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Um die Materialgrenzen und Belastbarkeit von Windkraftgetrieben zu testen, werden sie auf Getriebeprüfständen eingespannt. Als Kupplungsform, um das Getriebe mit dem Antrieb zu verbinden, bieten sich hydraulische Schrumpfscheiben an. Sie sorgen nicht nur für eine reibschlüssige und damit spielfreie Verbindung, die auch hohe Drehmomente sicher überträgt, sondern punkten zudem mit einer schnellen Verspannung und Flexibilität bei der Anpassbarkeit auf verschiedene Wellengrößen.
Windkraftgetriebe müssen im Betrieb hohen Belastungen standhalten und werden dafür auf dem Getriebeprüfstand auf Herz und Nieren geprüft: Hier können reale Betriebsbedingungen mit Drehmomenten und Lasten simuliert werden, die durch das Eigengewicht der Anlage, der Rotoren und durch äußere Einflüsse wie Wind oder Böen entstehen. Die Belastung kann bis zum zehn- bis 20-fachen des Nominalbetriebs hochgefahren werden. Um den Einfluss von Rotorbewegungen und Wind zu simulieren, werden Elektromotoren, Schwungräder und hydrodynamische Bremsen im Getriebeprüfstand verbaut. Die Daten werden über Sensorik gewonnen, die Parameter wie Temperatur, Schwingungen, Belastungen und Drehzahlen erfasst und den Betrieb überwacht.
Auf dem Getriebeprüfstand finden umfangreiche Testungen statt, um Schwachstellen von Getriebeprototypen und neuen Getrieben zu identifizieren. Getestet wird aber auch während der Serienfertigung, um mit Stichproben die Qualität sicherzustellen. Neben Serientests werden Überlasttests bis an die Materialgrenzen gefahren – extreme Belastungen können im Regelbetrieb bei Stürmen und Böen, beim Bremsen oder Abschalten der Anlage auftreten. Durch die Prüfungen der Windkraftgetriebe werden Aussagen über die strukturelle Belastbarkeit, Qualität und Lebensdauer, über Energieübertragung und Wärmeentwicklung möglich. Geräuschentwicklungen und Vibrationen werden ebenso überwacht wie das Verhalten des Materials und eventuelle Verformungen sowie die Kühlung und Schmierung.
Getriebeprüfstände sind darauf ausgelegt, Getriebe verschiedener Typen, Größen und Hersteller aufnehmen zu können. Im seriellen Betrieb werden diese nacheinander getestet. Ein Parallelbetrieb ist nur mit mehreren Prüfständen möglich. Die Belegungszeiten variieren: Während Funktions- und Abnahmetests Stunden bis zu mehreren Tagen in Anspruch nehmen können, ist der Prüfstand bei Belastungs- und Lebensdauertests bis zu mehrere Monate lang belegt. Das Gleiche gilt für Entwicklungs- oder Prototypentests.
Die Welle des Getriebes im Test und der Antrieb, wie Motor oder Schwungräder, müssen im Getriebeprüfstand sicher verbunden werden. Hierfür stellen mechanische oder hydraulische Schrumpfscheiben eine Kupplungsform dar.
Hydraulische Schrumpfscheiben erzeugen einen hohen Druck und ermöglichen damit eine reibschlüssige Verbindung ohne Spiel zwischen den Teilen, was die Verbindung besonders präzise und robust macht. Die hohen Drehmomente und Lasten der Windkraft können damit sicher von der Antriebswelle auf das Getriebe übertragen werden. Die Verbindung ist gegen Verrutschen oder gar Bruch gesichert, unabhängig von Temperatur, Drehzahl oder Vibration. Hier, wo Flächen von Bauteilen zusammengefügt werden, liegen die neuralgischen Bereiche. Reicht der Druck der Pressung nicht aus, kommt es zu Abnutzung und Verschleiß. Verrutschen Teile, drohen die sogenannten Materialfresser, die große Schäden verursachen: Im Planetengetriebe zum Beispiel ist der Träger als Hauptkomponente eines der teuersten Teile im System. Wird er beschädigt, geht das ins Geld. Mit hydraulischen Schrumpfscheiben passiert das nicht. Sie sind dafür gemacht, auch dauerhaft hohe Belastungen auszuhalten: Nicht zuletzt bestehen sie aus hochfestem Material wie Stahl. Das Rohmaterial wird in der Fertigung geschmiedet und gewalzt, um die größtmögliche Stabilität zu erreichen.
Mit Blick auf Faktoren wie Energieverbrauch, Wartung, Ersatzteilbedarf und Lebensdauer kommen verschiedene Kupplungsarten im Getriebeprüfstand infrage. Hier tut sich keine mit besonderen Vorteilen hervor. Entscheidend im Prüfstand ist allerdings eine andere Notwendigkeit: eine schnelle Montage und Demontage, etwa bei seriellen Tests
Genau das machen hydraulische Schrumpfscheiben möglich: Sie sind schnell einsatzbereit und verringern die Belegungszeit des Prüfstands.
Anders als mechanische Schrumpfscheiben, die verschraubt werden müssen, lassen sich hydraulische leicht montieren und demontieren. Bei Bedarf kann sogar das gesamte System außerhalb des Prüfstands vorgerüstet werden. Die TAS Schäfer GmbH, führender Hersteller für Reibschlussverbindungen in der Antriebstechnik, hat die Montage von hydraulischen Schrumpfscheiben mit ihrem Bajonettsystem noch weiter vereinfacht: Das System erzeugt die Verriegelung und blockiert die Halteschrauben. Damit muss kein Werkzeug zum Anziehen von Schrauben mehr eingesetzt werden. Die Montage erfolgt schneller und gleichzeitig sinkt die Arbeitslast der Mitarbeiter, denn der Verriegelungsprozess kann innerhalb von Sekunden erledigt werden. Zum Vergleich: Die Verspannung von Windkraftgetrieben auf dem Prüfstand hat früher schnell ein bis zwei Arbeitsschichten in Anspruch genommen, auch weil die Dimensionen extrem sind; eine Schrumpfscheibe kann hier schnell einen Nabendurchmesser von einem Meter haben. Heute kann sie innerhalb weniger Minuten erfolgen. Das hat sich herumgesprochen: TAS Schäfer wurde zum Marktführer, das Bajonettsystem setzte sich wegen seines einfachen Handlings und des großen Zeitgewinns auf Prüfständen weltweit durch.
Vorteile machen sich auch in der Arbeitssicherheit bemerkbar. Hydraulische Schrumpfscheiben von bspw. TAS Schäfer kommen mit deutlich weniger Druck aus: Sie benötigen in der Regel 180 bar Druck, maximal 200. Bei anderen sind bis zu 1000 bar notwendig, um die notwendige Pressung und damit die reibschlüssige Verbindung zwischen Nabe und Welle herstellen zu können. Auch das einfache Handling wirkt sich auf die Arbeitssicherheit aus, da durch das Bajonettsystem keine Schrauben mehr nacheinander festgezogen werden müssen.
Es ist von Vorteil, wenn es möglich ist, mit nur einer hydraulischen Schrumpfscheibe verschiedene Hohlwellen am Getriebe zu testen. Dafür muss sie an unterschiedliche Durchmesser anpassbar sein; ihr Aufbau erfordert Adapterringe oder geschlitzte Innenringe. Mit diesem Ansatz lassen sich Investitionskosten senken, da mit einer Schrumpfscheibe verschiedene Szenarien abgedeckt werden können. Das ist auch für die Wartung relevant: Können Betriebe diese selbst übernehmen, ihre Schrumpfscheiben eigenständig fetten und reparieren, können sie bei der Investition massiv Kosten sparen.
Das Verschiffen an den Hersteller und damit der wochenlange Ausfall der Schrumpfscheibe entfällt – es muss keine Ersatzscheibe vorhanden sein, um den Betrieb während der Wartung aufrechtzuerhalten. Unternehmen in Übersee, in China und Indien etwa, profitieren davon enorm. Das System von TAS Schäfer macht eine solche Wartung vor Ort möglich, indem die Intensität der Wartung reduziert wurde, Standardkomponenten wie O-Ringdichtungen oder Schrauben eingesetzt und Bauteile modifiziert wurden. Damit wird die Abnutzung der Bauteile reduziert und ihr einfacher Austausch möglich. Bei regelmäßiger Wartung können Schrumpfscheiben so über 15 Jahre lang im Einsatz sein und ihre maximale Lebensdauer auch bei hoher Belastung ausgereizt werden.
Die langsam laufende Seite des Getriebes im Prüfstand mit hydraulischen Schrumpfscheiben auszustatten, ist Usus. TAS Schäfer entwickelt nun seit etwa zwei Jahren auch Lösungen für die schnell laufende Ausgangsseite des Getriebes. Dafür wird das Verriegelungssystem an kleinere Wellen und Baugrößen angepasst. Allgemein geht der Trend in die Richtung, mit wenig Bauraum möglichst viel Drehmoment abdecken zu können. Bauteile werden flexibler nutzbar und dafür vereinheitlicht. Wichtig ist, dass Entwicklung und Innovation stets am Markt orientiert sind und in enger Zusammenarbeit mit den Herstellern von Getrieben erfolgen. Nur deren Eingaben und Rückmeldungen stellen sicher, dass das Produkt am Ende den tatsächlichen Anforderungen gerecht werden kann.
Der zentrale Faktor beim Getriebeprüfständen für Windkraftanlagen ist die Zeit: Je schneller sich Getriebe wechseln lassen, desto besser. Deswegen sind hydraulische Schrumpfscheiben mit einem ausgeklügelten Verriegelungssystem eine passende Wahl – sie erlauben eine schnelle Verspannung und lassen sich darüber hinaus an verschiedene Hohlwellgrößen anpassen, was ihren Einsatz flexibler und die Investition in verschiedene Größen obsolet macht.
Quelle: https://energie-fachzeitung.com/getriebepruefstand-windindustrie/6869/
