast alle Getriebe in einem Windpark wahrscheinlich innerhalb von 20 Jahren ausfallen. Das mag schockierend erscheinen, ist aber die Realität in der Praxis. Viele Betreiber von Windkraftanlagen werden bestätigen, dass die meisten Getriebe lange vor Ablauf ihrer 20-jährigen Lebensdauer ausgetauscht oder in irgendeiner Form repariert wurden, z. B. durch eine neue Welle für die Hochgeschwindigkeitsstufe oder neue Lager.

Fragen wir nun, wie viele Getriebe innerhalb von sieben Jahren ausfallen werden? Die gleiche Berechnung zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein oder mehrere Lager innerhalb von sieben Jahren ausfallen, 37 % beträgt. Das bedeutet, dass mehr als ein Drittel der Getriebe in irgendeiner Form einen Lagerschaden erleiden wird.

Diese Ergebnisse stammen aus einer vereinfachten Berechnung und sollen nur allgemeine Trends aufzeigen, aber sie zeigen einige verblüffende Erkenntnisse. Leider kann die Berechnung die Ausfallraten von Getrieben unterbewerten, da sie die nicht ermüdungsbedingten Ausfallarten nicht berücksichtigt. Die gute Nachricht ist jedoch, dass einige Lager in der Praxis eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren aufweisen, da ihre Größe durch andere Faktoren wie Steifigkeit oder Sicherheitsfaktoren bei extremen Lastfällen bestimmt wird.

Deshalb ist der Begriff „Lebensdauer“ irreführend und ein Grund, warum viele Getriebe in der Praxis nach weniger als 20 Jahren ausfallen. Eine Möglichkeit, diese Ausfälle zu verringern, ist der Einsatz zuverlässigerer Konstruktionsmethoden während der gesamten Lebensdauer einer Turbine. Mit Hilfe von Konstruktionsstandards und Simulationen sowie zuverlässigen Betriebsdaten und historischen Ausfallraten lassen sich beispielsweise genaue Vorhersagen über Ausfälle des Antriebsstrangs treffen.

Dieser Artikel war Teil unseres Leitfadens Erneuerbare Energien 2018. Die vollständige Veröffentlichung finden Sie hier.