Gusswelle: Werkstoff- und Bauteiloptimierung für leistungsfähigere Gusskomponenten im Antriebsstrang von Windenergieanlagen durch den Einsatz von Kokillenguss

• Um die Kosten der Energiewende zu senken ist eine Stellschraube die materialsparende Auslegung von Großbauteilen von Windenergieanlagen.
• Normen für die Auslegung der Bauteile berücksichtigen derzeit keine modernen Verfahren, wie den Kokillenguss zur Herstellung von Hohlwellen. Die Vorteile dieser Gusstechnik werden daher nicht  adäquat gespiegelt.
• Ziel des Projektes Gusswelle ist daher, gesicherte Bauteileigenschaften für Gusswellen aus Kokillenguss zu bestimmen.
• Das Fraunhofer IWES ist unter anderem verantwortlich für die Ermittlung des Bauteilverhaltens basierend auf der Durchführung einer Lebensdauerprüfung einer WEA-Hauptwelle.

Die Energiewende und damit die Windenergie steht unter einem hohen Kostendruck. Grüner Strom soll möglichst kostengünstig produziert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es unterschiedliche Stellschrauben. Eine davon ist die Auslegung und Herstellung von Windenergieanlagen und ihrer Bauteile.

Maschinenträger, Rotornabe und Rotorwelle einer Windenergieanlage stehen unter hohen Belastungen. Hohe Anforderungen werden vor allem hinsichtlich der Schwingungsfestigkeit und der Bruchsicherheit gestellt, gleichzeitig soll ihr Design - um Material und damit Kosten zu sparen - möglichst schlank ausfallen. Getrieben von den Forderungen zunehmender Leistungssteigerung, der Verbesserung des Leistungsgewichts (kW/t) und der Umsetzung von Leichtbaumaßnahmen, nimmt die Komplexität moderner Gusseisenbauteile zu. Dies trifft auch für das Welle-Lager-System einer Windenergieanlage zu, dass enorme Lasten aufnehmen muss, die der Rotor bei der Energieerzeugung verursacht.

Zumeist werden heute noch Schmiedewellen für diese Aufgabe eingesetzt, die jedoch in Bezug auf eine freidefinierbare Bauteilgeometrie Nachteile gegenüber moderneren Kugelgraphitgusswerkstoffen aufweisen. Nach dem heutigen Stand der Auslegungspraxis überwiegen die Vorteile der mechanischen Eigenschaften einer Schmiedewelle gegenüber einer hohlen Variante aus Kugelgraphitguss (GJS). Zumal aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellte Wellen festigkeitsbedingt einen größeren Wellendurchmesser aufweisen.

Ein wesentlicher Grund liegt aber darin, dass die derzeit angewandten Normen der Gusswerkstoffkennwerte aus den 70er Jahren stammen und keine Einbindung moderner Gießverfahren, etwa des speziell für die Herstellung von Rotorhohlwellen eingesetzten Kokillengusses, stattgefunden hat. Ziel des Forschungsprojektes Gusswelle ist daher, gesicherte Bauteileigenschaften für Gusswellen aus Kokillenguss zu bestimmen, ungenutzte Reserven aufzuzeigen und einen höherfesten Gusswerkstoff für die Anwendung zu qualifizieren, um die Masse der Hohlwelle selbst wie auch der entsprechenden Anbauteile deutlich zu reduzieren.

Das Fraunhofer IWES ist gemeinsam mit dem Fraunhofer LBF unter anderem für die Ermittlung des zyklischen Werkstoffverhaltens und eines Konzeptes für die Bemessung von dickwandigen Kokillengussbauteilen und insbesondere der Rotorhohlwelle von Windenergieanlagen zuständig. Darüber hinaus sollen Vorschläge zur Qualitätssicherung von Rotorhohlwellen erarbeitet, ein Lebensdauerversuch einer WEA Hauptwelle aus EN-GJS-400 durchgeführt und die Überführbarkeit von bruchmechanischen Festigkeits- und Bauteilnachweisen in Zertifizierungsrichtlinien untersucht werden.