Wälzlager bilden das Herzstück moderner Windenergieanlagen (WEA). Sie stützen den Rotor, übertragen die Rotorlasten auf den Turm und die Tragstruktur und müssen unter stark schwankenden Betriebsbedingungen 20 Jahre oder länger zuverlässig funktionieren.
Doch in den letzten Jahren haben Betreiber und Hersteller zunehmend Schäden und unerwartetes Verhalten an Hauptlagern und den umgebenden Komponenten beobachtet. Eines der subtileren, aber äußerst relevanten Phänomene ist das Ringwandern – die langsame Relativbewegung eines Lagerrings gegenüber seiner Welle oder seinem Gehäusesitz.
Dieser Artikel zeigt auf, was Ringwandern ist, warum es in großen WEA-Lagern auftritt, wie aktuelle Forschungsergebnisse zu einem besseren Verständnis beitragen und was dies für Konstruktion, Fertigung und Betrieb bedeutet.
Was ist Ringwandern?
Bei einem idealen Design wird ein Lagerring mit einem definierten Presssitz auf der Welle oder im Gehäuse montiert. Der Ring ist etwas kleiner als der Lagersitz auf der Hauptwelle, wodurch ein Anpressdruck entsteht, der sicherstellt, dass sich Ring und Lagersitz unter allen Betriebsbedingungen gemeinsam bewegen. Nur durch die Wälzkörper sollte eine Relativbewegung möglich sein. In der Praxis wird dieses Ideal nicht immer erreicht. Als Ringwandern wird das Phänomen bezeichnet, das sich der Lagerring trotz der beabsichtigten Presspassung langsam gegen seinen Sitz verdreht. Die tangentiale Bewegung pro Lastzyklus ist sehr gering und oft nur unterbrochen, kann aber über viele Zyklen hinweg zu einer messbaren Umfangsverschiebung des Rings gegenüber seinem Sitz führen.
Die Folgen zeigen sich typischerweise an den Kontaktflächen: Reibspuren und lokaler Verschleiß an der Welle oder am Gehäusesitz. Die Passung kann sich allmählich verschlechtern, Vorspannung und inneres Spiel können sich verändern, und lokale Spannungskonzentrationen können die Ermüdung begünstigen. Bei kleinen Maschinen handelt es sich dabei in der Regel um ein lokales Konstruktions- oder Montageproblem. Bei großen WEA-Lagern ist das Ringwandern jedoch ein Systemeffekt, der nicht nur das Lager, sondern auch die Welle, das Gehäuse, die Lastverteilung und -spektren sowie die Verformung umgebender Strukturen einbezieht.
Warum Ringwandern bei Hauptlagern von Windenergieanlagen eine Rolle spielt
Das Hauptlager einer WEA ist besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Es muss große und sich schnell ändernde Biegemomente vom Rotor aufnehmen, die mit radialen und axialen Belastungen einhergehen. Gleichzeitig ist der Zugang eingeschränkt, die erwartete Lebensdauer ist lang und ein Austausch ist in der Regel sehr kostspielig.
Besonders kritisch ist Ringwandern am Lagersitz des Hauptlager-Innenrings auf der Hauptwelle. Der Innenring ist in der Regel auf einer Welle montiert, die sich unter Last durchbiegt. Jede lokale Verformung, geometrische Abweichung oder jeder Verlust des Anpressdrucks kann Mikrobewegungen zwischen Welle und Ring begünstigen. Im Laufe der Zeit kann dies zu unerwarteten Schäden an der Hauptwelle und einem erhöhten Risiko eines vorzeitigen Lagerausfalls aufgrund von Verschleiß und Partikeleintritt führen. Das Phänomen hat an Relevanz gewonnen, da WEA an Größe zugenommen haben und das mechanische System durch gusseiserne Hohlwellen und eine weiter vorangetriebene Leichtbauweise weniger steif geworden ist.
Wie großmaßstäbliche Tests unterstützen können
Um solch komplexes Verhalten zu verstehen, reichen vereinfachte Berechnungen nicht aus. Der modulare Triebstrangprüfstand für Großkomponenten, welcher in den Forschungsprojekten BeBen XXL [1] und Gusswelle [2] am Fraunhofer IWES zur Erprobung von Hauptlagereinheiten zum Einsatz kam, bietet die Möglichkeit, realistische Belastungszustände an verschiedenen Hauptwellen- und Lagerkonfigurationen nachzubilden.
In den Projekten BeBen XXL und Gusswelle wurden Komponenten in Originalgröße beschleunigten Ermüdungsversuchen unterzogen. Die Biegebelastungen spiegeln den realen WEA-Betrieb wider, sind jedoch so skaliert, dass relevante Schäden in kürzerer Zeit entstehen. Die Randbedingungen – wie Ausrichtung, Steifigkeiten und Lasteinleitung – lassen sich wesentlich präziser steuern als im Feld.
Im Hinblick auf das Ringwandern ist dieser Ansatz aus mehreren Gründen hilfreich. Er ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die systematische Variation von Passungen, Oberflächenbeschaffenheiten und Montageverfahren und anschließend zu beobachten, wie das System reagiert. Verschiebungen, Dehnungen und tangentiale Bewegungen das Lagerrings können während des Betriebs überwacht werden, während die Kontaktflächen am Lagersitz nach der Prüfung untersucht werden können. Auf diese Weise stellt der Prüfstand für Hauptlagereinheiten eine Verbindung zwischen theoretischen Annahmen und dem tatsächlichen Verhalten der Bauteile her – und er zeigt deutlich, dass sich große Bauteile unter realen WEA-Belastungen anders verhalten können, als es herkömmliche Auslegungsmodelle vorhersagen. Im aktuellen WEA-RiWa führen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Tests mit Hauptlagereinheiten in Originalgröße durch, um fortschrittliche Simulationsmodelle für Ringwandern zu validieren.
Ringwandern und die Rolle von Gusskomponenten
Das Gussverfahren ist für große Bauteile des Antriebsstrangs wie Hauptwellen attraktiv, da es Kosten- und Konstruktionsvorteile bietet. Gusskomponenten unterscheiden sich jedoch von bearbeiteten Stahlteilen hinsichtlich Maßgenauigkeit, Steifigkeit und Verformungsverhalten. Diese Unterschiede wirken sich direkt auf den Lagersitz aus. Lokale Verformungen sowie die lokale Oberflächenqualität und Eigenspannungen beeinflussen die Verteilung des Anpressdrucks über den Umfang.
Eine Studie des Fraunhofer IWES [3] zeigt, dass auch bei Einhaltung der Nennmaße die resultierenden Kontaktbedingungen nicht gleichmäßig über den Lagersitz verteilt sind. Unter zyklischen Belastungen sind Bereiche mit geringerem Anpressdruck besonders anfällig für Mikrobewegungen zwischen Innenring und Welle. Zunächst äußert sich dies in winzigen Relativbewegungen, doch über viele Zyklen und Belastungsfälle hinweg können sich diese zu einer messbaren Verdrehung des Lagerrings summieren.
Die klassische Auslegung ist nicht immer ausreichend, um eine robuste Passung ohne Ringwandern im Betrieb zu gewährleisten. Die tatsächliche Verformung der Hauptwelle, die Belastung und ihre Richtung sowie die Steifigkeit der umgebenden Struktur müssen gemeinsam mit den geometrischen Toleranzen berücksichtigt werden.
Ein Blick ins Innere der Passung: numerische Simulation des Ringwanderns
Feldbeobachtungen und Prüfstandsergebnisse zeigen, dass Ringwandern auftritt – sie geben jedoch zunächst keinen Aufschluss darüber, wie sich der Kontakt am Lagersitz genau verhält. Hierfür sind detaillierte und validierte numerische Simulationen erforderlich.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IWES haben anspruchsvolle Modelle entwickelt, um das Ringwandern eines WEA-Hauptlagers zu beschreiben [4]. Das Modell kombiniert realistische Wellen- und Lagergeometrien, Materialeigenschaften, Presspassung sowie zeitabhängige Belastungsverläufe, die den WEA-Betrieb abbilden. Ziel ist es, zu simulieren, wie sich Kontaktdrücke und Relativbewegungen über mehrere Belastungszyklen hinweg entwickeln.
Die Ergebnisse liefern eine vertiefende n Einblick in das Ringwandern. Anstelle des vereinfachten Übergangs von »Haften« zu »Gleiten« erscheint der Prozess als ein fortschreitender, wegabhängiger Mechanismus. In manchen Belastungszuständen können sich Abschnitte der Kontaktzone entspannen und ein Mikrogleiten auftreten; in anderen steigt der Anpressdruck und der Ring haftet wieder. Insgesamt entsteht eine kleine inkrementelle Drehung oder tangentiale Verschiebung, die sich im Laufe der Zeit summiert.
Durch die Variation von Parametern im Modell – beispielsweise Presssitz, Geometrie, Materialverhalten oder Wandstärke – können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Einflusskombinationen identifizieren, die besonders anfällig für Ringwandern sind. Die Simulationen verdeutlichen zudem die Bedeutung des nichtlinearen-elastischen Verhaltens bei großen Bauteilen.
Erkenntnisse für Auslegung und Fertigung
Konventionelle Auslegungsansätze sind für die großen und flexibleren Bauteile moderner WEA-Antriebstränge nicht immer ausreichend genau. Der Lagersitz muss im Zusammenhang mit Wellensteifigkeit, Belastungsspektren und Verformung betrachtet werden. Entscheidend ist die Verteilung des Anpressdrucks: Lokale Bereiche geringen Kontaktdrucks sind Ausgangspunkte für Ringwandern.
Zudem müssen zur Auslegung Materialverhalten und strukturelle Wechselwirkungen in die Berechnungen einbezogen werden. Die Integration nichtlinear-elastischer Modelle und realistischer Belastungsbedingungen in den Entwicklungsprozess ermöglicht die Auslegung robusterer Lagersitze und realistischerer Sicherheiten.
Ausblick
Die hier vorgestellte Forschung zeigt, wie gezielte Untersuchungen durch Tests im Originalmaßstab und fortschrittliche numerische Simulationen gemeinsam ein umfassenderes Bild des Ringwanderns in Hauptlagern von Windenergieanlagen vermitteln. Da Windenergieanlagen immer größer und zunehmend komplexer werden, gewinnen solche Schnittstellen-Phänomene für einen zuverlässigen Betrieb weiter an Bedeutung.
In weiterführenden Arbeiten werden die Simulationsmodelle weiterentwickelt und anhand der Messergebnisse aus den Prüfstandsversuchen validiert. Zudem werden die Erkenntnisse in Richtlinien überführt. Letztendlich ist die Vermeidung von Ringwandern Teil eines umfassenderen Bestrebens, das tatsächliche Verhalten großer WEA-Komponenten unter realen Belastungen zu verstehen. Je besser diese Details verstanden werden, desto zuverlässiger und wirtschaftlicher können die Anlagen über ihre gesamte Lebensdauer betrieben werden.
Referenzen
[1] Herrmann, J., Holz, K., Kyling, H., Zeise, B.:
BeBen XXL – Beschleunigter Experimenteller Betriebsfestigkeitsnachweis von Windenergieanlagen – Großkomponenten am Beispiel der Hauptwelle. https://doi.org/10.2314/KXP:1666359084
[2] Kirsch, J., Kyling, H., & Niewiadomski, J.:
Projekt Gusswelle – Werkstoff- und Bauteiloptimierung für leistungsfähigere Gusskomponenten im Antriebsstrang von Windenergieanlagen durch den Einsatz von Kokillenguss : Schlussbericht
[3] Kirsch, J., Kyling, H.:
Optimized cast components in the drive train of wind turbines and inner ring creep in the main bearing seat. Forschung im Ingenieurwesen 85(2), 199–210 (2021). https://doi.org/10.1007/s10010-021-00458-x
[4] Grosse, P., Kyling, H.:
Numerical simulation of ring creep on a wind turbine main shaft. Forschung im Ingenieurwesen 89, 2087–2112 (2025). https://doi.org/10.1007/s10010-025-00805-2
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