Reale Belastungen aus dem Betrieb von Windkraftanlagen

Reale Belastungen aus dem Betrieb von Windkraftanlagen werden über ein variables Drehzahlspektrum auf Prüflager aufgebracht.

Schaeffler macht das seit einigen Jahren mit „Astraios“. Ein Blick hinter die Kulissen.

Stolz sind sie schon auf ihren großen Prüfstand, die Techniker bei Schaeffler in Schweinfurt. Astraios nennen sie ihn, nach jenem Titanen der altgriechischen Mythologie, der zusammen mit der Göttin der Morgenröte die vier Windgottheiten gezeugt haben soll. Das zeigt, dass die Techniker genau wissen, wem sie es zu verdanken haben, dass sie bis 3,5 Meter große Lager untersuchen dürfen: Der Windenergiebranche! „Es wäre für keine andere Anwendung wirtschaftlich gewesen, so einen Prüfstand zu bauen,“ ist sich Prüfingenieur Dr. Thomas Lösche sicher. „Wenn ich nur zehn Lager verkaufen will, dann kann ich nicht noch vier testen, das wäre Irrsinn.“ Tatsächlich waren Wälzlager mit mehr als einem Meter Durchmesser vor den Zeiten der Windenergie Exoten. Mal drei oder vier für eine Tunnelvortriebsmaschine, dann vielleicht zehn für ein Walzwerk oder eine Mühle. Das war‘s.

Doch mit der Windenergie kamen auch die Großaufträge. Heute liegen die Losgrößen schon einmal bei über 1000 Stück. Da der Stückpreis eines Rotorhauptlagers bei Multimegawatt-Anlagen durchaus in den sechsstelligen Bereich gehen kann und der Austausch eines defekten Lagers dieser Größe am Land um die 100.000 Euro, auf See aber schnell das zehnfache kosten kann, wird klar, dass die Lager sehr, sehr zuverlässig sein müssen. Und leicht – die Gondel ist mit den steigenden Rotor- und Generatorgewichten ohnehin schon ausreichend belastet. Ach ja, und preiswert soll so ein Lager natürlich auch sein. Bei solchen Stückzahlen sitzen nicht mehr nur die Techniker am Planungstisch, sondern auch die Controller.

Bei dieser Größe fehlten die Daten

Lager
Das zu prüfende Lager wird mit – je nach Testausrichtung mehreren Hundert – Sensoren bestückt, um Temperaturen, Vibrationen und Bewegungen mikrometergenau zu erfassen.

Konnten in den Anfangsjahren der Windenergie die Lager nach dem Motto „viel hilft viel“ überdimensioniert werden, um die geforderte Lebensdauer von 20 Jahren zu erreichen, so regiert heute ein spitzerer Bleistift. Kein Problem, denkt der moderne Konstruktionsprofi, da wird einmal kräftig simuliert, und schon hat man das perfekte Lager für jede Windmühle.

So leicht ist es leider nicht. Die bisherigen Simulationstools kommen aus dem Kleinlagerbereich, für den dank Millionen eingesetzter Produkte sowie einer Vielzahl an Prüffeldern valide Daten vorliegen. Aber bei Lagerdurchmessern von drei oder vier Metern?
Klar, wenn die Simulation auf physikalischen Grundlagen basiert, dann sollten sich die Berechnungen auf Großlager hochskalieren lassen. Theoretisch. „Um das Rotorlager einer Windkraftanlage an Land zu tauschen, muss ich erst mal einen 140-Meter-Kran davor aufbauen“, schildert Lösche die Situation, „oder auf See einen Schiffskran heranfahren. Manche Standorte sind nur 50 Tage im Jahr zugänglich, weil es zu windig ist.“ Die Lage ist klar: Bei Millionenaufträgen mit ebenso hohen Regress-Risiken tut man gut daran, seine Rechenmodelle auch einmal zu überprüfen. Genau das macht Schaeffler mit dem Großlagerprüfstand Astraios seit 2011.