BALTIC: Bearings Fatigue Life Testing and Calculation

Auf einen Blick

• Rotorblattlager sind sicherheitsrelevante und stark belastete Komponenten einer Windenergieanlage. Schäden werden in der Regel durch Verschleiß oder Ermüdung hervorgerufen. Nach dem ausführlich untersuchten Thema Verschleiß rückt jetzt das Thema Ermüdung in den Vordergrund.
• Das Forschungsprojekt BALTIC nimmt diese Ermüdungsschäden in den Blick, insbesondere den Einfluss von Vorschädigungen und Strukturermüdung, also das Versagen der Lagerringe. Ziel ist, eine neue Berechnungsmethode für die Gebrauchsdauer von Rotorblattlagern zu entwickeln, die die Zuverlässigkeit der Lager steigert und gleichzeitig eine optimale Dimensionierung ermöglicht.
• Das projektkoordinierende Fraunhofer IWES ist unter anderem für die Erarbeitung des Berechnungsmodells verantwortlich und entwickelt eine Methodik für das Testen von Lagern auf Strukturermüdung.

Herausforderung

Rotorblattlager gehören zu den besonders stark belasteten Komponenten einer Windenergieanlage. Sie übertragen die Lasten, die am Blatt angreifen, auf die Nabe. Außerdem ermöglicht das Blattlager eine Regelung des Anströmwinkels, indem es um seine Längsachse gedreht wird. Angesichts der starken Kräfte, die auf das Blattlager einwirken, treten im Wesentlichen zwei Schädigungsmechanismen auf: Verschleiß und Ermüdung.

Nachdem das Thema Verschleiß in den vergangenen Jahren umfangreich wissenschaftlich untersucht wurde, rückt jetzt das Thema Ermüdung in den Fokus. Insbesondere Strukturermüdung und der Einfluss von Vorschädigungen auf das Ermüdungsverhalten sind von großem Interesse. Schließlich kann Strukturermüdung bei Blattlagern dazu führen, dass das gesamte Rotorblatt von der Windenergieanlage herunterfällt, was zu einer großen Gefahr für das direkte Umfeld der Anlage führen kann.

Lösung

Im Projekt BALTIC steht die Untersuchung von Laufbahn- und Strukturermüdung von Rotorblattlagern im Mittelpunkt. Ziel ist, die Gebrauchsdauer der Lager besser bestimmen zu können. Insbesondere die mögliche gegenseitige Beeinflussung blattlagertypischer Schädigungen wie Laufbahnermüdung, Verschleiß, Ringermüdung und Korrosion wird in dem Verbundvorhaben untersucht.

Die Wissenschaftler*innen entwickeln vorhandene FE-Modelle weiter, so dass Schädigungen wie Materialabtrag auf der Laufbahn oder Risse in den Ringen berücksichtigt und deren Einfluss auf das Lagerverhalten simulativ bestimmt werden können. Tests mit einzelnen Ringsegmenten als auch mit skalierten Testlagern und realmaßstäblichen Rotorblattlagern aus dem Feld sichern diese Ergebnisse experimentell ab.

Das projektkoordinierende Fraunhofer IWES entwickelt die Methodik für die Tests von Lagern auf Ringermüdung, die an institutseigenen Testständen geplant, durchgeführt und ausgewertet werden. Zudem erarbeitet das Fraunhofer IWES das Berechnungsmodell für die Gebrauchsdauer von oszillierend betriebenen Blattlagern.

Mehrwert  

Das Projekt BALTIC liefert fundierte Kenntnisse über Laufbahn- und Strukturermüdung in Blattlagern sowie den Einfluss von Vorschädigungen auf deren Gebrauchsdauer. Die darauf fußende neue Berechnungsmethode für Lager erhöht deren Zuverlässigkeit und macht den Betrieb einer Windenergieanlage sicherer. Gleichzeitig vermeidet sie eine Überdimensionierung der Lager. Die dadurch gewonnene Einsparung von Material und Gewicht führt zu einem effizienteren Betrieb und zu einer Reduktion der Kosten des Gesamtsystems und verringert somit die Stromgestehungskosten. Darüber hinaus werden der Bedarf an sehr aufwändigen Instandsetzungen und Material während der Laufzeit und somit die Klimabilanz der Windenergieanlagen verbessert.