Entwicklung einer Bewertungsmethode für Pitchwinkelzeitreihen und das Entstehen von Verschleiß auf Basis von Versuchen an einem Grundlagenprüfstand für Blattlager von Windenergieanlagen

Abstract

Blattlager ermöglichen die Bewegung der Rotorblätter einer Windenergieanlage um ihre Längsachse zur Regelung der Rotordrehzahl. Durch die Einzelblattverstellung können ebenfalls die Windlasten auf den Rotor reduziert werden. Die oszillierende Bewegung kann zu einem Abbau des vor Verschleiß schützenden Schmierfilms zwischen den Lagerringen und den Wälzkörpern führen. Der Abbau des Schmierfilms ist abhängig vom Bewegungsmuster des Blattlagers, den so genannten Pitchwinkelzeitreihen. In dieser Arbeit werden simulierte Pitchwinkelzeitreihen mithilfe einer Korrelationsanalyse auf statistische Unterscheidungsmerkmale untersucht und in Gruppen eingeteilt. Die Einteilung der Gruppen erfolgt aufgrund der Standardabweichung der Doppelamplituden sowie der Steigung einer linearen Ausgleichsgeraden durch die Doppelamplituden. Die Pitchwinkelzeitreihen in einer Gruppe haben dabei eine ähnliche Standardabweichung sowie Steigung. Anschließend werden mehrere Pitchwinkelzeitreihen je Gruppe an einem Grundlagenprüfstand für oszillierend betriebene Lager auf ihre Dauer bis zum Abbau des Schmierfilms untersucht. Die Versuche zeigen, dass die Dauer bis zum Abbau des Schmierfilms zwischen den Pitchwinkelzeitreihen unterschiedlich ist und dass die Unterscheidungsmerkmale nicht zu einer Eingruppierung der Pitchwinkelzeitreihen nach der Dauer bis zum Abbau des Schmierfilms führen. Aus den Versuchen werden neue Erkenntnisse gewonnen und bestehende Annahmen weiter gefestigt. Es wird bewiesen, dass der Verschleiß begrenzt werden kann, wenn das Lager nach dem Überschreiten einer Drehmomentgrenze rotiert und der Schmierfilm wiederhergestellt wird. Auf diese Weise kann die Dauer bis zum abgebauten Schmierfilm für mehrerer Pitchwinkelzeitreihen auf einem Lagersatz untersucht werden. Der Wert der Drehmomentgrenze sollte durch weitere Versuche präzisiert werden. Außerdem wird gezeigt, dass aus der selben mittleren Windgeschwindigkeit Pitchwinkelzeitreihen folgen können, die in vollkommen unterschiedlich stark ausgeprägte Verschleißerscheinungsformen resultieren.

Pitch bearings enable the rotor blades of a wind turbine to be rotated around their longitudinal axis to control the rotor speed. The individual pitch control can also reduce the wind loads on the rotor. The oscillating rotation can lead to a degradation of the lubricant film between the bearing raceway and the rolling elements, which protects against wear. The degradation of the lubricant film depends on the movement pattern of the pitch bearing, the so-called pitch angle time series. In this paper, simulated pitch angle time series are examined for statistical distinguishing features using a correlation analysis and the pitch angle time series are divided into groups based on this features. The classification of the groups is based on the standard deviation of the double amplitudes as well as the slope of a linear regression through the double amplitudes. The pitch angle time series in one group have a similar standard deviation and slope. Subsequently, several pitch angle time series per group are examinded on a basic test rig for oscillating bearings for their duration until the lubricant film is degraded. The tests show that the duration to degradation of the lubricant film differs between the pitch angle time series and that the distinguishing features do not lead to a grouping of the pitch angle time series according to the duration to degradation of the lubricant film. New knowledge is gained from the tests and existing assumptions are further consolidated. It is proven that wear can be limited if the bearing is rotated after exceeding a torque limit and the lubrication film is restored. In this way, the duration until the lubricant film is removed can be investigated for several pitch angle time series on one bearing set. The value of the torque limit should be made more precise by further tests. It is also shown that pitch angle time series can follow from the same mean wind speed, resulting in completely different degrees of wear.