Hydraulische Pitchzylinder verstellen die Rotorblätter einer Windkraftanlage. Während des Betriebs führen sie zahlreiche kurze Korrekturbewegungen aus, wodurch die Dichtungen immer wieder beansprucht werden. Abstreifer, Stangendichtungen, Kolbendichtungen und Führungsringe erfüllen dabei jeweils unterschiedliche Aufgaben: Verunreinigungen fernhalten, Ölleckagen begrenzen oder bewegliche Bauteile abstützen. Die Materialauswahl hängt von der jeweiligen Funktion ab. Hochtemperaturbeständiges UHMW-PE, wie beispielsweise das Compound AF-7720, kann eine interessante Materialoption für Pitchzylinder sein. Ob dieses Material geeignet ist, hängt nicht nur von seiner Temperaturgrenze ab, sondern auch vom gesamten System der Hydraulikdichtungen.
In einem hydraulischen Pitchsystem befinden sich die Zylinder in der rotierenden Rotornabe. Die lineare Bewegung der Kolbenstange wird über eine mechanische Verbindung in eine Drehbewegung des Rotorblatts um seine Längsachse umgewandelt. Regelventile leiten die Hydraulikflüssigkeit zum Zylinder, sodass der Blattwinkel an die Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Die Pitchregelung trägt somit dazu bei, die Energieausbeute zu regulieren und mechanische Belastungen zu reduzieren. Pitchzylinder sind auch Bestandteil des Notverstellsystems: Die in Hydraulikspeichern (Akkumulatoren) gespeicherte hydraulische Energie kann genutzt werden, um die Rotorblätter in die Fahnenstellung zu bewegen. Das gesamte Sicherheitskonzept umfasst daher mehr als nur den Zylinder. Nicht jede Windkraftanlage verwendet diese Ausführung; es gibt auch elektrische Pitchsysteme.
Pitchzylinder führen bei der Verstellung des Blattwinkels häufig kurze Hübe mit hoher Wiederholfrequenz aus. Dabei bewegen sich die Dichtungen immer wieder über einen begrenzten Bereich der Gegenlauffläche. Gerade bei solchen Mikrobewegungen erfordert die Schmierung der Kontaktfläche besondere Aufmerksamkeit. Ein Dichtungsprofil, das lokal Öl zurückhält, kann dazu beitragen, die Kontaktzone ausreichend geschmiert zu halten. Darüber hinaus muss das System auf wechselnde Drücke und Bewegungsrichtungen reagieren. Zu hohe Reibung kann zum Stick-Slip-Effekt führen: einem abwechselnden Haften und Gleiten, wodurch die Bewegung ruckartig verläuft. Auch die Temperatur beeinflusst die Betriebsbedingungen, unter anderem durch Veränderungen der Ölviskosität. Bei Pitchzylindern geht es bei der Materialauswahl daher nicht nur um die Verschleißfestigkeit. Dichtungsprofil, Schmierfilm und Betriebsbelastung müssen gemeinsam bewertet werden, um Leckagen und unnötige Bewegungswiderstände zu begrenzen.
Der Abstreifer befindet sich an der Außenseite des Zylinderkopfes, wo die Kolbenstange aus dem Zylinder austritt. Beim Einfahren entfernt die Abstreiflippe Schmutz, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen von der Stange. Dadurch werden die dahinterliegenden Dichtungen und Führungselemente geschützt. Bei Pitchzylindern muss die Abstreiffunktion auf die Umgebungsbedingungen und die erforderliche Schmierung der Kolbenstange abgestimmt sein. Eine doppeltwirkende Ausführung kann auch den nach außen transportierten Ölfilm kontrollieren. Der Abstreifer ersetzt jedoch nicht die Stangendichtung: Das Fernhalten von Verunreinigungen und das Abdichten des Hydraulikdrucks bleiben unterschiedliche Funktionen innerhalb desselben Systems.
Stangendichtungen befinden sich im Zylinderkopf und dichten gegenüber der beweglichen Kolbenstange ab. Sie begrenzen das Austreten von Hydraulikflüssigkeit nach außen. Die kurzen Bewegungen von Pitchzylindern erfordern ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Dichtwirkung, Reibung und Schmierung. Mögliche Konstruktionen sind beispielsweise eine Polyurethan-Lippendichtung oder ein Kunststoff-Gleitring mit einem elastomeren Vorspannring. Bei der letztgenannten Kombination steht der Gleitring in Kontakt mit der Kolbenstange, während die elastomere Komponente für die Vorspannung sorgt. Entscheidend ist somit das Zusammenspiel von Dichtungsprofil und Materialien und nicht ausschließlich die Eigenschaften des Kunststoffs.
Kolbendichtungen befinden sich auf dem Kolben und dichten gegenüber der Innenwand des Zylinderrohrs ab. Sie begrenzen den Flüssigkeitsstrom zwischen den Kammern auf beiden Seiten des Kolbens. Dadurch kann die erforderliche Druckdifferenz aufgebaut werden, um Kraft zu erzeugen. Bei doppeltwirkenden Pitchzylindern muss die Dichtungskonstruktion Druck aus beiden Richtungen aufnehmen können. Hierfür kann ein Kunststoff-Dichtelement mit einem elastomeren Vorspannring kombiniert werden. Neben der Leckagebegrenzung müssen auch das Verhalten bei Druckumkehr und die Extrusionsbeständigkeit berücksichtigt werden, insbesondere wenn die Temperatur und das Spaltmaß zwischen den Bauteilen zunehmen.
Führungsringe stützen den Kolben und die Kolbenstange. Sie nehmen Querkräfte auf und helfen dabei, einen direkten metallischen Kontakt zwischen den Bauteilen zu verhindern. Im Gegensatz zu Stangen- und Kolbendichtungen haben sie in erster Linie eine Führungsfunktion und keine druckabdichtende Funktion. Bei der Auswahl von Führungsringen für Pitchzylinder müssen daher neben den Gleiteigenschaften auch die Tragfähigkeit und Maßhaltigkeit berücksichtigt werden. Ein Material mit geringem Verschleiß ist nicht automatisch für jede radiale Belastung geeignet. Auch die Kriechbeständigkeit, also der Widerstand gegen zeitabhängige Verformung unter Belastung, muss bei der vorgesehenen Betriebstemperatur bewertet werden.
Für Dichtungen in Pitchzylindern werden je nach Funktion und Betriebsbedingungen unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt. Polyurethan (PU) wird aufgrund seiner Kombination aus Verschleißfestigkeit, Flexibilität und mechanischer Belastbarkeit häufig verwendet. PTFE eignet sich für bestimmte dynamische Dichtungen, bei denen geringe Reibung und ein kontrolliertes Gleitverhalten wichtig sind. Auch UHMW-PE, ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, bietet vorteilhafte Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit, Selbstschmierung und Extrusionsbeständigkeit. Spezielle Hochtemperatur-Compounds wie AF-7720 wurden entwickelt, um diese Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen besser zu erhalten. Bei Pitchzylindern muss die endgültige Werkstoffauswahl auf die Hydraulikflüssigkeit, die Druckbelastung, die Bewegungsfrequenz und die Temperatur abgestimmt werden. Darüber hinaus sind die Dichtungsgeometrie, die Nutabmessungen und die Oberflächenbeschaffenheit der beweglichen Bauteile entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb.
Bei der Wartung von Pitchzylindern sollte das gesamte Dichtungssystem berücksichtigt werden. Kontrollieren Sie nicht nur sichtbare Leckagen entlang der Kolbenstange, sondern auch den Abstreifer, die Führungselemente und den Zustand der metallischen Kontaktflächen. Eine beschädigte Abstreiflippe, Kratzer auf der Kolbenstange oder dauerhaft verformte Führungsringe können Anlass sein, die zugrunde liegende Ursache genauer zu untersuchen. Dokumentieren Sie bei einer Überholung, an welchen Stellen Material abgetragen wurde und ob Anzeichen von Extrusion vorliegen. Vergleichen Sie dieses Schadensbild mit der Betriebstemperatur, der Druckbelastung und dem Zustand der Hydraulikflüssigkeit. Der bloße Austausch einer Dichtung kann unzureichend sein, wenn die eigentliche Ursache weiterhin besteht. Inspektion und Austausch sollten gemäß den Vorgaben des Zylinder- und Turbinenherstellers erfolgen. Ohne anwendungsspezifische Daten lässt sich keine zuverlässige, allgemein gültige Lebensdauer für alle Dichtungen festlegen.
Nein, es gibt sowohl hydraulische als auch elektrische Pitchsysteme. Die Ausführung hängt von der jeweiligen Turbinenplattform ab; allein der Name des Herstellers lässt keine Rückschlüsse darauf zu, welches System verwendet wird.
Eine Stangendichtung begrenzt das Austreten von Hydraulikflüssigkeit entlang der Kolbenstange nach außen. Eine Kolbendichtung begrenzt interne Leckagen zwischen den Kammern auf beiden Seiten des Kolbens.
Führungsringe nehmen radiale Belastungen auf und helfen dabei, direkten Metallkontakt zu verhindern. Sie unterstützen die Bewegung, übernehmen jedoch nicht die druckabdichtende Funktion von Stangen- und Kolbendichtungen.
Hochtemperaturbeständige Werkstoffqualitäten wurden entwickelt, um ihre Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen zu erhalten. Die Leistungsfähigkeit hängt vom jeweiligen Compound ab; für AF-7720 beschreibt Accofluor unter anderem die Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit.
Accofluor gibt 120 °C als obere Temperaturgrenze an, spezifiziert im Materialdatenblatt jedoch keine Bedingungen für einen kontinuierlichen dynamischen Einsatz. Die zulässige Temperatur einer vollständigen Dichtung muss daher für die jeweilige Belastung und Hydraulikflüssigkeit bestätigt werden.
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