Keuze van lagers en berekeningen voor windenergiecentrales

De eisen die aan lagers voor windenergiecentrales worden gesteld, zijn extreem hoog. Daarom zijn de procedures voor het selecteren van lagers en levensduurberekeningen fundamenteel anders dan het selecteren van lagers in andere toepassingsgebieden.

Bij het selecteren van lagers voor industrieel gebruik kunnen ontwerpingenieurs relatief eenvoudig lagers kiezen voor een gedefinieerde lagerlocatie, werkend samen met hun leveranciers indien nodig, en baseren hun beslissingen op parameters zoals toerental en koppel, radiale en axiale belasting, en de vereiste stijfheid en voorspanning of speling. Het brede assortiment van complete aanbieders zoals NSK zorgt ervoor dat het juiste lager altijd beschikbaar is, ook voor ongebruikelijke toepassingen of speciale bedrijfsomstandigheden. Als dit niet het geval is, kunnen ook speciale aangepaste lagers worden gebruikt.

Exacte vereisten
In de windenergietechnologie zijn de procedures die leiden tot de keuze van een lager fundamenteel verschillend, voornamelijk vanwege één enkele parameter:de levensduur van het lager. De fabrikanten van windenergiecentrales en de tandwielen voor die centrales eisen een levensduur van de lagers van 20 jaar (d.w.z. 175.000 uur) voor hun lagers. Dit is al een extreme waarde, maar dekt niet alle eisen. Bovendien moet er rekening mee worden gehouden dat externe belastingen die op het lager inwerken, zeer dynamisch (dat wil zeggen onregelmatig) zijn vanwege de wind. De ongunstige omgevingscondities voor offshore-installaties, die steeds vaker worden gebruikt, zijn een andere factor:zeelucht is zeer corrosief. Bij generatorinstallaties moet ook rekening worden gehouden met elektrische corrosie. Ten slotte zijn de service-opties die beschikbaar zijn voor exploitanten van windmolenparken uiterst beperkt, en elke ongeplande uitvaltijd voor een lager zal aanzienlijke kosten met zich meebrengen.

Het belang van het berekenen van de levensduur
Alleen al het berekenen van de levensduur van dit type lager vereist een grote mate van expertise. Daarom is het selecteren van lagers voor windenergiecentrales complexer dan in andere toepassingsgebieden. Er moet rekening worden gehouden met tal van parameters. Naast de lagerbelastingen en de rotatiesnelheden in de toepassingscontext, moeten ontwerpingenieurs rekening houden met de constructie waarin het lager zal worden geplaatst - d.w.z. de configuratie van de as en behuizing, hun materialen en hun toleranties.

Op basis van deze gegevens worden eerst de conventionele, gestandaardiseerde berekeningen gemaakt volgens DIN ISO 281, ook wel de catalogusmethode genoemd. De parameters zijn lagerbelasting, rotatiesnelheid, draagvermogen en lagertype. Bij verdere berekeningen wordt ook rekening gehouden met parameters zoals temperatuur, smering en zuiverheid van de olie.

Grotere precisie dan vereist door de standaard
Bijlage 4 van DIN ISO 281 gaat uit van een vereenvoudigde lagergeometrie als basis voor de berekening van de gewijzigde referentielevensduur. In de meeste gevallen is een dergelijke berekening voldoende. In de windenergie-industrie hebben nauwkeurigere waarden echter de voorkeur. NSK heeft hiervoor haar STIFF-software ontwikkeld. Bij het berekenen van de levensduur van de lagers houdt STIFF ook rekening met de exacte interne geometrie, de speling en voorspanning, vervorming van het aslagersysteem en de belastingszone en belastingsverdeling tussen rolelementen en lagerloopbaan.

In dit model zijn de rollende elementen in plakken verdeeld. Voor elke plak wordt een individuele, aangepaste levensduur van het referentielager bepaald. Een meer realistische indicatie van de totale levensduur van de lagers wordt verkregen op basis van het tijdsaandeel voor elk belastingsgeval.

Gerichte ontwerpoptimalisatie
Behalve een snelle en nauwkeurige berekening van de levensduur van de lagers, maakt de STIFF-software ook versieanalyses op korte termijn mogelijk en daarmee optimalisatie van bestaande ontwerpen. Bovendien kunnen speciale aanpassingen van het lager snel worden getest. Van dit bijzondere voordeel wordt veelvuldig gebruik gemaakt:juist vanwege de hoge eisen worden in de windenergietechniek vaak op maat gemaakte lagers toegepast. Bovendien maken voorspellingen van stijfheid, schatting van efficiëntieverlies en onderzoek naar operationele veiligheid deel uit van de rekendoelen die de NSK Windenergie-eenheid nastreeft bij het selecteren van lagers.

Engineering op de voorgrond:intensieve samenwerking met klanten
Gezien de hoeveelheid gegevens waarmee op dit gebied rekening moet worden gehouden en de hoge eisen aan de levensduur van lagers, is het niet verwonderlijk dat dergelijke projecten altijd in nauwe samenwerking met de klant worden uitgevoerd. Naast engineering speelt ook testen een belangrijke rol. NSK heeft lagertestbanken ontworpen waarmee dynamische belastingen en bewegingen kunnen worden gesimuleerd. Deze omvatten bijvoorbeeld een grote lagertestbank die dynamische krachten en momenten van de rotorbelasting kan uitoefenen, en een testopstelling voor het simuleren van acceleratie- en vertragings- en remprocedures voor snel roterende rollagers.

Super-TF-technologie voor windenergietechnologie
Naast de keuze van het lagerontwerp speelt ook de materiaalkeuze een cruciale rol:een lagerlevensduur van bijvoorbeeld 175.000 uur onder ongunstige omstandigheden en dynamische belastingen kan alleen worden bereikt door het gebruik van speciale materialen. Daarom heeft NSK gebruik gemaakt van haar jarenlange materiaalexpertise om speciale materialen te ontwikkelen die geschikt zijn voor extreme bedrijfsomstandigheden. Een van die ontwikkelingen is de Super-TF-technologie. Deze technologie maakt gebruik van een hoogzuiver lagerstaal in combinatie met een speciale warmtebehandelingstechnologie, waardoor een geoptimaliseerd behouden austenietgehalte wordt gegarandeerd. Dit materiaal zorgt ervoor dat elk vreemd materiaal dat het lager binnendringt, minder spanning in het materiaal genereert dan in conventioneel staal. Hierdoor komt schade door onzuiverheden minder vaak voor.

Lagers die van dit materiaal zijn gemaakt en met een schoon smeermiddel worden gebruikt, hebben ongeveer een dubbele levensduur. De Super-TF-technologie kan worden gebruikt voor een groot aantal lagertypen, zoals cilindrische rollagers, die tot de meest gebruikte lagertypen in de windenergietechnologie behoren, evenals voor kegel- en tonlagers.

Verschillende soorten lagers
In moderne windenergiecentrales van de megawatt- en multimegawattklasse zorgen meertraps planeetoverbrengingen en differentiëlen in de eerste plaats voor de noodzakelijke snelheidsreductie van de hoofdaandrijflijn. In dit geval moeten ontwerpingenieurs niet alleen het juiste lagertype selecteren, maar ook het type lageropstelling bepalen. Lagersamenstellen met vaste en vrije lagers, een aangepast lagersamenstel of een zwevend lagersamenstel zijn beschikbaar.

Elk lagertype heeft bepaalde voor- en nadelen. Een aangepast lagersamenstel dat een nauwkeurige geleiding van de as mogelijk maakt, met name in axiale richting, loopt daarom het risico van wederzijdse spanning. Daarom moeten hier typen lagersamenstellen worden gekozen, zoals kegelrollagers, die het mogelijk maken om naast radiale krachten ook axiale krachten in ten minste één richting op te nemen. Hetzelfde geldt voor zwevende lagersamenstellen, waarbij de as over een bepaalde afstand axiaal kan bewegen. Vaste en zwevende lagers worden bijvoorbeeld gebruikt in lagerontwerpen voor planeetdragers en planeetwielen.

Nieuwe ontwerpen voor hoofdtandwielen
Naast de trend naar steeds betere prestaties en offshore-faciliteiten, stellen nieuwe aandrijf- en tandwielontwerpen ook ontwerpingenieurs voor nieuwe uitdagingen. NSK werkt nauw samen met de fabrikanten van windenergiecentrales en hun aandrijfcomponenten. Het doel is om snel nieuwe ontwerpen voor de markt te helpen ontwikkelen (die bijvoorbeeld de efficiëntie van windturbines verhogen of het gewicht in de gondel verminderen) voor de markt en hun gebruikers een concurrentievoordeel geven. NSK heeft het voordeel van meer dan 20 jaar ervaring in het ontwikkelen van lagers voor de windenergie-industrie, een voordeel dat ook gebruikers van lagers buiten de windenergiesector ten goede komt.

Ga voor meer informatie over NSK-producten en -diensten naar www.nsk.com.