DE102010010639A1

DE102010010639A1 - Drehverbindung eines Rotorblattes mit der Rotornabe einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102010010639A1
Application number: DE102010010639A
Authority: DE
Inventors: Uwe Iffland
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-15
Also published as: BR112012022295A2; EP2545273A2; CN103403345A; US20130039768A1; WO2011110453A2; WO2011110453A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehverbindung eines Rotorblattes (2) mit der Rotornabe (3) einer Windkraftanlage, mit einer als ein Großwälzlager (4) mit einem Lagerinnenring (5) und einem Lageraußenring (6) ausgebildeten Drehlagerung, deren einer Lagerring (5) mit der Blattwurzel (8) des Rotorblattes (2) und deren anderer Lagerring (6) mit der Rotornabe (3) verbunden ist, und mit einer als ein Zahnradgetriebe mit einem segmentweise ausgeführten Zahnkranz (15) und einem mit der Triebwelle eines Stellmotors verbundenen Ritzel ausgebildeten Blattwinkelverstellung, deren Zahnkranz (15) an dem einen Lagerring (5) angeordnet und deren Stellmotor an dem mit dem anderen Lagerring (6) verbundenen Bauteil (3) befestigt ist. Zur Verringerung des Fertigungsaufwands und zur Verbesserung der Servicefreundlichkeit der Drehverbindung ist vorgesehen, dass der Zahnkranz (15) Bestandteil eines separaten Ringsegmentbauteils (18) ist, das mit dem zugeordneten Lagerring (5) und/oder mit dem mit dem Lagerring (5) verbundenen Bauteil (2) verbunden ist, und dessen Umfangsabmessung weitgehend dem Winkelbereich (17) der Verzahnung (16) entspricht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Drehverbindung eines Rotorblattes mit der Rotornabe einer Windkraftanlage, mit einer als ein Großwälzlager mit einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring ausgebildeten Drehlagerung, deren einer Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblattes und deren anderer Lagerring mit der Rotornabe verbunden ist, und mit einer als ein Zahnradgetriebe mit einem segmentweise ausgeführten Zahnkranz und einem mit der Triebwelle eines Stellmotors verbundenen Ritzel ausgebildeten Blattwinkelverstellung, deren Zahnkranz an dem einen Lagerring angeordnet und deren Stellmotor an dem mit dem anderen Lagerring verbundenen Bauteil befestigt ist.
Hintergrund der Erfindung
Windkraftanlagen mit einer horizontalen Rotorachse weisen üblicherweise eine Gondel auf, die über ein Azimut-Drehlager drehbar auf einem über ein Fundament im Erdboden verankerten Turm befestigt ist. In der Gondel ist eine Rotorwelle drehbar gelagert, die eingangsseitig mit einer außerhalb der Gondel angeordneten und zumeist drei Rotorblätter tragenden Rotornabe und ausgangsseitig über ein Getriebe oder unmittelbar mit einem innerhalb der Gondel angeordneten elektrischen Generator verbunden ist. Zur Regelung der Rotordrehzahl und zum Abstellen der Windkraftanlage, welches bei starkem Wind als Überlastungsschutz und für die Durchführung von Wartungs- und Reparaturarbeiten vorgenommen wird, sind die Rotorblätter um ihre Längsachse drehbar in der Rotornabe gelagert. Durch eine Drehung der Rotorblätter um ihre Längsachse in ihre Segelstellung wird der Rotor weitgehend drehmomentfrei und unter der Wirkung von Widerstandsmomenten selbsttätig oder unter Nutzung einer Bremseinrichtung bis zum Stillstand abgebremst. Zur Drehlagerung der Rotorblätter an der Rotornabe kommen Großwälzlager, wie z. B. zweireihige Rillenkugellager zur Anwendung, die jeweils einen Lagerinnenring, einen Lageraußenring und mehrere umfangsseitig verteilt zwischen den Lagerringen angeordnete Wälzkörper aufweisen. Einer der beiden Lagerringe ist über eine Verschraubung mit der Blattwurzel des Rotorblattes und der andere Lagerring entsprechend mit der Rotornabe verbunden.
Zur Blattwinkelverstellung, d. h. zur Drehung der Rotorblätter in dem jeweiligen Drehlager um ihre Längsachse, können kombinierte oder individuell wirksame Stelleinrichtungen, z. B. in Form von Gestängevorrichtungen zur Anwendung kommen. Vorliegend wird jedoch von einer besonders Platz sparenden und kostengünstigen individuellen Blattwinkelverstellung ausgegangen, die für jedes Rotorblatt ein Zahnradgetriebe mit einem segmentweise, d. h. nur über einen begrenzten Umfangsbereich, ausgeführten Zahnkranz und einem mit der Triebwelle eines vorzugsweise als Elektromotor ausgebildeten Stellmotors verbundenen Ritzel vorsieht. Der Zahnkranz ist jeweils an dem einen Lagerring angeordnet, und der Stellmotor jeweils an dem mit dem anderen Lagerring verbundenem Bauteil, d. h. der Rotornabe oder dem Rotorblatt, befestigt.
Bislang ist es bei derartigen Blattwinkelverstellvorrichtungen üblich, dass die Verzahnung des Zahnkranzes durch Fräsen in den entsprechend groß dimensionierten Lagerring eingearbeitet ist und über den gesamten Umfang verläuft, obwohl der praktisch nutzbare Schwenkbereich nur auf etwa 90° beschränkt ist. Hierdurch ist eine weitgehend automatisierte und somit kostengünstige Herstellung der Verzahnung möglich. Ebenfalls fallen dadurch die durch eine Oberflächenhärtung der Zahnflanken hervorgerufenen Verformungen des Lagerrings insgesamt niedrig und rotationssymmetrisch aus, so dass sich die erforderliche mechanische Nachbearbeitung, z. B. durch Richten und Feinschleifen, in Grenzen hält.
Eine gattungsgemäße Drehverbindung eines Rotorblattes mit der Rotornabe einer Windkraftanlage ist in der DE 196 34 059 C1 beschrieben. Bei dieser bekannten Drehverbindung ist die Drehlagerung als ein Großwälzlager ausgebildet, deren Lageraußenring mit der Blattwurzel des Rotorblattes und deren Lagerinnenring mit der Rotornabe verschraubt ist. Die Blattwinkelverstellung ist als ein Zahnradgetriebe mit einem innen verzahnten Zahnkranz und einem mit der Triebwelle eines Stellmotors verbundenen Ritzel ausgebildet, wobei die Verzahnung des Zahnkranzes über den gesamten Umfang in den Lagerinnenring eingearbeitet ist, und der Stellmotor innerhalb der Blattwurzel des Rotorblattes angeordnet sowie an einem Lagerflansch der Blattwurzel verschraubt ist.
Eine weitere derartige Drehverbindung eines Rotorblattes mit der Rotornabe einer Windkraftanlage ist aus der WO 1999/023 384 A1 bekannt. Bei dieser Drehverbindung ist die Drehlagerung bei allen Ausführungsvarianten als ein Großwälzlager ausgebildet, deren Lagerinnenring mit der Blattwurzel des Rotorblattes und deren Lageraußenring mit der Rotornabe verschraubt ist. Die Blattwinkelverstellung der Ausführungsvarianten gemäß den dortigen 2 und 3 ist als ein Zahnradgetriebe mit einem innen verzahnten Zahnkranz und einem mit der Triebwelle eines Stellmotors verbundenen Ritzel ausgebildet, wobei die Verzahnung des Zahnkranzes über den gesamten Umfang in den Lagerinnenring eingearbeitet ist, und der Stellmotor innerhalb der Rotornabe angeordnet sowie an einem nabenfesten Lagerflansch verschraubt ist.
Nachteilig an vollständig verzahnten Lagerringen ist jedoch das unnötig hohe Gewicht durch die nicht benötigten Verzahnungsabschnitte. Zudem ist bei einer beschädigten Verzahnung des Zahnkranzes der Austausch des gesamten Wälzlagers erforderlich, der aufgrund der hierzu nötigen Demontage des betreffenden Rotorblattes extrem aufwendig ist. In der DE 196 34 059 C1 wird jedoch in dem dortigen Anspruch 4 vorgeschlagen, dass die entsprechende Innenverzahnung auch als ein Zahnteilringsegment ausgeführt sein kann. Da der betreffenden Druckschrift weitere Informationen zur Ausbildung und Anordnung des Zahnteilringsegmentes nicht zu entnehmen sind, muss davon ausgegangen werden, dass die segmentweise Innenverzahnung wie die in der dortigen 1 abgebildete Vollverzahnung ein Bestandteil des Lagerinnenrings ist bzw. in diesen eingearbeitet ist. Eine nur über einen begrenzten Umfangsbereich in einen Lagerring eingearbeitete Verzahnung führt jedoch aufgrund der erforderlichen Wärmebehandlung beim Härten der Zahnflanken zu einem erhöhten und zudem asymmetrischen Verzug des Lagerringes, was einen erhöhten Aufwand bei der mechanischen Nachbearbeitung, z. B. durch Richten und Feinschleifen, erfordert. Zudem ist bei einer beschädigten Verzahnung des segmentweise ausgeführten Zahnkranzes wie bei einer vollständig verzahnten Ausführung auch der Austausch des gesamten Wälzlagers erforderlich.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehverbindung eines Rotorblattes mit der Rotornabe einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welche die Verwendung eines segmentweise ausgeführten Zahnkranzes mit einem geringeren Fertigungsaufwand und einer höheren Servicefreundlichkeit ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der segmentweise ausgeführte Zahnkranz nicht zwangsläufig ein Bestandteil eines der beiden Lagerringe des Großwälzlagers sein muss, sondern in geeigneter Weise zunächst als separates Bauteil hergestellt und anschließend mit dem betreffenden Lagerring verbunden werden kann. Hierdurch kann der betreffende Lagerring ohne eine Einschränkung seiner Festigkeit kleiner dimensioniert werden, wodurch Bauraum und Gewicht eingespart werden können. Zudem erhöht sich die Servicefreundlichkeit der Drehverbindung erheblich, da der Zahnkranz bei einer Beschädigung der Verzahnung nun ohne eine Demontage des Großwälzlagers und des Rotorblattes ausgetauscht werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist demzufolge in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Zahnkranz Bestandteil eines separaten Ringsegmentbauteils ist, das mit dem zugeordneten Lagerring und/oder mit dem mit dem Lagerring verbundenen Bauteil verbunden ist, und dessen Umfangsabmessung weitgehend dem Winkelbereich der Verzahnung entspricht.
Die Erfindung geht demnach aus von einer Drehverbindung eines Rotorblattes mit der Rotornabe einer Windkraftanlage, die eine Drehlagerung des Rotorblattes in der Rotornabe und eine Blattwinkelverstellung des Rotorblattes gegenüber der Rotornabe umfasst. Die Drehlagerung ist als ein Großwälzlager mit einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring ausgebildet, deren einer Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblattes und deren anderer Lagerring mit der Rotornabe verbunden ist. Die Blattwinkelverstellung ist als ein Zahnradgetriebe mit einem segmentweise ausgeführten Zahnkranz und einem mit der Triebwelle eines Stellmotors verbundenen Ritzel ausgebildet, deren Zahnkranz an dem einen Lagerring angeordnet und deren Stellmotor an dem mit dem anderen Lagerring verbundenen Bauteil befestigt ist. Durch die Anordnung des Zahnkranzes in einem separaten Ringsegmentbauteil wird die Herstellung der Drehverbindung vereinfacht sowie Bauraum und Gewicht eingespart. Ebenfalls wird hierdurch die Servicefreundlichkeit der Drehverbindung erhöht, da bei einer Beschädigung der Verzahnung ohne eine Demontage des Großwälzlagers und des Rotorblattes nur das Ringsegmentbauteil ausgetauscht werden muss.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Drehverbindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.
Zur Vereinfachung der Montage ist zweckmäßig vorgesehen, dass das Ringsegmentbauteil mit umfangsseitig verteilt angeordneten Durchgangsbohrungen und der zugeordnete Lagerring mit entsprechend angeordneten Gewindebohrungen zur Vormontage des Ringsegmentbauteils an dem Lagerring mittels Schrauben versehen sind. Hierdurch kann das mit dem Zahnkranz versehene Ringsegmentbauteil an dem Großwälzlager vormontiert und gemeinsam mit diesem in die Rotornabe eingesetzt sowie an dieser befestigt werden.
Zur belastbaren Befestigung des Ringsegmentbauteils ist dieses vorteilhaft mit Durchgangsbohrungen versehen, die mit den Durchgangsbohrungen des zugeordneten Lagerrings fluchten und zur gemeinsamen Verbindung des Ringsegmentbauteils und des Lagerrings mit dem betreffenden Bauteil, d. h. der Rotornabe oder der Blattwurzel des Rotorblattes, mittels Gewindebolzen vorgesehen sind.
Da der nutzbare Schwenkbereich der Rotorblätter zwischen der Volllaststellung und der Segelstellung etwa 90° beträgt, entspricht die Umfangsabmessung des Ringsegmentbauteils und des Zahnkranzes zweckmäßig einem Winkelbereich zwischen 90° und 120°.
Zur Erzielung einer technisch und wirtschaftlich effektiven Herstellung solcher Ringsegmentbauteile sind diese vorteilhaft jeweils aus einem ursprünglich als umfangsseitig vollständig verzahnten Ring hergestellten Bauteil herausgetrennt.
Um hierbei möglichst keinen Verschnitt in Kauf nehmen zu müssen, entspricht die Umfangsabmessung des Ringsegmentbauteils und des Zahnkranzes bevorzugt einem Winkelbereich von 90° oder von 120°. In diesem Fall ergibt ein umfangsseitig vollständig verzahnter Ring verschnittfrei vier bzw. drei verzahnte Ringsegmentbauteile.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Darin zeigt
1 einen Lagerinnenring eines Großwälzlagers mit einem verzahnten Ringsegmentbauteil in einer perspektivischen Ansicht,
2 den Lagerinnenring mit dem Ringsegmentbauteil nach 1 in einer axialen Draufsicht gemäß Blickrichtung A von 1,
3 eine vergrößerte radiale Schnittansicht des Lagerinnenrings und des Ringsegmentbauteils gemäß der Schnittlinie B-B von 2,
4 eine vergrößerte radiale Schnittansicht des Lagerinnenrings und des Ringsegmentbauteils gemäß der Schnittlinie C-C von 2,
5 eine bekannte Drehverbindung eines Rotorblattes mit der Rotornabe einer Windkraftanlage in einer Schnittansicht, und
6 eine vergrößerte Detailansicht der Drehverbindung nach 5 gemäß dem Ausschnitt D von 5.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Eine bekannte Drehverbindung 1' eines Rotorblattes 2 mit der Rotornabe 3 einer Windkraftanlage, die in 5 in einer Schnittansicht und in 6 in einer vergrößerten Detailansicht gemäß Ausschnitt D von 5 abgebildet ist, umfasst eine Drehlagerung des Rotorblattes 2 in der Rotornabe 3 und eine Blattwinkelverstellung des Rotorblattes 2 gegenüber der Rotornabe 3. Die Drehlagerung ist als ein Großwälzlager 4' in Form eines zweireihigen Rillenkugellagers mit einem Lagerinnenring 5' und einem Lageraußenring 6 ausgebildet. Der Lagerinnenring 5' ist über mehrere Gewindebolzen 7, die in umfangsseitig verteilt in der Blattwurzel 8 des Rotorblattes 2 angeordnete Gewinde-Querbolzen 9 eingesetzt und durch entsprechende Durchgangsbohrungen 10 des Lagerinnenrings 5' geführt sind, mit dem Rotorblatt 2 verschraubt. Der Lageraußenring 6 ist über mehrere Schrauben 11, die durch umfangsseitig verteilt an dem Lageraußenring 6 angeordnete Durchgangsbohrungen 12 geführt und in entsprechende in dem Gehäuserand 13 der Rotornabe 3 angeordnete Gewindebohrungen 14 eingesetzt sind, mit der Rotornabe 3 verschraubt.
Die Blattwinkelverstellung ist als ein Zahnradgetriebe mit einem Zahnkranz 15' und einem mit der Triebwelle eines Stellmotors verbundenen Ritzel ausgebildet. Der Zahnkranz 15' ist vorliegend als eine Innenverzahnung 16 ausgebildet, die in den Lagerinnenring 5' eingearbeitet ist und über den gesamten Umfang verläuft. Es könnte aber auch eine Außenverzahnung vorgesehen sein. Der nicht abgebildete Stellmotor, dessen Ritzel mit dem Zahnkranz 15' permanent in Verzahnungseingriff steht, ist innerhalb der Rotornabe 3 angeordnet und dort an geeigneter Stelle befestigt.
Wie in 1 in einer perspektivischen Ansicht des Lagerinnenrings 5 und des Zahnkranzes 15 und in 2 in einer axialen Draufsicht gemäß Blickrichtung A von 1 erkennbar ist, unterscheidet sich die erfindungsgemäße Drehverbindung 1 von der geschilderten bekannten Lösung dadurch, dass der Zahnkranz 15 nur über einen begrenzten Umfangswinkelbereich 17 von vorliegend etwa 120° ausgeführt und Bestandteil eines separaten Ringsegmentbauteils 18 ist, das mit dem Lagerinnenring 5 verbunden ist, und dessen Umfangsabmessung weitgehend dem Winkelbereich 17 der Innenverzahnung 16 entspricht.
Wie in der in 3 dargestellten vergrößerten Schnittansicht gemäß der Schnittlinie B-B von 2 erkennbar ist, sind das Ringsegmentbauteil 18 mit umfangsseitig verteilt angeordneten Durchgangsbohrungen 19 und der Lagerinnenring 5 mit entsprechend angeordneten Gewindebohrungen 20 zur Vormontage des Ringsegmentbauteils 18 an dem Lagerinnenring 5 mittels Schrauben 21 versehen. Hierdurch kann das mit dem Zahnkranz 15 versehene Ringsegmentbauteil 18 an dem Großwälzlager vormontiert und gemeinsam mit diesem in die Rotornabe 3 eingesetzt sowie an dieser befestigt werden.
In einer umfangsseitig versetzten, in 4 dargestellten vergrößerten Schnittansicht gemäß der Schnittlinie C-C von 2 ist erkennbar, dass das Ringsegmentbauteil 18 mit Durchgangsbohrungen 22 versehen ist, die mit den Durchgangsbohrungen 10 des Lagerinnenrings 5 fluchten und zur gemeinsamen Verbindung des Ringsegmentbauteils 18 und des Lagerinnenrings 5 mit der Blattwurzel 8 des Rotorblattes 2 mittels Gewindebolzen vorgesehen sind.
Bezugszeichenliste

1, 1': Drehverbindung
2: Rotorblatt
3: Rotornabe
4, 4': Großwälzlager
5, 5': Lagerinnenring
6: Lageraußenring
7: Gewindebolzen
8: Blattwurzel
9: Gewinde-Querbolzen
10: Durchgangsbohrung
11: Schraube
12: Durchgangsbohrung
13: Gehäuserand
14: Gewindebohrung
15, 15': Zahnkranz
16: Innenverzahnung
17: Umfangsabmessung, Winkelbereich
18: Ringsegmentbauteil
19: Durchgangsbohrung
20: Gewindebohrung
21: Schraube
22: Durchgangsbohrung
A: Blickrichtung
B-B: Schnittlinie
C-C: Schnittlinie
D: Ausschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19634059 C1 [0005, 0007]
WO 1999/023384 A1 [0006]

Claims

Drehverbindung eines Rotorblattes (2) mit der Rotornabe (3) einer Windkraftanlage, mit einer als ein Großwälzlager (4) mit einem Lagerinnenring (5) und einem Lageraußenring (6) ausgebildeten Drehlagerung, deren einer Lagerring (5) mit der Blattwurzel (8) des Rotorblattes (2) und deren anderer Lagerring (6) mit der Rotornabe (3) verbunden ist, und mit einer als ein Zahnradgetriebe mit einem segmentweise ausgeführten Zahnkranz (15) und einem mit der Triebwelle eines Stellmotors verbundenen Ritzel ausgebildeten Blattwinkelverstellung, deren Zahnkranz (15) an dem einen Lagerring (5) angeordnet und deren Stellmotor an dem mit dem anderen Lagerring (6) verbundenen Bauteil (3) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz (15) Bestandteil eines separaten Ringsegmentbauteils (18) ist, das mit dem zugeordneten Lagerring (5) und/oder mit dem mit dem Lagerring (5) verbundenen Bauteil (2) verbunden ist, und dessen Umfangsabmessung weitgehend dem Winkelbereich (17) der Verzahnung (16) entspricht.
Drehverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringsegmentbauteil (18) mit umfangsseitig verteilt angeordneten Durchgangsbohrungen (19) und der zugeordnete Lagerring (5) mit entsprechend angeordneten Gewindebohrungen (20) zur Vormontage des Ringsegmentbauteils (18) an dem Lagerring (5) mittels Schrauben (21) versehen sind.
Drehverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringsegmentbauteil (18) mit Durchgangsbohrungen (22) versehen ist, die mit den Durchgangsbohrungen (10) des zugeordneten Lagerrings (5) fluchten und zur gemeinsamen Verbindung des Ringsegmentbauteils (18) und des Lagerrings (5) mit dem betreffenden Bauteil (2) mittels Gewindebolzen (7) vorgesehen sind.
Drehverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsabmessung des Ringsegmentbauteils (18) und des Zahnkranzes (15) einem Winkelbereich (17) zwischen 90° und 120° entspricht.
Drehverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringsegmentbauteil (18) aus einem ursprünglich als umfangsseitig vollständig verzahnter Ring hergestelltes Bauteil herausgetrennt ist.
Drehverbindung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsabmessung des Ringsegmentbauteils (18) und des Zahnkranzes (15) einem Winkelbereich (17) von 90° oder von 120° entspricht.