Windkrafträder müssen sich bei jedem Wetter zuverlässig drehen. Dies stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Komponenten und erfordert sorgfältige und aufwendige Testverfahren. Beim Betrieb und der Wartung der Anlagen steht der Schutz von Mensch und Maschine an erster Stelle. In all diesen Bereichen kommen Kupplungen zum Einsatz und R+W liefert passende Sonderlösungen für die Windenergie-Branche.




Erneuerbare Energien spielen eine entscheidende Rolle im deutschen Strommix uns sind ein Eckpfeiler der Energiewende. Dabei gewinnt die Windkraft an Bedeutung: Bis zum Jahr 2030 soll eine installierte Leistung von 30 GW Windenergie auf See und 115 GW an Land erreicht werden. Dies erfordert eine rasche Integration vieler Windkraftanlagen in das Netz

Die tatsächlich eingespeiste Leistung rückt zudem die Betriebssicherheit von Windkrafträdern in den Fokus. Um die avisierten Ziele zu erreichen, müssen die Anlagen und alle Komponenten so ausgelegt sein, dass ein Dauerbetrieb auch unter extremen Wettersituationen aufrechterhalten wird. Auch die Stillstandzeiten bestehender Anlagen aufgrund von Schäden müssen nach Möglichkeit vermieden oder zumindest so kurz wie nötig gehalten werden..

Mehr Wind ernten

Mit erneuerbaren Energien lässt sich nicht rund um die Uhr konstant und gleichmäßig Storm erzeugen. Von zentraler Bedeutung ist daher das Management der aktuell produzierten Energie, und zwar im Mix der regenerativen Quellen aus Sonne, Wasser und Wind. Die Effizienz einer Windkraftanlage entscheidet sich im Management der optimalen und konstanten Drehzahl des gesamten Antriebsstranges. Wenn sich der Rotor zu langsam dreht, kann nicht genügend Energie erzeugt werden. Dreht sich der Rotor zu schnell, besteht die Gefahr eines Anlagenschadens.

Um eine konstante Drehzahl zu erreichen, werden in modernen Windkraftanlagen Pitch-Control-Systeme eingesetzt. Diese messen, überwachen und regeln die Neigung und Stellung der einzelnen Rotorblätter und beeinflussen die Aerodynamik. Für einen maximalen Wirkungsgrad werden die rotatorischen Komponenten der Windkrafträder mithilfe von Sensoren exakt positioniert. Die Systeme müssen dynamisch sehr hohe Anforderungen erfüllen, je nachdem aus welcher Richtung und mit welcher Intensität der Wind gerade bläst.

Um dabei einen Dauerbetrieb zu ermöglichen, stattet die R+W Pitch-Control-Systeme mit spiel- und wartungsfreien Präzisions-Metallbalgkupplungen mit Klemmnaben aus. Sie sind Garant für eine sichere Drehmomentübertragung, eine präzise Positionierung und eine hohe Wiederholgenauigkeit.

Für die Erzeugung von regenerativer Energie in Off-Shore Windparks kommen neben typischen Belastungen wie z.B. Temperaturschwankungen und Nässe weitere äußere Faktoren hinzu. Die Komponenten auf See müssen so gefertigt sein, dass sie extremen Temperatureinsatzbereichen von -40 bis +100 Grad oder Kontakt mit aggressiven Umwelteinflüssen wie etwa salzhaltiger Luft standhalten. Hierfür werden die Präzisions-Metallbalgkupplungen BK2 der Serie 150 mit geschweißter Narbe-Balg-Verbindung sowie mit einer speziellen Oberflächenbehandlung ausgeführt. Die oxidierten Stahl-Klemmnaben erhöhen den Schutz vor Korrosion und stellen die präzise Drehmomentübertragung sicher.

Testen ohne Crashs

Bevor die Windräder unter Einsatzbedingungen Energie erzeugen, sind intensive Validierungen und genauester Prüfung erforderlich, um die Robustheit des Antriebsstrangs in Bezug auf das dynamische Verhalten im Windturbinengenerator zu testen. Spezielle Prüfstände testen alle Komponenten in kontrollierter Umgebung auf ihre Belastbarkeit und strapazieren diese bis an ihre Grenzen. Ein mechanischer Überlastschutz zwischen An- und Abtriebsmaschine ist für einen crash-freien Betrieb des Prüfstands unabdingbar.

Die R+W Sicherheitskupplungen der Baureihe ST erfüllen genau das: Mit einem breiten Einstellbereich für hohe Drehmomente von 0,2 bis 165 kNm trennen sie bei einer Schaltzeit von wenigen Millisekunden die Verbindung zwischen Motor und Getriebe. Möglich wird das durch Schaltsegmente, die gleichmäßig am Umfang verteilt sind. Sie arbeiten nach einem bewährten System mit federvorgespanntem Kugelrastprinzip und eigens dafür entwickelten Tellerfedern. Die übertragbaren Drehmomente werden durch die Anzahl und den Lochkreisdurchmesser der Schaltsegmente bestimmt. Im Falle einer Überlast bewegen sich die Kugeln axial aus den Kalotten und bewirken eine dauernde Freischaltung der An- und Abtriebseite. Die Schwungmassen am Prüfstand laufen aus, ohne dass die Sicherheitskupplung automatisch wieder einrastet und Maschinenkomponenten unnötig belastet werden. Der Kraftfluss wird erst nach einer Zustandsprüfung durch einen manuellen Eingriff hergestellt: Das Wiedereinrasten erfolgt einfach durch axialen Druck auf den Schaltstößel.

Schaltsegment der Sicherheitskupplung ST mit Tellerfedern als Teil des bewährten Sicherheitssystems nach dem Kugelrastprinzip
Die Industriekupplung ST1 schützt den Ge4nerator in der Gondel
Eine Sonderausführung der Metallbalgkupplung BK2 kommt in Pitch- Control- Systemen zum Einsatz

Dynamisch wie der Wind

Die erheblichen Kräfte, die an diesen Prüfständen wirken, erfordern hohe und schnell wirksame Sicherheitsvorkehrungen. „Safety first“ – nicht nur zum Schutz der Anlage, sondern auch zum Schutz des Prüflings – ist die oberste Priorität bei einem gemeinsamen Projekt von R+W mit dem unabhängigen Prüflabor DMT. Um die Vorgabe einer vollständigen und unmittelbaren Lastentrennung bei Überlast einzuhalten war Kupplungs-Know-how beim Engineering gefragt.

DMT ist ein Tochterunternehmen der TÜV Nord Group, testet in Krefeld vorrangig Getriebe aus Windkraftanlagen unter realen Bedingungen. Der Prüfstand für das genormte Testverfahren ist aus einer Belastungsmaschine, zwei Getrieben und einem Generator mit Bremse aufgebaut. Die Belastungsmaschine wird allmählich von 200 min-1 auf 1.800 min-1 hochgefahren. Das erste Getriebe hat die wichtige Funktion, die Motordrehzahl auf die Eingangsdrehzahl des Windkraftgetriebes zu verringern. Dabei simuliert es den Rotor einer Windkraftanlage, sodass das Getriebe unter realistischen Bedingungen geprüft werden kann.


Die in der Anlage verbaute Sicherheitskupplung gehört zur Baureihe ST1-R. Wie die meisten Sicherheitskupplungen von R+W wurde diese gemäß den Anforderungen von DMT individualisiert. Sie verfügt über sechs Schaltmodule ST71 mit einem einstellbaren Ausrückmoment von 45 kNm bis 90 kNm und ist direkt zwischen den Manner-Messflansch und der Bremse installiert.Das aufwendige Prüfverfahren ist in der internationalen Norm für Windenergieanlagen IEC 61400 mit einheitlichen Tests festgelegt und bildet die Dynamik des Windes ab. Flexibel ist auch der von DMT konstruierte Prüfstand konzipiert: Durch die jederzeit mögliche Erweiterung um drei Schaltmodule kann der Einstellbereich der Sicherheitskupplung zwischen 80 kNm und 110 kNm erweitert werden. Eine Herabsetzung auf einen Bereich von 24 kNm bis 50 kNm wird wiederum durch Herausnahme von drei Schaltmodulen erreicht. Mit der Möglichkeit, das Ausrückmoment der Sicherheitskupplung den jeweiligen Anforderungen anzupassen, lässt sich die Auslastung des Prüfstands erhöhen. Für DMT zahlt sich der dynamische Einstellbereich der Sicherheitskupplung somit auch aus wirtschaftlichen Gründen aus.

In Windeseile ausrücken

Die Einsatzbereiche der Industrie-Sicherheitskupplungen aus der ST-Baureihe erstrecken sich nicht nur auf soeben dargestellte Anwendungen: Sie finden auch ihren Platz im Antriebsstrang der Windräder selbst. Während bei Prüfständen tatsächlich ein großes Rad gedreht wird, kommt es an der Spitze des Turms auf kompakte Abmessungen an. Die maßgeblichen Komponenten einer Windkraftanlage sind dort oben in der Gondel platziert. Sicherheitskupplungen zwischen Generator und Getriebe begrenzen hier sicher das Drehmoment.

Basierend auf der Baureihe ST1 der Serie 160, hat R+W eine kompakte und leichtgewichtige Sonderlösung entwickelt. Das voreingestellte Ausrückmoment von 100 KNm kann flexibel innerhalb eines Einstellbereichs von 50 bis 110 KNm angepasst werden. Diese Flexibilität garantiert die Schutzfunktion auch unter sich ändernden Bedingungen. Zuverlässig und in Windeseile trennt die Sicherheitskupplung die starre Verbindung und bewahrt den Generator vor schädlichen Drehmomentbelastungen. Alle R+W Kupplungen der Modellreihe SK, SL und ST sind vom TüV Süd bauartgeprüft nach Prüfkatalog IS-ESA21/20/89.

Sichere Rettung aus der Höhe

Safety first – was bei Prüfstanden und in der Gondel an erster Stelle kommt, gilt umso mehr bei Wartungsarbeiten vor Ort in großer Höhe. In Notfallsituationen auf Windrädern ist die Bergung etwa eines bewusstlosen Arbeiters am Rotor mit den bisherigen Geräten oft mühsam in der Anwendung. Es besteht die Gefahr, dass sich unkontrollierter Kräfte entwickeln.

Für solche Situationen hat die Firma Mittelmann Sicherheitstechnik in Zusammenarbeit mit R+W eine innovative Lösung entwickelt, bei der ein Drehmomentbegrenzer in das Gerät integriert ist. Zur Anwendung kommt eine Sonderlösung auf Basis der ESL-Serie. Die Größe ist geringer im Vergleich zum Serienmodell, es fehlt der Elastomerkranz für Wellenversätze, und sie wurde gezielt auf die Anforderungen des Rettungshubgeräts als Überlastschutz für die bemannte Winde mit Fremdmaschinenantrieb (z.B. ein Akkuschrauber) konstruiert. Die Kupplung arbeitet mechanisch nach dem durchrastenden Kugelprinzip und gibt im Fall einer Überlastung ein hörbares Klackern und eine spürbare Vibration ab – ein Alarmsignal, das der Anwender akustisch wahrnimmt. Das innovative Rettungsgerät von Mittelmann Sicherheitstechnik ist nach verschiedenen Sicherheitsstandards zertifiziert. Menschenleben können damit in großer Höhe einfacher gerettet werden.