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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager für eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Stand der Technik
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Die Energiegewinnung aus Windkraft nimmt bei der Energieversorgung einen immer höheren Stellenwert ein. Zur Energiegewinnung aus Windkraft sind im Stand der Technik eine Vielzahl von Windkraftanlagen bekannt.
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Beispielsweise ist in
DE 199 16 453 A1 eine Windkraftanlage beschrieben, welche einen Rotor aufweist, dessen Rotornabe in einem auf einem Rotorträger angeordneten Wälzlager gelagert ist und mit einem zweistufigen, eine Antriebsstufe und eine Abtriebsstufe aufweisenden Planetengetriebe verbunden ist. Die Ausgangswelle des Planetengetriebes ist über eine Kupplung an einen Generator gekoppelt. Der Innenring des Wälzlagers ist mit der Rotornabe und dem rotierenden Teil des Planetengetriebes lösbar verbunden.
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Die bei Windkraftanlagen eingesetzten Wälzlager sind großen Belastungen ausgesetzt. Die Zerstörung des Wälzlagers in einer Windkraftanlage kann hohe Reparaturkosten verursachen und ist besonders bei sogenannten Offshore-Anlagen mühsam durchzuführen Hinzu kommt die Gefahr eines unkontrolliert laufenden Windrads. Um Verschmutzungen des Schmiermittels im Wälzlager zu überwachen und das Schmiermittel von derartigen Verschmutzungen zu befreien, wird ein großer Aufwand betrieben, da das Schmiermittel für einen einwandfreien Betrieb des Wälzlagers besonders wichtig ist.
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Typischerweise sind die Wälzlagerelemente, nämlich die Wälzkörper und die Rollbahnelemente jeweilig aus sehr hartem Stahl hergestellt und das Wälzlager ist mit Schmiermittel gefüllt. Wichtig für den optimalen Betrieb ist ein Abwälzen der Wälzkörper in einer Führung bestehend aus den Rollbahnelementen mit möglichst geringem Gleitschlupf. Bedingung für einen idealen Betrieb ist, dass immer ein kleiner aber nicht zu großer Schmierfilm zwischen den Wälzkörpern und der Führung befindet. Da die Wälzkörper geführt werden, ist es notwendig, dass die sogenannte „Haftung” zwischen Wälzkörpern und Führung groß genug ist gegenüber dem Gleitwiderstand, um eine permanente Drehung zu gewährleisten, so dass zwischen den Wälzpartner ein Schmierfilm aufgebaut wird. Der Schmierfilm stellt eine Art Schutzschicht gegenüber dem direkten Metall-Metall-Kontakt dars, der zu Verschleiß beispielsweise in Form von Adhäsionsschäden führen kann. Ist die Schmierfilm-Schutzschicht zu groß, kann jedoch die Rollbewegung aufgrund der fehlenden Haftung nicht mehr gesichert werden. Dies würde zu einem Stillstand der Wälzkörper führen („Aquaplaning-Efffekt”), was wiederum den Schmierfilm durch die fehlende Rollbewegung schlagartig abbaut und zu einem Einschlagen der Wälzkörper auf die Führung mit anschließendem Adhäsionsverschleiß und unter Umständen zum Versagen des Wälzlagers führt.
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Um einem Versagen aufgrund von Verschleiß vorzubeugen, ist es im Stand der Technik beispielsweise bekannt, Laufflächen von reibendem Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen mit Verschleißschutzschichten zu versehen, die je nach Anwendungsfall bevorzugt aus galvanisch aufgetragenen Metallen oder aus in einem thermischen Spritzverfahren aufgetragenen Metallen und/oder Metalllegierungen gegebenenfalls mit Hartstoffzusätzen bestehen.
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In
DE 10 2007 054 181 A1 wird beschrieben, Komponenten eines Wälzlagers, beispielsweise die Wälzkörper, die Innen- und Außenringe des Wälzlagers, die Wälzlagerkäfige, die Axialscheiben oder dergleichen zur Erhöhung des Verschleißwiderstands mit einer Funktionsschicht zu versehen, die eine Mehrzahl von Schichten enthält, die im Wesentlichen einen amorphen Kohlenstoff mit Wasserstoff aufweisen.
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Die bekannten Beschichtungen mit Metallen, Metalllegierungen, Kohlenstoff, Gleitlack, etc. sind jedoch einerseits teuer und stellen andererseits nicht die gewünschte permanente Haftung zwischen den Wälzkörpern und der Führung sicher, um einen Stillstand der Wälzkörper und die damit verbundenen oben genannten Probleme zu vermeiden.
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Daher ist es wünschenswert, ein Wälzlager für eine Windkraftanlage und eine Windkraftanlage zu schaffen, wobei im Bereich des Wälzkontakts des Wälzlagers zwischen der Wälzkörpern und der Führung bzw. den Rollbahnelementen eine permanente Haftung und somit eine permanente Drehung sichergestellt wird, um den Verschleiß und die Materialermüdung des Wälzlagers zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Wälzlager für eine Windkraftanlage bereitgestellt, welches eine Vielzahl von Wälzkörpern, ein erstes Rollbahnelement und ein zweites Rollbahnelement aufweist, wobei die Vielzahl von Wälzkörpern zwischen dem ersten Rollbahnelement und dem zweiten Rollbahnelement angeordnet ist, wobei jeder von der Vielzahl von Wälzkörpern an seiner Oberfläche und/oder das erste Rollbahnelement und das zweite Rollbahnelement an ihrer jeweiligen die Vielzahl von Wälzkörpern kontaktierenden Oberfläche jeweils zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, die ein Elastomer aufweist. Mit der erfindungsgemäßen Konfiguration wird das Problem des zuverlässigen Abrollens im Wälzkontakt durch die gezielte Beschichtung eines Teils oder der gesamten Fläche des die Führung aufbauenden ersten und zweiten Rollbahnelements und/oder der Wälzkörper mit einer gummiartigen, flexiblen, hochadhäsiven Schicht behoben. Somit tritt weniger Verschleiß an den Verschleißstellen des Wälzlagers auf und seine Lebensdauer kann auf einfache, effiziente und kostengünstige Weise erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wälzkörper von der Vielzahl von Wälzkörpern als Kugeln, Zylinderrollen, Tonnenrollen, Kegelrollen oder Nadeln ausgebildet.
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Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vielzahl von Wälzkörpern, das erste Rollbahnelement und das zweite Rollbahnelement jeweils aus Metall, Keramik oder Kunststoff hergestellt.
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Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wälzlager als Radiallager ausgebildet, wobei das erste Rollbahnelement als Innenring und das zweite Rollbahnelement als Außenring ausgebildet ist.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Wälzlager als Axiallager ausgebildet, wobei das erste Rollbahnelement als Wellenscheibe und das zweite Rollbahnelement als Gehäusescheibe ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist zwischen der Beschichtung und der Oberfläche eines jeden von der Vielzahl von Wälzkörpern und/oder zwischen der Beschichtung und der Oberfläche des ersten und des zweiten Rollbahnelements zumindest eine Haftvermittlerschicht angeordnet.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung zumindest eines der Materialien aus der Gruppe bestehend aus Silikonkautschuk, Silikon, Kautschuk, Gummi oder Latex. Wichtig bei der Auswahl des geeigneten Materials ist, dass es schmierstoffresistent, flexibel und hochadhäsiv ist. Es können auch silikonhaltige, kautschukhaltige, gummihaltige, latexhaltige oder andere elastische Materialien für die Beschichtung verwendet werden, die in der Regel in flüssiger, fester oder pulverförmiger Form vorliegen.
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Vorzugsweise ist dem Elastomer, insbesondere dem Kautschuk und dem Gummi, zumindest ein Additiv und/oder zumindest ein Füllstoff, zugesetzt. Vorzugsweise ist der Füllstoff eine pyrogene Kieselsäure, gefällte Kieselsäure oder Ruß. In einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher Silikonkautschuk als Beschichtungsmaterial verwendet wird, umfasst der Füllstoff vorzugsweise Diatomenerde, Quarz oder Ruß. Vorzugsweise ist dem Silikonkautschuk als Additiv eine Vernetzungschemikalie, insbesondere Peroxid oder ein Platinkatalysator, zugesetzt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Elastomer ein Weichmacher, insbesondere ein Weichmacher auf Silikonpolymerbasis, zugesetzt.
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Vorzugsweise ist dem Beschichtungsmaterial eine Zusatzsubstanz zur Verbesserung der Dehnungseigenschaften und der Rissfestigkeit, insbesondere Kieselsäure, beigemischt. Besonders bevorzugt ist die Zugabe von Kieselsäure bei silikonhaltigen Materialien.
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Es ist auch bevorzugt, wenn die beigemischte Kieselsäure mit einem Gewichtsprozentanteil beigemischt ist, der zwischen 1 Gew.% (Gewichtsprozent) und 30 Gew.%, insbesondere zwischen 5 Gew.% und 15 Gew.%, liegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Elastomer farblos und weist eine Dichte in einem Bereich von 1,05 bis 1,14 g/cm3, eine Härte in einem Bereich von 20 bis 55 Shore Å, eine Reißfestigkeit in einem Bereich von 6,0 bis 12,0 N/mm2, eine Reißdehnung in einem Bereich von 500 bis 1300%, einen Weiterreißwiderstand in einem Bereich von 15 bis 30 N/mm, eine Rückprallelastizität in einem Bereich von 50 bis 70% und eine Druckverformungsresistenz (22 h/175°C) in einem Bereich von 10 bis 30% auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest teilweise Beschichtung durch Eintauchen mit anschließendem Trocknen und Polymerisieren hergestellt. Alternativ kann die zumindest teilweise Beschichtung auch mittels Spritzguss, Bedampfen oder Aufwalzen auf die Oberfläche der Wälzkörper und/oder auf die Oberfläche des ersten und des zweiten Rollbahnelements aufgebracht werden.
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Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Beschichtung eine Schichtdicke aufweist, welche in einem Bereich von 50 nm bis 5 μm, insbesondere in einem Bereich von 2 μm bis 3 μm, liegt.
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Gemäß der Erfindung wird eine Windkraftanlage bereitgestellt, welche einen Rotor aufweist, der über ein zumindest ein Wälzlager gemäß einer oder mehrerer der obigen Ausführungsformen auf einer Rotorwelle gelagert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische teilweise geschnittene Darstellung eines Abschnitts eines Windkraftrads gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Schnittansicht durch einen Abschnitt eines Wälzlagers gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische teilweise geschnittene Darstellung eines Abschnitts einer Windkraftanlage 1 gemäß dem Stand der Technik, wobei hier ein Rotor 2 mit drei Rotorblättern 3, einer Rotorwelle 4 und einem als Wälzlager 5 ausgebildeten Rotorblattlager sowie eine Gondel 6 und ein Abschnitt eines Turms 7 der Windkraftanlage 1 sichtbar sind. An einem Gehäuse 8 der Gondel 6 ist außen ein Windmesser 9 angebracht. In dem Gehäuse 8 der Gondel sind weiterhin ein hier nur schematisch dargestelltes Getriebe 10, ein Azimutmotor 11, der die gesamte Gondel 6 in den Wind dreht, sowie ein Generator 12, ein Generatorkühlsystem 13 und eine Steuerelektronik 14 untergebracht. Darüber hinaus sichert eine ebenfalls in dem Gehäuse 8 angeordnete Bremse 15 den Rotor 2 bei Wartungsarbeiten oder Sturm.
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2 ist eine schematische Schnittansicht durch einen Abschnitt eines Wälzlagers 5 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei hier schematisch drei verschiedene Beschichtungsmöglichkeiten bzw. Varianten dargestellt sind. Das Wälzlager 5 umfasst ein erstes Rollbahnelement 16 und ein zweites Rollbahnelement 17, welche jeweils aus Metall, hier aus einem harten Stahl, hergestellt sind. Das erste Rollbahnelement 16 ist als Innenring und das zweite Rollbahnelement 17 ist als Außenring 19 ausgebildet. Zwischen dem ersten Rollbahnelement 17 und dem zweiten Rollbahnelement 19 ist eine Vielzahl von Wälzkörpern 20 angeordnet, die hier als Kugeln 21 ausgebildet und ebenfalls aus einem harten Stahl hergestellt sind. In dem auf der linken Seite der Figur dargestellten Beispiel ist eine den Wälzkörper 20 kontaktierende Oberfläche 22 des zweiten Rollbahnelements 17 mit einer Beschichtung 23 aus einem Elastomer, hier aus Gummi, versehen. In dem mittleren Beispiel sind sowohl die Oberfläche 25 des Wälzkörpers 20 als auch die den Wälzkörper 20 kontaktierende Oberfläche 22 des zweiten Rollbahnelements 17 jeweils mit einer Beschichtung 23 aus einem Elastomer, hier aus Gummi, versehen. Schließlich ist in dem auf der rechten Seite der Figur dargestellten Beispiel lediglich die Oberfläche 25 des Wälzkörpers 20 mit einer Beschichtung aus einem Elastomer, hier aus Gummi, versehen. Alternativ kann statt der den Wälzkörper 20 kontaktierenden Oberfläche 22 des zweiten Rollbahnelements 17 die den Wälzkörper 20 kontaktierende Oberfläche 24 des ersten Rollbahnelements 16 teilweise oder vollständig mit der Beschichtung 23 aus einem Elastomer versehen sein. Ebenfalls möglich ist es, sowohl die den Wälzkörper 20 kontaktierende Oberfläche 22 des zweiten Rollbahnelements 17 als auch die den Wälzkörper 20 kontaktierende Oberfläche 24 des ersten Rollbahnelements 16 ganz oder teilweise mit der Beschichtung 23 zu versehen. Wichtig ist, dass die Beschichtung 23 an den hochbelasteten Stellen auf der durch das erste Rollbahnelement 16 und das zweite Rollbahnelement 17 gebildeten Führung und/oder der Wälzkörper 20 aufzubringen, wo ein Schlupfen der Wälzkörper 20 massive Schäden verursachen kann. Die Schichtdicke der Beschichtung 23 beträgt in der Ausführungsform 2 μm.
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Zwischen der Beschichtung 23 und den Metalloberflächen der Wälzkörper 16 bzw. zwischen der Beschichtung 23 und den Metalloberflächen des ersten Rollbahnelements 16 und des zweiten Rollbahnelements 17 kann zusätzlich eine Haftvermittlerschicht vorgesehen werden. Die Beschichtung 23 kann mittels Spritzguss, Bedampfen oder Aufwalzen auf die Metalloberflächen der Wälzkörper 16 und/oder die Metalloberflächen des ersten Rollbahnelements 16 und des zweiten Rollbahnelements 17 aufgebracht werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, die Beschichtung 23 durch Eintauchen mit anschließendem Trocknen und Polymerisieren aufzubringen. Die Beschichtung 23 kann sowohl im Vakuum als auch unter Normaldruck stattfinden. Je nach Verfahren kann auch ein anschließendes Tempern notwendig sein.
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Mittels der erfindungsgemäßen Konfiguration kann effektiv ein verbessertes Wälzlager 5 für eine Windkraftanlage 1 bereitgestellt werden, bei welchem Adhäsionsverschleiß effektiv vermieden wird, was wiederum einen vorzeitigen Ausfall des Wälzlagers 5 und somit der Windkraftanlage 1 verhindert. Die Beschichtung 23 auf der aus dem ersten Rollbahnelement 16 und dem zweiten Rollbahnelement 17 gebildeten Führung mit einem silikonartigen Material verbessert vorteilhaft den Wälzkontakt, also das Abrollen der Wälzkörper 20 und ist besonders in schwer zugänglichen Windkraftanlagen beispielsweise im Offshore-Bereich sehr hilfreich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19916453 A1 [0003]
- DE 102007054181 A1 [0007]
