Das Frauenhofer-Institut setzt auf sichere Schraubenverbindungen von Nord-Lock

Da der Windenergiesektor weltweit jedes Jahr beständig weiter wächst, ist die Branche auf der Suche nach Möglichkeiten, mit weniger Material große Windturbinenteile herzustellen. Ein deutsches Projekt erprobt nun neue Konstruktionsverfahren, bei denen der Verschleiß von 20 Jahren in nur einem Bruchteil dieser Zeit simuliert wird.

Den Herstellern von Windenergieanlagen (WEA), Windparkbetreibern, Zulieferern und Energieversorgungsunternehmen bietet das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (Fraunhofer IWES) industrierelevante Forschungsdienstleistungen und die zielführende Kooperation zu allen technischen Fragestellungen der Windenergienutzung. „Das IWES beschäftigt sich als Brancheninstitut mit dem Thema Windenergie“, erläutert Dipl.-Ing. Hans Kyling, Leiter des Projekts BeBen XXL. Das Kürzel steht für „Beschleunigter experimenteller Betriebsfestigkeitsnachweis von WEA-Großkomponenten am Beispiel der Hauptwelle“. Das Projekt entstand in Zusammenarbeit mit dem Windkraftanlagenhersteller Suzlon Energy GmbH, der Zweifel daran hatte, dass die heutigen Sicherheitsvorgaben praxisbezogen ausgelegt werden, und mit der Hochschule für angewandte Wissenschaft HAW.

Zielsetzung ist zu erforschen, ob sich die Sicherheitsanforderungen auch durch den Einsatz von weniger Material erfüllen lassen. „Leichtbau ist ein bisschen übertrieben, weil wir nicht wirklich leicht bauen, aber leichter bauen“, veranschaulicht Kyling. Basis der Versuche ist der Standpunkt, dass die geforderte Sicherheit in der Auslegung des Materials zu hoch ist. Von positiven Ergebnissen werden alle Erstausrüster der Windbranche profitieren, denn wenn das Ziel einer Richtlinienanpassung umgesetzt werden kann, bedeutet dies mehr Wirtschaftlichkeit durch Verzicht auf Überdimensionierung von WEA-Komponenten. Exemplarisch für diese Komponenten befasst sich das Fraunhofer IWES mit der Hauptantriebswelle, um an diesem Bauteil aufzuzeigen, welche Betriebsfestigkeit für eine definierte Lebensdauer notwendig ist.

Das Projekt wurde 2012 bei der Firma Suzlon in Hamburg gestartet und wird 2017 beendet sein. Neben dem Hauptziel, die mögliche Senkung des Materialeinsatzes in der Herstellung von WEA-Großkomponenten bei gleichbleibender Betriebssicherheit der Bauteile zu ermitteln, wird auch die Eignung von höherfestem Gusseisen als Ersatz für kostenintensive Schmiedematerialien geprüft und validiert. „Wir machen einen beschleunigten Lebensdauertest, und das machen wir, indem wir an mehreren Parametern etwas gedreht haben“, beschreibt Kyling das Vorgehen im Rahmen des Projekts. So wurde eine höhere Drehzahl gegenüber dem normalen WEA-Betrieb ebenso begutachtet wie eine höhere Belastung der Hauptwelle durch ein höheres Eigengewicht des Rotors.

Das Innovative an dem Projekt ist die Erstellung einer Wöhlerkurve, mit der die Schwingfestigkeit eines Werkstoffs oder eines Bauteils bestimmt wird, für ein extrem großes Bauteil. Standardmäßig wird die Schwingfestigkeit im Automobilbereich an wesentlich kleineren Komponenten ermittelt. Auch in der Luftfahrt werden die Versuche aus Kostengründen an deutlich kleineren Teilen durchgeführt.

Trotz der gewaltigen Dimensionen der WEA-Hauptwelle existiert nur ein sehr begrenzter Bauraum für die Schraubenverbindungen. Das war ein wesentlicher Grund dafür, dass man im Zuge des Projekts solche Produkte von Nord-Lock auswählte, die auch auf engstem Raum einsetzbar sind. Kyling berichtet: „Wir haben den Prüfstand in geteilter Form ausgeführt. Es gibt einen Stahlbau, der mit dem Fundament verbunden ist, und einen oberen Stahlbau, der mit dem Prüfling verbunden ist.“ Zwischen den beiden oberen Stahlbauteilen wie auch nach unten hin zwischen Stahlbau und Fundament werden die Superbolt-Spannmuttern von Nord-Lock verwendet. Zum Einsatz kommt achtmal die Größe M80, aber auch 28 kleinere M56-Spannmuttern tun ihren zuverlässigen Dienst.

Sowohl die Verbindung des Stahlbaus zum Fundament als auch die Verbindung des Stahlbaus in sich sind Anwendungen, bei denen die Zugänglichkeit sehr schlecht ist. Denn die Konstruktion ist lastoffen – also lastflussoptimiert – ausgeführt, und das hat zur Folge, dass die Schrauben teilweise an schlecht erreichbaren Stellen platziert sind und wenig Bewegungsraum für Werkzeuge gegeben ist. Neben dem engen Raum benennt Kyling weitere Herausforderungen für die Produkte von Nord-Lock: „Der Vorspannverlust soll möglichst gering sein, und sehr hohen Kräften ist zu begegnen.“ Bei den großen M80-Superbolt-Spannelementen sind es immerhin bis zu 2,8 Meganewton, die zu bewältigen sind. Die Superbolt-Technologie mit ihren Vielfachschrauben bietet hier überzeugende Problemlösungen.

Zur Sicherheit im Rahmen des Projekts tragen die eingesetzten Spannelemente von Nord-Lock bei, weil sie die Arbeit an den schlecht zugänglichen Orten überhaupt erlauben, und dies auch noch mit leichterem Werkzeug. Zu derartigen Problemen bei Windturbinen meint Kyling: „Es gibt eine Vielzahl von Herausforderungen, die zu bewältigen sind.“ Dazu zählen die immer größeren Rotorblätter, und was den Trieb­strang betrifft, so stellt sich die Problematik des Einsetzens von Gusswellen anstelle von Schmiedewellen zwecks Kostenreduzierung bei großen Stückzahlen. Auch die Frage der Lagerung beschäftigt die WEA-Hersteller, da es kein generelles Triebstrangkonzept gibt.

Dem Projekt BeBen XXL nützt, dass Nord-Lock bereits anderweitig im Bereich der Windenergie-Industrie tätig ist. Denn gerade in diesem Markt muss man nach Auffassung des Projektleiters von Fraunhofer IWES darauf achten, wo man sich platziert. „Weil der Kostendruck eben da ist“, betont Kyling. Für Superbolt-Produkte spricht vor allem, dass sie als echte Premium-Erzeugnisse einen Mehrwert mitbringen. Dieser liegt in der unübertroffenen Qualität der Schraubensicherungssysteme von Nord-Lock. Das Unternehmen kann sich als hochqualifizierter Zulieferer der Windenergie-Industrie daran freuen, dass der Wachstumstrend in dieser Branche fortbesteht. Dies gilt besonders für Schwachwindanlagen, die den vorhandenen Wind voll ausnutzen und daher für viele Standorte in aller Welt sehr geeignet sind.

Technische Einblicke: DAS ANGEBOT VON NORD-LOCK FÜR DIE WINDENERGIE-INDUSTRIE

Die Produktpalette von Nord-Lock ist für die Windenergie-Branche äußerst attraktiv, denn sie stellt ein Angebot dar, aus dem sich die Windanlagenbetreiber umfassend bedienen können. Die Keilsicherungsscheiben und Superbolt-Spannelemente von Nord-Lock sind das Mittel der Wahl, wenn es darum geht, die Schraubenverbindungen von Windkraftanlagen zu sichern. Denn diese Anlagen müssen enormen Drücken unter extremen Bedingungen standhalten, und hier ist es von großem Vorteil, wenn die Schraubensicherung quasi wartungsfrei ist. Einige spezielle Produkte von Nord-Lock sind daher exakt für den Bereich der Windenergie geeignet. Dazu zählen die Keilsicherungsscheiben, die in verschiedenen Abmessungen und Materialien erhältlich sind. Sie schützen Schraubenverbindungen gegen spontanes Lösen, und zwar durch Vorspannkraft statt durch Reibung. Damit wird das Risiko von Produktionsausfällen oder Sachschäden reduziert.

Auch die X-series Keilsicherungsfederscheiben von Nord-Lock sorgen für mehr Sicherheit in Windenergieanlagen: Mit Hilfe einer einzigartigen multifunktionalen Technologie bieten sie die höchste Sicherheit zum einen gegen das spontane Lösen der Schraube durch starke Vibrationen oder dynamische Belastungen, zum anderen gegen das Lockern aufgrund von Setzerscheinungen oder Relaxation. Die wirkungsvollen Schraubenverbindungen erhöhen also die Lebensdauer aller Komponenten. Vor allem bei neuen Anlagen mit immer höheren Leistungen ermöglichen sie die zuverlässige Beherrschung von dynamischen Belastungen.

Für den Einsatz in Windenergieanlagen sind auch die Superbolt-Spannelemente von Nord-Lock bestens geeignet. Sie ersetzen herkömmliche Muttern und Schrauben, verlängern die Lebensdauer der Schraubenverbindungen und benötigen relativ geringe Anzugsmomente. Im Antriebsstrang vor und nach dem Getriebe, an Gehäuse oder an Fundamentverschraubungen sichern die Superbolt-Spannelemente Schraubenverbindungen, die dauerhaft großen Kräften ausgesetzt sind.

Und für die Vorspannung von Turmfeldverschraubungen sowie bei Rahmen, Lagern und Rotorblättern bietet Nord-Lock der Windenergie-Industrie – sowohl für den Bau als auch für die Instandhaltung der Anlagen – die Boltight-Vorspannwerkzeuge. Dies sind hydraulische Werkzeuge für eine zuverlässige und präzise Vorspannung bei allen kritischen Schraubenverbindungen.

SPANN­ELEMENT MIT VIELFACHSCHRAUBEN

FAKTEN: DAS BEBEN XXL FORSCHUNGSPROJEKT
Kunde: Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (Fraunhofer IWES).
Ort: Bremerhaven, Deutschland.
Projekt: Das BeBen XXL Forschungsprojekt, Laufzeit 2012–2017.
Projektziel: Erforschung der Möglichkeiten zur Reduzierung oder Änderung des Materialeinsatzes für die Hauptwelle von Windenergieanlagen.
Nord-Lock produkte: M80 und M56 Superbolt-Spannelemente mit Vielfachschrauben

ERZIELTE VORTEILE:

• Perfekt bei beengten Einbauräumen.
• Kein Vorspannkraftverlust.
• Für sehr hohe Kräfte geeignet.
• Einsatz leichterer Werkzeuge.