Quantification of smearing risk for tapered roller bearings in wind turbine gearboxes during grid faults

Wind turbine (WT) gearbox damage negatively impact the levelized cost of energy due to the costs for maintenance and repair. In 70% of the cases, rolling bearing damage are the cause of WT gearbox failures. Rolling bearings often fail far before their designed service life. Especially the bearings on the high-speed-shaft (HSS) of the WT gearbox are prone to failure. One driver for bearing damage are critical loads that are not sufficiently included in the design process yet, e.g. loads resulting from grid faults. Grid faults induce significant generator torque excitations in doubly-fed induction generator wind turbines which lead to transient changes in the loading and rotational speed of the gearbox bearings. Typically, cylindrical roller bearings (CRB) and tapered roller bearings (TRB) are used on the HSS. For CRBs, it was already shown in previous publications that the smearing risk is significantly increased in the event of grid faults. For TRBs, there is no such investigation yet. TRBs are often used as the fixed bearing in an adjusted bearing arrangement on the HSS. The preloading of the arrangement significantly influences the bearing kinematics and the risk of damage. Thus, this paper investigates the smearing risk for TRBs in WT gearboxes during grid faults, considering different preloads of the bearings. It is shown that the smearing risk for the TRBs on the HSS of a research nacelle during grid faults is 72% higher than during rated operation for the reference preload distance of 0 mu m. Increasing the preload distance to 370 mu m leads to a significant decrease in the smearing risk by 55% for the rated operation and by 86% during the grid fault compared to the reference. However, increasing the preload also increases the fatigue loads and thus decreases the fatigue lifetime. Consequently, there has to be a multifactorial design optimization of the TRB arrangement and the different damage criteria to derive the optimal preload. Getriebesch & auml;den bei Windenergieanlagen (WEA) f & uuml;hren aufgrund der Wartungs- und Reparaturkosten zu h & ouml;heren Stromgestehungskosten. In 70 % der F & auml;lle sind fr & uuml;hzeitige Ausf & auml;lle der W & auml;lzlager, insbesondere auf der High-Speed-Shaft (HSS), Ursache f & uuml;r diese Sch & auml;den. Eine Ursache f & uuml;r diese Ausf & auml;lle sind kritische Lasten z. B. durch Netzfehler, die bei der Auslegung nicht ausreichend ber & uuml;cksichtigt werden. Netzfehler induzieren in WEA mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator gro ss e Drehmomentschwankungen, die zu dynamischen Lasten und Geschwindigkeiten der W & auml;lzlager f & uuml;hren. In der Regel werden Zylinderrollenlager und Kegelrollenlager (TRB, engl.:"tapered roller bearing") auf der HSS eingesetzt. F & uuml;r Zylinderrollenlager wurde bereits in fr & uuml;heren Ver & ouml;ffentlichungen gezeigt, dass das Risiko gegen & uuml;ber Anschmierung bei Netzfehler erh & ouml;ht ist. F & uuml;r TRB liegen keine Untersuchungen vor. TRBs werden h & auml;ufig als angestellte Festlager auf der HSS eingesetzt. Die Vorspannung der Lagerstelle hat gro ss en Einfluss auf die Lagerdynamik. Daher wird in dieser Ver & ouml;ffentlichung unter Ber & uuml;cksichtigung der Vorspannung das Risiko gegen & uuml;ber Anschmierung f & uuml;r TRB in WEA-Getrieben bei Netzfehler untersucht. Es wird gezeigt, dass das Risiko gegen & uuml;ber Anschmierung von TRBs auf der HSS einer Forschungsgondel bei Netzfehler um 72 % h & ouml;her ist als im Nennbetrieb. Eine Erh & ouml;hung des Vorspannweges auf 370 mu m f & uuml;hrt zu einer Verringerung des Risikos um 55 % w & auml;hrend des Nennbetriebs und um 86 % w & auml;hrend des Netzfehlers. Die Erh & ouml;hung der Vorspannung f & uuml;hrt jedoch zu erh & ouml;hten Erm & uuml;dungslasten und damit zu einer Verringerung der Erm & uuml;dungslebensdauer. Folglich ist eine multifaktorielle Designoptimierung der Lagerstelle unter Ber & uuml;cksichtigung verschiedener Schadenskriterien erforderlich, um die optimale Vorspannung zu ermitteln.