Gussteile sorgen für Höchstspannung

Für das Gießen sprechen kraftflussgerechte Gestaltung und günstige Materialeigenschaften. Bei höchstbelasteten Schlüsselkomponenten für Windenergieanlagen setzt ein großer deutscher Hersteller auf...

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Für das Gießen sprechen kraftflussgerechte Gestaltung und günstige MaterialeigenschaftenBei höchstbelasteten Schlüsselkomponenten für Windenergieanlagen setzt ein großer deutscher Hersteller auf Gusseisen mit Kugelgraphit. Dabei legt er großen Wert auf partnerschaftliche Zusammenarbeit mit der Gießerei und darüber hinaus auch auf die Kooperation von Konstrukteur und Gießer bei der Weiterentwicklung der Gussteile. ,,Unsere Windenergieanlagen sind aufwendige Spitzenprodukte. Sie haben uns in Deutschland zur Nr. 1 und weltweit zur Nr. 3 gemacht. Bei den am höchsten belasteten Großkomponenten dieser Anlagen setzen wir weitgehend auf Gusseisen", erläutert Klaus Peters, Gesamtproduktionsleiter der Enercon-Produktions-GmbHs. Beflügelt vom positiven Image der Windenergie erzielt die Gruppe, die weltweit über 3600 Mitarbeiter beschäftigt, seit Jahren zweistellige Zuwachsraten. Hauptprodukte sind die Anlagentypen E-40 mit einer Nennleistung von 600 kW und deren ,,große Schwester" E-66, die mit einer Nennleistung von 1,8 MW zu den leistungsstärksten derzeit gebauten Anlagentypen gehört. Schon im Frühjahr 2002 soll der erste Prototyp einer 4,5 MW-Anlage mit der Bezeichnung E-112 in Betrieb gehen.Vom Rotor getriebelos und direkt auf den Generator,,Entscheidender Vorteil unserer Anlagen ist der völlige Verzicht auf ein Getriebe. Wir brauchen es nicht mehr, weil wir im eigenen Haus einen Generatortyp entwickelt haben, der mit der Drehzahl des Rotors zurechtkommt", sagt K. Peters. Kommerziell erhältliche Generatoren benötigen in der Regel Drehzahlen oberhalb von 1000 min-1, während die riesigen ,,Propeller" von Windenergieanlagen sowohl aufgrund der Strömungsgesetze als auch zur Begrenzung von Fliehkräften relativ langsam rotieren müssen. Schon bei den kleineren Anlagentypen, die man früher fertigte, habe man das Getriebe als Schwachpunkt erkannt. Größter Nachteil seien mangelnde Haltbarkeit, hoher Wartungsaufwand sowie Wirkungsgradverluste und Geräuschentwicklung. Deshalb baue man seit Jahren nur noch getriebelose Anlagen.,,Die Rotorblätter der E 66 haben eine Länge von fast 33 Meter. Wenn eine Bö über einen solchen Hebelarm zupackt, wirken ungeheure Kräfte auf die Nabe", verrät Dipl.-Ing. Ralf Kelling, bei Enercon als Leiter Qualitätswesen dafür zuständig, dass die im Hause gebauten Anlagen unbeschadet jede Wetterlage überstehen. Eines der Erfolgsgeheimnisse des Unternehmens ist die sehr genaue Kenntnis der Windlastkollektive, die an den unterschiedlichsten Aufstellorten auf seine Anlagen einwirken. Diese Datenbasis stammt von den Messeinrichtungen auf den rund 4000 Anlagen, die das Unternehmen mittlerweile weltweit errichtet hat. Dies ermöglicht realistische Ausgangsvoraussetzungen für die ausgefeilten FEM-Berechnungsprogramme, mit deren Hilfe die dynamisch hoch belasteten Komponenten im Bereich der Rotornabe ausgelegt werden. Guss bewährt sich bei auch bei filigranen BauteilenDass man hier auf Gussteile setzt, hat seinen guten Grund: ,,Die Nabe ist ein sehr komplexes und dabei trotz ihres Gewichts von rund 7,2 Tonnen im Prinzip äußerst filigranes Teil. Wenn Sie versuchen würden, diese Struktur zu schweißen, würden Sie feststellen, dass die Schweißnähte genau da liegen, wo man sie nicht haben möchte, nämlich in den Bereichen höchster Belastung", weiß R. Kelling. Zudem könne man eine solche Schweißkonstruktion nur sehr bedingt dem tatsächlichen Kraftflussverlauf anpassen. Um von der Festigkeit her zurechtzukommen, müsse man vermutlich die anderthalbfache Wanddicke nehmen wie bei der Gussausführung. Und jede Tonne Mehrgewicht im Rotorbereich bedinge eine entsprechend höhere Belastung aller anderen Komponenten vom Drehkranz über den Turm bis zum Fundament. Diese müssten dann ebenfalls stärker dimensioniert werden, mit entsprechenden Auswirkungen auf die Gesamtkosten.,,Selbst bei Normalbetrieb unterliegen die Nabe und die anderen Gussteile in diesem Bereich ständigen hohen Wechselbelastungen. Da können schon kleine Fehler katastrophale Auswirkungen haben. Deshalb müssen wir uns auf die Gießerei 100prozentig verlassen können", ergänzt K. Peters. Mit der Firma Meuselwitz Guss in Meuselwitz habe man einen entsprechenden Gießerei-Partner gefunden, der neben hoher Qualität und Termintreue auch die Bereitschaft zu echter Lieferantenpartnerschaft mit Enercon bewiesen habe. Und genau das brauche man, denn bei Teilen, die für die Gesamtfunktion einer Großanlage so lebenswichtig seien, komme man mit Vertragsklauseln allein nicht zurecht, darüber hinaus brauche man schon ein ausgeprägtes Vertrauensverhältnis. Meuselwitz Guss habe dies immer wieder bewiesen, sei bei terminlichen Engpässen sogar bereit gewesen, Rohgussteile an fremde Bearbeiter abzugeben und damit auf vertraglich zugesicherte Einnahmen zu verzichten.Ohne Simulationstechnik geht heute nichts mehr,,Als wir mit der Zusammenarbeit anfingen, stiegen wir mit den Bauteilen für die E-66 gerade in eine neue Gussteildimension ein. Bei Meuselwitz merkten wir sofort, dass hier äußerst professionell gearbeitet wurde", erinnert sich Kelling. Dabei lernte man auch erstmalig den Einsatz von Gieß- und Erstarrungssimulationsprogrammen als Mittel zur Absicherung der Qualität und zur Optimierung des Herstellprozesses kennen. Über das Konstruktionsprogramm Mechanical Desktop erfolgt ein direkter Datenaustausch zwischen der Konstruktion und der Gießerei mit direktem Eingang in das Programm für die Simulation der Formfüllung und der Erstarrungsabläufe, um schnellen Zugriff auf diese qualitätssichernde Fertigungstechnologie mit all ihren Bestandteilen wie Festlegung von Anschnitten, Speisern und Kühlkörpern zu ermöglichen. Im Laufe der Zeit - die Anlagen unterliegen einem ständigen ,,Redesign" - kamen dann immer wieder Verbesserungsvorschläge von den Gießereifachleuten. Dies betraf unter anderem das Einbringen von Durchbrüchen in den Trennwänden zwischen den drei Rotorblatt-Anschlussbereichen. Dadurch konnte man die großen Sandkerne, mit deren Hilfe diese Hohlräume erzeugt werden, gegeneinander abstützen. Die Folge war ein geringerer Versatz dieser Kerne und damit deutlich bessere Toleranzen der Wanddicke. Dies wiederum führt zu einer ausgeglicheneren Massenverteilung und damit weniger Unwucht in der Nabe. Solche Vorschläge führten auch zu besonderen ,,Aha-Effekten" in der eigenen Konstruktionsabteilung. Dort akzeptiere man den Gießer inzwischen als zuverlässigenEntwicklungspartner, mit dem man neue Konstruktionen grundsätzlich schon in der Entwurfsphase durchdiskutiere.Keine Experimente mit anderen GußsortenVon den sieben Großgussteilen, die für die Anlagentypen E-40 und E-66 verwendet werden, besteht nur ein einziges - nämlich der Maschinenträger - aus rein schweißtechnischen Gründen aus Stahlguss, weil das Teil mit einer Stahlbaukonstruktion verschweißt werden muss. ,,Während wir früher bei unseren kleinen Anlagen auf Stahlguss setzten, verwenden wir heute als Werkstoff die kaltzähe Variante von Gusseisen mit Kugelgraphit. Dieses Material ist viel besser zu gießen und weist hohe Festigkeit, gute dynamische Belastbarkeit und zudem Tieftemperaturzähigkeit auf", erläutert Peters. Mit dem Werkstoff sei man optimal bedient und sehe daher auch gar keinen Grund für die Suche nach weiteren Alternativen. Ein weiterer wichtiger und entscheidender Aspekt sei, dass man ihn bei den benötigten Abmessungen fertigungstechnisch noch gut beherrschen könne. Zu Experimenten gebe es allein schon deshalb keinen Anlass, weil selbst in Europa bei weitem nicht jede Gießerei imstande sei, mit diesem Werkstoff Großteile in der von Enercon benötigten Qualität hinzubekommen. Die bezüglich Materialeinsatz komplett durchoptimierte Konstruktion erfordert eine durchgängige Gewährleistung der Werkstoffeigenschaften. Um dies auch hundertprozentig abzusichern, hat Meuselwitz Guss beispielsweise seine Qualitätssicherung durch vier zertifizierte Ultraschallprüfer inklusive der benötigten Werkstoffprüftechnik ,,aufgerüstet". Noch schwieriger sei dies allerdings in Ländern der Dritten Welt wie beispielsweise in Indien oder Brasilien, wo man aufgrund entsprechender Vorgaben und politischen Gründe Gussteile im Land selbst beschaffen müsse. Dort dauerten die erforderlichen Lernprozesse manchmal Jahre.