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Einführung in die Anwendung von Öldichtungen in Windenergieanlagen

In der Windenergiebranche sind Anlagen rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt, darunter extreme Temperaturschwankungen, starker Wind und Sand, feuchter Salznebel, kontinuierliche Vibrationen und lange Zeiträume unbeaufsichtigten Betriebs. Daher steht die Zuverlässigkeit von Öldichtungen, die als „Wächter“ für Schlüsselkomponenten fungieren, in direktem Zusammenhang mit der Effizienz der Stromerzeugung, den Wartungskosten und der Lebensdauer von Windkraftanlagen.

1. Kernfunktionen und Bedeutung

Öldichtungen in Windenergieanlagen haben zwei Hauptaufgaben:

1. 1. Erhaltung der Schmierung: Verhindert das Austreten von Schmieröl oder -fett aus dem Getriebe, der Hauptwelle sowie den Azimut- und Pitchlagern, stellt sicher, dass Zahnräder und Lager vollständig geschmiert sind, und reduziert den Verschleiß.
2. 2. Verunreinigung ausschließen: Verhindert effektiv das Eindringen von externen Verunreinigungen wie Staub, Feuchtigkeit und Salznebel in die internen Präzisionsgetriebekomponenten und verhindert so Korrosion, Verschleiß und Schmierstoffverschlechterung.

Da Turbinen oft in abgelegenen oder Offshore-Gebieten stehen, sind die Kosten für einen einzelnen Wartungsvorgang extrem hoch. Der Ausfall einer Öldichtung im Wert von nur ein paar Hundert Dollar kann zu einem Getriebeschaden führen, der Hunderttausende oder sogar Millionen an entgangenen Einnahmen durch Ausfallzeiten verursacht. Daher ist die Zuverlässigkeit der Dichtung von entscheidender Bedeutung für die Sicherstellung der Kapitalrendite einer Windkraftanlage.

Hauptanwendungspunkte und Anforderungen

1. 1.Hauptwellenlager

• Bedingungen: Mittlere bis niedrige Geschwindigkeit, schwere Last, hält erheblichen Biegemomenten und Stoßbelastungen durch den Rotor stand.
• Anforderungen an die Abdichtung:

◦ Hervorragende Abriebfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.

◦ Gute Lippenfolgefähigkeit zur Anpassung an geringfügige Wellenauslenkungen und Vibrationen.

◦ Effektive Abdichtung von Fetten auf Lithiumbasis.

• Gängige Typen: Große Gummidichtungen mit Metallgehäuse, oft mit Doppellippe (Hauptlippe dichtet Fett ab, Hilfslippe hält Staub ab).

2. 2.Getriebe

Dies ist eine der technologisch anspruchsvollsten und schwierigsten Umgebungen für Öldichtungen.

• Hochgeschwindigkeitswellenende:

◦ Bedingungen: Hohe Drehzahl (über 1500 U/min), hohe Temperatur.

◦ Anforderungen: Sehr geringer Reibungsverlust, ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit, Beständigkeit gegen Lippentrocknung durch hohe Zentrifugalkraft.

◦ Gängige Typen: Federvorgespannte PTFE-Dichtungen (Polytetrafluorethylen). Aufgrund ihres niedrigen Reibungskoeffizienten, ihrer hohen Temperaturbeständigkeit und ihrer hervorragenden chemischen Beständigkeit sind sie zur bevorzugten Wahl geworden.

• Niedriggeschwindigkeits-Wellenende und Zwischenstufen:

◦ Bedingungen: Niedrigere Drehzahl, aber hohes Drehmoment.

◦ Anforderungen: Gute Dichtleistung und Haltbarkeit.

◦ Gängige Typen: Hochleistungsdichtungen aus hydriertem Nitrilkautschuk oder PTFE-Dichtungen.

3. 3.Gier- und Pitchlager

• Bedingungen: Niedrige Geschwindigkeit, schwere Last, intermittierende Bewegung, direkte Einwirkung der äußeren Umgebung, anhaltende Sonne, Regen und Korrosion.
• Anforderungen an die Abdichtung:

◦ Außergewöhnliche Wetterbeständigkeit (Beständigkeit gegen UV-Strahlung, Ozon, hohe und niedrige Temperaturen).

◦ Hervorragende Korrosions- und Meerwasserbeständigkeit (für Offshore-Turbinen).

◦ Gute Verschleißfestigkeit, um abrasivem Verschleiß durch Lagerrotation und Verunreinigungen standzuhalten.

• Häufige Typen: Oft mehrlippige Dichtungsringe aus Vollgummi oder Gummi/Metall-Verbundwerkstoff. Das Material ist typischerweise EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), das für seine hervorragende Wetterbeständigkeit bekannt ist.

4. 4.Generatorlager

• Bedingungen: Hohe Drehzahl, relativ hohe Temperatur.
• Anforderungen: Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Verträglichkeit mit Generatorkühlmedien.
• Gängige Typen: Standard- oder Hochleistungs-Gummiöldichtungen.

1. Gängige Öldichtungsmaterialien

• Hydrierter Nitrilkautschuk: Hervorragende Gesamtleistung, hitzebeständig (bis zu 150 °C), verschleißfest und ölbeständig. Eine kostengünstige Wahl, die häufig in Getrieben und anderen Bereichen eingesetzt wird.
• Polytetrafluorethylen: Beständig gegen fast alle Chemikalien, sehr niedriger Reibungskoeffizient, hitzebeständig (bis 200°C+). Die bevorzugte Wahl für Hochgeschwindigkeitswellendichtungen, die häufig mit einer Feder verwendet werden, um eine stabile Lippenanpassung zu gewährleisten.
• Ethylen-Propylen-Dien-Monomer: Hervorragende Wetter-, Ozon-, Alterungs- und Dampfbeständigkeit. Die erste Wahl für Azimut- und Pitchlagerdichtungen, jedoch nicht beständig gegen Mineralöle.
• Fluorelastomer: Bietet eine bessere Hitze- und Ölbeständigkeit als HNBR und wird in anspruchsvolleren Anwendungen eingesetzt, ist jedoch teurer.

Herausforderungen und Entwicklungstrends

1. Herausforderungen:

• Anforderungen an die Langlebigkeit: Moderne Turbinen sind für eine Betriebsdauer von über 20 Jahren ausgelegt und erfordern eine entsprechende Dichtungslebensdauer für wartungsfreien oder wartungsarmen Betrieb.
• Anforderungen an den Energieverbrauch: Das Reibungsdrehmoment von Dichtungen verbraucht Energie und verringert die Gesamteffizienz. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der Reduzierung der Reibung.
• Extreme Umgebungen: Der hohe Salz- und Feuchtigkeitsgehalt vor der Küste, die extreme Kälte in nördlichen Regionen und der Sand in Wüstengebieten stellen strengere Anforderungen an Robben.

2.Trends:

1. Materialinnovation: Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe und Elastomere, die geringere Reibung, höhere Verschleißfestigkeit und längere Lebensdauer vereinen.
2. Strukturoptimierung: Einführung hydrodynamischer Lippendesigns. Winzige Muster oder Rillen auf der Dichtlippe erzeugen während der Wellendrehung einen Pumpeffekt, der versehentlich eingedrungene Flüssigkeit zurück in das Gehäuse drückt und so die Zuverlässigkeit der Dichtung erheblich verbessert.
3. Integration und Modularisierung: Integration der Dichtungsfunktion in Lagereinheiten oder Getriebe als Teil einer Komplettlösung, wodurch die Installation vereinfacht und die Gesamtzuverlässigkeit verbessert wird.
4. Zustandsüberwachung: Entwicklung „intelligenter Dichtungen“ mit Sensorschnittstellen zur Überwachung des Schmiermittelzustands oder des Zustands der Dichtung in Echtzeit und ermöglicht so eine vorausschauende Wartung.

3.Zusammenfassung

Obwohl sie klein sind, sind Öldichtungen der Grundstein für den zuverlässigen Betrieb von Windenergieanlagen. Von der Hauptwelle und dem Getriebe bis hin zu den Gier- und Pitchsystemen sind leistungsstarke Öldichtungslösungen der Schlüssel zur Gewährleistung eines stabilen Turbinenbetriebs in rauen Umgebungen und zur Reduzierung der Gesamtbetriebskosten. Mit der Weiterentwicklung von Windkraftanlagen hin zu größerer Größe, höherem Wirkungsgrad und Offshore-Einsatz werden die Anforderungen an die Öldichtungstechnologie weiter steigen und zu ständigen Innovationen in diesem Bereich führen.