Wenn´s was Großes sein muss

In der Industrie ist die gründliche Prüfung von Bauteilen und Strukturen unerlässlich. Das gilt im Kleinen ebenso wie für sehr große Systeme, auf die teils gewaltige Kräfte und Drehmomente einwirken, die bis in den Meganewton-Bereich gehen können. Auch in Hochlastprüfständen bringt Sensorik von GTM hochpräzise, zuverlässige Ergebnisse und trägt dazu bei, die technische Entwicklung voranzutreiben. 

Die Energiewende hat weltweit zu einem großen Wachstum bei Windkraftanlagen geführt – und das buchstäblich, denn nicht nur die schiere Zahl der Systeme steigt fortlaufend. Auch die Anlagen selbst sind über die Zeit hinweg stets leistungsstärker, effizienter und vor allem größer geworden. Einige Zahlen dazu: Zum Jahresende 2023 lag in Deutschland der kumulierte Gesamtbestand von Windkraftanlagen bei 28 677 an Land und 1 566 offshore – Rückbauten und Re-Powering bestehender Anlagen eingerechnet (Quelle: Deutsche Windguard). 20 Jahre zuvor waren es über 15 000 Anlagen onshore; 2013 waren knapp 220 deutsche Offshore-Anlagen verzeichnet, davon 116 noch ohne Netzanschluss (Quelle: Statista). 

Die Dimensionen von Windkraftanlagen sind ebenfalls kontinuierlich gewachsen. Aktuelle Systeme an Land haben eine durchschnittliche Nabenhöhe von 136 m, bei einem Rotordurchmesser von bis zu 141 m ragt die gesamte Anlage im Schnitt 206 m über Grund auf – mit regionalen Unterschieden; in Norddeutschland sind Windkraftanlagen nicht größer als 180 m. 2010 lag die durchschnittliche Nabenhöhe noch bei knapp 100 m, der Rotordurchmesser bei 80 m. Für Offshore-Windparks sind für 2025 bereits Rotordurchmesser zwischen 174 und 236 m geplant, bei Nabenhöhen zwischen 107 und 145 m (Quelle: Deutsche Windguard) – auch hier gab es innerhalb der letzten beiden Jahrzehnte ein ähnliches Wachstum. 

Wachsende Anforderungen an Prüfstände 

„Prüfstände für Windkraftanlagen mussten entsprechend mitwachsen, sowohl was die Größe als auch die Komplexität angeht“, erläutert Gerhard Schulder, Entwicklungsingenieur für Kraftaufnehmer bei GTM. Ein sehr gutes Beispiel dafür sind die neusten sogenannten HALT-Prüfstände (Highly Accelerated Lifetime Testing – hochbeschleunigte Lebensdauerprüfungen) für die Prüfung und Validierung von Offshore-Gondeln der neuesten Generation, die aktuell bis in die Be­reiche von 30 MW vorstoßen. Da Prüfungen und Versuche von Windkraftanlagen, insbesondere im Offshore-­Einsatz, immer weniger praktikabel, teuer und sehr aufwändig zu planen sind, bieten die HALT-Prüfstände eine Möglichkeit sicherzustellen, dass Prototypen den geltenden Normen entsprechen. Außerdem ergibt sich so ein entscheidender Einblick, wie eine neue Lösung bzw. Technologie auf die Bedingungen auf See rea­gieren wird. 

Ein wichtiges Ziel dieser neuen Prüfstände ist in der ­Regel die Überprüfung und auch die Erhöhung des ­Wirkungsgrades von Getrieben, in den neuesten Generationen auch kombiniert mit den Antriebsträngen. Jedes Zehntel Prozent an Wirkungsgrad, das gewonnen werden kann, ist bares Geld für den Betreiber. Festigkeitsbetrachtungen zu Gondel, Nabe und Mast sind ebenfalls wichtige Tests, die zur Identifizierung von Schwachstellen im frühen Entwicklungsstadium beitragen können. Nicht zuletzt ist auch die Erhöhung der Lebensdauer der Gondel und der Systemkomponenten ein wichtiger Punkt. Dies führt zu einer gesteigerten ­Zuverlässigkeit und einer Reduzierung der Ausfallzeiten der Windenergieanlagen. 

Leicht vorzustellen ist dabei, dass mit immer größer werdenden Rotordurchmessern auch die Kräfte immens gestiegen sind, die auf Gondel und Mast und alle verbundenen Teile einwirken. „Wer beispielsweise schon einmal einen rotierenden Fahrradreifen an der Nabe festgehalten hat, erahnt rasch, welche gigantischen Kräfte bei einer Windkraftanlage im Zaum gehalten werden müssen. Eine enorme Herausforderung für das Material, zumal dann auch auf See in rauer Umgebung mit hoher Korrosion“, so Gerhard Schulder. 

Kraftsensoren Serie RF – robust und präzise 

Als Entwickler und Hersteller von Präzisions-Sensorik zum Messen von Kräften und Drehmomenten hat sich GTM längst auch international an der Spitze etabliert. Das Produktportfolio aus Kraftaufnehmern, Drehmomentaufnehmern, Mehrkomponentenaufnehmern (MKA) und Präzisions-Messverstärkern wird ergänzt durch komplette metrologische Mess- und Kalibriereinrichtungen und die dazugehörigen Dienstleistungen. Die Bandbreite der GTM-Lösungen, mit denen Kräfte hochpräzise und zuverlässig bestimmt werden, reicht von < 0,1 kN bis in den zweistelligen Meganewton-Bereich. Mit Blick auf Hochlastprüfstände, wie sie bei Windkraftanlagen zum Einsatz kommen, bietet das Standardprogramm der Kraftaufnehmer Serie RF bereits umfangreiche Möglichkeiten zum präzisen Messen von statischen und dynamischen Zug- und Druckkräften. Sie bildet mit einem Nennkraftbereich von 25 kN bis 10 MN (kundenspezifisch auch bis zu 11 MN) das breiteste Mess-Spektrum aller GTM-Kraftaufnehmer. 

Sie sind darüber hinaus besonders robust gebaut, sind tolerant bei Überlast und weitgehend unempfindlich gegenüber Störkräften wie Querkräften oder Biegemomenten. Der beidseitige Flansch lässt Konstrukteuren großen Spielraum bei der Integration in einen Hochlast-Prüfstand. Vielfältige Varianten, auch Bauformen mit Innendurchführung (wenn konstruktiv gefordert) sind erhältlich und inzwischen sogar per Online-Konfigurator einfach auswähl- und bestellbar. „Gehen die Anforderungen über die Standardmodelle hinaus, bieten wir bei GTM über unser Customizing die Möglichkeit, kundenspezifische Varianten zu erstellen, die exakt den individuellen Kundenwünschen entsprechen. Das reicht von leichten Modifikationen bis hin zu eigens konstruierten Aufnehmern, die von GTM gemeinsam mit den Kunden entwickelt und auch in kleiner Stückzahl gebaut werden“, fasst Gerhard Schulder diesen Service zusammen. 

Anspruchsvolle Projekte mit Sensorik von GTM 

Für einen Prüfstand von Getrieben einer Windkraftanlage in Norddeutschland hat ein Betreiber insgesamt sechs Kraftsensoren Serie RF als zentrales Messelement installiert. Bei ihnen handelt es sich um kundenspezifisch modifizierte Modelle mit einem Nennkraftbereich von bis zu 10 MN. Per Hydraulikzylinder werden typische Störbelastungen und Schwingungen simuliert, die auf Getriebe und Lagerung einer Windkraftanlage und die Rotorblätter bzw. ihre Aufnahmen an der Nabe einwirken. Der Prüfstand ist groß genug, dass eine Gondel mit Getriebe und Nabe 1:1 abgebildet werden kann. 

Ein weiteres aktuell laufendes und sehr spannendes Projekt, an dem GTM in enger Kooperation mit einem Kunden arbeitet, ist ein Hochlastprüfstand, der ebenfalls auf die Erhöhung des Wirkungsgrades von Getrieben ausgerichtet ist. Das Getriebe und die Lagerung werden dabei großen Störkräften ausgesetzt, wie sie auch in der Realität durch Querkräfte an Rotorflügeln entstehen. Die Besonderheit: Hier wird ein Patent von GTM umgesetzt, dass eine Rückführung des Drehmoments auf das Nationale Normal mittels Kraftmessung möglich macht, und zwar in einer höheren Genauigkeit, als es die bisherigen Ansätze erlauben. GTM setzt dabei auf präzise Kraftmessung und Ausmessen der Hebelarme. Auf diese Art lässt sich das daraus resultierende Drehmoment genauer rückführen als über die direkte Drehmomentmessung mittels Drehmomentaufnehmer, für die es bisher kein adäquates Rückführkonzept gibt. Die Idee kurz zusammengefasst: genaue Kraftmessung und genaue Längenmessung ist in der Summe besser als ungenaue Drehmomentmessung. 

Ein Beitrag zum Klimaschutz 

Ein bisschen stolz ist man bei GTM, daran mitarbeiten zu können, Windkraftanlagen effizienter und leistungsfähiger zu machen. „Für Industrieunternehmen wie uns ist es ja nicht immer einfach, Wege zu finden, wie wir unmittelbar etwas für die Umwelt und den Klimaschutz bewirken können“, erläutert Gerhard Schulder den Zusammenhang. „Indem wir unsere Sensorik für Windkraft-Prüfstände bauen und liefern, sei es für Gondeln oder Generatoren, tragen wir dazu bei, die Wirkungsgrade bei der Erzeugung erneuerbarer Energien auf ein neues Level zu heben. Und das ist in jedem Fall eine gute Sache!“ 

Ob die Größe von Windkraftanlagen weiter zunehmen wird, bleibt abzuwarten. Schon jetzt sind die Dimensionen gewaltig, das technisch Machbare ist vielleicht vorerst ausgereizt. Doch so, wie sich die Technik weiterentwickelt, wird auch GTM seine Aufnehmer immer weiter verbessern und weiterhin danach streben, den einen oder anderen neuen Meilenstein zu setzen. Sei es mit einem Standard-Produkt oder einem kundenspezifischen Aufnehmer, ganz nach Wunsch des Kunden. 

Bilder: GTM; peterschreiber.media_AdobeStock_176894166