Två viktiga faktorer krävs av lager som används i vindkraftverk: hög prestanda och lång livslängd under svåra förhållanden. Detta gäller särskilt inom offshore-segmentet, där vindkraftverkens kapacitet fortfarande ökar.

Som ett resultat av detta har NSK nyligen börjat tillverka lager för 9,5 MW turbiner och utvecklar redan lager för offshoreturbiner i 12 MW-klassen.

Det är dock inte bara prestanda som ställer höga krav på vindkraftverkslager. På grund av höga vindhastigheter till sjöss verkar ännu starkare statiska och dynamiska belastningar på rotorerna och följaktligen hela drivsystemet. Vid vindkraftverk på land genomgår huvudlagrena belastningar upp till 1 MN – när det gäller offshoreturbiner är det ännu mer.

Förväntningarna på livslängden ökar
Ökade krav ställs på livslängden för lager för vindkraftsverk. För onshore-turbiner så specificerar tillverkare av lager traditionellt att dessa måste utformas för en livslängd på 175.000 timmar, vilket motsvarar 20 år. Som ett resultat av de höga investeringskostnaderna och svårigheterna i att komma åt vindkraftverken ute på havet, anges en livslängd på 25 år, vilket är en stor utmaning med tanke på de extremt höga dynamiska belastningarna.

Huvudlager
Dessa laster har klart inverkan på valet av lager. I direktdrivna vindturbiner väljs dubbelradiga koniska rullager i allt större utsträckning som huvudlager. Jämfört med cylindriska rullager, som normalt specificerades tidigare, erbjuder koniska rullager en fördel med justerbar förbelastning, vilket gör det möjligt att uppnå högre systemstyvhet. Sådana lager har inre diametrar på upp till 2,7 m, vilket utmanar även toppmoderna konstruktions- och tillverkningskoncept.

Vid system med växel kompenseras vikten på de extra drivkomponenterna av att generatorn kan ha en mindre konstruktion. Det finns olika designkoncept för huvudrotorlagret i varje effektkapacitetsklass. System upp till 5 MW använder vanligtvis sfäriska rullager, medan man för 6 MW eller högre hellre väljer lösningar med två koniska rullager eller dubbelradiga koniska rullager kombinerat med ett cylindriskt rullager.

Integrerade lager
Vid växeldrivna system är växellådor med två- eller tre-stegs planetsteg vanliga idag. Ofta kombineras dessa planetsteg med en spiralväxel. I flera år har trenden varit mot att använda så kallade integrerade planetväxlar. För denna tillämpning har NSK utvecklat (i nära samarbete med växeltillverkaren) flerradiga koniska och cylindriska rullager utan ytterring. Således används planethjulets innerhål som lagrets ytterbana.
I vissa tillämpningar används fyrradiga integrerade cylindriska rullager. I kombination med fyra planeter per steg ingår en uppsättning lager i totalt 16 rader. För att få jämn belastning på alla lager är toleranserna på innerringens inre diametrar mycket noggranna.
En annan trend är att alla lager för en turbin kommer från en enda leverantör. Denna marknadstrend var en av anledningarna till att NSK beslutade att utöka produktportföljen i sin Wind Business Unit, även om företaget redan har utvecklat och tillverkat olika typer av lager för växellådor och generatorer i 20 år.

Kontroll av vita etsningssprickor (WEC)
På grund av storleken på de lager som krävs för offshore-vindkraftverk och deras svåra tillgänglighet är vindkraftsindustrin uppenbarligen mycket känslig för lagerhaverier. Teknisk expertis gör det möjligt att övervinna nästan alla typiska skador på lager. Till exempel säkerställer avancerade konstruktionsmetoder i kombination med hög renhet på stålet att klassiska utmattningsproblem praktiskt taget försvunnit i vindkraftsverkslagren.

Ett område som lagerindustrin fortfarande forskar på är dock WEC (vita etsningssprickor). Dessa sprickor är tecken på lagerskador som uppkommer relativt tidigt under lagrets livstid. Typiska skadesymptom är vita strukturer under kulbanan (därav namnet) vilket leder till sprickbildning och i slutändan lagerhaveri.

Den exakta orsaken till WEC var okänd under lång tid, och även om en rad experiment sedan dess har visat att denna defekt sannolikt är orsakad av vätepenetration, är vätets ursprung ännu inte helt förklarat.

Ytterligare forskningsarbeten antyder att väteproduktion uppstår under drift. Det ursprungliga antagandet var att vätet kom från kolvätekedjorna i smörjmedel och dess tillsatsämnen; en teori som kunde förklaras efter det att typiska skadesymptom kunde återskapas i ett laboratorium med vissa typer av oljor och fetter.

Som ett resultat av detta har NSK utvecklat ett nytt material som kan uppvisa högre motståndskraft mot vätepenetration och bildandet av sprickor som orsakas av väteförbränning. Laboratorietester har framgångsrikt genomförts och för närvarande görs fälttester med lager som konstruerats med detta material.

Tillämpa tillståndsövervakning
Till följd av de felsäkra egenskaperna och längre krav på livslängd är lagren i vindkraftsverk idealiska kandidater för tillståndsövervakningssystem (CMS) som använder externt monterade eller integrerade sensorer för kontinuerlig övervakning av lagrets tillstånd. Avvikelser som indikerar skador på lagren kan upptäckas och rapporteras i ett tidigt skede.

Moderna CMS placeras i havsbaserade vindkraftsverk för att upptäcka avvikelser tillräckligt tidigt vilket gör det möjligt att planera systemets underhållscykel. NSK räknar med betydande marknadspotential för denna typ av system.

På bilden:
Placering av huvudrotorns lager i växellösa vindkraftsturbiner.