Der Spezialist für Windkrafttechnik

RENK – der Spezialist für Windkrafttechnik
Getriebe, Lager, Kupplungen und
Prüfstandstechnik – alles aus einer Hand
Technik für die Windkraftanlagen
RENK Antriebstechnik
Antriebstechnik hat einen Namen: RENK. Die RENK AG gehört zu
den weltweit führenden Herstellern von Komponenten der Antriebs­
technik und von Prüfsystemen. In den Bereichen Kettenfahrzeug­
getriebe, Gleitlager, Navy-Getriebe ist das Unter­nehmen Weltmarktführer. Auch bei Getrieben für Wind-Energie-Anlagen (WEA) steht
der Name RENK für Leistung und Qualität.
Hinter diesem Erfolg stecken nicht nur über 140 Jahre Erfahrung
und Entwicklungsarbeit im Bereich der Antriebstechnik, sondern
auch die Kompetenz von weltweit mehr als 2.200 Mitarbeitern,
die mit viel Engagement, Kreativität und Liebe zum technischen
Detail dazu beitragen, dass die RENK AG ihre Führungsposition in
verschiedenen Märkten behaupten und weiter ausbauen kann.
Werk Rheine
Das RENK Werk in Rheine ist auf die Produktion von Getrieben und
Kupplungen vielfältiger Bauarten spezialisiert. Über 480 Mitarbeiter
entwickeln und fertigen hier Kupplungen in Ganzstahl-Ausführung,
Schiffsgetriebe für Tanker, Container­schiffe etc., Turbogetriebe für
Industrieanlagen und Getriebe für 5- bzw. 6-MW-Offshore-WEA.
Im Bereich der Windkraftgetriebe entwickelt RENK vorhandene
Antriebslösungen konsequent weiter. RENK Windkraftgetriebe
zeichnen sich durch Geräuscharmut sowie hohen Wirkungsgrad
aus und garantieren höchste Betriebssicherheit.
Hervorragende Qualität und die Verwendung von Materialien
höchster Güte sind für uns selbstverständlich. Das gilt für alle
Produkte in gleichem Maße. Alle Komponenten werden nach
denselben strengen Qualitätsvorschriften gefertigt und montiert.
Das weltweit größte Planeten­g etriebe für
den g
­ roßen Windkraftgondelprüfstand der
Clemson University/USA in der Montage.
Das Bild oben zeigt den Blick auf die
4 Planetenstufen.
Mit 15.000.000 Nm ist RENK auch hier
mit Erfolg in technische Grenzbereiche
vorgestoßen. Auch in der Prüfstandstechnik
verfügt RENK über 70 Jahre Erfahrung.
2
RENK Windkrafttechnik
von Anfang an dabei
Als Alternative zu fossilen Brennstoffen
werden regenerative Energiequellen wie
Windkraft für die Stromerzeugung immer
wichtiger. Die modernen, effizienten und
auf Langlebigkeit optimierten RENK Getriebe
tragen wesentlich dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit von Windkraftanlagen zu
optimieren. RENK hat sich bereits zu Beginn
der 80er-Jahre mit dem Bau von Windkraftgetrieben bis 3 MW beschäftigt.
Bei den frühen RENK Getriebekonzepten
handelte es sich um herkömmliche und sehr
aufwendig gestaltete mehrstufige Planetengetriebe, die zwar betriebssicher waren,
jedoch in heutigen Serien­anlagen nicht mehr
wirtschaftlich einsetzbar wären.
Aus diesem Grund wurde Ende der 90erJahre ein völlig neues Getriebekonzept
entwickelt, welches durch Langlebigkeit
und Zuverlässigkeit eine Reduzierung der
Instandhaltungskosten verspricht: das
AeroGear ®-Design.
Erstes RENK Windkraftgetriebe
(KAMEWA „Gotland“; 2,5 MW;
in Betrieb seit 1982)
NK-Getriebe für Windkraftanlagen: die Entwicklung
3
Technik für die Windkraftanlagen
RENK Windkrafttechnik
AeroGear®-Design
Die RENK AeroGear ®-Baureihe wurde zunächst für den Leistungsbereich bis 2 MW entwickelt, später für den 5-MW-Offshore-Einsatz
und heute weit darüber hinaus erweitert. AeroGears® entsprechen
den Anforderungen des Marktes, dass die Getriebe und deren
Komponenten mindestens 20 Jahre halten sollen. Heutige strengere
Anforderungen sind auf 25 Jahre erweitert, um die Windkraftanlagen länger nutzen zu können und den „Cost of Energy“ zu senken.
2
Keine Wechsellast auf den Planetenverzahnungen
Hohlrad ist nicht direkt mit dem Gehäuse verbunden
Einsatzgehärtetes Hohlrad
Nicht umlaufende Planetenlager
Alle Lager mit Druckschmierung
Verzahnungs-Beanspruchung auf niedrigem Niveau.
Kernstück aller AeroGears® ist die Antriebseinheit mit 3 oder mehr
Stufenplaneten, die nach Übersetzungsbedarf und gewünschter
Anordnung mit konventionellen Planeten- und/oder Stirnradstufen
auf der Abtriebsseite ergänzt wird.
Der Antrieb erfolgt von der Rotornabe (1) auf ein einsatzgehärtetes
Hohlrad (2), das mit den Planetenritzeln (3) kämmt. Die im ortsfesten Planetenträger gelagerten Planetenwellen übertragen die Leistung über Planetenräder (4) auf ein gemeinsames Sonnenritzel (5).
Der Abtrieb erfolgt hier durch eine zusätzliche Stirnradstufe (6).
4
6
3
1
Die AeroGear®-Baureihe zeichnet sich durch geringe Geräusch­
entwicklung, hohen Wirkungsgrad und beste Betriebssicherheit des
Getriebes aus. Dies wird durch folgende konstruktive Merkmale in
besonderer Weise sichergestellt:
•
•
•
•
•
•
4
Schematische Darstellung eines RENK
AeroGear ®-Getriebes für eine 1,5 MW WEA
5
RENK Windkrafttechnik
AeroGear® im Einsatz
Basierend auf jahrzehntelanger Erfahrung im Großgetriebebau
wurde bei der Entwicklung der AeroGear ® großer Wert auf die
Gewinnung und Auswertung von Betriebs­erfahrung bei Prototypen
gelegt. Funktion, günstiges Geräusch­verhalten und Betriebs­sicherheit wurden jeweils überprüft durch:
• Messungen bei der Inbetriebnahme
• Überwachung der wesentlichen Betriebsparameter
• Zerlegen und Inspizieren mindestens eines
Prototyp-Getriebes nach 2 bis 4 Betriebsjahren.
Die Getriebe-Inspektion der ersten 1,5-MW-AeroGears® nach
2 Jahren Betriebszeit belegte bereits 2001 die uneingeschränkte
Betriebstauglichkeit: Verzahnungen und Lager wurden nahezu
im Neuzustand vorgefunden.
Die AeroGears® der 1,5- bis 2-MW-Klasse laufen seit 2001
nach wie vor ohne nennenswerte Ausfälle in kleineren Serien.
RENK 1,5-MW-Getriebe mit AeroGear ®-Design
Bauteile AeroGear ® 1,5 MW bei der
Inspektion nach 2 Betriebsjahren
Lastflanke-Hohlrad
Laufbahn-Planetenlager
Lastflanke-Abtriebsrad
5
Technik für die Windkraftanlagen
RENK Windkrafttechnik
AeroGear® mit Gleitlagern
Ein wesentliches Merkmal der AeroGear ®-Baureihe besteht in der
Möglichkeit, Gleitlager als Alternative zu Wälzlagern zu verwenden.
Wälzlager bilden zwar den Stand der Technik, erreichen aber insbesondere in höheren Leistungsklassen von WEA nicht einmal die
Hälfte der geforderten Lebensdauer und treiben die Kosten für die
Instandhaltung und somit die Betriebskosten in die Höhe.
Radial Gleitlager
Axiale Gleitlager
Radial- und Axial-Gleitlager im RENK 6-MW-Windkraft-Getriebe
In den AeroGear®-Baureihen für hohe Leistungsklassen werden an
hoch beanspruchten und schwer zugänglichen Lagerstellen konsequent hydrodynamische Gleitlager verwendet. Durch den ortsfesten
Planetenträger der AeroGear ®-Baureihe können die Gleitlager sicher
mit Schmierstoff versorgt und problemlos mit Messtechnik ausgestattet werden.
Der große Vorteil der Gleitlager gegenüber Wälzlagern besteht in der
Unempfindlichkeit gegenüber Überlast, Stoßbelastung, Stillstand,
Vibrationen und Schmutzpartikeln. RENK kann hier auf jahrzehnte­
lange Erfahrung mit Gleitlagern zurückblicken.
Das RENK Werk in Hannover fertigt Gleitlager
Der RENK Standort in Hannover ist einer der führenden Hersteller
von Gleitlagern, wobei die Erfahrung aus der Gleitlagerentwicklung
in die Getriebeentwicklung einfließt und ein optimales Produkt für
unsere Kunden entsteht. Der Einsatz von Gleitlagern erstreckt sich
über viele RENK Produkte wie z. B. Turbo- und Schiffsgetriebe. Die
langjährige Erfahrung in diesen Bereichen hat dazu beigetragen,
die Gleitlager auch in Windkraftgetrieben zu etablieren. Die bereits
seit 10 Jahren laufenden Windkraftanlagen im Raum Bremerhaven bestätigen diese gute Entscheidung. Mithilfe der jahrelangen
Erkenntnisse aus dem Feld ist es gelungen, die Auslegungs- und
Simulationsverfahren zu optimieren und die Betriebssicherheit der
Lager noch weiter zu erhöhen.
Durch Prüfläufe auf dem RENK 7-MW-Windkraftgetriebe-Prüfstand
werden Simulationsverfahren und Betriebssicherheit validiert.
6
RENK Windkrafttechnik
Simulation des gesamten Triebstranges
Das AeroGear® ist mehr als nur eine Komponente für eine Wind­
turbine. Ausgestattet mit einer RENK Kupplung, einem RENK Öl­­versorgungssystem sowie einem RENK Condition-Monitoring-System
erhält der Kunde ein Gesamtsystem, welches speziell für den
An­triebsstrang der Windturbine ausgelegt ist. RENK besitzt die
Erfahrungen, das Gesamtsystem inklusive der elektrischen Ankopplung zu simulieren und zu validieren. Hierzu verfügt RENK über
geeignete Programme zur Drehschwingungsrechnung und Mehr­
körpersimulation, um das Betriebsverhalten der Windturbine bis
hin zu den Rotorblättern unter Berücksichtigung aller Schnittstellen
zu simulieren.
Mehrkörpersimulation einer 5 MW WEA
Die Diagramme zeigen das Simula­tionsModell einer 5-MW-Windturbine sowie
resultierende Ergebnisse für das Schwingungsverhalten, die beispielsweise als
Grundlage zur Erstellung eines CampbellDiagramms genutzt werden.
Kurzschluss-Simulation und Auswertungsbeispiel
7
Technik für die Windkraftanlagen
RENK Windkrafttechnik
Engineering & Know-how
RENK setzt auf erfahrene Experten, die
Simulationsrechnungen nutzen, um alle
Komponenten des Getriebes betriebssicher
auszulegen. Mithilfe der Finite-ElementeMethode können Bauteilverformungen
sowie Bauteilbeanspruchungen sehr genau
bestimmt werden.
Dabei wird das Getriebe als Gesamtsystem modelliert und durchgerechnet.
Die Schnittstellen-Komponenten wie die
Rotorwelle und die Kupplung zum Generator
werden ebenfalls in den Berechnungen mit
abgebildet. Damit wird sichergestellt, dass
die gegenseitige Beeinflussung der unterschiedlichen Komponenten eine Berücksichtigung in der Auslegung findet.
FEM-Modell Windgetriebe
Durch Optimierung der Bauteilgestalt
wird eine homogene Spannungsverteilung
realisiert.
Detaillierte Analyse des
Zahnkontaktes
Detaillierte Analyse des Gesamtsystems
FEM-Berechnungen RENK 6-MW-Windkraftgetriebe
8
RENK Windkrafttechnik
AeroGear® – Offshore-Multi-Megawatt-Klasse
Auf Grundlage der positiven Erfahrungen mit der 1,5-MW-Klasse
wurde RENK 2002 mit dem Bau eines Prototyp-Getriebes für die
erste 5-MW-Offshore-WEA weltweit beauftragt.
Eine Basis für diese Entwicklung bietet das „Multibrid“-Konzept mit
den folgenden wichtigen Merkmalen:
• Integration von Rotorlager und Getriebe
• kurzer, leichter Rotorkopf
• Gleitlagerung im Getriebe
Gegenüber der Konfiguration bei den 1,5-MW-Anlagen ist das
komplette Rotorlager integraler Bestandteil des Maschinengehäuses, das auch die Getriebeteile trägt. Die elastische Drehmoment­
abstützung erfolgt nicht über das Gehäuse zum Maschinenrahmen,
sondern innerhalb des Maschinengehäuses zwischen Planeten­träger
und Gehäuse.
AREVA-5-MW-Anlage im Alpha-Ventus-Offshore-Park in der
Nordsee
Im Offshore-Bereich werden zur Zeit in Korea und Japan weitere
RENK Windkraftgetriebe mit einer Leistung von 6 MW eingesetzt.
Die Getriebe haben eine Übersetzung von ca. 100 mit einem
Achsversatz an der Abtriebswelle bzw. eine Übersetzung von ca.
40 mit koaxialer Anbindung zum Generator. Die Getriebe sind für
ein Nenndrehmoment von 5200 kNm ausgelegt und haben jeweils
ein Gewicht von weniger als 70 Tonnen.
5-MW-AREVA-Multibrid-AeroGear ®-Prinzip (5 MW)
RENK 6-MW-AeroGear ®Windkraftgetriebe, i = 100
9
Technik für die Windkraftanlagen
RENK Windkrafttechnik
AeroGear® – Offshore-Multi-Megawatt-Klasse
Basierend auf der hervorragenden Betriebserfahrung mit den
­AeroGear ® entwickelte RENK das Advanced-AeroGear ®-Antriebs­
system für WEA mit deutlich höherer Leistung als 6 MW. Das
Grundprinzip von AeroGear ® wird beibehalten und gleichzeitig die
Leistungsverzweigung auf 6 Getriebestränge erweitert. Hiermit
werden höchste Momenten- und Leistungsdichte erreicht. Das
­nebenstehende Bild zeigt das Schema des Advanced AeroGear ®.
Im gezeigten Beispiel kann das Rotor-Hauptlager als Momenten­lager ausgeführt werden, eine konventionelle Rotorlagerung mit
zwei separaten Lagern ist gleichfalls möglich. Der Antriebsflansch
ist verbunden mit einem einsatzgehärteten Hohlrad, das 6 Stufenplaneten antreibt. Die Planetenräder sind in 2 Ebenen angeordnet
und treiben zwei unabhängige, über Kupplungen mit dem Abtrieb
verbun­dene Sonnenritzel an.
Mit dieser Anordnung wird optimale Lastverteilung auf die jeweils
3 Planeten erreicht. Eine nachgeschaltete Abtriebsstufe – hier eine
weitere Leistungsverzweigung auf 3 Stufenplanetenwellen – sorgt
für die gewünschte Gesamtübersetzung.
Alle Hauptwellen sind mit Gleitlagern ausgerüstet, wodurch
geringer Wartungsaufwand und lange Lebensdauer gewährleistet
werden. Die Lager sind ortsfest und können somit zuverlässig
geschmiert und im Betrieb deren Temperaturen und Schwingungen
überwacht werden.
10
Schema des „Advanced AeroGear ®“
für Multi-Megawatt-Klasse ab 7 MW
RENK Windkrafttechnik
Kupplungen
Die RENK Wind-Stahl-Lamellenkupplung
ist eine drehstarre und versatznachgiebige
Kupplung. Sie ist wartungs- und verschleißfrei. Kernelement dieser Kupplung ist ein
Paket aus Blechlamellen, welches wechselseitig verschraubt wird. Durch das Schichten der Blechlamellen mit ihrer speziellen
Form kann die Kupplung axiale, radiale und
winkelige Versätze des Triebstrangs ausgleichen, ohne dabei große Rückstellkräfte zu
erzeugen. Durch Berechnung und Auswertung von Versuchsdaten kann die Kupplung
exakt für die Anwendungsbedingungen
ausgelegt werden.
• D
rehstarre und spielfreie
Ausgleichs­kupplung
• G
eringe Rückstellkräfte bei axialen,
radialen und winkligen Versätzen
durch optimierte Lamellen
Axialverlagerung
Getriebe
Generator
• W
artungsfrei durch die Ver­wen­
dung von Lamellen aus rost­freiem
Federstahl
• E infache Montage durch Spann­
sätze als Welle-Nabe-Verbindung
Radialverlagerung
Winkelverlagerung
• Integrierte Überlast-Auslösung zum
Schutz der Anlage
• E ine isolierte Schnittstelle in der
Kupplung verhindert Kriechströme
Eine interne Schnittstelle in der Kupplung
sorgt mit ihrem robusten Isolierwerkstoff für
einen elektrischen Widerstand von 5 bis
50 MΩ. Diese Ausführung hat sich bereits
bei hunderten von Kupplungen bewährt.
11
Technik für die Windkraftanlagen
RENK Windkrafttechnik
Ölversorgungseinheit
Der Schmierstoff ist eine der wesentlichen
Komponenten in einem Windkraftgetriebe.
Hierbei spielt nicht nur die Zusammensetzung des Schmierstoffs eine wichtige Rolle,
sondern auch die Zuführung, Filtrierung und
Bevorratung. Unter Berücksichtigung der
Betriebszustände und Umgebungseinflüsse in einer Windturbine entwickelt RENK
passend zum Windgetriebe die optimale
Ölversorgungseinheit. Die verwendeten
Komponenten der Ölversorgung werden von
renommierten Herstellern im Windgeschäft
bezogen und durch umfangreiche Versuche
getestet.
Mit der RENK Ölversorgungseinheit wird
gewährleistet, dass alle Komponenten im
Getriebe bei allen Betriebstemperaturen die
richtige Ölmenge bei passendem Öldruck
und erforderlicher Reinheitsklasse erhalten.
RENK Getriebe und Ölversorgungseinheit für eine 6 MW WEA
RENK Tieftemperaturtest mit Getriebe
inkl. Ölversorgungseinheit bei bis –40 °C möglich.
12
RENK Windkrafttechnik
Prüfstand zur Validierung
RENK 7-MW-Windkraftgetriebe-Prüfstand
Generator
Anpassgetriebe I
Zur Sicherung der Produktqualität sowie
zur Validierung der Entwicklungen verfügt
RENK über einen 7-MW-Prüfstand. Durch
die modulare Bauweise des Prüfstands
können unterschiedliche Getriebe-Über­
setzungen getestet werden.
Die Anpassung an die Übersetzung erfolgt
durch die Auswahl der Anpassgetriebe.
Durch die einstellbaren Drehmomentstützen,
die analog zum Aufbau in einer Windturbine
gestaltet sind, können zusätzliche Quer­
kräfte in das Getriebe eingeleitet werden.
Testgetriebe
Drehmomentstützen
Anpassgetriebe II
Motor
Schematische Prüfstandsdarstellung
Getriebe-Prüfstand:
• Tests unterschiedlicher Großgetriebe in Einzel- und Back-to-Back-Anordnung
• Einsatz in Entwicklung, Typen- und Serienprüfung
• Tragbildkontrolle nach Voll- und Überlast
• Schmierstoffanalyse unter Extrembedingungen
• Standardmessungen wie Temperatur, Körperschall, Geräusch
13
Technik für die Windkraftanlagen
RENK Windkrafttechnik
Qualitätssicherung
Die hohen Qualitätsanforderungen von
RENK erfordern entsprechende Mess­
möglichkeiten. RENK verfügt über ver­
schiedene Vermessungsmaschinen, um
alle Komponenten in einem Windkraft­
getriebe sicher vermessen zu können.
Das größte Vermessungszentrum im Hause
RENK hat folgende Daten:
Hersteller: Zeiss
Länge: 6 Meter
Höhe: 2,5 Meter
Breite: 4 Meter
Klimatisierte Vorkammer
Das RENK 3D-Messzentrum
14
RENK Windkrafttechnik
für Onshore und Offshore
RENK Onshore-Getriebe
Getriebe Baureihe
AeroGear ® WPS-2.1M
AeroGear® WPS-2.3M
AeroGear® WPPO-3.6M
i40
AeroGear® WPPO-3.6M
i40
Leistung [kW]
~2160
~2270
~3600
~3600
Nenndrehmoment [kNm]
~1210
~1630
~2500
~2500
Übersetzung
~105
~90
~40
~110
22
23
31
32
AeroGear® BL-190i
i10
AeroGear® WPPO-6M
i40
AeroGear® WPSO-6M
i100
AeroGear® WPPO-8M
i40
Leistung [kW]
5590
6000
6000
8000
Nenndrehmoment [kNm]
3970
4900
4900
7200
Übersetzung
~10
~40
~100
~40
Gewicht [t]
57
65
68
79
Gewicht [t]
RENK Offshore-Getriebe
Getriebe Baureihe
Höhere Leistungen auf Anfrage
15
RENK Aktiengesellschaft
Werk Rheine
Rodder Damm 170
48432 Rheine
Telefon: +49 5971 790-0
Fax: +49 5971 790-208
E-Mail: [email protected]
www.renk.eu
Edition: 10.2015/ke
Ein Unternehmen der MAN SE