Windkraftanlagen In Windkraftanlagen stecken leistungsstarke Bremsen

Kürzere Zyklusraten, hohe Belastbarkeit und große Zuverlässigkeit – so lauten die Anforderungen, die an die verschiedenen Bremsen in Windkraftanlagen gestellt werden, und das meist bei sehr beengten Einbauverhältnissen. Ein Antriebsspezialist hat für jede Anforderung ein Produkt im Sortiment.

Anbieter zum Thema

JUNG Hebe- und Transporttechnik GmbH

Renishaw GmbH

Warner Electric Industrial Products

Twiflex Couplings LTD

Mit dem wachsenden Bedarf an sauberen Energiequellen steigt das Interesse an Windkraftanlagen. Dabei kommt es zunehmend darauf an, bei jeder Installation die maximale Leistung zu erzielen.

Die nutzbare Energie, die eine Windkraftanlage dem Wind entziehen kann, ist proportional zur überstrichenen Rotorfläche. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Anlagen immer größer werden. Entsprechend steigt aber auch die Belastung und Beanspruchung der mechanischen Komponenten zur Kraftübertragung, insbesondere die der Bremsen.

Bremsen arbeiten in unbemannten Windkraftanlagen automatisch

Zu den besonderen Anforderungen, die Bremsen für Windkraftanlagen erfüllen müssen, gehören kürzere Zyklusraten, höhere Belastbarkeit und größere Zuverlässigkeit – das Ganze häufig noch in einem kompakteren Paket integriert als bei herkömmlichen Anwendungen. Außerdem müssen diese Bremsen ihre Arbeit automatisch in normalerweise unbemannten Anlagen verrichten – meist an abgelegenen Orten, die zur Instandhaltung nur unter Schwierigkeiten und hohem finanziellem Aufwand erreichbar sind.

Sie müssen auch unter schwierigsten Umgebungsbedingungen, zum Beispiel hoher Feuchtigkeit oder extremen Temperaturen, zuverlässig funktionieren. Selbst bei so unterschiedlichen Bedingungen wie bei Offshoreinstallationen mit hohem Salzgehalt und im Wüstenklima, bei dem die Bremsen Staub oder Sand ausgesetzt sind, muss absolute Zuverlässigkeit gewährleistet sein.

Bei Windkraftanlagen gehören die Bremsen gleich an mehreren Punkten zu den wichtigsten Bauteilen. Unabhängig von der Größe brauchen Windkraftanlagen eine Rotorbremse sowie Bremsen für die Windnachführung (Azimutsystem) und die Blattwinkelverstellung (Pitchregelung) – jeweils mit ganz eigenen Anforderungen an die Konstruktion.

Ausfallsichere Rotorbremse schützt die Windkraftanlage vor Überdrehen

Die Rotorbremse schützt die Windkraftanlage vor dem Überdrehen und dient als Halte- und Notstopbremse. Twiflex, ein Unternehmen der Dachgesellschaft Altra Industrial Motion, ist ein erfahrener Anbieter von Rotorbremsen für sehr große Windkraftanlagen.

Rotorbremsen sind in der Regel ausfallsicher konstruiert, das heißt federbetätigt und hydraulisch lüftend. Sie haben starke Federn, die direkt oder über ein separates Druckelement die Kraft aufbringen, mit der jeder einzelne Bremsbelag gegen eine Scheibe gepresst wird. Zum Lösen werden die Federn mit Hochdruck-Hydrauliköl aus einem Hydraulikaggregat beaufschlagt.

Rotorbremsen für Windkraftanlagen meist auf der schnellen Generatorwelle

Rotorbremsen können auf der langsamen Rotorwelle, auf der schnellen Generatorwelle und in manchen Fällen auch auf beiden Wellen angebracht sein. Das Bremsen der langsamen Welle ist im Prinzip unkompliziert. Eine große Scheibenbremse mit großer Reibbelagfläche ist hier gut unterzubringen.

Allerdings verlangt der Einsatz an der langsamen Welle ein extrem hohes Bremsmoment. Daher ist in der Regel das Anbringen auf der schnell drehenden Welle zwischen Getriebe und Generator, nachdem das hohe Übersetzungsverhältnis des Getriebes das Ausgangsdrehmoment deutlich reduziert hat, die kostengünstigere Lösung.

In die Berechnung der Rotorbremse fließen viele Faktoren ein

Andererseits bedeutet die Platzierung der Bremse auf der schnell drehenden Welle, dass sie mit deutlich weniger Platz auskommen muss. Unabhängig davon, auf welcher Welle die Bremse sitzt, bleibt die abzuführende Energie die gleiche, das heißt, die gesamte Belagfläche muss gleich bleiben.

Außerdem muss die Bremsbelagfläche ausreichen, um die beim Bremsvorgang (insbesondere bei einem Nothalt) entstehende Wärme abzuführen. Drehzahl und zur Verfügung stehender Platz sind die Faktoren, die den möglichen Scheibendurchmesser bestimmen und die Auswahl der Bremse stark einschränken.

Windkraftanlagen-Bremse muss unter allen klimatischen Bedingungen funktionieren

Das Bremsmoment ist eine entscheidende Größe, die bereits im frühen Konstruktionsstadium der Rotorbremse ermittelt werden muss. Bei Montage auf der Rotorwelle hängt das maximal zulässige Bremsmoment von den Rotorblättern beziehungsweise ihrer Verankerung auf der Eingangswelle des Getriebes ab. Bei Montage auf der schnell drehenden Welle hängt das Bremsmoment hingegen von der maximal zulässigen Getriebelast ab.

Daneben gibt es ein Mindestbremsmoment, das nicht unterschritten werden darf. Anderenfalls könnten die sich je nach Betriebsbedingung stark verändernden Reibungskräfte den Rotor der Anlage gefährden. Aus diesen Gründen ist es wichtig, ein entsprechendes Sicherheitsfenster beziehungsweise einen Betriebskoeffizienten einzukalkulieren, der gewährleistet, dass die Bremsen unter allen klimatischen Bedingungen einwandfrei funktionieren.

Zu den in der Berechnung zu berücksichtigenden Faktoren gehören unter anderem die Massenträgheit des Rotors, das aerodynamische Drehmoment, die Rotordrehzahl, die Zusammensetzung des Bremsbelagmaterials und die thermischen Eigenschaften der Bremsscheibe.

Azimutbremse regelt Drehbewegung der Windkraftanlagen-Gondel

Die zweite Bremse im Antriebssystem einer Windkraftanlage ist die Azimutbremse. Sie regelt geschmeidig die Drehbewegung der Gondel, die sich in den Wind dreht oder „giert“. Normalerweise ist die Azimutbremse als Schleppbremse ausgeführt und begrenzt den Gegendruck, von dem wiederum die aufgebrachte Federkraft beziehungsweise das Bremsmoment abhängen.

Der Vorgang beginnt damit, dass der Windmesser eine Änderung der Windrichtung signalisiert und der Azimutantrieb aktiviert wird. Ein weiteres Signal stoppt den Antrieb, sobald das Azimutsystem die optimale Stellung zum Wind hergestellt und die Gondel ihre vorläufige Endposition erreicht hat.

Signal regelt Schleppwirkung der Azimutbremse in Windkraftanlagen

Unterschiedliche Windstärken bedeuten veränderliche Motorlasten und beeinflussen so die Genauigkeit, mit der die Halteposition der Gondel im Verhältnis zur Windrichtung eingestellt wird. Die Motorlast kann aber unabhängig von der Windstärke geregelt werden, indem am Zahnkranz eine permanent wirkende, elektromechanisch lösende Bremse installiert wird. In Abhängigkeit von den Motorstromschwankungen regelt ein Signal die Schleppwirkung dieser Bremse.

Die meisten Windkraftanlagen besitzen zwischen vier und acht Azimutmotoren. Die Bremsen sitzen in der Regel auf der Antriebsseite der Motoren, meist auf der Unterseite des Azimutzahnkranzes.

Sie sorgen für eine exakte Positionierung der Gondel und einen optimalen Wirkungsgrad. Die Konstruktion verhindert, dass es durch unkontrollierte Bewegungen zu Getriebeschäden kommt. Außerdem fixiert sie das Azimutsystem sicher in der optimalen Position.

Bremsen für elektrische und hydraulische Pitchantriebe von Windkraftanlagen

Bei großen Windkraftanlagen mit horizontaler Achse sind die Rotorblätter zur optimalen Windausnutzung verstellbar, das heißt „pitchgeregelt“. Außerdem können, um die Rotation bei Starkwind oder Wartungsarbeiten zu begrenzen, mit der Pitchregelung die Rotorblätter in „Fahnenstellung“ gebracht werden.

Es gibt elektrische und hydraulische Pitchantriebe. Die elektrischen sind gängiger, weil sie eine saubere, kompaktere Konstruktion ermöglichen. Außerdem sind elektrische Antriebe präziser und können problemlos für unterschiedliche Anwendungsvariablen programmiert werden. In jedem Fall dient eine in den Antrieb integrierte, ruhestrombetätigte Haltebremse als zusätzliche Sicherheitskomponente sowie zum dynamischen Bremsen bei Problemen mit der Pitchregelung.

Bremsen für die Verstellregelung der Windkraftanlagen müssen ganz kompakt sein

Bei der Auswahl einer geeigneten Bremse für den Pitchantrieb spielen mehrere Überlegungen eine Rolle. Der Pitchantrieb selbst muss sehr kompakt sein, weil der Montageraum in der konischen Nase der Windkraftanlage begrenzt ist.

Daher muss die Bremse für den Pitchantrieb bei kompakter Bauweise ausreichend Bremsmoment liefern. In der Regel darf die Bremse im Durchmesser nicht größer sein als der Motor und Stellungsmessgeber und sie darf den Antriebsstrang nicht wesentlich verlängern.

Ebenfalls relevant für die Komponentenauswahl ist die Lebensdauer. Eine große Windkraftanlage kann für eine Lebensdauer von 20 Jahren ausgelegt sein. Die Einzelkomponenten und integrierten Systeme müssen mindestens eine so lange oder längere Lebensdauer aufweisen.

Bremsen für Windkraftanlagen müssen Energiespitzen aufnehmen

Im Allgemeinen geht man bei 20 Betriebsjahren von etwa 500 bis 1000 Not-Halt-Betätigungen der Pitchregelung aus. Aufgrund der hohen Massekräfte sind entsprechende Wärmeabfuhreigenschaften und die Fähigkeit zur Aufnahme von Energiespitzen zu berücksichtigen.

Eine entsprechend ausgelegte Sattelscheibenbremse kann diese Momente und thermischen Lasten aufnehmen. Allerdings hat dieser Bremsentyp in der Regel einen sehr großen Durchmesser, wodurch er auf engem Raum nur schwer unterzubringen ist.

Eine flanschmontierte, federbetätigte und elektrisch lüftende Standard-Motorbremse kommt zwar mit dem Platz aus, erreicht in der Regel aber nicht die Vorgaben bezüglich Bremsmoment und Wärmeabfuhr. Es wurden daher robustere Bremsen entwickelt, die die anspruchsvollen Vorgaben für diesen speziellen Einsatzbereich erfüllen.

Elektromagnetische Bremsen haben eine kurze Ansprechzeit

Warner Electric hat eine Baureihe drehmomentstarker, federbetätigter und elektrisch lüftender, statischer Haltebremsen entwickelt, die für diesen Einsatz prädestiniert sind. Die Bremsen der Baureihe ERS sind in der Regel kleiner im Durchmesser als die Motorbaugruppe, verlängern den Antriebsstrang nur minimal und sind für bis zu 30000 dynamische Stoppvorgänge ausgelegt – weit mehr, als im Betrieb jemals nötig sein werden.

Ein weiterer Vorzug elektromagnetischer Bremsen ist die schnelle Ansprechzeit von 0,2 s oder weniger, wodurch sie sich ganz besonders für Pitchantriebe an Windkraftanlagen empfehlen. Die Bauform dieser Bremsen führt die im Normalbetrieb auftretende Wärme problemlos ab und hat darüber hinaus noch große Reserven.

Rotorbremsen, Azimutbremsen und Bremsen für Pitchregelung erfüllen verschiedene Anforderungen

Man sieht also, dass Rotorbremsen, Azimutbremsen und Bremsen für die Pitchregelung ganz unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. In jedem Fall spielt jedoch eine Vielzahl von Faktoren eine Rolle. Im Hinblick auf die optimale Gestaltung des gesamten Systems sollten im Entwicklungsprozess die Modellentscheidungen so früh wie möglich getroffen werden.

Im Zweifelsfall ist es empfehlenswert, Expertenrat einzuholen, zum Beispiel bei den Unternehmen der Dachgesellschaft Altra Industrial Motion. Sie verfügen über die größtmögliche Erfahrung in der Branche und können gewährleisten, dass die für den Einsatz in Windkraftanlagen spezifizierten Bremsen viele Jahre lang zuverlässig ihren Dienst tun – bei jedem Wetter.

* Edouard Haffner ist tätig im Bereich New Market Development bei Altra Industrial Motion in 49182 St. Barthélémy d'Anjou (Frankreich)

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