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
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