Nachhaltige Produktion Award Torsionswelle für Windturbinen ausgezeichnet

Die bifunktionale Torsionswelle mit integrierter Kupplung zur Kraftübertragung für eine 3,6 MW-Offshore-Windturbine von Schäfer MWN hat den Nachhaltige Produktion Award in der Kategorie Antriebs- und Fluditechnik gewonnen.

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OSWALD Elektromotoren GmbH

EFESO Management Consultants

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Für die zweiblättrige Envison-Offshore-Windkraftanlage mit 3,6 MW Leistung hat die Schäfer MWN GmbH in Zusammenarbeit mit dem Institut für Verbundwerkstoffe in Kaiserslautern eine 8,6 m lange Torsionswelle aus CFK entwickelt.

Torsionswelle dient zugleich als flexible Kupplung

Die Welle schafft eine direkte Übertragung des Drehmoments von Rotor zu Generator und dient als flexible Kupplung, wodurch eine zu wartende Kupplung entfällt. Ziel des Projektes war die Entwicklung einer möglichst biegeweichen CFK-Torsionswelle, die das hohe Drehmoment sicher überträgt.

Designstudien, eine Werkstoffqualifizierung des CFK-Laminataufbaus und FE-Berechnungen für die rotor- und generatorseitigen Stahlflansche sowie die gewickelte CFK-Torsionswelle bestätigten als Lösung für die Aufgabenstellung ein doppelt konisches Faserverbundrohr als effizientestes Design.

Verschiedene Analysen im Vorfeld bestätigen CFK

Die Ausnutzung des größtmöglichen Durchmessers an beiden Enden erfüllt die Anforderungen an Drehmoment und einfache Kraftübertragung. Ein geringerer Durchmesser in der Mitte sorgt für die geforderte Biegeflexibilität, verhindert Buckling (Beulung) und senkt den Materialverbrauch.

Die Welle schafft dadurch eine direkte Verbindung zur Übertragung des Drehmoments und dient als flexible Kupplung, die einen Lageausgleich zwischen Rotornabe und Generator ermöglicht. Daher stammt auch der Name der Torsionswelle: Der Flexshaft 5.0 erlaubt eine dauerhafte Drehmomentübertragung von 2000 kNm und Spitzenlasten bis 5000 kNm.

Klassische Vorgehensweisen waren nicht geeignet

Eine Herausforderung bei der Fertigung stellte die Verbindung der Stahlflansche mit dem CFK-Rohr dar. Die klassische Vorgehensweise zur Verbindung von röhrenförmigen Stahl-/Composite-Strukturen ist oft eine Kombination aus geklebten und verschraubten Bolzen, was mit kritischen Arbeitsschritten wie spanender Bearbeitung, Substratvorbereitung, aufwändigen Klebeprozessen und schwieriger Qualitätskontrolle verbunden ist.

Der zur Herstellung der doppelt konischen Welle im Filament-Winding-Verfahren benötigte spezielle Wickelkern ermöglichte einen integrierten Herstellungsprozess:

Die komplette Welle inklusive Kraftübertragungselemente und verbundene Flansche wurde in einem Fertigungsschritt vor der endgültigen Aushärtung des CFK-Materials fertiggestellt. Diese neuartige Fertigungsmethode beseitigt Materialverschwendung und verbessert Krafteinleitung, Sicherheitstoleranz, Fertigungsqualität und Reproduzierbarkeit.

Vorteile für Anlagenhersteller und Windparkbetreiber

Das Design- und Herstellkonzept des flexshaft 5.0 bringt Windkraftanlagenherstellern und Windparkbetreibern wesentliche Vorteile: So lässt sich durch den neuartigen Herstellungsprozess Material einsparen. Darüber hinaus erhöht die Einsparung von Verschleißteilen, Schmiermitteln und Klebeverbindungen die Umweltverträglichkeit. Das geringere Gewicht vereinfacht schließlich die Logistik und das Handling bei der Montage.

Der von der Schäfer MWN GmbH im Sommer 2012 gefertigte erste Prototyp wird derzeit in der E-Windkrafttestanlage an der dänischen Küste bei Thyborøn erprobt. Das Messeexponat des Flexshaft 5.0 ist auf dem Schäfer-MWN-Stand zu besichtigen.

Schäfer MWN auf der Hannover-Messe 2013: Halle 27, Stand D27

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