Wälzlager für Offshore-Windanlagen / 06.12.2016

POSEIDON – Lagertechnologie auf dem Meerwasserprüfstand

Wälzlager in einer Windenergieanlage. Über ein Condition Monitoring System können Betreiber den Zustand von Anlagen und einzelnen Lagern überwachen. ©FAG /Schaeffler

Im Forschungsprojekt Poseidon entwickeln Wissenschaftler Wälzlagerstähle und Beschichtungen, mit denen Wälzlager auch ungekapselt den rauen Bedingungen bei Offshore Windenergieanlagen standhalten.

Von Ferne ist es kaum erkennbar: Wenn die Rotoren großer Windenergieanlagen majestätisch ihre Kreise drehen, wirken hochdynamische Kräfte mit extremen Spitzenbelastungen und plötzlichen Lastwechseln. In Küstennähe und Offshore gesellt sich zu der mechanischen Belastung elektrochemische Korrosion durch Luftfeuchtigkeit und Salz. Dies stellt hohe Anforderungen an die Lagertechnik von Welle, Getriebe und Generator. 

Es gibt Lager in unterschiedlichsten Ausführungen und Größen mit Durchmessern vom wenigen Millimetern bis über 10 Meter. Bisher sind für den Betrieb in korrosiven Umgebungsmedien nur hermetisch gekapselte Lager auf dem Markt, da keine Werkstoffe bzw. Beschichtungen zur Verfügung stehen, die dem kombinierten tribologischen und korrosiven Angriff dauerhaft standhalten können.Die dabei notwendigen Dichtungssysteme führen zu Reibungsverlusten. Ziel des Projektes ist es, zur Erhöhung der Energieeffizienz auf die Abdichtung der gesamten Lagerung verzichten zu können. Ohne eine hermetische Kapselung lässt sich bei gleichzeitig effizienter Medienschmierung die Energieeffizienz dieser Lager um bis zu 30% steigern.

 

Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projektverbund POSEIDON brachten sechs Partner aus Forschung und Wirtschaft ihre Kenntnisse in zu den Bereichen Stahlentwickelung, Stahlherstellung, Wälzlagerherstellung und Beschichtungsentwicklung ein. Sie erzielten sowohl in der Werkstoff- als auch in der Beschichtungsentwicklung deutliche Fortschritte. Sie entwickelten neue tribokorrosionsbeständige Wälzlagerstähle und Beschichtungen, mit dem Ziel, zukünftig ungekapselte Lager herstellen zu können, die ohne korrosionsschützende Schmierstoffe direkt in wässrigen Umgebungsmedien einsetzbar sind und durch diese auch geschmiert werden. Weiteres Ziel war es, neue korrosionsschützende, reibungsarme und gleichzeitig überrollbeständige Schichtsysteme herzustellen, die konventionelle Lagerstähle vor Tribokorrosion durch Meerwasser schützen.

 

Werkstoffentwicklung für korrosionsbeständige Lager

Über die Entwicklung eines korrosionsbeständigen Stahlwerkstoffes sowie einer Beschichtung hinaus beschäftigten sich die Beteiligten auch mit der Endbearbeitung zu Lagerbauteilen sowie deren Erprobung in Meerwasserumgebung. Durch die Fertigung von Lagerprototypen aus den entwickelten hochkorrosionsfesten Werkstoffen und Beschichtungen und deren Aufbau unter realitätsnahen Bedingungen wurde untersucht, wie Betriebseinflüssen auf den tribokorrosiven Verschleiß einwirken. Außerdem untersuchten die Forscher, wie Oberflächenprofile von Lagerteilen gestaltet sein müssen, um den speziellen Anforderungen gerecht zu werden.

 

Für dieses Ziel arbeitete das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA an galvanischen Schichtsystemen, die extremen tribokorrosiven Bedingungen Stand halten müssen. Das Ziel ist es, am Beispiel des Lagereinsatzes unter Meerwasserbedingungen, wie beispielsweise bei Gezeitenkraftwerken, einen Lagerwerkstoff zu entwickeln, der auf Abdichtung des Systems und die Schmierung verzichtet und dabei den aggressiv korrosiven Bedingungen in Meerwasserumgebung gewachsen ist.

 

Für die neuentwickelten Wälzlagerstähle entwickelte die Firma Schaeffler angepasste Fertigungsprozessketten, so konnten Lagerringe mit den geforderten engen Maßtoleranzen gefertigt werden. Die Lagerringe wurden in einen Lagerprüfstand unter künstlichem Meerwasser getestet. Dabei erreichten die aus der neuen Legierung Cronidur+ hergestellten Lager aufgrund einer geringeren Korrosionsbeständigkeit nicht die angestrebte Lebensdauer von 1.000 Stunden. Besser schnitten die ebenfalls getesteten Carnit Lager ab. Doch auch ihre Lebensdauer lag noch unter 1.000 Stunden.

 

Für extreme Betriebsbedingungen kommen ausschließlich hochlegierte Stähle zum Einsatz. Wird im Hinblick auf die Lebensdauer zusätzlich zur erforderlichen hohen Überrollfestigkeit eine erhöhte Anforderung an die Korrosionsbeständigkeit gestellt, können die in POSEIDON neuentwickelten Stähle Cronidur+, Nb-PM, Carnit+ bzw. Carnit+Nb diese bis zu einem hohen Grad erfüllen.

Beschichtungen verbessern Korrosionsfestigkeit und mindern Verschleiß der Lager

Beschichtetes Zylinderrollenlager, speziell für den Einsatz in Windkraftanlagen besonders geeignet. ©FAG / Schaeffler

Alternativ zu neuen korrosionsbeständigen Wälzlagerstählen entwickelten die Wissenschaftler korrosionsschützende und gleichzeitig verschleißbeständige Schichtsysteme, speziell zur Beschichtung von konventionellen nicht korrosionsbeständigen Lagerstählen. Dafür wurden zwei verschiedene Beschichtungstechnologien eingesetzt und auf die Anforderungen mediengeschmierter Lager angepasst:

 

Am Institut für Werkstofftechnik (IWT) Bremen wurden tribokorrosionsbeständige CrNx/a-C:H:Si-Schichtsysteme entwickelt. Den Forschern ist es gelungen, durch verschiedene Ansätze die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Die Schichten wiesen dabei in Meerwasser eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine mit einem ölgeschmierten Kontakt vergleichbare Reibung auf. Die Schichtsysteme wurden erfolgreich auf Lagerringen aus Cronidur sowie auf stromlos Nickel-beschichteten Wälzlagerringen aus konventionellem 100Cr6-Lagerstahl aufgebracht. Die beschichteten Wälzlagerringe aus Cronidur erreichten in den Lagerprüfstandsversuchen bei Schaeffler die geforderte Laufzeit von 1.000 Stunden in Meerwasser, ohne eine kritische Schichtschädigung durch Korrosion oder Verschleiß.

 

Die Entwickler verbesserten die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit sowohl für die galvanischen als auch für die PVD-Schichten deutlich. Einige der PVD-a-C:H-Schichten erreichten bereits in den Lagerprüfstandsversuchen die geforderte Laufleistung. Die neu entwickelten Schichtsysteme bieten ein großes Potenzial für den Einsatz bei hoch tribokorrosionsbeanspruchten Wälzlagern.

Forschungsverbund verbessert Wälzlager

Die technologisch-wissenschaftliche Herausforderung für die Entwicklung mediengeschmierter Lager besteht darin, dass konventionelle Wälzlagerstähle einerseits eine hohe Festigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweisen, andererseits aber nur eine sehr geringe Korrosionsbeständigkeit besitzen. Deshalb können diese Wälzlagerstähle ausschließlich unter Einsatz korrosionsschützender Schmierstoffe betrieben werden. Mit der Entwicklung des Kohlenstoff+Stickstoff-legierten Stahles Cronidur stand erstmals ein Wälzlagerstahl zur Verfügung, der neben der erforderlichen Überrollbeständigkeit auch über eine Korrosionsbeständigkeit verfügt, die deutlich über der Korrosionsbeständigkeit konventioneller rostfreier martensitisch-härtbarer Stähle liegt.

 

Im Verbundvorhaben arbeitete die Ruhr-Universität Bochum (RUB) an der Entwicklung neuer Wälzlagerwerkstoffe, die eine hohe Härte und Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion vereinen sollten. Hierzu optimierten sie bereits bestehende Legierungskonzepte und passten sie auf den Anwendungsfall an. DEW und ETB übertrugen die neuentwickelten Werkstoffkonzepte in einen großtechnischen Maßstab und stellten Stähle für die Entwicklung der Fertigungsprozesse bei Schaeffler zur Verfügung. Die Firma stellte aus den neuen Wälzlagerstählen Lagerprototypen her und testete diese unter Meerwasser-Medienschmierung. Dabei wurden die Einflüsse der Werkstoffeigenschaften auf die Fertigungsprozesse in der Wälzlager-Prozessroute untersucht.

Mehr zum Projekt

Verbundprojekt

POSEIDON: Bauteile und Wälzlager zum Einsatz unter tribokorrosiven Bedingungen

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Förderkennzeichen:

03ET1072A-F

Laufzeit:

2012-2015

Projektbeteiligte

Gesamtsystemkomponenten
Schaeffler Technologies AG & Co. KG

Reibungsarme Kohlenstoffschichten
IWT Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen

Galvanische Schichten
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Verschleiß- und korrosionsbeständige Wälzlagerstähle
Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl Werkstofftechnik

Fertigung verschleiß- und korrosionsbeständiger Stähle
Deutsche Edelstahlwerke GmbH

Korrosionsträge druckaufgestickte Legierung
Energietechnik Essen GmbH

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.