Aluminium kommt in Windkraftanlagen hauptsächlich in den nicht{0}}strukturellen und sekundären-strukturellen Teilen der Maschine vor: Baldachin- und Gehäuseplatten, Rahmenprofile, Generator- und Getriebegehäuse, Wärmetauscherrahmen, Kabelrinnen, Leitern und Plattformgitter, Stromschienen und Kabel sowie Teile des Blitzschutzpfads. Der Grund ist die Masse. Jedes in der Gondel eingesparte Kilogramm verringert die Kopflast des Turms, wodurch die Turmmasse und die Fundamentkosten sinken. Diese Einsparung wiederholt sich in jedem Lastfall im Entwurfsbereich.
Wo jede Aluminiumlegierung verwendet wird
| Komponente | Typische Legierung und Härte | Produktform | Grund für die Auswahl |
|---|---|---|---|
| Gondeldach und Gehäuseplatten | EN AW-5754 H22 oder 5052 H32 | Blatt und Spule | Korrosionsbeständigkeit, Formbarkeit und Schweißbarkeit in Marinequalität |
| Innenrahmen und Stützprofile | EN AW-6082 T6, 6063 T6 | Extrudiertes Profil | Höchste Festigkeit der 6xxx-Strangpressprofile, gute Extrudierbarkeit, geschweißte Rahmen |
| Generator-, Wandler- und Getriebegehäuse | 6xxx Schmiede- und Gusssorten | Platte, Extrusion, Gießen | Massenreduzierung und hohe Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeableitung |
| Kabelrinnen, Leitern und Gitter | 6063 T6, 3003 und 5052 Blatt | Extrusion und Blech | Leicht, korrosionsbeständig, nicht-magnetisch |
| Sammelschienen und Stromkabel | 1050A, 1350 | Stab- und Litzenleiter | Elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 61 % IACS für 1350 |
| Blitzschutzleiter und -empfänger | 1050, 6061 | Stange, Blech, Extrusion | Leitfähigkeit, Widerstand gegen Stoßerosion |
Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften für Strangpressteile sind in EN 755-2 oder ASTM B221 festgelegt, für Bleche und Platten in EN 485-2 oder ASTM B209 und die chemische Zusammensetzung in EN 573-3. Bei der Sortenauswahl geht es normalerweise um die Korrosionsumgebung, da Offshore- und Küstenstandorte 5xxx-Blechlegierungen erfordern, selbst wenn eine 6xxx-Legierung stärker wäre.
Wie sich Masse und Steifigkeit ausgleichen
Der Ersatz von Stahl durch Aluminium führt nicht automatisch zu einer Gewichtseinsparung, denn beim Design kommt es in der Regel eher auf die Steifigkeit als auf die Festigkeit an. Der Modul von Aluminium beträgt etwa 70 GPa gegenüber 210 GPa für Stahl, ein Verhältnis von einem Drittel. Um die Biegesteifigkeit einer Stahlplatte zu erreichen, muss eine Aluminiumplatte etwa 1,44-mal dicker sein, da die Steifigkeit mit der dritten Potenz der Dicke und nur linear mit dem Modul zunimmt. Bei gleicher Steifigkeit wiegt Aluminium dann etwa 0,95 % des Stahlblechs. Die wirklichen Vorteile zeigen sich dort, wo stattdessen Festigkeit, Korrosionszuschlag oder Handhabungsgewicht ausschlaggebend sind: Eine festigkeitsabhängige Halterung aus 6082 T6 wiegt etwa ein Drittel des Stahläquivalents, und ein Küstenvordachpaneel aus 5754 benötigt im Gegensatz zu lackiertem oder verzinktem Stahl überhaupt keine Schutzbeschichtung. Bei Offshore-Maschinen ist der Wegfall der Beschichtungswartung oft mehr wert als die direkte Masseneinsparung.
Designregeln für Aluminium in Turbinenstrukturen
Die Tragwerksplanung folgt EN 1999-1-1, dem Eurocode für Aluminiumkonstruktionen. Die Ermüdung wird gemäß EN 1999-1-3 bewertet, die Schweiß- und Schraubverbindungen Detailkategorien zuordnet, und die Turbine selbst ist gemäß den Konstruktionsanforderungen von IEC 61400-1 ausgelegt, wobei der Blitzschutz durch IEC 61400-24 abgedeckt wird. Es folgen vier praktische Regeln.
Zuerst regiert die Ablenkung. Wählen Sie den Abschnitt für die Steifigkeit aus und überprüfen Sie dann die Spannung.
Schweißnähte erfordern Dauerfestigkeit. Ein geschweißtes Aluminiumteil hat eine viel niedrigere Ermüdungsklasse als das Grundmetall, und in 6xxx-Legierungen verliert die Wärmeeinflusszone einen großen Teil ihrer T6-Festigkeit, sodass die konstruktiven zulässigen Werte dort üblicherweise bei etwa der Hälfte des Ausgangswerts angesetzt werden.
Halten Sie Aluminium von Kupfer fern und isolieren Sie es von Stahl. Aluminium ist in der galvanischen Reihe anodisch, sodass eine nasse Verbindung mit Stahl oder Edelstahl den Angriff auf das Aluminium konzentriert. Verwenden Sie Isolierscheiben, beschichtete Befestigungselemente und Dichtmittel und verzichten Sie gänzlich auf kupferhaltige Komponenten.
Lassen Sie keine Taschen zu, die Wasser oder Salz enthalten. Entwässerungs- und Belüftungsdetails entscheiden mehr über die Lebensdauer einer Überdachungsplatte als die Legierungssorte.
Häufig gestellte Fragen
Q:Warum wird Aluminium in Gondeln von Windkraftanlagen verwendet?
A: Um die Kopfmasse des Turms- zu reduzieren. Eine geringere Gondelmasse bedeutet eine geringere Turmlast, einen leichteren Turm und ein kleineres Fundament und macht außerdem eine Korrosionsbeschichtung auf den Außenplatten überflüssig.
Q:Bestehen Windkrafttürme aus Aluminium?
A: Nein. Türme bestehen aus Stahl oder Beton, da die Steifigkeit und die Kosten pro Steifigkeitseinheit in dieser Größenordnung Stahl begünstigen. Aluminium wird für Sekundärstrukturen, Gehäuse und elektrische Komponenten verwendet.
Q:Welche Aluminiumlegierungen werden in Windkraftanlagen verwendet?
A: EN AW-5754- und 5052-Platten für der Witterung ausgesetzte Schalttafeln, EN AW-6063- und 6082-Strangpressprofile für Rahmen und Wannen, 6061 für bearbeitete Teile und 1050A oder 1350 für Leiter und Sammelschienen.
Q:Wie wird Korrosion an Offshore-Turbinen kontrolliert?
A: Die Sortenauswahl ist der erste Schritt, da 5xxx-Blechlegierungen ohne Beschichtung salzwasserbeständig sind. Die Verbindungen sind isoliert, um galvanische Angriffe zu verhindern, und wenn ein 6xxx-Profil im Freien verwendet wird, wird es gemäß ISO 7599 eloxiert oder lackiert und anschließend durch Salzsprühtests gemäß ASTM B117 überprüft.
Q:Wie wird mit der Ermüdung von Turbinenkomponenten aus Aluminium umgegangen?
A: Mit Detailkategorien aus EN 1999-1-3 und dem Lastkollektiv aus IEC 61400-1, die zusammen die Auslegungslebensdauer definieren. Schweißverbindungen und die Wärmeeinflusszone sind die kritischen Stellen, und um sie zu vermeiden, werden häufig Schraub- oder Klebeverbindungen gewählt.
Q:Wird recyceltes Aluminium in Turbinenkomponenten verwendet?
A: Ja. Sekundäraluminium benötigt nur einen kleinen Bruchteil der Energie, die zum Schmelzen von Primärmetall benötigt wird, und wird zunehmend für unkritische Gehäuse und Wannen spezifiziert.
