A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum | Datenschutz
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Der passende Antrieb für eine optimale Blattverstellung

Bild 1. Nur dank moderner Technik lässt sich bei Windenergieanlagen ein Wirkungsgrad von 50 % erzielen

Bild 2. Die Planetengetriebe Ultratrue kombinieren die positiven Merkmale des ballig gefrästen Zahnprofils und der Schrägverzahnung mit der Planetenbauweise

Bild 3. Die Linearaktoren der Serie Electrak Pro bieten sich für schwierige und anspruchsvolle Anwendungen an, wenn ein stetiger, zuverlässiger und wartungsfreier Betrieb ein Muss ist

Bild 4. Bei den Spindelhubgetrieben der Muli-Baureihe ermöglichen die kubische Gehäuseform, genormte Montageteile und Endbeschläge sowie vorbereitete Flanschbohrungen einen problemlosen Anbau von Motoren, Getrieben und Drehgebern

Während der atomare Zwischenfall im japanischen Kernkraftwerk Fukushima der technologisch hoch entwickelten Menschheit ihre Grenzen aufzeigt, weist er ebenfalls auf die hohe Bedeutung der Erschließung alternativer Energiequellen hin. Besonders in unseren Regionen mit mittlerer bis geringer Sonnenausbeute werden hierbei zukünftig Windenergieanlagen eine zentrale Rolle spielen. Um einen hohen Wirkungsgrad und damit maximale Rentabilität für die Betreiber sicherzustellen, müssen diese Anlagen mit innovativer Technologie ausgestattet sein. Hierzu gehört an vorderster Stelle die automatische Blattwinkelverstellung, für die es interessante Lösungen gibt.

Vor einigen Jahren herrschte die Frage vor, ob regenerative Energiegewinnung langfristig tatsächlich die fossilen und kerntechnischen Kraftwerke ablösen kann. Nicht erst seit Fukushima geht es darum, wann und wie dies geschehen wird. Ein entscheidender Punkt dabei ist, welchen Wirkungsgrad solche Anlagen zur alternativen Energiegewinnung erreichen können. Denn erst ein hoher Wirkungsgrad macht die Anlagen für Investoren attraktiv und garantiert eine zuverlässige sowie allgemeine Energieversorgung. Während Solaranlagen einen Wirkungsgrad von 6 % bis 20 % erreichen und Wasserkraftwerke es auf konkurrenzlose 90 % bringen, liegt der Wirkungsgrad von Windenergieanlagen je nach Bauweise bei rund 50 % (Bild 1).
Um einen derart hohen Wert zu erreichen, genügt allerdings nicht mehr der pittoreske Charme einfacher Windmühlen, wie man sie zum Beispiel in Holland oder Norddeutschland findet. Großtechnische Windenergieanlagen, mit Leistungen ab 1 MW, sind unserer Tage hochkomplexer Systeme. Diese sind mit moderner Technik ausgestattet, die sich im raschen Tempo weiterentwickelt und immer wieder mit außergewöhnlichen Innovationen aufwartet.
Als die ersten Windenergieanlagen konzipiert wurden, ging es zunächst darum, die vorhandene Generatorentechnologie zu nutzen, um die Systeme möglichst schnell marktreif zu machen. Das Ergebnis waren jedoch oft suboptimale Systeme, die allerdings nicht selten bereits das enorme Potenzial aufzeigten, das sich aus dieser regenerativen Energiequelle schöpfen lässt. Im Laufe der folgenden Jahre haben Weiterentwicklungen der Technik nicht nur die Kapazität der Systeme ansteigen lassen, sondern ebenfalls deren Zuverlässigkeit auf ein hohes Niveau geschraubt. Erst mit diesen entscheidenden Faktoren wurden die Anlagen für Investoren und Betreiber gleichermaßen zu attraktiven Alternativen.

Automatische Blattverstellung
Ein wichtiger Faktor bei allen Arten von Windrädern ist die Anpassung an die jeweils herrschenden Windverhältnisse. Bei Windenergieanlagen der ersten Generation erfolgte diese Anpassung durch einen gewollt herbeigeführten Strömungsabriss (Stall). Hierzu sind die Rotorblätter so geformt, dass ab einer bestimmten Windstärke automatisch ein Abriss der Luftströmung auftritt, sodass die Antriebswirkung unterbrochen wird. Für moderne Anlagen ist diese passive Technik jedoch zu uneffizient, da auf diese Weise ein großer Teil der potenziell verfügbaren Energie ungenutzt bleibt.
Gelöst wurde dieses Problem durch eine aktive Verstellung des Rotorblatt-Anstellwinkels – Pitch-Regelung genannt. Diese ist mittlerweile eine zentrale Funktion moderner Windkraftturbinen ab einer bestimmten Größe. Sie erfüllt zwei Aufgaben: die Optimierung des Stromertrags für die jeweils herrschende Windstärke und das sichere Anhalten der Anlagen bei zu starkem Wind oder einer auftretenden Notfallsituation. Diese modernen Systeme zur Blattwinkelverstellung unterscheidet man in zwei grundlegenden Bauformen: Bei der „kollektiven“ Konstruktion werden alle Blätter über ein gemeinsames Gestänge verstellt. Eine deutlich komplexere Lösung ist die der Einzelblattverstellung, bei der sich jedes Rotorblatt unabhängig von den übrigen verstellen lässt.

Die Wahl des passenden Antriebs
Um eine aktive Kollektiv- oder Einzelblattverstellung zu realisieren, mussten die Ingenieure einen für dieses Einsatzszenario geeigneten Antrieb finden. In älteren Anlagen versehen überwiegend hydraulische Antriebssysteme ihren Dienst. Diese haben sich aber mittlerweile als zu groß, zu schwerfällig, zu ungenau und zu wartungsintensiv herausgestellt. Auch aus konstruktiver Sicht entstanden bei hydraulischen Systemen oft Probleme, je komplexer die Antriebe wurden. Dies gilt vor allem für Anlagen mit sogenannter Teilblattverstellung, bei der nur die Spitze der Rotorblätter bewegt wird. Hier ist der Einsatz von Hydraulik weitestgehend unmöglich, da es nur mit viel Aufwand gelingt, die Antriebskraft an die gewünschte Stelle zu positionieren. Darüber hinaus erfordern die Anordnung der Aggregate und das Verlegen der Hydraulikleitungen einen großen Konstruktionsaufwand.
Daher kommen in modernen Systemen hauptsächlich elektromechanische Blattverstellantriebe zum Einsatz. Diese Lösungen lassen sich mit der passenden Elektronik deutlich präziser ansteuern, bieten eine hohe Konstruktionsflexibilität und erfordern zudem einen geringeren Wartungsaufwand. Das weitgehend eigenständig arbeitende elektrische Blattverstellsystem übernimmt viele Funktionen, die für die Effizienz und Betriebssicherheit einer Windenergieanlage von entscheidender Bedeutung sind.
Die eigentliche Blattverstellung erfolgt durch ein sogenanntes Drehwerkgetriebe. Hierbei handelt es sich um eine kompakte Baugruppeneinheit aus elektrischem Gleich- oder Wechselstrommotor und einem angeflanschten Planetengetriebe mit hoher Übersetzung. Da derartige Baugruppen auch in anderen Disziplinen des Maschinenbaus eingesetzt werden, sind sie relativ kostengünstig verfügbar.

Das Getriebe sorgt für die Kraftübertragung
Neben der Auswahl der geeigneten Motoren kommt es auf eine optimale Kraftübertragung an. Bei der Auswahl der Getriebe stehen Dynamik, Zuverlässigkeit und Wartungsintensität im Mittelpunkt. Sie müssen zum einen präzise arbeiten, da die Rotorblätter für eine optimale Windausbeute jeweils um nur wenige Grad verstellt werden. Zum anderen müssen sie aufgrund der hohen Windlasten, die auf die Rotorblätter wirken, eine hohe Drehmomentkapazität bieten. Außerdem sind schnelle Bewegungen vonnöten, wenn der Rotor bei Sturm oder sonstigen Notfallsituationen angehalten werden muss. In diesen Fällen werden die Rotorblätter sekundenschnell in die sogenannte Fahnenstellung gebracht und so aus dem Wind genommen.
Die Getriebe müssen darüber hinaus selbst unter widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten: ob in der Hitze von Texas, in der Kälte Sibiriens oder in der feuchten, salzhaltigen Luft der Nordsee. Nicht zuletzt sollten die Systeme weitestgehend wartungsfrei sein, da jeder Stillstand kostspielig ist und die Systeme in luftiger Höhe nur mit großem Aufwand erreichbar sind.

„Echte“ Planetengetriebe aus Edelstahl
Speziell für die Blattverstellung von Windkraftturbinen hat Thomson die Planetengetriebe des Typs Micron Ultratrue (Bild 2) entwickelt. Diese Getriebe erfüllen die beiden zentralen Forderungen: hohe Leistungsfähigkeit und moderate Kosten. Die wesentlichen Merkmale, die genau das sicherstellen, sind Planetenzahnräder, Gehäuse und Wellen aus Edelstahl sowie Kegel- und Pendelrollenlager. Für die Betreiber von Windenergieanlagen ergeben sich dadurch nicht nur Kosteneinsparungen bei der Anschaffung, der ausfallfreie Betrieb reduziert zudem die Wartungskosten im Vergleich zu alternativen Systemen.
Das Besondere an den Thomson-Planetengetrieben ist die ausgeklügelte Zahnradanordnung, bei der sich drei sogenannte „Planentenräder“ um ein Antriebsritzel oder „Sonnenrad“ drehen. Die Planetenräder kreisen dabei innerhalb eines Innenzahnkranzes, der normalerweise direkt in die Innenseite vom Gehäuse gefräst wird. Auf diese Weise entsteht eine starre Konstruktion, die für eine hohe Torsionssteifigkeit der gesamten Getriebeeinheit sorgt. Da die an der Abtriebswelle wirkende Last gleichmäßig auf die Planetenzahnräder aufgeteilt wird, hat ein Planetengetriebe zudem eine höhere Tragzahl als ein Stirnradgetriebe derselben Baugröße. Außerdem zeichnen sich diese Getriebe durch eine kompakte Bauform aus.
Damit sind durch die Kombination mehrerer gleichartiger Getriebe hohe Übersetzungen möglich. Während es gängige in Reihe angeordnete Systeme auf maximale Übersetzungen von 100:1 bringen, bietet Thomson mit seinen rechtwinkligen Getriebebauformen standardmäßig Übersetzungen bis 500:1. Besonders bei der bereits erwähnten Technik der Teilblattverstellung kommt dieser Kompaktheit eine besondere Bedeutung zu, da man die Getriebe direkt im Inneren des Rotorblatts an dessen sich verjüngendem Ende montieren kann, sodass aufwendige, fehler- und spielanfällige Antriebsgestänge entfallen.

Produktpalette für Windenergieanlagen
Weitere Produkte die Thomson unter anderem für den Einsatz in Windenergieanlagen konzipiert hat, sind robuste Linearaktoren (Bild 3) und Hubspindeln (Bild 4), die Lasten bis 50 kN bewältigen. Diese Komponenten sind in Ausführungen bis Schutzart IP67 erhältlich und halten damit auch harten Umgebungsbedingungen stand. Sie versehen ihre Arbeit ebenso in salzhaltiger Luft, wie bei Sandstürmen, extremen Temperaturschwankungen, klirrender Kälte oder bei hoher Vibrations- und Stoßbelastung. Eingesetzt werden sie beispielsweise an der Wartungsluke, die den Zugang zu den großen Bauteilen an der Turbine ermöglicht. Diese Luke ist häufig so schwer, dass sie sich mit Muskelkraft nicht öffnen lässt – besonders wenn sie durch Schnee und Eis zugefroren ist. Hier kommen unterstützend Hubspindeln oder Linearaktoren zum Einsatz.
Dieselbe Technik wird auch bei der Rotorbremse verwendet, die den Rotor zuverlässig in seiner Parkposition hält, wenn die Windverhältnisse keinen Betrieb zulassen oder wenn Wartungs- bzw. Inspektionsarbeiten durchgeführt werden. Ein Antrieb, der hier nicht absolut zuverlässig funktioniert, kann verheerende Folgen haben, sowohl für die gesamte Anlage als auch für die Techniker oder das direkte Umfeld einer solchen Windenergieturbine.
Den Konstrukteuren der Anlagen bieten Hubspindeln ebenso wie Linearaktoren somit im Vergleich zu Hydrauliklösungen zahlreiche Vorteile, wie eine unkomplizierte Installation, einen geringen Wartungsaufwand, Standard-Endlagenschalter und verschiedene Montageausführungen für eine flexible Konfiguration.

Der Beitrag als pdf

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Theodore Moser ist Global Account Manager bei Thomson Industries.