Stürmischer Härtetest

Schraubensicherung bei Windkraftanlagen

Schraubenverbindungen in Windkraftanlagen unterliegen enormen Belastungen. Da sie bei der Absicherung der Funktionsfähigkeit einer Anlage eine wichtige Rolle spielen, ist es notwendig, bereits bei der Planung und Berechnung VDI-Richtlinien und Normen zu berücksichtigen.

Bild: esbobeldijk / VDIrichtlinie-vdi-2230_schrauben_windkraftanlage-t8_702x363

Mit 1.288 neu installierten Windenergieanlagen und damit einem Plus um 4.259 MW war 2016 für die Windenergie in Deutschland das zweitbeste Jahr nach 2014. Vor allem der starke Onshore-Markt trug zu diesem Zuwachs bei. Betrachtet man die Karte mit den Standorten von Windrädern, Windparks und Windkraftanlagen, wird einem erst bewußt, wie weit sich diese Form der regenerativen Energieversorgung in den vergangenen Jahren bei uns ausgebreitet hat. Nur wenige lassen sich noch von dem Anblick der sich hoch in der Luft drehenden Rotorblätter mit einer Länge von fast 70 Metern und einem Gewicht von bis zu 25 Tonnen beeindrucken. Und noch weniger machen sich Gedanken darüber, dass Windenergieanlagen und Windparks technisch komplexe Systeme sind, die im Betrieb sehr vielen verschiedenen und stark wechselnden Belastungen ausgesetzt sind – und denen müssen auch die Schraubenverbindungen standhalten.

Einflüsse auf den Werkstoff
Die Belastung durch den Wind an sich, Luftfeuchtigkeit, Salzwasser oder große Temperaturunterschiede – all dem müssen eine Windkraftanlage und deren Komponenten trotzen. Windenergieanlagen in Kanada zum Beispiel werden bei -50° C und noch kälteren Temperaturen betrieben. Bei solchen Temperaturen steigen Festigkeit und Sprödigkeit von Werkstoffen, was wiederum bedeutet, dass ihre Zähigkeit abnimmt. Eine Schraube, die nur statisch belastet wird, wird die Verbindung auch bei verminderter Zähigkeit zuverlässig halten. Ist sie allerdings einer dynamischen Belastung ausgesetzt, wie eben bei einer Rotorblattbefestigung an einer Windkraftanlage, reduzieren sich mit der Zähigkeit auch ihre Verformungsmöglichkeiten – sie kann irgendwann brechen. Die verringerte Zähigkeit wirkt sich nur bei Bauteilen aus, die auf Zug beansprucht werden, wovon auch die Schraubenverbindungen an den Ringflanschen der Turmsegmente von Windkraftanlagen betroffen sind.

Neben der Temperatur hat auch der Standort einen Einfluss auf die Stabilität einer Schraube beziehungsweise der Schraubenverbindung. Besonders an Offshore-Standorten muss die Beschichtung der Schraubverbindungen einen hoch wirksamen und dauerhaften Korrosionsschutz bieten. Ist das nicht der Fall, kann es zu Sprödbrüchen kommen. Darüber hinaus muss die schützende Beschichtung bestimmte Reibungszahlen einhalten, um eine problemlose Verschraubung zu gewährleisten.

Montage und Instandhaltung nicht vergessen
Bei Windkraftanlagen werden während ihrer gesamten Betriebsdauer von 10 bis 20 Jahren in regelmäßigen Abständen die sicherheitsrelevanten Verschraubungen im Turm, im Maschinenhaus und in der Nabe auf ihre Drehmomente überprüft. Allein an einem Turmflansch sind das zum Teil über 100 Schrauben. Zwar sind Baugruppen wie Getriebe, Rotor oder Generator seltener defekt als Elektrik, Elektronik, Sensorik oder die Hydraulikanlage, ihre Reparatur ist jedoch aufwändiger, da für den Austausch ein Kran notwendig ist. Zudem sind deutlich längere Stillstandszeiten zu erwarten. Um diese möglichst kurz zu halten, müssen Demontage/Montage einfach zu handhaben und dabei gleichzeitig präzise und gleichmäßige Montagevorspannkräfte erzielbar sein. Je genauer man also über die Kraft- und Verformungsverhältnisse bei der Planung einer Windkraftanlage bescheid weiß und sich zu diesem Zeitpunkt auch bereits mit den Gestaltungshinweisen zur Erhöhung der Betriebssicherheit von Schraubenverbindungen Gedanken macht, desto zuverlässiger ist die Verbindung und desto einfacher Wartung und Instandhaltung.

Wie sich hochbeanspruchte zentrisch und exzentrisch verspannter Schraubenverbindungen berechnen lassen, das zeigt die VDI 2230 Blatt 1. Die Richtlinie vermittelt umfassende Grundlagen zur Kraft- und Verformungsanalyse und und widmet sich hauptsächlich den einzelnen Berechnungsgrößen. Dazu zählen die elastischen Nachgiebigkeiten der Verbindung, die Krafteinleitung, das Kraftverhältnis und die Schraubenzusatzkraft, die Vorspannkraft sowie Beanspruchungen und der Festigkeitsnachweis. Zahlreiche Tabellen zur Berechnung im Anhang A, ausführliche Berechnungsbeispiele im Anhang B sowie eine in sechs Ausführungen unterteilte Berechnung des Krafteinleitungsfaktors im Anhang C lassen eine umfangreiche Berechnung für Stahlschrauben (Befestigungsgewinde mit 60° Flankenwinkel) in hochbeanspruchten und hochfesten Schraubenverbindungen (für Festigkeitsklassen 8.8 bis 12.9 beziehungsweise 70 und 80 und einer kraftschlüssigen Übertragung der Betriebsbelastung) zu.

Anforderungen und Auslegung von Schraubenverbindungen
Das mit der Richtlinie vermittelte Grundlagenwissen lässt sich in dem Seminar „Schraubenverbindungen in Windkraftanlagen – Anforderungen und Auslegung“ des VDI-Wissensforum weiter vertiefen. An zwei Tagen zeigt die Veranstaltung auf, welchen Anforderungen und Belastungen Schraubenverbindungen unterliegen, was einen Einfluss auf Kräfte und Kraftverteilung in Schraubverbindungen hat, wie die Beanspruchung einer Schraubenverbindung ermittelt werden kann, welche Tragfähigkeiten die verwendeten Werkstoffe haben und was bei der Montage von Schraubenverbindungen beachtet werden sollte.

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Iris_LindnerAutorin: Iris Lindner
Die Diplom-Ingenieurin (FH) ist für uns in Sachen Berichterstattung rund um die VDI-Richtlinien in den sozialen Netzwerken unterwegs

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