HBDV: Auslegung hochbelasteter Drehverbindungen

• Rotorblattlager stellen die Verbindung zwischen Rotornabe und Rotorblatt dar. Sie sind starken aerodynamischen Belastungen ausgesetzt.
• Bislang existieren nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen zu diesem Thema, daher gibt es keine zertifizierten Ansätze zur Abschätzung der Lebensdauer von Rotorblattlagern.
• Das Projekt „Auslegung hochbelasteter Drehverbindung will diese Lücke schließen und eine Richtlinie erstellen, mit deren Hilfe Rotorblattlager in Zukunft sicher und einheitlich ausgelegt werden können.
• Das Fraunhofer IWES ist verantwortlich für Planung und Durchführung von Versuchen zur Bewertung der Schadensinitiierung, des Schadensfortschrittes und Ermüdung sowie Verschleiß an Rotorblattlagern im originalen Maßstab.

Rotorblätter gehören zu den am stärksten belasteten Teilen einer Windenergieanlage Mehr als 100 Millionen Lastzyklen müssen sie über ihre Lebensdauer von 20 Jahren ertragen, Turbulenzen machen ihnen zu schaffen. Besondere Kräfte wirken dabei auf die Rotorblattlager, die die Verbindung zwischen Rotornabe und Rotorblatt bilden. Sie gewährleisten die aerodynamische Regelung der Leistung und Lasten. Mit Hilfe des Rotorblattlagers kann der aerodynamische Anströmwinkel auf die Windverhältnisse angepasst werden. Die eingesetzten Wälzlager müssen großen, alternierenden Lasten für eine bestimmte Einsatzdauer standhalten können.

Im Projekt „Auslegung hochbelasteter Drehverbindungen“ werden Drehverbindungen für den Einsatz als Rotorblattlager in Windenergieanlagen untersucht. Bislang sind oszillierend betriebene Wälzlager, wie Blattlager, wenig erforscht, daher gibt es bisher keine zertifizierten Ansätze zur Lebensdauerabschätzung oder Auslegung dieser Lager. Es kommt zu speziellen Verschleißeffekten, die einen vorzeitigen Ausfall des Lagers verursachen können. Die Etablierung neuer Regelungskonzepte wird dazu führen, dass Blattlager in gleicher Zeit immer mehr Lastzyklen ausgesetzt sind.

Ziel des Projektes ist die Erstellung einer Richtlinie, mit deren Hilfe hochbelastete Drehverbindungen funktionssicher und einheitlich ausgelegt werden können. Die Richtlinie soll alle relevanten Schadensmechanismen betrachten, die zum Funktionsausfall der Drehverbindung führen können und einen probabilistischen Ansatz zur Vorhersage der Systemzuverlässigkeit bieten. Dazu wird sowohl die Schadensinitiierung als auch der Schadensfortschritt bis zum Funktionsausfall quantifiziert. Aus der Auslegungsrichtlinie sind konstruktive Empfehlungen für die Systemarchitektur, die Gestaltung der Lagerumgebung sowie Anwendungsgrenzen verschiedener Lagerbauformen abzuleiten.

Mit Hilfe der Richtlinie sollen Rotorblattlager in Zukunft sicher und einheitlich ausgelegt werden. Durch eine effektivere Auslegung der Blattlagerung mit Hilfe von Auslegungsrichtlinien können die Stromgestehungskosten von Windenergieanlagen reduziert und deren Verbreitung befördert werden, was zur Reduzierung des CO2‐Ausstoßes durch konventionelle Kraftwerke führt.

Das Fraunhofer IWES übernimmt im Projekt die Planung und Durchführung von Versuchen zur Bewertung der Schadensinitiierung, des Schadensfortschrittes und Ermüdung sowie Verschleiß an Rotorblattlagern im originalen Maßstab. Besonderer Fokus liegt dabei auf der Berücksichtigung der spezifischen Einbau- und Belastungssituation, um einen realitätsnahe Prüfumgebung zu gewährleisten. Weiterhin führt das IWES Simulationen zur Bestimmung der Lastverteilungen durch, bei der die spezifische Einbausituation berücksichtigt wird.

Zusammen mit den Tests liefern diese Simulationen einen essentiellen Beitrag zur Erreichung der Ziele des Gesamtvorhabens.