Antriebsstrang Windenergieanlage

Komponenten
Bei der Anordnung der Komponenten im Triebstrang existieren drei unterschiedliche Bauformen: aufgelöste, integrierte und teilintegrierte Bauform.
Bei der aufgelösten Variante werden alle Komponenten des Triebstranges einzeln auf dem Maschinenträger befestigt. Hier besteht eine eigenständige Rotorlagerung und separat aufgestellte Generatoren und Getriebe. Auf diese Art und Weise werden die Zugänglichkeit aller Bauteile und das Wechseln des Getriebeöls ohne Demontage des Maschinenträgers ermöglicht. Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit von Schäden aufgrund von Montagefehlern relativ hoch, was zu nicht vorherzusehenden Zusatzbeanspruchungen und Verschleiß führen kann.
Die integrierte Bauform stellt eine Zusammenfassung der Funktionen der einzelnen Komponenten sicher. Die Rotorlagerung, das Getriebe und der Generator werden hier als Block zusammengefasst, wobei allerdings eine Sonderanfertigung des Getriebes, welches ohne Demontage des gesamten Maschinenträgers nicht ausgetauscht werden kann, erforderlich ist. Vorteilhaft bei dieser Bauweise ist die Kompaktheit bei Transport und Montage.
Die teilintegrierte Bauform stellt eine Mischform der ersten beiden Formen dar. Bei dieser Bauweise wird fast ausschließlich die sogenannte Drei-Punkt-Lagerung verwendet. Das vordere Rotorlager übernimmt einen großen Teil der Rotorgewichtslasten und den Rotorschub, wobei die Kräfte direkt an die langsam laufende Getriebewelle übertragen werden. Die weiteren beiden Lager haben als Aufgabe die Abstützung des Getriebegehäuses.
Ein sehr unterschiedlicher Triebstrang ist in getriebelosen Anlagen zu finden. Hier wird ein direkt getriebener, hochpoliger Generator verwendet, wobei Nabe und Generator direkt miteinander verbunden sind. Solche WEA haben ein sehr hohes Gewicht aber auch die höchste Verfügbarkeit.

Getriebe
Das Getriebe einer WEA befindet sich zwischen der Rotorwelle und dem Generator und hat als Aufgaben die Übersetzung der Drehzahl der langsam laufenden Rotorwelle (10 – 30 U/min) auf die Drehzahl des Generators (bis zu 1500 U/min). Das Getriebe hat ein gleichbleibendes Übersetzungsverhältnis, welches von der Baugröße der WEA abhängt. Die Baugröße eines Getriebes wird durch das erforderliche Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor- und Generatorwelle vorgegeben.

Mechanische Bremse
Die mechanische Scheibenbremse bei WEA mit einer Nennleistung kleiner als 600 kW sitzt entweder auf der langsamen Hauptwelle oder auf der schnellen Seite des Getriebes, was zur keiner Belastung des Getriebes während des Bremsvorgangs führt. Bei Anlagen mit Nennleistungen größer als 600 kW ist die mechanische Bremse auf der schnellen Welle zu finden. Hier muss bei der Konstruktion die sofortige Versetzung des Rotors aus voller Last in den Stillstand berücksichtigt werden. Im Normalbetrieb dient die mechanische Bremse als Feststellbremse.

QUELLE: B.Sc. Kristina Spasova, HOCHSCHULE BREMERHAVEN

Rotorblatt Windenergieanlage
Lebensdauer von Faserverbundwerkstoffen im Leichtflugzeugbau und in Rotorblättern von Windturbinen

1. Einführung
Tragflügel von Leicht- und Segelflugzeugen und Rotorblätter von Windturbinen sind als schlanke, hoch belastete Biegeträger prädestiniert für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen (FVW) wie Glas- und Carbon-Faser verstärkten Kunstoffen (GFK und CFK). Zur Leistungserhöhung werden in Segelflugzeugen dünnere Flügelprofile und größere Spannweiten angestrebt und auch bei den Rotorblättern ist ein Trend zu größeren Rotordurchmessern zu verzeichnen (max. Durchmesser ca. 125 m). Die dazu notwendige Strukturoptimierung verlangt dem Ingenieur eine immer exaktere Kenntnis der Materialeigenschaften ab. Darüber hinaus muss er auch in der Lage sein, eine bestimmte Lebensdauer zu garantieren, die derzeit für Segelflugzeuge 12.000 Flugstunden und für Windturbinen mindestens 20 Jahre betragen soll.
Von der Datenbasis her sind die Voraussetzungen zum Erreichen dieses Ziels denkbar gut, da sowohl für GFK als auch CFK mit kalthärtender Polymer-Matrix mittlerweile eine Fülle von Ermüdungskenndaten vorliegt [1-5]. Diese wurden in der Hauptsache im Rahmen von Windenergie-spezifischen Programmen für Rotorblätter ermittelt. Da jedoch nicht nur die eingesetzten Werkstoffe und die Fertigungsmethoden mit den betrachteten Flugzeug-Tragflächen vergleichbar sind, sondern auch das Prinzip des Biegeholms als Primärstruktur, kann – mit Ausnahme des bestimmungsgemäßen Lastkollektivs – für beide Objekte eine identische Betriebsfestigkeitsanalyse vorgenommen werden.

2. Begriffsbestimmungen zur Schwingbelastung
Bei der Ermüdung lassen sich zwei grundsätzlich verschiedene Beanspruchungen unterscheiden, nämlich die ruhende (Eigengewicht, Vorspannung) und die schwingende Belastung. Letztere ist Gegenstand dieses Beitrags. Einige Begriffe, die zunächst nicht jedermann geläufig sein mögen, kehren immer wieder und werden deshalb kurz dargestellt. Diese sind insbesondere das Spannungsverhältnis R im Zusammenhang mit Ober-, Unter-, Mittelwert und Amplitude einer Schwingung.

3. Modellvorstellung der Ermüdung und Wöhlerkurve
Das Ermüdungsverhalten von Faserverbunden unterscheidet sich grundsätzlich von dem isotroper Werkstoffe. So führen bei Metallen plastische Deformationen im Kerbgrund zu ersten irreversiblen Prozessen, bis endgültiges Versagen durch vermindertes Tragverhalten bei reduziertem Querschnitt eintritt, siehe Bild 1.
In FVW werden nach [6] (Modellvorstellung Talreja) im Wesentlichen 2 Versagensarten unterschieden. Bei geringen und mittleren Lasten treten hauptsächlich Mikrorisse in der Harzmatrix auf, während die Fasern davon weit gehend unbeeinflusst bleiben, siehe Bild 2a. Bei höheren und sehr hohen Lasten dagegen dominieren Faserbrüche, begleitet von Interface-Delaminationen, siehe Bild 2b.
Ermüdungsversuche werden in der Regel an kleinen repräsentativen Proben durchgeführt. Die übliche Darstellung der Testergebnisse erfolgt in Form sogenannter Wöhlerkurven, in denen auf der Abszisse der Logarithmus der Lastwechselzahlen, auf der Ordinate üblicherweise die Belastung (Spannung σ, Dehnung ε) aufgetragen werden. Bild 3 zeigt den prinzipiellen Verlauf einer Wöhlerkurve für GFK nach Talreja [6], wo nicht nur die Bereiche der Faserbrüche und Mikrorisse dargestellt sind, sondern auch ein Bereich sehr niedriger Lasten, in dem nach dieser vereinfachten Annahme keine Ermüdung mehr auftritt.

4. Statistische Auswertung von Ermüdungsversuchen
Für Faserverbundwerkstoffe empfiehlt sich die ε-N Darstellung, da die Laminate zweckmäßigerweise in Kraftflussrichtung orientiert werden und die Bruchdehnung des Laminats in erster Linie von der Bruchdehnung der Fasern dominiert wird. Damit lassen sich die Wöhlerkurven verschiedener Faserverbundmaterialien objektiv vergleichen. Spezifische Testmethoden lassen sich nicht vorschreiben, da sie stark vom Aufbau der untersuchten Werkstoffe abhängen. Mit den in [1,2] beschriebenen Verfahren liegen jedoch gute Erfahrungen vor.
Für die Auswertung der Meßpunkte hinsichtlich der statistischen Wahrscheinlichkeit gibt es verschiedene Verfahren. Ein sehr einfacher Ansatz ist die lineare Regression im log-log-Maßstab. Im mittleren und hohen Lastwechselbereich führt er zu recht guten Ergebnissen. Bei niedriger Belastung ist er gegenüber der Modellvorstellung in [6] eher konservativ. Die hier angewandte Methode ist von Sendeckyj in [7] beschrieben. Sie verlangt zwar einen höheren mathematischen Aufwand als die lineare Regression und führt auch bei der Ermittlung der Mittelwertskurve zu denselben Ergebnissen, erlaubt aber zusätzlich die Darstellung beliebiger Überlebenswahrscheinlichkeiten unter Einschluss eines unteren Vertrauensbereichs von 95%. Sie findet in der Luftfahrt gehäuft Anwendung und beruht auf der Annahme einer so genannten 2-parametrigen Weibull-Verteilung.

Quelle: Christoph W. Kensche, DLR Stuttgart