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Elastomere Lagerungselemente sichern Funktion von Windenergieanlagen

25.03.2009
In Windenergieanlagen ist das Anforderungsprofil an Lagerungselemente für funktionswichtige Anlagenkomponenten sehr komplex. Es umfasst die Stoß- und Schwingungsisolation sowie die Verringerung von Schallemissionen. Dieses Profil erfüllen elastomere Dämpfungselemente.

Zwei Trends bestimmen die Windenergietechnik: Zum einen kommen immer leistungsstärkere Anlagen zum Einsatz. Lieferten sie vor zehn Jahren noch gut 1,5 MW Leistung, ermöglichen viele Offshore-Windräder bereits 5 MW. Eine neue Generation mit 6 MW Leistung ist bereits in Arbeit, noch stärkere Anlagen sind geplant. Zum anderen entstehen immer mehr Windenergieparks im Wasser vor den Küsten (Offshore). In beiden Fällen kommt es den Anlagenbetreibern auf ein Höchstmaß an Funktionssicherheit an. Außerdem spielen wirtschaftliche Kriterien eine immer größere Rolle.

Langlebige Komponenten trotzen Wind und Wetter

Die Effizienz einer Windenergieanlage hängt von vielen Faktoren ab. Ein Faktor davon ist die Lebensdauer der Einzelkomponenten. Und diese Komponenten sind im Betriebszustand einer harten Bewährungsprobe ausgesetzt. Sie müssen Wind und Wetter trotzen, extremen Temperaturschwankungen standhalten und Böen, Starkwinde oder Vereisung „abwettern“. In Küstennähe und in Offshore-Parks sind sie zudem aggressiven Salzen ausgesetzt.

Gerade in Offshore-Anlagen werden langlebige Komponenten benötigt. Der Grund dafür liegt in den hohen Instandhaltungskosten. Wartungs- und Reparaturarbeiten von Anlagenkomponenten auf hoher See sind kostspielig. Die Lösung für diese Problematik: schwingungstechnisch und elastisch perfekte Lagerungselemente für Windenergieanlagen. Dadurch verringert sich einerseits die Schallbelastung für die Umwelt, andererseits erhöht sich deutlich die Komponentenlebensdauer. Die Montage und Wartung der Anlagen und ihrer Komponenten wird zudem vereinfacht.

In Windenergieanlagen erfüllen Lagerungselemente die komplexen Anforderungen der Lastaufnahme, Stoß- und Schwingungsisolation sowie der Dämpfung kritischer Resonanzen von belasteten Bauteilen. Gleichzeitig bieten sie das notwendige Maß an qualitativer Zuverlässigkeit. Sie ermöglichen elastische Lagerungskomplexe – insbesondere dort, wo bislang auf eine starre Lagerung zurückgegriffen werden musste: etwa bei den wichtigen Funktionsbauteilen Achsschrank und Steuerschrank in der Gondel und der Nabe des Windrads.

Gummi-Metall-Verbindung federt, dämmt und dämpft

In einer 5-MW-Anlage in Norddeutschland werden beispielsweise Umformer und Lastschränke für die Motoren elastisch auf Topfelementen und Puffern von Contitech gelagert. Diese innovative Lösung erhöht die Funktionssicherheit, verbessert die Dämpfung und sorgt durch Langlebigkeit für einen geringen Wartungsaufwand. Sie kommen auch bei der akustischen Entkopplung des Gondelgehäuses mit abreißsicheren Topfelementen sowie bei der Lagerung von Getriebe und Generatoren zur Anwendung. Die Topfelemente und Puffer nehmen die axialen und radialen Belastungen optimal auf.

Elastische Lagerungssysteme bestehen aus passiv ausgelegten Gummi-Metall-Verbindungen, wie sie Contitech mit den Produktreihen Schwingmetall und Megi herstellt. Diese Komponenten vermindern die Ausbreitung von Erschütterungs- und Körperschallschwingungen in die Umgebung und reduzieren den Effekt von Umgebungsschwingungen auf empfindliche Apparaturen. Dabei federt und dämmt die Gummi-Metall-Verbindung nicht nur, sie hat darüber hinaus – in Abhängigkeit vom gewählten Gummiwerkstoff – eine dämpfende Wirkung.

Komponentenschutz durch passive Lagerung

Allerdings stoßen passive Lagerungssysteme hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten funktionsbedingt an Grenzen – speziell dann, wenn sich die Umgebungsbedingungen immer wieder verändern. Eine bestmögliche Ergänzung für diese Passivelemente findet man daher in aktiven Schwingungssystemen, die in einem breiten Frequenzbereich Störungen kompensieren können.

Das Funktionsprinzip des aktiven Tilgers basiert auf dem Einsatz von elektrischer Energie, mit der von einem Aktor gezielt gegenläufige Schwingungen erzeugt werden, die dann beispielsweise in die besonders beanspruchten Komponenten der Gondel einer Windenergieanlage eingeleitet werden. Diese gegenphasige Kompensation wird genutzt, um die Übertragung von störenden Vibrationen auf eine bestimmte Struktur gezielt zu verringern.

Individuelle Projektbetreuung ist unbedingt erforderlich

Nach diesem Funktionsprinzip kann eine störende Anregung sicher kompensiert werden. Hörbare Frequenzen werden leiser und Vibrationen deutlich verringert. Zur Sicherung einer ausreichenden Kompensationswirkung ist es erforderlich, die Gegenschwingung des Aktors im gesamten Arbeitsbereich (20 bis 800 Hz) mit einer Genauigkeit von ±5° in der Phase und ±0,5 dB in der Amplitude zu erzeugen.

Das elektronische Steuergerät, auf dem speziell entwickelte Regelalgorithmen implementiert werden, ist folglich das Herzstück des aktiven Schwingungssystems. Eine Autotuning-Funktion übernimmt die Feinjustierung des Systems. In Abhängigkeit von der Anwendung kann ein Steuergerät einen oder mehrere Aktoren gleichzeitig ansprechen. Für die Entwicklung und die industrielle Markteinführung des Steuergeräts sowie der Sensoren hat die gesamte konzernübergreifende Entwicklungskompetenz von Contitech zur Verfügung gestanden.

Der Schwingungsspezialist Contitech verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Produktion von Lagerelementen für industrielle Anwendungen. Als Entwicklungspartner bietet das Unternehmen eine über Jahrzehnte gewachsene Kompetenz in der Herstellung von Elastomerwerkstoffen und deren Verarbeitung zu Produkten der Schwingungstechnik, wobei hohe Funktionssicherheit und Wirtschaftlichkeit keine gegensätzlichen Kriterien sind.

Diesbezüglich hat sich bei Anwendungen in Windenergieanlagen herauskristallisiert, dass eine individuelle Projektbetreuung unbedingt erforderlich ist. Auf dieser Basis erhalten die Anlagenhersteller maßgeschneiderte Lagerungssysteme aus einer Hand – von der Anfrage über die technische Auslegung via Computersimulation, die Werkstoffentwicklung, die Musterfertigung, den Feldversuch und der Prüfung bis zur Serienproduktion.

Thomas Knickelmann ist Branchenmanager Windkraft bei der Contitech Vibration Control GmbH in Hannover.

Thomas Knickelmann | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/konstruktionselemente/articles/176877/

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