Zuverlässigkeit an erster Stelle

Repower hat die 5M als Hochseeanlage konzipiert
Grafik: Repower Systems AG

Vor einigen Wochen stellte Repower die neue Windenergieanlage (WEA) im Rahmen einer Veranstaltung in einem Hamburger Hotel einigen handverlesenen Kunden, Finanzleuten und Geschäftsfreunden vor. In einem anschließenden Gespräch mit SW&W erläuterte der Leiter des Repower-Entwicklungszentrums in Rendsburg, Peter Quell, die konstruktiven Einzelheiten.
Wer Sensationen erwartet, kommt nicht auf seine Kosten. Quell stellt gleich zu Anfang klar: »Das Kernmotto bei dieser Anlage: Nicht Innovation, sondern Zuverlässigkeit steht im Mittelpunkt. Bei diesem Größensprung brauchen wir ein sehr sicheres Anlagenkonzept und keine technischen Abenteuer.« Die 5M werde zwar in einer Land- und einer Offshore-Version gebaut, das technische Konzept ziele aber eindeutig auf den Einsatz weit draußen vor der Küste. Das legte letztendlich die konstruktiven Prämissen fest: höchstmögliche Verfügbarkeit und Reparaturfreundlichkeit.
Dabei ist es keineswegs so, dass in Rendsburg nicht innovativ gedacht wurde. »Wir haben eine Menge Innovationen im Detail«, bestätigt Quell - um dann vielsagend zu schweigen. Die Drehmomentstütze, das Rotorblatt und die Umrichter etwa gehören zu den Teilen »hinter dem Vorhang«.

Das längste Rotorblatt der Welt

»Top secret« ist die Fertigung des 61,5 m langen Rotorblattes. Hier lassen sich weder Repower noch der Hersteller in die Karten gucken. Dass der weltweit größte Rotor drei Rotorblätter haben wird, war nicht von vornherein ausgemacht: »Die Anzahl der Rotorblätter war wieder Thema. Wir haben zu Beginn der Entwicklung zunächst alles in Frage gestellt, sogar über einen Zwei-Blatt-Rotor gesprochen«, erklärt Quell. Entschieden habe man sich dann aber doch für den pitchgesteuerten klassischen Drei-Blatt-Rotor. »Der Prototyp und die Nullserie müssen onshore laufen«, begründet Quell die Entscheidung. »Da gibt es keine Akzeptanz für einen Zwei-Blatt-Rotor.« Der müsste, um einen ähnlichen Wirkungsgrad wie eine Drei-Blatt-Ausführung zu haben, entweder schneller laufen oder eine erheblich größere Blatttiefe aufweisen. Ersteres wäre zu laut, zweiteres stößt an transporttechnische Grenzen.
Entwickelt und produziert wird das Kunstwerk aus Kohlefaser und Glasfiber vom dänischen Rotorspezialisten LM Glasfiber A/S. Entgegen der sonst bei Repower üblichen »Double-Source«-Politik, die für wichtige Anlagenkomponenten immer zwei Lieferanten vorsieht, ist LM vorerst allein im Rennen. »Das hängt damit zusammen, dass die Zahl der möglichen Lieferanten klein ist«, sagt Quell. Warum baut Repower den Rotor in der eigenen Fertigung nicht selbst? »Wir haben uns im Moment entschieden, die Entwicklung der Rotorblatt-Baureihe PP 82, also für die MM 82, zu forcieren. Da wollen wir im Moment nicht parallel das 5M-Blatt entwickeln.«
Einzelheiten über den Rotor sind Quell nicht zu entlocken. LM hat sich höchste Geheimhaltung ausgebeten. Verständlich, denn vor allen Dingen in der Produktion des 19 t schweren Rotorblattes steckt viel Knowhow. Noch nie zuvor hat jemand eine solche Masse in einem Stück und in akzeptabler Zeit »ausgebacken«. In der Serienfertigung soll alle zwei Tage ein kompletter Rotor das Werk verlassen.

Die Gondel der 5M hat die Abmessungen eines kleines Eigenheimes
Grafik: Repower Systems AG

Konservative Konstruktion des Triebstranges

Die Rotorwelle der 5M ist doppelt gelagert - eine »konservative Konstruktion« wie Quell selber sagt. Zwei separate Lager nehmen die Rotorlasten auf. Der Vorteil: Die Welle allein übernimmt die Rotorbiegemomente, die aus dem Eigengewicht und vor allem aus den aerodynamischen Lasten resultieren. Das Getriebe »reitet« auf dem Wellenstummel, ist frei von Biegemomenten und nimmt ausschließlich Drehmomente auf. Zur Demontage wird der Flansch gelöst und das Getriebe ein kleines Stück nach hinten gezogen, bis es vom Rezess (angedrehte, erhabene Passfläche auf eine Welle) fällt.

Die Alternative wäre eine klassische Dreipunktlagerung gewesen: Ein Hauptlager - ausgeführt als Loslager (Pendelrollen) - hält die Rotorwelle vorn, hinten wird die Welle ins Getriebe gesteckt. Die Lasten werden somit vom Hauptlager und Getriebe übernommen und vom Getriebe über eine Drehmomentenstütze und Elastomerlager in den Maschinenträger eingeleitet. Eine durchaus bewährte Konstruktion. »Das hat den Vorteil, dass Sie sich das zweite Wellenlager sparen«, erklärt Quell. »Das können Sie sozusagen ins Getriebe integrieren. Wir haben damit keine negativen Erfahrungen gemacht.«

Warum dann die Entscheidung für die Doppellagerung? »Wir reden über große Massen«, sagt Quell. »Wir wollen das Getriebe separat ohne den gesamten Triebstrang entfernen können. Das geht bei der klassischen Dreipunktlagerung nicht. Bei der 5M hätten wir zum einen das Problem, dass wir zum einen diesen Riesenrotor mit seinen 110 t Gewicht ablegen müssten und zum anderen, dass der Triebstrang selber - also Welle, Lager Getriebe - mit über 100 t sehr schwer ist. Darum haben wir uns dafür entschieden, dass das Getriebe separat zu entfernen sein muss. Das wiegt 65 t und damit liegen wir wieder auf MD-Kranniveau - das heißt ich kann den gleichen 800-t-Kran benutzen. Außerdem können wir bei der Doppellagerung den Rotor oben lassen, wenn wir das Getriebe entfernen. Das ist bei Offshore-Anlagen sehr wichtig.«

Hinzu kommt, dass bei einer klassischen Dreipunktlagerung Welle und Getriebe mit konischen Spannsätzen verspannt sind. Ein Handikap für die Demontage: »Eigentlich geht das nur in der Halle. Bei unserer Lösung mit dem geschraubten Flansch können sie das jedoch auf der Anlage relativ einfach trennen«, sagt Quell.
Die Drehmomentenstütze der 5M schützt das Getriebe gegen Mitdrehen, stützt also - wie der Name sagt - ausschließlich die Drehmomente ab. Repower setzt für die Lagerung der Drehmomentenstütze eine neue Form von Entkopplungselementen ein, für die Patentschutz beantragt wurde. »Da wir nur noch die Drehmomente in den Maschinenträger einleiten, haben wir relativ weiche Kopplungselemente wählen können. Je weicher, desto weniger Schallübertragung.«

Renk und Flender bauen das Getriebe

Bei der 5M erhöht das Getriebe die Drehzahl des Generators um den Faktor 98. Theoretisch wäre auch eine getriebelose Variante der WEA möglich gewesen. Da die Relativgeschwindigkeit zwischen Stator und Rotor eine entscheidende Größe für die Generatorleistung darstellt, hätte die getriebelose Variante bedeutet: »Hochziehen« des Generatordurchmessers. Aus einsichtigen Gründen lässt sich der jedoch nicht beliebig erhöhen. Die Alternative ist eine Erhöhung der Kupfermenge in Stator und Rotor. Was an Durchmesser fehlt, muss an Kupfer her.

Quells Argument für die Getriebevariante lässt sich vorherahnen: »Dadurch werden getriebelose Generatoren sehr schwer und sehr groß. Für die 5M geht das nicht. Das ergibt sich aus einem Hochrechnen der E-112-Kopfmasse von 500 t. Der Durchmesser macht letztendlich den Ertrag und es gibt eine kubische Grundfunktion zwischen Rotordurchmesser und Masse. Wenn ich unsere Kopfmasse umrechne und das Durchmesserverhältnis von 112 zu 125 zugrunde lege, lande ich bei ca. 700 t Kopfmasse. So schwer wären wir, wenn wir bei gleichem Ertrag der Mühle getriebelos bauen würden. Ich bezweifle, dass wir dann noch wirtschaftlich wären.« Repower hat zwei Getriebetypen »in der Pipeline«. Beide werden bei der Flender GmbH und der Renk AG parallel entwickelt.

Renk baut ein Stufenplanetengetriebe mit einem umlaufenden Hohlrad. Der Vorteil: weniger Lager, dadurch einen höheren Wirkungsrad und weniger Anfälligkeit. Bei den mittelschnelldrehenden Lagen setzt Renk Gleitlager mit automatischer Ölversorgung ein. Die ganz langsam drehenden Lager, die von der kinematischen Seite aus kritisch sind, wie auch die Lager der schnelldrehenden Wellen haben die Repower-Ingenieure als Wälzlager ausgeführt. Hier hätten Gleitlager versagt oder den Wirkungsgrad verschlechtert. Quell nennt weitere Einzelheiten: »Wir haben auch keine umlaufenden Lager. Bei herkömmlichen Planetengetrieben drehen die Planeten mit und da drinnen drehen die Lager. Bei diesem Getriebe ist es so, dass die ganzen Lager fest positioniert sind und damit relativ einfach zu schmieren. Bei der MD haben wir mit dieser Entwicklung angefangen. 40% der MD-Anlagen haben ein Renk-Getriebe.«

Flender verfolgt mit seinem Planetengetriebe das klassische Konzept. Hier ist das Hohlrad festgeschraubt am Gehäuse und das Getriebe hat umlaufende Lager. Das ist der wesentliche Unterschied zum aufwändigeren und damit teureren Renk-Getriebe.
Welche Lösung kommt zum Tragen? »Der Kunde wird sich das bei der 5M aussuchen können. Beide Entwicklungen sind Neuentwicklungen und wir haben mit beiden Getriebetypen grundsätzlich sehr gute Erfahrungen gemacht.«

Umgekehrte Verhältnisse beim Blattlager

Mit einer verblüffend einfachen Lösung bewältigten die Repower-Entwicklungsingenieure das Problem der »Riesen-Nabe«. Bei herkömmlichen Windkraftanlagen, wie sie fast alle am Markt sind, wird das Rotorblatt über einen Lagerring an die Nabe angeschlossen. Es gibt einen Innenring, der direkt mit dem Rotorblatt verschraubt wird und einen Außenring, der mit der Nabe verbunden ist, dazwischen Wälzkörper. Mit dieser klassischen Bauform tauchte schnell ein Problem auf: »Wir haben dafür eine Nabe konstruiert und die ist unglaublich groß geworden«, erläutert Quell. »Denn: Der Außenring sitzt natürlich außen fest an der Nabe. Da bekamen wir bei einem Lochkreisdurchmesser von 3,20 m plötzlich einen Außendurchmesser von 3,50 m. Die Nabe wird also unheimlich groß. Damit wird dieses Bauteil nicht nur teuer, sondern auch schwer zu fertigen und schließlich zu transportieren.«

Die Lösung: »Den Außenring des Blattlagers benutzen wir, um das Blatt festzuschrauben und den Innenring haben wir mit der Nabe verbunden. Damit ist der Anschluss an die Nabe nicht größer als der Blattanschluss, sondern kleiner. Und deswegen liegt der Lochkreisdurchmesser der Rotornabe zur Anbindung des Blattlagers jetzt in der in der Größenordnung von 2,90 m statt 3,50 m.« Das bedeute einen entscheidenden Vorteil beim Gewicht und den Transportmaßen der Nabe, zeigt sich Quell zufrieden.

Geringe Belastung des Azimutsystems

Beim Azimutsystem hat sich Repower für die bewährte Variante mit Getriebemotoren, aussenverzahntem Vierpunktlager und innenliegenden Bremsscheiben mit aktiven Bremszangen entschieden. Das verringere erheblich die auf die Antriebe wirkenden Lasten, erklärt Quell. »Wenn ich diese Bremszangen nicht hätte, dann würde im Normalbetrieb der Anlage das Giermoment, dass die Anlage immer so ein bisschen wegdrehen will, auf die Antriebe wirken. Nur die Antriebe würden die Anlage halten.« Das bedeute erhöhten Verschleiß: Die Verzahnungspaarung der Azimutgetriebe würde ständig wechselnd belastet werden. Diese Belastungen werden an die Azimut-Antriebsmotoren mit ihren relativ kleinen Motorbremsen weitergegeben. Kurz: laufend Bewegung, laufend Verschleiß.
Die Bremsen halten nicht nur, sondern dämpfen auch notwendige Verfahrbewegungen, wie Quell weiter ausführt. »Wenn ich meine Anlage verfahre, öffne ich die Bremsen - je nach Wind - nur zum Teil. Ich lasse eine Restdruck stehen und habe dann in dem normalen Verfahrvorgang keine reversierenden Lasten. Der stehende Restdruck dämpft die Bewegung und das Rückstellmoment des Rotors.«

Auf dem Markt existieren Alternativkonzepte mit Gleitlagern. Hierbei werden die Lager so eingestellt, dass die Gleitreibung dämpfend wirkt. Für Quell und sein Entwicklungsteam waren diese Lösungen keine echte Alternative. »Das heißt doch, dass ich diese Reibung bei jedem Verfahren in voller Höhe überwinden muss. Das belastet wiederum die Antriebe. Außerdem kann ich die Dämpfung nicht beeinflussen. Bei starken Winden rutscht es trotzdem.«

»Richtig netter Maschinenbau«

Für Erheiterung während der Vorstellung der 5M in Hamburg sorgte Quells einleitende Bemerkung, bei der 5M handele es sich um »richtig netten Maschinenbau«. Die Bemerkung wird verständlich, wenn man bedenkt, dass an der Küste Maschinenbau eher noch als im Binnenland mit »großen Klamotten« verknüpft wird. Nicht ohne Grund stammen zwei der wichtigsten Zulieferer - Renk und Flender - ursprünglich aus der Schiffbaubranche. Und eine »große Klamotte« ist die 5M allemal. Allein die Gondel hat die Abmessungen eines kleinen Einfamilienhauses, die Rotorwelle ist begehbar.

»Richtig netter Maschinenbau« heißt aber auch: Solide, dauerfest und zuverlässig. Ob das tatsächlich eingelöst werden kann, muss der geplante mehrjährige Probebetrieb der 5M zeigen. Repower hat sich mit seinem Anlagenkonzept erst einmal auf die sichere Seite gestellt. Die Dimensionen der 5M und die erforderliche Logistik sind offenbar Herausforderungen genug.

Den Artikel schrieb der freie Autor Jörn Iken im Auftrag der Redaktion Sonne Wind & Wärme. Der Beitrag erschien in der Ausgabe 8/2003. Weitere Informationen über das Branchenblatt unter: http://www.sonnewindwaerme.de

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