Kurzfassung des Schlussberichts Projekt A 329 veröffentlicht

Untersuchung und Optimierung von LHD-Stahl für den Einsatz in hohlgeschmiedeten Rotorwellen für Windenergieanlagen (HoRo-LHD)

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Projekt A 329 / S0024/10277/22

Untersuchung und Optimierung von LHD-Stahl für den Einsatz in  hohlgeschmiedeten Rotorwellen für Windenergieanlagen (HoRo-LHD)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 01. Januar 2023 bis 30. Juni 2025

Der fortschreitende Ausbau erneuerbarer Energien ist eine zentrale Voraussetzung  zur Deckung des steigenden Energiebedarfs und zur Erreichung klimapolitischer Zielsetzungen. Der Windenergie kommt dabei eine Schlüsselrolle zu, da sie einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Stromerzeugung leisten kann. Gleichzeitig sind der weitere Ausbau und die Leistungssteigerung von Windenergieanlagen (WEA) durch eine begrenzte Anzahl geeigneter Standorte sowie durch bauliche und logistische Restriktionen limitiert. Vor diesem Hintergrund gewinnt die Steigerung der Leistungsdichte einzelner Anlagen bei gleichzeitig reduziertem Material- und Energieeinsatz zunehmend an Bedeutung.

Das abgeschlossene Forschungsvorhaben A329 HoRo-LHD setzte an dieser Problematik an und verfolgte einen ganzheitlichen Ansatz zur Weiterentwicklung von Rotorwellen für WEA. Durch die Kombination einer hohlgeschmiedeten Bauweise mit neu entwickelten lufthärtende duktilen Schmiedestählen (LHD-Stahl), die sich durch eine höhere Dauerfestigkeit und eine verkürzte Wärmebehandlung auszeichnen, sowie einer interdisziplinären, systembasierten Produkt- und Prozessauslegung sollten Materialeffizienz, ökologische Nachhaltigkeit und industrielle Umsetzbarkeit gleichermaßen verbessert werden.

Für die systembasierte Vorauslegung des gesamten Rotorlagerungssystems (RLS) wurde ein ganzheitliches Systemmodell entwickelt, das fertigungstechnische Randbedingungen, werkstoffliche Festigkeiten sowie Kosten- und Emissionsabschätzungen integriert. Das Modell koppelt die Auslegung von Rotorwelle, Hauptlagern und Lagergehäusen gemäß der relevanten Normen und ermöglicht eine iterative Optimierung hinsichtlich Leistungsdichte, Herstellungskosten und Herstellungsemissionen.

Anhand der Schwachwindanlage maxcap141 wurde das Modell auf Guss-, Massivschmiede- und LHD-Hohlschmiedewellen angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass hochfeste Werkstoffe und größere Innendurchmesser die Leistungsdichte des RLS signifikant steigern. Besonders LHD-Hohlschmiedewellen erreichen gegenüber konventionellen Gusswellen deutlich höhere Leistungsdichten. Fertigungsbedingte Aufmaße und die Auswahl der Lager beeinflussen dabei maßgeblich Masse, Wirtschaftlichkeit und Optimierungspotenzial des Gesamtsystems. Hinsichtlich der Herstellbarkeit von hohlgeschmiedeter Rotorwellen wurde ein numerisch gestützter Schmiede- und Abkühlprozess für hohlgeschmiedete  Rotorwellen aus LHD-Stahl entwickelt und bewertet. Dazu wurde ein realitätsnahes, thermisch gekoppeltes FEM-Simulationsmodell erstellt, das den Materialfluss, die Prozesskinematik sowie die Temperaturentwicklung während Schmiedung und Abkühlung abbildet. Auf dieser Grundlage konnten fertigungsgerechte Wellen- und  Schmiedegeometrien unter Berücksichtigung industrieller Restriktionen abgeleitet und die Schmiedestrategie iterativ optimiert werden.

Durch eine angepasste Prozessroute mit zusätzlichem Zwischenstauchschritt konnte die Schmiedemasse um 17 % im Vergleich zur Grundauslegung reduziert werden, was die wirtschaftliche und ökologische Effizienz des Prozesses erhöht. Die Simulation der Luftabkühlung zeigte, dass selbst am thermisch kritischsten Punkt der Welle die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit eingehalten wird und eine vollständige martensitische Umwandlung erreicht werden kann. Damit bestätigen die Ergebnisse  die industrielle Umsetzbarkeit des Prozesses sowie die grundsätzliche Eignung des LHD-Stahls für hohlgeschmiedete Rotorwellen.

Die Weiterentwicklung des Legierungskonzeptes erfolgte zunächst mittels numerischer JMatPro-Simulationen. Insbesondere Zugaben von Nickel, sowie eine kombinierte Zugabe von Chrom und Bor erwiesen sich als vielversprechende Ansätze. Die untersuchten Legierungen LHD22 (+0,4 % Ni) und LHD23 (+0,7 % Ni) erreichen Zugfestigkeiten von 1200–1300 MPa bei gleichzeitig guter Kerbschlagzähigkeit. Mit steigendem Nickelgehalt erhöhen sich sowohl Festigkeit als auch Zähigkeit. Die chromreiche Legierung LHD33 weist zwar die höchste Festigkeit (~1370 MPa) auf,  zeigt jedoch eine deutlich geringere Kerbschlagarbeit.  Mikrostrukturell bestehen LHD22 und LHD23 überwiegend aus martensitisch-bainitischem Gefüge mit geringen Restaustenitanteilen. LHD33 zeigt ein nahezu  vollständig martensitisches Gefüge ohne ausgeprägten bainitischen Anteil.  Die industrielle Schmelze weist eine komplexere Mikrostruktur auf, bei der die bainitischen Bereiche stärker vertreten sind und feinkörnige martensitische Phasen mit variabler Verteilung kombiniert auftreten.

Die Untersuchungen verdeutlichen den Einfluss der Abkühlbedingungen: Feinere Mikrostrukturen im unkritischen Bereich mit schneller Abkühlung erhöhen die Festigkeit, während gröbere, stärker angelassene Gefüge im kritischen Bereich (mit geringeren Abkühlgeschwindigkeiten) geringere  Festigkeiten, jedoch höhere Kerbschlagarbeiten aufweisen. Insgesamt zeigt sich, dass eine gezielte Zugabe von Nickel eine effektive Härtbarkeit sowie einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit ermöglicht.

Die abschließende Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsanalyse zeigte, dass die LHD-Hohlschmiederotorwelle gegenüber einer konventionellen Gusswelle eine deutliche Massenreduktion und höhere Leistungsdichte erreicht. Unter aktuellen Randbedingungen ist sie jedoch aufgrund höherer Material- und Schmiedekosten wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig. Die LHD-Hohlschmiedewelle ist gegenüber der Gusswelle konkurrenzfähig; der Wegfall des Vergütungsschritts stellt gegenüber Vergütungsstählen einen ökologischen Vorteil dar. Insgesamt ist das Hohlschmieden  mit LHD-Stahl technologisch konkurrenzfähig, während zukünftige Kosten- und Emissionsvorteile von reduzierten Aufmaßen und Skalierungseffekten abhängen.

Forschungsstellen:

1. Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) der RWTH  Aachen, Intzestraße 1, 52072 Aachen
   Forschungsleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. U. Krupp
    
2. Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen, Intzestraße 10, 52072 Aachen
   Forschungsleiter: Prof. Dr.-Ing. J. Lian
    
3. Chair for Wind Power Drives (CWD) der RWTH Aachen, Campus-Boulevard 61, 52074 Aachen
   Forschungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs

Der Forschungsantrag wurde vorgelegt über:
Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung e.V., Düsseldorf, www.wsm-net.de  für die Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V., Hagen, www.fsv-hagen.de

Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis der Forschungsvereinigung Stahlverformung e.V.

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
Bitte wenden Sie sich an die Geschäftsstelle der Forschungsvereinigung Stahlverformung e.V.