Verlässlichkeit durch Simulation und Prüfen

Neue Technologien und Produktentwicklungen erfordern intensive Simulation und experimentelle Validierung. Im Laufe der Jahre hat ZF Wind Power in modernste Testinfrastruktur, Simulationsmodelle und Testalgorithmen investiert, wie z.B. DORoTe, um die Robustheit von Getrieben zu testen.

ZF Wind Power verfügt über einzigartige und umfassende Testanlagen um:

  • Getriebe virtuell hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens im Windturbinengenerator zu bewerten.
  • Geprüfte Technologie auf der Komponenten- und Subsystemebene bereitzustellen, bevor Getriebeprototypen produziert werden.
  • Lageranordnungen unter einsatzähnlichen Bedingungen gezielt zu testen.
  • Getriebe unter Überlast und dynamischen Lastbedingungen unter einsatzähnlichen Bedingungen zu testen.
  • Tests im Zeitraffer durchzuführen, bei real anfallenden Drehmomentlasten.

Die Festigkeitstests von ZF Wind Power liefern:

  • Einblick in das dynamische Verhalten des Triebstrangs, speziell des Getriebes und zwar vor der Produktion von Getriebeprototypen.
  • Prüfen der Leistung von Getriebeprototypen auf gesteuerten Prüfständen im “Zeitraffer” vor oder parallel zu Feldversuchen.
  • Erhöhte Verlässlichkeit neuer Produkte.

Produktions-Prüfanlagen

ZF Wind Power kann an allen Produktionsstandorten sämtliche Prototypen und Seriengetriebe testen und validieren. ZF verfügt über eine globale Lastprüfkapazität von fast 60 MW (darunter auch in den größten Servicezentren):

  • 1 x 13200 kW
  • 1 x 6600 kW
  • 2 x 4500 kW
  • 4 x 4100 kW
  • 2 x 4000 kW

13,2 MW dynamischer Getriebeprüfstand

Der dynamische Getriebeprüfstand von ZF Wind Power ist die weltweit größte Testanlage dieser Art und geht damit auf den kontinuierlich steigenden Marktanteil von Windkraft ein. Mit diesem Prüfstand kann ZF Wind Power Getriebe unter den repräsentativen Lastbedingungen einer Windturbine durchführen, das heißt die Betriebsbedingungen einer Windturbine werden mit gezielten und parametrisierten Lastzyklen in einer elektrischen Steuerung programmiert. Mit diesem Prüfstand kann die Lebensdauer im Zeitraffer getestet werden, um potentielle technische Risiken von vornherein zu identifizieren und folglich die Verlässlichkeit des Getriebes noch weiter zu verbessern.

Der dynamische Prüfstand in Zahlen:

  • Standort: Produktionsanlage Lommel, Belgien
  • Back-to-Back-Getriebeaufbau
  • Nennleistung: 13,2 MW
  • Spitzenleistung: 16,8 MW
  • Nenndrehzahl: 1500 U/min
  • Maximale Drehzahl: 2600 U/min
  • Repräsentative Lastbedingungen:
    - Start, Stop
    - Normaler Betrieb mit variabler Last
    - Run-Pause
    - Notaus
  • Fundament: 35 x 10 Meter
  • Turm: 1.000 Tonnen Stahl und mehr als 1.000 Kubikmeter Beton
  • Motor und Generatorplattformen in drei Richtungen beweglich, um den kompletten Testaufbau genau auszurichten.
  • 100 Prozent Verfügbarkeit (24/7)
  • Investition: mehr als 10 Millionen Euro

Charakteristika des dynamischen Prüfstands:

  • Größe des Prüfstands und Kapazität entsprechen dem kontinuierlich zunehmenden Marktanteil von Windkraft.
  • Eine der weltweit größten Prüfanlagen dieser Art.
  • Reproduktion der Betriebsbedingungen einer Windturbine mit gezielten und parametrisierten Lastzyklen, die in einer elektrischen Steuerung programmiert werden.
  • Testen der Getriebe mit den repräsentativen Lastzyklen einer Windturbine.
  • Mit diesem Prüfstand kann die Lebensdauer im Zeitraffer getestet werden, um potentielle technische Risiken von vornherein zu identifizieren und folglich die Verlässlichkeit des Getriebes noch weiter zu verbessern.

  • Die ‘Wind und Rotor’-Seite besteht aus einer elektrischen Maschine (Motor 1), einem optionalen Drehzahlminderer (3:1 Getriebe) und einem Windturbinengetriebe (Getriebe 1).
  • Die ‘Netz und Generator’-Seite besteht aus einer elektrischen Maschine (Motor 2) und einem optionalen Drehzahlminderer. Der optionale Drehzahlminderer ermöglicht ein Testen der Windturbinengetriebe unter voller Last für zukünftige sogenannte Hybridsysteme, bei denen ein Generator mit niedriger Drehzahl und ein Getriebe mit einer kleinerer Übersetzung kombiniert werden, d.h. für eine Generatornenndrehzahl von 500 U/min (im Vergleich zu den üblichen 1500 U/min).
  • Steuerung: Analog zum Betrieb einer Windturbine, die ‘Wind’-Seite des Prüfstands ist drehzahlgesteuert, die ‘Generator’-Seite drehmomentgesteuert.
  • Das Testgetriebe 2 wird mit einer vorgegebenen variierenden Drehzahl angetrieben - entsprechend den unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten – und wird vom Generator mit einem vorgegebenen variierendem Drehmoment belastet – entsprechend der Einspeisung vom Versorgungsnetz.

Dynamischer Lagerprüfstand

Der dynamische Lagerprüfstand von ZF Wind Power ist die modernste Anlage dieser Art. Mit diesem Prüfstand kann ZF Wind Power Lager in ihrer tatsächlichen Größe und Anordnung im Getriebe testen, unter den üblichen Lasten und mit den Umweltbedingungen einer Windturbine. Damit kann das Verhalten von Lagern und auch die Belastbarkeit von Lageranordnungen überprüft werden, um im Vorfeld auf die Konstruktion von robusten Lageranordnungen für neue Getriebe einwirken zu können und um die Verlässlichkeit der gewählten Lageranordnungen kontinuierlich zu verbessern. Alle Tests basieren auf dem “Design Operational Robustness Test” (DORoTe) von ZF Wind Power. (Link to DORoTe)

Lagerprüfstand in Zahlen:

  • Investition: 2,7 Millionen Euro
  • Radialkraft 1500 kN
  • Axialkraft: 400 kN
  • Bandbreite: 50 Hz
  • Drehzahlen bis zu 2600 U/min

Unsere Philosophie: Robustheit

Der “Design Operational Robustness Test” (DORoTe) von ZF Wind Power bewertet die Robustheit eines neuen Getriebes hinsichtlich der vom Kunden vorgegebenen Einsatzbedingungen.

Unsere Robustheitsprüfung setzt einen Zyklus von simulierten Windlasten in ein gezieltes Testprogramm um. Dieses Prüfprogramm besteht aus äquivalenten Lastbedingungen, die in einer verkürzten Zeitspanne auf dem 13,2 MW dynamischen Prüfstand oder dem dynamischen Lagerprüfstand aufgebracht werden.

Prüfspezifikation

  • Kennzeichnend ist eine gründliche Analyse von Rotordrehmoment und Rotordrehzahl, ausgehend von der Simulation des Windturbinen-Verhaltens. Dieses Verhalten wird dann in sogenannte dynamische Lastzyklen umgesetzt, die wiederum auf den 13,2 MW dynamischen Testprüfstand oder am Lageraufbau auf den dynamischen Lagerprüfstand aufgebracht werden.
  • Die berechnete Betriebszeit der Windturbine wird auf eine geringere Prüfstandszeit reduziert, bei Erhöhung der Last innerhalb akzeptabler Grenzen. Sämtliche Lasten werden in einer gesteuerten Prüfstands-Umgebung aufgebracht. Lastkonditionen werden protokolliert und die Entstehung von eventuellen Schäden am Getriebe wird mit einem Zustandsüberwachungssystem (CMS) überwacht.
  • Um die DORoTe-Tests korrekt zu evaluieren, werden die getesteten Getriebe einer eingehenden Untersuchung unterzogen, vergleichbar mit der Bewertung nach Feldvalidierungen von Prototypen (vollständige Demontage des Getriebes und Untersuchung aller Komponenten).

Mehrwert:

  • DORoTe zielt darauf ab, durch Einbeziehung von Niedriglastbedingungen und nicht stationären Lastzyklen in den Prüfplan (wie z.B. Start-Stopp, Notaus, etc.) das „Unerwartete“ aufzuspüren und zu simulieren.
  • In der Regel können zwei Jahre üblicher Windbedingungen in drei Monaten kontinuierlichen Testens geprüft werden.
  • Früherkennungsmodus für Störungen bei Prototyp-Validierung im Prüfstand, bevor der Prototyp im Feldversuch validiert wird.
  • Verbesserung der Getriebeverlässlichkeit und Verkürzung der Zeit bis zur Marktreife.

Unsere Philosophie: Simulation

Gezielte Simulationsmodelle sind notwendig, um die Laufsicherheit von immer größer dimensionierten Windturbinentriebsträngen zu verbessern. Solche Modelle geben Aufschluss über die Dynamiken im Inneren des Getriebes in den Anfangsphasen des Konstruktionsprozesses. Die Triebstrangmodelle sollten mehr als nur die üblichen ein oder zwei Freiheitsgrade der standardmäßigen Windturbinen-Konstruktionscodes enthalten. Deshalb ist ZF Wind Power einen Schritt weiter gegangen und hat Mehrkörpermodelle von Windturbinengetrieben entwickelt. Diese komplexen numerischen Getriebemodelle können dann mit den Herstellern ausgetauscht werden, um die Dynamiken des gesamten Triebstrangs noch vor der Validierung des tatsächlichen Getriebes in der Windturbine zu untersuchen.

Allerdings können Mehrkörpermodelle nur dann einen Mehrwert für den Konstruktionsprozess liefern, wenn die Simulationsergebnisse tatsächlich repräsentativ und verlässlich sind. Deshalb hat ZF Wind Power außerordentlich viel Zeit investiert, um diese Modelle mittels eines Abgleichs der manuellen Berechnungen und den bestehenden Getriebeberechnungscodes gründlich zu verifizieren. Und um eine Validierung durchzuführen, die auf den Messungen von real existierenden Multimegawattturbinen-Getrieben im 13,2 MW Back-to-Back-Prüfstandsaufbau bei ZF Wind Power basiert.

Dynamische Simulationen bedeuten einen Mehrwert für den Konstruktionsprozess, da die Dynamiken im Inneren des Getriebes gründlich untersucht werden und eine Optimierung von verschiedenen Triebstrangkomponenten bereits in der Konzeptphase erreicht werden kann.

  • Bereits in der Entwicklungsphase werden Resonanzen aktiv vermieden.
  • Effiziente Produktverbesserung während der Prototypphase.
  • Bereits im Vorfeld optimierte Konstruktion durch eine genaue Vorhersage von spezifischen Triebstranglasten.

Das letztendliche Ziel ist eine Verkürzung der Konstruktionszeiten und dadurch eine schnellere Markteinführung, die nicht auf Kosten von Qualität oder Verlässlichkeit geht.

In enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden können unsere modernen Mehrkörper-Simulations-Modelle (MBS-Modelle) des Triebstrangs in detaillierte Windturbinen-MBS-Modelle eingebaut werden. Dies ermöglicht einen besseren Einblick in globale und lokale Resonanzen und Reaktionen auf besondere Windturbinen-Ereignisse. Mit dieser Herangehensweise stärkt ZF die Zusammenarbeit mit dem Kunden, ermöglicht kürzere Entwicklungszeiten und hilft dabei, starke und qualitativ hochwertige Produkte zu liefern.

Weitere Informationen

Prüfstände für Windgetriebe

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