DE102007056763A1

DE102007056763A1 - Lageranordnung für eine Windturbine

Info

Publication number: DE102007056763A1
Application number: DE102007056763A
Authority: DE
Inventors: Giorgos Pechlivanoglou; Jürgen Wagner
Original assignee: SUZLON WINDKRAFT GmbH
Current assignee: Suzlon Energy GmbH
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2008-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere für eine Windturbine, zur Übertragung von Radial- und Axialkräften, wobei zwei Lagerpartner gegeneinander um eine Achse verdrehbar vorgesehen sind. Die Lagerpartner weisen jeweils eine Abstützfläche auf, wobei ein Lagerblock zwischen die Abstützflächen in einer Betätigungsrichtung einschiebbar angeordnet ist, um eine auf die Abstützflächen wirkende Normalkraft zu erzeugen. Der Lagerblock ist drehfest mit einem der Lagerpartner verbunden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lageranordnung anzugeben, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll dabei eine Lageranordnung für ein Azimutlager einer Windturbine angegeben werden, welche eine beanspruchungsgerechte und wartungsfreundliche Konstruktion aufweist. Weiterhin besteht eine optionale Aufgabe der Erfindung darin, dass die Lageranordnung gleichzeitig als aktive Bremse dienen kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem zwischen dem Lagerblock und dem zum Lagerblock verdrehbaren Lagerpartner ein Reibbelag angeordnet ist. Diese Konzeption ermöglicht es erstmals, eine Abstützung eines Lagerrings und eines Lagerkranzes darzustellen, wobei die Einstellung des Lagerspiels einfach erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere für eine Windturbine, zur Übertragung von Radial- und Axialkräften, wobei zwei Lagerpartner gegeneinander um eine Achse verdrehbar vorgesehen sind. Die Lagerpartner weisen jeweils eine Abstützfläche auf, wobei ein Lagerblock zwischen die Abstützflächen einschiebbar angeordnet ist, um eine auf die Abstützflächen wirkende Normalkraft zu erzeugen. Der Lagerblock ist drehfest mit einem der Lagerpartner verbunden. Bei Windturbinen sind derartige Lageranordnungen zwischen dem Turm der Anlage und der Gondel angeordnet und dienen unter anderem zur Aufnahme und Ableitung von Schub-, Kreisel- und Gierkräften aus dem Maschinenträger der Gondel in den Turm. Dabei wird mittels der Lageranordnung, das so genannte Azimutlager, und des Azimutsantriebes die Windnachführung der Gondel ermöglicht. Dabei wird die Gondel in der horizontalen Ebene derart um eine im Wesentlichen vertikale Drehachse gedreht, so dass der Wind senkrecht eine Drehebene des Rotors anströmt, und folglich die Energieausbeute maximiert wird.
Die DE 10 2005 039 434 A1 offenbart eine derartige Lageranordnung für eine Windturbine. Dabei werden diverse Anordnungstypen von Azimutlagern angeführt, wobei eine Ausführungsform die im Oberbegriff des Hauptanspruchs aufgeführten Merkmale aufzeigt. Das Azimutlager umfasst einen Lagerkranz, der fest mit dem Turm verschraubt ist und von einem Lagerring axial umgriffen wird. Der Lagerring ist fest mit der Gondel verbunden und liegt auf dem Lagerkranz auf. Zwischen dem Lagerkranz und dem Lagerring sind Gleitbeläge vorgesehen, mittels welchen das Lagerspiel und eine Vorspannung zwischen den beiden Lagerpartnern einstellbar sind. Dazu ist eine Spindel vorgesehen, über die eine radiale Position des Gleitbelags definierbar ist. Die vorliegende Lageranordnung dient gleichzeitig als passive Bremse zwischen der Gondel und dem Turm, da die Vorspannung zwischen den Lagerpartnern derart hoch gewählt wird, dass die im Betrieb auftretenden Tangentialkräfte nicht zu einem Verdrehen der Gondel führen können. Wird eine Drehung der Gondel erwünscht, so erzeugen Azimutantriebe ein Drehmoment, welches das Haftmoment zwischen den Lagerpartnern überwindet, und sich folglich die Gondel bewegen kann. Dies ist als nachteilig zu bewerten, da die Azimutantriebe derart potent dimensioniert werden müssen, dass diese in der Lage sind, das Haftmoment der Lageranordnung zu überwinden. Weiterhin müssen die Azimutantriebe ein eigenständiges Bremssystem aufweisen, welches dazu dient die Rotationsgeschwindigkeit der Lageranordnung zu beeinflussen. Die Azimutantriebe können auch dazu dienen, ein unerwünschtes Verdrehen der Gondel zu verhindern, falls umweltbedingte hohe Drehmomente – beispielsweise verursacht durch eine Böe – das Haftmoment des passiven Bremssystems zu überwinden drohen. Dabei werden Tangentialkräfte über das Getriebe der Azimutantriebe abgeleitet, wodurch dieses stark belastet wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lageranordnung anzugeben, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll dabei eine Lageranordnung für ein Azimutlager einer Windturbine angegeben werden, welche eine beanspruchungsgerechte und wartungsfreundliche Konstruktion aufweist. Weiterhin besteht eine optionale Aufgabe der Erfindung darin, dass die Lageranordnung gleichzeitig als aktive Bremse dienen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem zwischen dem Lagerblock und dem zum Lagerblock verdrehbaren Lagerpartner ein Reibbelag angeordnet ist. Diese Konzeption ermöglicht es erstmals, eine Abstützung eines Lagerrings und eines Lagerkranz darzustellen, wobei die Einstellung des Lagerspiels aus einfache Art und Weise erfolgt. Weiterhin ist die Lageranordnung mit einem als Bremse oder als Gleitlager fungierenden Lagerblock darstellbar, wobei sowohl die ausschließliche Verwendung als Lager ohne aktive Bremse, als auch die kombinierte, gleichzeitige Verwendung als Lager und als aktive Bremse im Rahmen der Erfindung liegen soll. Die Bremsmittel und die Lagermittel können an derselben Abstützfläche eines Lagerpartners angreifen, wodurch weiterhin der Aufwand, die Komplexität und unter Umständen auch die Bauteilanzahl der Konstruktion reduziert wird.
Indem der Reibbelag drehfest zu einem Lagerpartner verbunden ist, und als Bremsbelag oder Gleitbelag ausführbar ist, lassen sich die Herstellungskosten erheblich senken, da im Wesentlichen ähnliche oder gleiche Bauteile verwendet werden, und eine Differenzierung der Vorrichtungen als aktive Bremse oder als Gleitlager vornehmliche anhand der Ausbildung des Reibbelags vorgenommen wird. Wenn der Reibbelag in Paarung mit dem nicht drehfest verbundenen Lagerpartner einen hohen Reibungskoeffizienten, vornehmlich größer als 0,3, aufweist, so ist dieser als Bremsbelag zu bezeichnen, und wird auch entsprechend verwendet. Dies besagt, dass im ungebremsten Betrieb eine hohe Normalkraft zwischen den Lagerpartnern und dem Bremsbelag zu vermeiden ist. Wird eine aktive Bremsung oder Arretierung der Lageranordnung angestrebt, so wird mittels des Lagerblocks zwischen den Lagerpartnern eine hohe Normalkraft aufgebaut, die im Zusammenwirken mit den Bremsbelägen ein hohes Brems- oder Haltemoment verursacht. Um die erfindungsgemäße Anordnung als Gleitlager zu verwenden, ist der Reibbelag als Gleitbelag mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, vorzugsweise kleiner als 0,09, auszubilden. Dabei wird eine zwischen den Lagerpartnern wirkende Normalkraft bzw. Vorspannungskraft mittels des Lagerblocks für den Betrieb konstant eingestellt, so dass die Lageranordnung spielfrei funktioniert. Da der Reibbelag als Gleitbelag mit einem niedrigen Reibungskoeffizient dargestellt ist, verursacht die Vorspannkraft nur ein geringes Bremsmoment.
Eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung lehrt, den Lagerblock in einer radialen Schnittebene keilförmig auszubilden, wobei der Lagerblock eine erste, dem einen Lagerpartner zugewandte Lagerfläche und eine zweite, dem anderen Lagerpartner zugewandte Lagerfläche aufweist. Die Lagerflächen verlaufen antiparallel zueinander. Diese Antiparallelität der Lagerflächen bewirkt im Zusammenwirken mit den Abstützflächen der Lagerpartner, dass die auf den Lagerblock ausgeübte Betätigungskraft durch Keilwirkung der antiparallelen Flächen verstärkt wird. Die Keilwirkung der Lagerflächen wirkt vorteilhaft auf die Funktionalität der Lageranordnung, wenn der Keilwinkel β, der von den Lagerflächen eingeschlossen ist, in einem Bereich von 3° bis 10° Grad liegt, und vorzugsweise 4° Grad beträgt.
Wird der Reibbelag als Gleitbelag ausgeführt, der an der Lagerfläche des Lagerblocks angeordnet ist, die dem dazu verdrehbaren Lagerpartner zugewandt ist, so verlaufen in einer Ausführungsform der Erfindung die Abstützflächen der Lagerpartner jeweils parallel zu den zugeordneten Lagerflächen am Lagerblock. Somit wird die Flächenpressung verteilungsbedingt gering gehalten.
Eine Weiterentwicklung der Erfindung besagt, dass die Abstützfläche des zum Lagerblock drehfest angeordneten Lagerpartners antiparallel zur Achse verläuft und mit der Achse der Lageranordnung einen Winkel α von 3° bis 10° Grad, insbesondere 4° Grad, einschließt. Auf diese Weise kann ein rein radialer Kraftfluss zwischen den Abstützflächen sichergestellt werden, wenn der Keilwinkel des Lagerblocks gleich dem Neigungswinkel der drehfesten Abstützfläche gegenüber der Achse ist. Dies ist als vorteilhaft anzusehen, da so die Einstellung der Vorspannkräfte und Spiele in Radial- und in Axialrichtung vollständig unabhängig voneinander von Statten gehen kann.
Eine weitere Ausführung offenbart, dass der Reibbelag als Bremsbelag ausgebildet ist. Zudem sind der Bremsbelag und der Lagerblock als eigenständige Bauteile ausgeführt, wobei an einer dem Lagerblocks zugewandten Seite des Bremsbelags eine Belagabstützfläche vorgesehen ist. Diese ist vom Lagerblock beaufschlagbar und verläuft parallel zur zweiten Lagerfläche. Der Lagerblock und der Bremsbelag sind dadurch nicht vollständig miteinander geometrisch verschränkt, weshalb vornehmlich ausschließlich Druckkräfte zwischen dem Bremsbelag und dem Lagerblock formschlüssig übertragbar sind. Umfangskräfte werden so im Sinne einer Teilung des Kraftflusses direkt vom Reibbelag in den damit drehfest verbundenen Lagerpartner abgeleitet, ohne dass wesentliche Anteile der Umfangskraft den Lagerblock beaufschlagen.
Wenn die Abstützfläche des zum Lagerblock drehbar angeordneten Lagerpartners parallel zur Achse verläuft, so kann zwischen den Lagerpartnern kein axialer Kraftfluss in formschlüssiger Weise über die Abstützflächen hergestellt werden. Dies bewirkt vorteilhaft, dass die radiale Vorspannung und das radiale Spiel unabhängig vom axialen Spiel einstellbar sind. Weiterhin bewirkt diese Anordnung, dass beim aktiven Bremsen der Lageranordnung keine unerwünschten axialen Belastungen zwischen den Lagerpartnern vorhanden sind. Dabei kann die Abstützfläche des zum Lagerblock drehfest angeordneten Lagerpartners antiparallel zur Achse verlaufen, und dabei mit der Achse einen Winkel γ von 3° bis 10° Grad, insbesondere 4° Grad, einschließen. Die Keilwirkung ist alternativ erzielbar, indem die Belagabstützfläche antiparallel zur Achse verläuft und mit der Achse einen Winkel δ von 3° bis 10° Grad, insbesondere 4° Grad, einschließt.
Indem mindestens an einer, jedoch vorzugsweise an beiden, der Lagerflächen des Lagerblocks ein Gleitbelag oder Gleitschicht mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten vorgesehen ist, bewirkt dies, dass in vorteilhafter Weise die Keilwirkung genutzt werden kann, ohne dass es durch Haftreibung zu einem Verklemmen des keilförmigen Lagerblocks zwischen den Lagerpartnern kommt. Ein Klemmen tritt dann zu Tage, wenn eine axial rückholende Kraft kleiner ist, als die Summe der Haftreibungen zwischen den Lagerflächen des Lagerblocks und der entsprechenden Abstützflächen. Die Haftreibung zwischen Gleitbelag und der Abstützfläche kann mittels eines günstigen Werkstoffs oder durch eine Beschichtung, zum Beispiel mit Teflon oder mit Kunststoff, reduziert werden. Somit bedingt die beschriebene Ausführung, dass zum einen die Betätigungs- und auch die Lösekräfte der Bremse verhältnismäßig gering ausfallen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verbessert das Funktionsverhalten des Lagerblocks zwischen den Lagerpartnern weiter, indem mindestens zwischen dem Lagerblock und der Belagabstützfläche oder zwischen dem Lagerblock und der Abstützfläche Mittel zum Abrollen einer translatorischen Relativbewegung des Lagerblocks und der Lagerpartner oder des Bremsbelags vorgesehen sind. Diese Mittel zum Abrollen spannen eine Ebene auf, welche die Lagerflächen ersetzt und dabei dieselbe räumliche Ausrichtung wie die Lagerflächen aufweisen. Somit wird die Neigung des Lagerblocks zum Verklemmen abermals verringert, da beim Lösen der Bremse nur noch der Rollwiderstand der Mittel überwunden werden muss.
In einer Ausführung der Erfindung ist eine Einstellvorrichtung vorgesehen, um eine definierte Position des Lagerblocks zwischen den Lagerpartnern einzustellen und um ein Nachstellen zu ermöglichen. Auf diese Weise ist das Spiel zwischen den Lagerpartnern je nach geometrischen Gegebenheiten und Fertigungstoleranzen derart einstellbar, so dass ein optimaler Betrieb des Azimutlagers der Windturbine sichergestellt ist. Hierfür sind beispielsweise Einstellschrauben denkbar.
Eine Weiterentwicklung der Erfindung beinhaltet, dass eine Betätigungsvorrichtung vorgesehen ist, um die axiale Position des Lagerblocks während des Betriebs zu variieren. Somit wird erreicht, dass die zwischen den Lagerpartnern wirksame Normal- bzw. Vorspannkraft oder Spiel je nach Bedarf erhöht oder verringert werden kann, indem der Lagerblock verschoben wird. Die keilförmige Ausprägung des Lagerblocks wandelt im Zusammenwirken mit der entsprechenden Abstützfläche eine axiale Verschiebung unter Kraftverstärkung in eine radiale Verschiebung um. Letztendlich wird somit ein aktives Bremssystem dargestellt.
Weiterhin ist denkbar, dass die automatische Betätigungsvorrichtung einen pneumatischen Muskel umfasst. Günstiger Weise ist aus Sicherheitsgründen die Betätigungsvorrichtung derart ausgeprägt, dass eine Federanordnung den Lagerblock derart unter Vorspannung zwischen die Abstützflächen drückt, wodurch die aktive Bremse geschlossen ist, und die Lageranordnung keine Drehung vollführen kann. Der pneumatische Muskel kann dabei entgegen der Federkraft der Federanordnung wirksam angeordnet sein, wobei der pneumatische Muskel bei Betätigung die Federkraft überwindet, den Lagerblock zwischen den Lagerpartnern herauszieht, und somit die Bremse öffnet.
In einer zusätzlichen Ausführung der Erfindung, umfasst die Lageranordnung mindestens zwei Reibbeläge, wobei ein Reibbelag als Bremsbelag und ein Reibbelag als Gleitbelag ausgebildet ist. Dadurch sind die Lagerung und eine Vorrichtung zum Bremsen oder Feststellen gleichzeitig in einer Lageranordnung integriert. Die Bremsvorrichtung und das Gleitlager kann an der gleichen Abstützfläche eines Lagerpartners gleichzeitig angreifen, wodurch weiterhin der Aufwand, die Komplexität und unter Umständen auch die Bauteilanzahl der Konstruktion reduziert wird.
Eine weitere Detailausprägung der Erfindung – nicht in den Figuren dargestellt, da die verbale Beschreibung für ausreichend gehalten wird – reduziert die Herstellkosten der Lageranordnung erheblich, indem in einem Lagerpartner eine Aufnahme für den Lagerblock mit Betätigungsvorrichtung und eine Aufnahme für den Lagerblock mit Einstellvorrichtung vorgesehen sind, wobei die Aufnahmen im Wesentlichen gleich ausgeführt sind. Im Speziellen ist hier von Bohrungen in dem Lagerring die Rede, welche sowohl die automatische Betätigungsvorrichtung als auch die Einstellvorrichtung gleichermaßen aufnehmen kann. Somit sind diese Aufnahmen in einem Herstellungsvorgang mit dem gleichen Werkzeug einbringbar, wodurch der zeitliche und Werkzeugaufwand verringert wird.
Eine alternative Ausführung lehrt, dass die Bremsvorrichtung mit dem entsprechenden Lagerblock und der als Radiallager wirkende Lagerblock nicht an der gleichen Abstützfläche eines Lagerpartners, insbesondere des Drehkranzes, angreift.
Somit weist der als Drehkranz ausgebildete Lagerpartner zwei Lagerflächen auf, wobei eine durch die Bremsvorrichtung, und eine durch das Radiallager beaufschlagbar ist. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn an beiden Vorrichtungen unterschiedliche Schmiermittel zum Einsatz kommen sollen, und beide sich nicht beeinflussen sollen.
Vorteilhafter Weise können die obig beschriebenen Ausführungsformen von Lageranordnungen in Windturbinen verwendet, welche eine um die Achse auf einem Turm drehbar gelagerte Gondel aufweisen. Zwischen dem Turm und der Gondel ist diese Lageranordnung teilweise oder vollständig gemäß den oben beschrieben verschiedenen Ausführungsformen angeordnet. Denn dabei offenbaren sich die enormen Vorteile der Lageranordnung besonders deutlich, da bei solchen Windturbinen extrem hohe Kräfte und Momente wirken. Es besteht der offene Zielkonflikt, zum einen eine leichgängige möglichst schwingungsfreie Lagerung darzustellen, die zum anderen durch Bremsvorrichtungen und einstellbare Lagerblöcke kontrollierbar sein muss.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll auch ein Verfahren zum Betrieb einer Windturbine gemäß den voran beschriebenen Ausführungen offenbart werden. Dazu erfasst eine Steuervorrichtung der Windturbine einen IST-Wert der horizontalen Ausrichtung der Gondel, und vergleicht diesen mit einem SOLL-Wert. Wenn der IST-Wert um mehr als einen bestimmten Betrag vom SOLL-Wert abweicht, so werden folgende Schritte ausgeführt:

– Verschieben des Lagerblocks mittels Aktivierung der Betätigungsvorrichtung um einen vorgegebenen Wert,
– Nachführen der Gondel durch Aktivieren eines Azimutantriebs,
– Vergleichen des IST-Wert mit dem SOLL-Wert, und
– Einschieben des Lagerblocks zwischen die Lagerpartner mittels Deaktivieren der Betätigungsvorrichtung, wenn die Abweichung des IST-Wert von dem SOLL-Wert einen gewissen Betrag erreicht.

Die aufgeführten Schritte des Verfahrens sind nicht abschließend zu interpretieren. Vielmehr können sinnvolle zusätzliche Verfahrensmerkmale das erfindungsgemäße Verfahren noch erweitern und verbessern.
Weiter Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine perspektivische Sicht auf eine Unterseite einer ersten Ausführungsform einer Lageranordnung,
2 eine Detailansicht auf eine Oberseite der Lageranordnung gemäß 1,
3 eine axiale Sicht auf die Unterseite der Lageranordnung gemäß 1,
4 einen Schnitt durch die Lageranordnung entlang der Linie A-A gemäß 3,
5 einen Schnitt durch die Lageranordnung entlang der Linie B-B gemäß 3,
6 eine Explosionszeichnung des Bremsbelags aus 5,
7 den Abstandshalter mit Verdrehsicherung aus 5,
8 eine perspektivische Ansicht auf die Verschlussplatte und den Distanzring der der Lageranordnung gemäß 1, und
9 die wesentlichen Bauteile einer alternative Ausführungsform einer Lageranordnung
1 führt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 an. Derartige Lageranordnungen 1 werden in Windturbinen als sogenannte Azimutlager zwischen der Gondel und dem Turm verbaut, wobei die Gondel ein Maschinenhaus und einen Rotor umfasst. In dem Maschinenhaus ist ein Triebstrang auf einem Maschinenträger montiert vorgesehen ist. Der Triebstrang weist dabei – je nach Bauform – im Wesentlichen eine Rotorwelle, ein Rotorlager und einen damit verbundenen Generator auf. Meist ist der Generator über ein Getriebe mit der Rotorwelle verbunden, die von einer Bremse beaufschlagbar ist. Exemplarisch sei in diesem Zusammenhang auf die EP 1 291 521 A1 verwiesen, in der eine Windturbine wie beschrieben offenbart wird, so dass im Kontext dieser Anmeldung keine eigene Darstellung einer Windturbine erforderlich ist. Die die Erfindung kann auch in anderen Bauformen von Windturbinen verwendet werden.
Das Azimutlager ermöglicht die horizontale Ausrichtung der Gondel gemäß der Windrichtung, die sogenannte Windrichtungsnachführung der Windturbine. Zur selbsttätigen Ausrichtung der Gondel sind an dem Azimutlager ein oder mehrere Azimutantriebe vorgesehen, die drehfest mit dem Maschinenträger der Gondel verbunden sind. Dabei müssen die Azimutlager die auftretenden Lagerkräfte, wie Schub-, Kreisel- und Gierkräfte, aus dem Maschinenträger der Gondel in den Turm einleiten. Bei der Windrichtungsnachführung – auch als „Gieren" bezeichnet – wird die Gondel um eine vertikale Drehachse 2 in der horizontalen Ebene gedreht, um den Rotor senkrecht in den Wind zu drehen und folglich die Energieausbeute zu maximieren.
In 1 wird eine Lageranordnung 1 in perspektivischer Ansicht von schräg unten angeführt. Dabei ist ein Lagerpartner 5, der als Drehkranz 5 ausgebildet ist, über Bohrungen 7 mit einem nicht dargestellten Turm fest verbindbar. Der andere Lagerpartner 8 der Lageranordnung 1 ist als ein um die Achse 2 drehbarer Lagerring 8 ausgeprägt, der den Drehkranz 5 axial umgreift und somit in einer Axialrichtung 3 und in einer Radialrichtung 4 mit dem Drehkranz 5 geometrisch verschränkt ist. An dem Drehkranz 5 ist eine Außenverzahnung 6 vorgesehen, in welche nicht dargestellte Azimutantriebe eingreifen können. Es sei angemerkt, dass die Erfindung auch Lageranordnungen umfasst, die einen Drehkranz mit einer Innenverzahnung aufweisen, oder wobei die Lagerpartner in alternativer Weise oder vertauscht ausgeprägt sind, also einen drehbaren Drehkranz und einen drehfesten Lagering aufweisen. Im Folgenden wird anstatt der Lagerpartner 5, 8 nurmehr von dem Drehkranz 5 und dem Lagerring 8 gesprochen.
In Verbindung mit den 2 und 4 wird der Detailaufbau der Lageranordnung 1 deutlich. Der Lagerring 8 besteht unter anderem aus einem Ringflansch 9, der als separates Bauteil oder einstückig mit dem Maschinenträger der Gondel ausgeführt sein kann. In dem Ringflansch 9 sind vorspannbare, obere Gleitvorrichtungen 12 formschlüssig angeordnet, über welche der Ringflansch 9, und somit die gesamte Gondel der Windturbine, in montiertem Zustand auf dem Drehkranz 5 in Axialrichtung 3 aufliegt. Die axiale Verschränkung des Lagerrings 8 erfolgt mit einer Vielzahl von Verschlussplatten 11, die ringförmig über einen Distanzring 10 (7) mit dem Ringflansch 9 verbunden sind. Ringflansch 9, Distanzring 10 und Verschlussplatten 11 werden durch Schrauben 13 miteinander verschraubt, wodurch sich eine den Drehkranz 5 umgreifende, U-förmige Kontur des Lagerrings 8 ergibt. Die spielfreie, vollständige Fixierung des Lagerrings 8 in Axialrichtung 3 an dem Drehkranz 5 wird durch die Verwendung von weiteren, unteren Gleitvorrichtungen 24 sichergestellt, die fest mit den Verschlussplatten 11 verbunden sind.
Anhand des in 4 gezeigten Schnitts entlang der Linie A-A aus 3 soll im Folgenden der Aufbau der Gleitvorrichtungen 12, 24 beschrieben werden. Die obere, vorspannbare Gleitvorrichtung 12 umfasst ein zylinderförmiges Gehäuse 15, dass an einer Seite mit einem Stopfen 16 formschlüssig verschlossen ist. In diesem Stopfen 16 ist eine Einstellschraube 17 mit Kontermutter axial eingeschraubt, wobei der Schaft der Einstellschraube 17 über eine Federaufnahme 18 Tellerfedern 19 beaufschlagt. Die Tellerfedern 19 erzeugen eine Vorspannkraft, die auf eine Trägerplatte 20 eines Gleitbelags 21 wirkt. Durch die Gleitvorrichtung 12 führt eine Schmierbohrung 22, welche über einen Schmiernippel 23 mit einer nicht dargestellten Schmiermittelversorgung verbindbar ist. Die untere Gleitvorrichtung 24 weist einen ähnlichen Aufbau wie die obere Gleitvorrichtung 12 auf, jedoch ist diese wegen der fehlenden Federn kaum vorspannbar. Eine Einstellschraube 25 ist in einem Gewinde in einem Stopfen 26 geführt, der direkt in der Verschlussplatte 11 vorgesehen ist, und direkt eine Trägerplatte 27 eines Gleitbelags 28 belastet. So kann das axiale Spiel und die axiale Vorspannung der Lageranordnung 1 nach Bedarf über den Umfang angepasst eingestellt werden, so dass ein definierter Lagersitz bei ausreichender Leichtgängigkeit realisierbar ist. In 2 ist die Anordnung der oberen vorspannbaren Gleitvorrichtungen 12 in einer Ansicht von oben auf den Ringflansch 9 gezeigt, 1 und 3 verdeutlicht die Anordnung der unteren Gleitvorrichtungen 24.
Die Abstützung des Lagerrings 8 am Drehkranz 5 in Radialrichtung 4 soll im Folgenden unter Zuhilfenahme von 4 erfolgen. Die radiale Führung wird im Wesentlichen von einer axial verlaufenden Abstützfläche 29 an der radialen Innenseite des Drehkranzes 5 und von einer Abstützfläche 30 an der radialen Außenseite des Distanzrings 10 gebildet. Zwischen den Abstützflächen 29, 30 ist ein Lagerblock 31 vorgesehen, welcher in Axialrichtung 3 zwischen den Drehkranz 5 und den Lagerring 8 einschiebbar ist. Der Lagerblock 31 ist drehfest mit dem Distanzstück 10 verbunden, wozu das Distanzstück 10 am Umfang mit radial vorstehenden Nasen 36 ausgestattet ist, welche die auf den Lagerblock 31 wirkenden Umfangskräfte aufnehmen (7). Der Lagerblock 31 weist zwei Lagerflächen 32, 33 auf, die jeweils einer Abstützfläche 29, 30 zugewandt sind und zu selbigen parallel verlaufen. Die Abstützfläche 29 des Drehkranzes 5 und die entsprechende Lagerfläche 32 am Lagerblock 31 sind parallel zur Achse 2 ausgebildet, wodurch über diese ausschließlich Radialkräfte formschlüssig übertragen werden können. Die Abstützfläche 30 an dem Distanzring 10 ist gegenüber der Achse 2 leicht schräg verlaufend ausgeprägt, und schließt mit dieser in einer Ebene, die von der Achse 2 und der Radialrichtung 4 aufgespannt ist, einen kleinen Winkel α ein. Die Lagerfläche 33 am Lagerblock 31 verläuft parallel zu der geneigten Abstützfläche 30. Somit weist der Lagerblock 31 eine keilförmige Kontur auf, welche im Zusammenspiel mit den Abstützflächen 29, 30 der Lagerpartner 5, 8 ein auf Keilwirkung basiertes Übersetzungsgetriebe bildet, wobei über die axiale Position des Lagerblocks 31 unter Kraftverstärkung das radiale Spiel und die Vorspannung zwischen dem Drehkranz 5 und dem Distanzring 8 einstellbar ist. Dazu ist eine Einstellvorrichtung 37 in der Verschlussplatte 11 vorgesehen, wobei eine Einstellschraube 38 den Lagerblock 31 beaufschlagt und dadurch die axiale Position des Lagerblocks 31 bestimmt. Die Lagerflächen 32, 33 des Lagerblocks 31 sind mit je einem Gleitbelag 34, 35 versehen, der in Reibpaarung mit den Abstützflächen 29, 30 vorzugsweise einen niedrigen Reibungskoeffizienten von etwa 0,09 aufweist. Somit wird bei der Montage der Gondel auf dem Turm mit den Einstellvorrichtungen 37 das radiale Spiel und die Vorspannung eingestellt, und unabhängig davon, mit den Gleitvorrichtungen 12, 24 das axiale Spiel und die axiale Vorspannung eingestellt. So kann die Gondel im Betrieb keine unerwünschten Bewegungen vollführen und verursacht dabei keine übermäßige Reibung, so dass ein Gieren der Gondel mit klein dimensionierten und günstigen Azimutantrieben umsetzbar ist. Die Gleitbeläge 34, 35 sind beispielsweise aus einem Kunststoff im Spritzgussverfahren auf den Lagerblock 31 aufgebracht und bilden darauf die Lagerflächen 32, 33 aus. Denkbar ist es auch, dabei selbst schmierende Werkstoffe zu verwenden, die gegebenenfalls formschlüssig mit dem Lagerblock 31 verbindbar sind.
In 5 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B aus 2 dargestellt. Dabei wird der Aufbau des aktiven Bremssystems 39 der Lageranordnung 1 verdeutlicht. Analog zu der beschriebenen Radiallagerung ist zwischen dem Distanzring 10 und dem Drehkranz 5 ein keilförmiger Lagerblock 41 in Axialrichtung 3 verschiebbar vorgesehen. Dieser Lagerblock 41 übt über zwei Lagerflächen 42, 43 eine Radialkraft auf die Abstützfläche 29 des Drehkranzes 5 und auf die Abstützfläche 44 des Distanzrings 10 aus, wenn der Lagerblock 41 zwischen diese gepresst wird. Der Keilwinkel β ist gleich dem Winkel γ, den die Abstützfläche 44 des Distanzrings 10 mit der Achse 2 einschließt.
Zwischen dem Lagerblock 41 und der Abstützfläche 29 des Drehkranzes 5 ist ein Bremsbelag 45 angeordnet, der eine Belagabstützfläche 40 aufweist und von dem Lagerblock 41 beaufschlagt werden kann. Dieser Bremsbelag 45 ist in 6 mit dem Lagerblock 41 einzeln dargestellt, wobei die funktionsrelevanten Elemente zu erkennen sind. Bremsbelag 45 und Lagerblock 41 sind an den Nasen 36 des Distanzrings 10 gegen Verdrehen gesichert. Beide Lagerflächen 42, 43 des Lagerblocks 41 sind mit Gleitbelägen oder -beschichtungen 46, 47 versehen. Der Bremsbelag 45 umfasst eine die Reibmasse 48 tragende Rückenplatte 49. Möglich ist auch, dass ein Gleitbelag 46 von der Rückplatte 49 des Bremsbelags 45 aufgenommen ist. Die Verschlussplatte 10 nimmt die Betätigungsvorrichtung 50 auf, mittels derer die axiale Position des Lagerblocks 41 automatisch variierbar ist. Die Betätigungsvorrichtung 50 umfasst ein Tragrohr 52, an dessen Ende 53 ein pneumatische Muskel 54 fest angeordnet ist. Weiterhin ist der pneumatische Muskel 54 über ein Verbindungsstück 55 mit dem Lagerblock 41 verbunden. In dem Tragrohr 52 sind Tellerfedern 56 angeordnet, welche den Lagerblock 41 über das Verbindungsstück 55 zwischen den Lagerring 8 und den Drehkranz 5 bzw. den Bremsbelag 45 pressen. Durch diese „Fait-Safe"-Konstruktion verursacht der Lagerblock 41 durch die Keilwirkung permanent eine Normalkraft zwischen dem Drehkranz 5 und den Lagerring 8 bzw. dem Bremsbelag 45, wodurch die Bremse geschlossen ist. Wird der pneumatischer Muskel 54 mit Druckluft beaufschlagt, so bläht sich der Schlauchkörper 57 aus, verkürzt somit den Muskel 54 und zieht entgegen der Federkraft der Tellerfedern 56 den Lagerblock 41 heraus. Damit ist die Bremse geöffnet.
In 8 ist ein perspektivischer Ausschnitt auf eine Verschlussplatte 11 und den Distanzring 10 der Lageranordnung 1 ohne Drehkranz 5 angeführt. Daran ist die Anordnung der als Radiallager dienenden Lagerblöcke 31 mit Gleitbelägen 34, 35 und der als aktive Bremse fungierenden Lagerblöcke 41 mit Bremsbelag 45 verdeutlicht. Die Lagerblöcke 31, 41 werden durch die Nasen 36 des Distanzrings 10 in Umfangsrichtung abgestützt.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung wird in 9 verdeutlicht, wobei der als Bremse dienende Lagerblock 61 mit Mittel zum Abrollen 57 versehen ist, über die Belagabstützfläche 58 des Bremsbelag 59 und die Abstützfläche 60 des Distanzrings 10 beaufschlagbar sind. Dabei können Rollen 63 zum Einsatz kommen, die eine Ebene aufspannen. Diese Ebenen fungieren als Lagerflächen und weisen dieselbe räumliche Ausrichtung wie die Lagerflächen 42, 43 aus 5 auf. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein Verklemmen des Lagerblocks 61 zwischen dem Bremsbelag 59 und dem Distanzring 64 im Wesentlichen ausgeschlossen wird, da keine Haftreibung vorliegt und der Lagerblock 61 auf Grund der Keilwirkung bestrebt ist, sich zwischen dem Drehkranz 5 und dem Distanzring 64 herauszubewegen. In diesem Ausführungsbeispiel verläuft die Abstützfläche 60 des Distanzrings 64 parallel zur Achse 2, und die Belagabstützfläche 58 an der Rückenplatte 62 des Bremsbelags 59 ist gegenüber der Achse 2 mit dem Winkel 6 geneigt. Somit wird im Gegensatz zur Ausführung aus 5 eine axiale Kraftkomponente der Betätigungskraft auf den Bremsbelag 59 übertragen, welche von dem Ringflansch 9 aufgenommen wird.
Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar. Zudem sind die Lagerpartner nicht zwingend als rotationssymmetrische Ringe auszuführen, insbesondere kann die U-förmige Ausprägung der Lagerpartner auch nur teilweise über gewisse Winkelabschnitte bzw. Kreissegmente der Lageranordnung reichen.

1: Lageranordnung
2: Achse
3: Axialrichtung
4: Radialrichtung
5: Drehkranz
6: Außenverzahnung
7: Bohrung
8: Lagerring
9: Ringflansch
10: Distanzring
11: Verschlussplatte
12: Gleitvorrichtungen
13: Schraube
15: Gehäuse
16: Stopfen
17: Einstellschraube
18: Federaufnahme
19: Tellerfeder
20: Trägerplatte
21: Gleitbelag
22: Schmierbohrung
23: Schmiernippel
24: Gleitvorrichtung
25: Einstellschraube
26: Stopfen
27: Trägerplatte
28: Gleitbelag
29: Abstützfläche
30: Abstützfläche
31: Lagerblock
32: Lagerfläche
33: Lagerfläche
34: Gleitbelag
35: Gleitbelag
36: Nase
37: Einstellvorrichtung
38: Einstellschraube
39: Bremssystem
40: Belagabstützfläche
41: Lagerblock
42: Lagerfläche
43: Lagerfläche
44: Abstützfläche
45: Bremsbelag
46: Gleitbelag
47: Gleitbelag
48: Reibmasse
49: Rückenplatte
50: Betätigungsvorrichtung
51: Schlauchkörper
52: Tragrohr
53: Ende
54: pneumatischen Muskel
55: Verbindungsstück
56: Tellerfeder
57: Mittel zum Abrollen
58: Belagabstützfläche
59: Bremsbelag
60: Abstützfläche
61: Lagerblock
62: Rückenplatte
63: Rolle
64: Distanzring
α: Winkel
β: Keilwinkel
γ: Winkel
δ: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005039434 A1 [0002]
- EP 1291521 A1 [0034]

Claims

Lageranordnung zur Übertragung von Radial- und Axialkräften, – mit zwei gegeneinander um eine Achse (2) verdrehbaren Lagerpartnern (5, 8), – die jeweils eine Abstützfläche (29, 30; 44; 60) aufweisen, – wobei ein Lagerblock (31, 41; 61), zur Erzeugung einer auf die Abstützflächen (29, 30, 44; 60) wirkenden Normalkraft, zwischen die Abstützflächen (29, 30, 44; 60) einschiebbar angeordnet ist, – und der Lagerblock (31, 41; 61) drehfest mit einem der Lagerpartner (5, 8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagerblock (31, 41; 61) und dem zum Lagerblock (31, 41; 61) verdrehbaren Lagerpartner (5, 8) ein Reibbelag (34, 45, 46; 59) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (34, 45; 59) drehfest zu dem Lagerpartner (8) angeordnet ist, und dabei als Bremsbelag (45; 59) oder Gleitbelag (34) ausgeführt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerblock (31, 41; 61) in einer radialen Schnittebene keilförmig ausgebildet ist, eine erste, dem Lagerpartner (5) zugewandte Lagerfläche (32; 42) und eine zweite, dem Lagerpartner (8) zugewandte Lagerfläche (33; 43) aufweist, wobei die Lagerflächen (32, 33; 42, 43) antiparallel zueinander verlaufen.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (34) als Gleitbelag (34) ausgebildet ist, wobei die Abstützflächen (29, 30) jeweils parallel zu den zugeordneten Lagerflächen (32, 33) verlaufen.
Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (30, 44) des zum Lagerblock (31, 41) drehfest angeordneten Lagerpartners (8) antiparallel zur Achse (2) verläuft und mit der Achse (2) einen Winkel (α) von 3° bis 10° Grad, insbesondere 4° Grad, einschließt.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (45; 59) als Bremsbelag (45; 59) ausgebildet ist, wobei der Bremsbelag (45; 59) und der Lagerblock (41; 61) als eigenständige Bauteile ausgeführt sind, und dass an einer dem Lagerblock (41; 61) zugewandten Seite des Bremsbelags (45; 59) eine Belagabstützfläche (40; 58) vorgesehen ist, die vom Lagerblock (41; 61) beaufschlagbar ist und parallel zur ersten Lagerfläche (32) verläuft.
Lageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (29) des zum Lagerblock (31; 41) drehbar angeordneten Lagerpartners (5) parallel zur Achse (2) verläuft.
Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (30; 44) des zum Lagerblock (31; 41) drehfest angeordneten Lagerpartners (8) antiparallel zur Achse (2) verläuft und mit der Achse (2) einen Winkel (α; γ) von 3° bis 10° Grad, insbesondere 4° Grad, einschließt.
Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Belagabstützfläche (58) antiparallel zur Achse (2) verläuft und mit der Achse (2) einen Winkel (δ) von 3° bis 10° Grad, insbesondere 4° Grad, einschließt.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an einer der Lagerflächen (42; 43) des Lagerblocks (41) ein Gleitbelag (46; 47) vorgesehen ist.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwischen dem Lagerblock (61) und der Belagabstützfläche (58) oder zwischen dem Lagerblock (61) und der Abstützfläche (60) Mittel zum Abrollen (57) einer translatorischen Relativbewegung des Lagerblocks (61) und der Lagerpartner (5, 8) oder des Bremsbelags (59) vorgesehen sind, wobei die Mittel zum Abrollen (57) Ebenen aufspannen, welche die Lagerflächen (42, 43) ersetzen und dieselbe räumliche Ausrichtung wie die Lagerflächen (42, 43) aufweisen.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellvorrichtung (37) vorgesehen ist, um eine definierte Position des Lagerblocks (31, 41) zwischen den Lagerpartnern (5, 8) einzustellen und um ein Nachstellen zu ermöglichen.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigungsvorrichtung (50) vorgesehen ist, um die Position des Lagerblocks (31, 41) während des Betriebs automatisch zu variieren.
Lageranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (50) einen pneumatischen Muskel (54) umfasst.
Lageranordnung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Reibbeläge (34, 45; 59) vorgesehen sind, wobei ein Reibbelag (45; 59) als Bremsbelag (45; 59) und ein Reibbelag (34) als Gleitbelag (34) ausgebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lagerpartner (8) eine Aufnahme für den Lagerblock (41; 61) mit Betätigungsvorrichtung (50) und eine Aufnahme für den Lagerblock (31) mit Einstellvorrichtung (37) vorgesehen sind, wobei die Aufnahmen im Wesentlichen gleich ausgeführt sind.
Windturbine mit einer um die Achse auf einem Turm drehbar gelagerte Gondel, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Turm und der Gondel eine Lageranordnung (1) nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Windturbine nach Anspruch 17, wobei eine Steuervorrichtung einen IST-Wert und einen SOLL-Wert der horizontale Ausrichtung der Gondel ermittelt, und wobei bei einer Abweichung des IST-Werts von dem SOLL-Wert um mehr als einen bestimmten Betrag die Schritte, – Verschieben des Lagerblocks (41; 61) mittels Aktivierung der Betätigungsvorrichtung (50) um einen vorgegebenen Wert, – Aktivieren eines Azimutantriebs, – Vergleichen des IST-Wert mit dem SOLL-Wert, und – Einschieben des Lagerblocks (41; 61) zwischen die Lagerpartner (5, 8) mittels Deaktivieren der Betätigungsvorrichtung (50), wenn die Abweichung des IST-Wert von dem SOLL-Wert eine zweiten Wert erreicht, durchgeführt werden.