DE102010054318A1

DE102010054318A1 - Rotorlagerung einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102010054318A1
Application number: DE102010054318A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Zeidlhack
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorlagerung (8) einer Windkraftanlage, umfassend ein zweireihiges Pendelrollenlager (9) mit einer Vielzahl von in zwei Lagerreihen (13, 14) um eine Lagerachse (15) abwälzenden Tonnenrollen (12), wobei vorgesehen ist, dass ein Druckwinkel (α) einer ersten Lagerreihe (13) 0 Grad beträgt. Die Erfindung betrifft ferner eine Rotorlagerung (8) einer Windkraftanlage, umfassend ein zweireihiges Pendelrollenlager (9) mit einer Vielzahl von in zwei Lagerreihen (13, 14) um eine Lagerachse (15) abwälzenden Tonnenrollen (12), wobei vorgesehen ist, dass ein Druckwinkel (α) einer ersten Lagerreihe (13) und ein Druckwinkel (β) einer zweiten Lagerreihe (14) unterschiedlich groß sind und dass die erste Lagerreihe (13) und die zweite Lagerreihe (14) durch identische Tonnenrollen (12) gebildet werden

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Rotorlager einer Windkraftanlage, das Rotorlager umfassend ein zweireihiges Pendelrollenlager mit einer Vielzahl von in zwei Lagerreihen um eine Lagerachse abwälzenden Tonnenrollen.
Hintergrund der Erfindung
Rotorlagerungen sind in der Regel in einem Einzelgehäuse untergebracht und umfassen z. B. zwei durch Wälzlager gebildete, winkeleinstellbare Rotorlager, um Winkelfehler der zu lagernden Maschinenelemente zueinander (z. B. Rotorwelle gegenüber Maschinengehäuse) ausgleichen zu können. Typische Rotorlagerungen von Windkraftanlagen umfassen sogenannte Großwälzlager als Rotorlager. Bei Großwälzlagern beträgt ein Bohrungsdurchmesser, d. h. ein freier Mittendurchmesser eines Innenringes, 600 mm und mehr. Rotorlager moderner Windkraftanlagen, deren Leistung im Bereich von z. B. 1,5 bis 7 Megawatt liegt, weisen einen Bohrungsdurchmesser von z. B. ca. 600 bis 1800 mm auf.
Oftmals werden zweireihige Pendelrollenlager, d. h. Radialpendelrollenlager bei radialen Lagerungen von Maschinenteilen, als winkeleinstellbare Wälzlager eingesetzt, da diese auch relativ hohe axiale Belastungen aufnehmen können.
Bekanntermaßen können Lagerungen von Maschinenelementen mittels einer Festlagerstelle und einer Loslagerstelle bewerkstelligt werden. Während die Loslagerstelle nur radiale Belastungen aufnimmt, dient die Festlagerstelle dazu, neben den radialen auch die axialen Belastungen aufzunehmen, um somit die Maschinenelemente gegeneinander axial genau zu führen. Das heißt, die Festlagerstelle soll axiale Verschiebungen zwischen den zu lagernden Maschinenelementen soweit wie möglich und erforderlich verhindern.
Es ist bekannt, zweireihige Radialpendelrollenlager als winkeleinstellbare Festlager einzusetzen, z. B. auch als Rotorlager. Radialpendelrollenlager benötigen jedoch stets ein gewisses Maß an Radialspiel, damit sich die in der Lastzone möglicherweise leicht schräggestellten Tonnenrollen in der lastfreien Zone wieder neu ausrichten können und somit die Tonnenrollen kinematisch in der Lastzone wieder gut abwälzen können. Dieses Radialspiel erzeugt Bauartbedingt bei Radialpendelrollenlagern ein Axialspiel, welches in der Regel ein mehrfaches des Radialspieles ausmacht. Eine präzise axiale Führung der zu lagernden Bauteile ist somit nur schwer möglich. Ein zweireihiges Radialpendelrollenlager ist daher nur bedingt als sehr eng führendes Festlager einsetzbar. Dennoch als Festlager verwendete zweireihige Radialpendelrollenlager können aufgrund des vorhandenen Axialspieles und der daraus resultierenden axialen Verschiebung der Tonnenrollen im Betrieb (z. B. bei schwellender axialer Belastung) Beschädigungen der Laufbahnen nach sich ziehen. Speziell beim Einsatz von zweireihigen Pendelrollenlagern in Rotorlagerungen von Windkraftanlagen wird überdies beobachtet, dass im Betrieb eine der beiden Lagerreihen, aufgrund der stets frontal auf den Rotor wirkenden Windkraft, im Betrieb stärker belastet ist als die andere Lagerreihe.
Bekanntermaßen können winkeleinstellbare Festlager, beispielsweise in Schiffsantrieben, durch eine Kombination eines zweireihigen Radialpendelrollenlagers mit einem oder zwei Axialpendelrollenlagern gebildet werden. Das Radialpendelrollenlager dient zur Aufnahme der radialen Belastungen, während das Axialpendelrollenlager hingegen nur Axialbelastungen aufnehmen darf und axiale Verschiebungen der zu lagernden Bauteile verhindert. Das Radialpendelrollenlager und das Axialpendelrollenlager besitzen dabei einen gemeinsamen Drehpunkt, um die Winkeleinstellbarkeit der gesamten Lagerung zu gewährleisten. Das zusätzliche Axialpendelrollenlager verbreitert jedoch das Festlager insgesamt deutlich und erhöht die Kosten der Lagerung.
Aus der EP 1 705 392 A1 ist eine Rotorlagerung einer Windkraftanlage bekannt, umfassend ein zweireihiges Pendelrollenlager, dessen zwei Lagerreihen unterschiedliche und jeweils von 0 Grad verschiedene Druckwinkel aufweisen und dessen zwei Lagerreihen Tonnenrollen unterschiedlicher Gestalt, insbesondere unterschiedlicher Länge, aufweisen.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein gattungsgemäßes Rotorlager bereitzustellen, welches geeignet ist, eine Festlagerstelle auszubilden und dabei sowohl radiale Belastungen als auch axiale Belastungen in zumindest einer Axialrichtung über eine lange Lebensdauer aufzunehmen und welches einen kompakten und damit leichten und kostengünstigen Aufbau aufweist.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rotorlager gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Demzufolge ist ein gattungsgemäßes Rotorlager dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwinkel einer ersten Lagerreihe 0 Grad beträgt.
Das erfindungsgemäße Rotorlager ist somit geeignet sehr hohe Radialkräfte aufzunehmen, nämlich über die erste Lagerreihe. Gleichzeitig ergibt sich eine insgesamt asymmetrisches Pendelrollenlager, d. h. die in einem Axialschnitt (Schnittdarstellung, umfassend die Lagerachse) dargestellten Drucklinien beider Lagerreihen sind axial asymmetrisch angeordnet. Unterschiedliche große Axialkräfte in den beiden Axialrichtungen können somit aufgenommen werden. Durch den Einsatz von nur zwei Lagerreihen in dem Pendelrollenlager wird jedoch weiterhin ein einfacher und somit kostengünstiger Aufbau des Rotorlagers ermöglicht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Wahl des Druckwinkels einer zweiten Lagerreihe kann je nach erforderlicher, maximal zu übertragender Axialkraft gewählt werden. Typisch ist ein Bereich zwischen 20 und 30 Grad. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Druckwinkel der zweiten Lagerreihe 25 Grad beträgt.
Eine Möglichkeit das Verhältnis von maximal zu übertragender Radialkraft und Axialkraft festzulegen, ist die Festlegung der Gestalt der Tonnenrollen der ersten und zweiten Lagerreihe. Zwar ist die Gestalt der Tonnenrollen innerhalb einer Lagerreihe identisch; die beiden Lagerreihen können jedoch unterschiedliche Tonnenrollen aufweisen. So ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass Tonnenrollen der ersten Lagerreihe eine unterschiedliche Gestalt als Tonnenrollen der zweiten Lagerreihe aufweisen. Insbesondere ist dabei denkbar, dass die Tonnenrollen der ersten Lagerreihe einen größeren maximalen Durchmesser und/oder eine größere Länge als die Tonnenrollen der zweiten Lagerreihe aufweisen. Möglich ist ebenso, dass die erste Lagerreihe durch symmetrische Tonnenrollen gebildet wird und dass die zweite Lagerreihe durch asymmetrische Tonnenrollen gebildet wird. Während symmetrische Tonnenrollen axial symmetrisch sind, weisen asymmetrische Tonnenrollen unterschiedlich große Stirnfläche auf. Es zeigte sich nämlich, dass der Einsatz von asymmetrischen Tonnenrollen in einer Pendelrollenlagerreihe mit großem Druckwinkel bessere kinematische Eigenschaften erzeugt, als dies bei symmetrischen Tonnenrollen der Fall ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch durch ein gattungsgemäßes Rotorlager gelöst, indem ein Druckwinkel einer ersten Lagerreihe und ein Druckwinkel einer zweiten Lagerreihe unterschiedlich groß sind und indem die erste Lagerreihe und die zweite Lagerreihe durch identische Tonnenrollen gebildet werden. Dabei ist sowohl der Druckwinkel der ersten Lagerreihe als auch der Druckwinkel der zweiten Lagerreihe von 0 Grad verschieden. Auch durch diese Lösung ist es möglich, hohe Axialkräfte gezielt in einer axialen Vorzugsrichtung aufzunehmen, wobei weiterhin, wenn auch in geringerem Maße, Axialkräfte in der axialen Gegenrichtung aufgenommen werden können. Vorteilhaft ist bei dieser Lösung insbesondere der Einsatz von identischen Wälzkörpern, also Tonnenrollen, in beiden Lagerreihen. Gemäß einer Ausführungsform dieser Lösung ist vorgesehen, dass sich Drucklinien der ersten Lagerreihe und der zweiten Lagerreihe in einem Punkt auf der Lagerachse schneiden und dieser Punkt axial zwischen der ersten Lagerreihe und der zweiten Lagerreihe liegt.
Das erfindungsgemäße Rotorlager kann insbesondere als Festlagerstelle ausgebildet sein und/oder verwendet werden. Das erfindungsgemäße Rotorlager kann somit Teil einer aus z. B. zwei Rotorlagern bestehenden Rotorlagerung sein.
Die zwei Lagerringe des erfindungsgemäßen Rotorlagers, d. h. Außenring und Innenring, weisen typischerweise Bohrungen zum Verbinden mit einer Anschlusskonstruktion (Rotorkopf und Maschinenhaus) auf.
Denkbar ist, dass die Tonnenrollen einer oder mehrerer, insbesondere aller, Lagerreihen durch einen oder mehrere Käfige geführt werden.
Alle Lagerreihen des erfindungsgemäßen Rotorlagers können grundsätzlich zwischen einem einstückig ausgebildeten Innenring und einem einstückig ausgebildeten Außenring abwälzen. Aus Montage-, Fertigungs- und Anwendungstechnischen Gründen (z. B. Spieleinstellung) kann es jedoch vorteilhaft sein, einen oder beide Lagerringe (Innenring, Außenring) in zwei oder mehrere Teilringe aufzuteilen. Dabei wälzt auf jedem Teilring zumindest eine Lagerreihe ab. Die Teilringe kontaktieren sich z. B. über stirnseitige Anlageflächen, so dass ein axial kompakter Aufbau entsteht. Aus Gründen der Montierbarkeit kann es notwendig aber auch ausreichend sein, nur einen Lagerring in Teilringe aufzuteilen. So kann vorgesehen sein, dass ein Außenring des Rotorlagers axial außermittig oder axial mittig in zwei Teilringe aufgeteilt ist. Bei einer axial mittigen Teilung liegen zwei Teilringe mit gleichem axialen Abmaß vor.
Denkbar ist, dass ein Außenring des Rotorlagers eine gemeinsame Laufbahn für die mindestens zwei Lagerreihen aufweist. Sofern der Außenring in zwei Teilringe axial aufgeteilt ist, erstreckt sich die gemeinsame Laufbahn über die beiden Teileringe. Diese gemeinsame Laufbahn ist insbesondere konkav ausgebildet und/oder besitzt eine konstante Krümmung. Die gemeinsame Laufbahn kann insbesondere in einem Axialschnitt durch einen Kreisbogen beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigen
1 eine Windkraftanlage, umfassend ein erfindungsgemäßes Rotorlager,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers und
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Windkraftanlage 1, umfassend ein erfindungsgemäßes Rotorlager. Die Windkraftanlage 1 umfasst einen Maschinenturm 2, auf dem ein Maschinenhaus 3 mit einem Generator 4 sowie einem windgetriebenen Rotor 5 mit einer mehrere Rotorblätter 6 tragenden Rotornabe 7 angeordnet ist. Der Rotor 5 wird durch eine Rotorlagerung 8 (durch Kasten eingerahmt), bestehend aus zwei axial beabstandeten Rotorlagern 18 getragen. Wie bei Wellenlagerungen üblich, bildet ein Rotorlager 18 eine Festlagerstelle und ein Rotorlager 18 eine Loslagerstelle. Eines der zwei Rotorlager 18 ist in den 2 und 3 jeweils anhand eines Ausführungsbeispieles näher dargestellt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rotorlagers 18, umfassend ein zweireihiges Pendelrollenlager 9, welches in der Windkraftanlage 1 in 1 eingesetzt ist, zeigt 2 als Darstellung eines Axialschnittes.
Das zweireihige Pendelrollenlager 9 umfasst zwei Lagerringe, nämlich einen Außenring 10 und einen Innenring 11, sowie eine Vielzahl von Tonnenrollen 12. Die Tonnenrollen 12 wälzen in einer ersten Lagerreihe 13 und einer zweiten Lagerreihe 14 zwischen den Lagerringen um eine Lagerachse 15 ab.
Der Druckwinkel α der ersten Lagerreihe 13 beträgt α = 0 Grad, während für den Druckwinkel der zweiten Lagerreihe 14 β = 25 Grad gilt.
Die durch Tonnenrollen 12 gebildeten Wälzkörper der ersten Lagerreihe 13 weisen eine andere Gestalt auf, als die Tonnenrollen 12 der zweiten Lagerreihe 14. Genaugenommen ist der größte Durchmesser der Tonnenrollen 12 der ersten Lagerreihe 13 größer als jener der zweiten Lagerreihe 14. Weiterhin weisen die Tonnenrollen 12 der ersten Lagerreihe 13 eine größere Länge auf als die Tonnenrollen der zweiten Lagerreihe 14. Unter Länge ist hierbei die axiale Erstreckung der Tonnenrollen 12 zu verstehen. Die Tonnenrollen der zweiten Lagerreihe 14 sind – was in der Zeichnung nicht zu erkennen ist – asymmetrisch ausgeführt.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Wiederum umfasst das Rotorlager 18 einer Windkraftanlage ein zweireihiges Pendelrollenlager 9 mit einer Vielzahl von in zwei Lagerreihen 13, 14 um eine Lagerachse 15 abwälzenden Tonnenrollen 12. Im Gegensatz zur 2 ist jedoch vorgesehen, dass ein Druckwinkel α einer ersten Lagerreihe 13 und ein Druckwinkel β einer zweiten Lagerreihe 14 unterschiedlich groß sind und dass die erste Lagerreihe 13 und die zweite Lagerreihe 14 durch identische Tonnenrollen 12 gebildet werden. Keiner der beiden Druckwinkel α, β der zwei Lagerreihen entspricht 0 Grad. Der erste Druckwinkel entspricht α = 22 Grad und der zweite Druckwinkel entspricht β = 25 Grad.
Da sich die Drucklinien 16 der ersten Lagerreihe 13 und der zweiten Lagerreihe 14 in einem Punkt 17 auf der Lagerachse 15 schneiden und dieser Punkt 17 axial zwischen der ersten Lagerreihe 13 und der zweiten Lagerreihe 14 liegt, können Axialkräfte in beiden Axialrichtungen übertragen werden.
Sowohl der Außenring 10 als auch der Innenring 11 sind ungeteilt.
Die Tonnenrollen 12 einer oder aller Lagerreihen 13, 14 sämtlicher Ausführungsbeispiele können durch einen bzw. mehrere Käfige geführt werden. Möglich ist, dass zwei axial benachbarte Lagerreihen einen gemeinsamen Käfig aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Maschinenturm
3: Maschinenhaus
4: Generator
5: Rotor
6: Rotorblatt
7: Rotornabe
8: Rotorlagerung
9: Pendelrollenlager
10: Außenring
11: Innenring
12: Tonnenrolle
13: erste Lagerreihe
14: zweite Lagerreihe
15: Lagerachse
16: Drucklinie
17: Punkt
18: Rotorlager
α: Druckwinkel der ersten Lagerreihe
β: Druckwinkel der zweiten Lagerreihe

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

EP 1705392 A1 [0007]

Claims

Rotorlager (18) einer Windkraftanlage (1), das Rotorlager umfassend ein zweireihiges Pendelrollenlager (9) mit einer Vielzahl von in zwei Lagerreihen (13, 14) um eine Lagerachse (15) abwälzenden Tonnenrollen (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwinkel (α) einer ersten Lagerreihe (13) 0 Grad beträgt.
Rotorlager (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwinkel (β) einer zweiten Lagerreihe (14) 25 Grad beträgt.
Rotorlager (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Tonnenrollen (12) der ersten Lagerreihe (13) eine unterschiedliche Gestalt als Tonnenrollen (12) der zweiten Lagerreihe (14) aufweisen.
Rotorlager (18) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonnenrollen (12) der ersten Lagerreihe (13) einen größeren maximalen Durchmesser und/oder eine größere Länge als die Tonnenrollen (12) der zweiten Lagerreihe (14) aufweisen.
Rotorlager (18) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lagerreihe (13) durch symmetrische Tonnenrollen (12) gebildet wird und dass die zweite Lagerreihe (14) durch asymmetrische Tonnenrollen (12) gebildet wird.
Rotorlager (18) einer Windkraftanlage, das Rotorlager umfassend ein zweireihiges Pendelrollenlager (9) mit einer Vielzahl von in zwei Lagerreihen (13, 14) um eine Lagerachse (15) abwälzenden Tonnenrollen (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwinkel (α) einer ersten Lagerreihe (13) und ein Druckwinkel (β) einer zweiten Lagerreihe (14) unterschiedlich groß sind und dass die erste Lagerreihe (13) und die zweite Lagerreihe (14) durch identische Tonnenrollen (12) gebildet werden.
Rotorlager (18) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich Drucklinien (16) der ersten Lagerreihe (13) und der zweiten Lagerreihe (14) in einem Punkt (17) auf der Lagerachse (15) schneiden und dieser Punkt (17) axial zwischen der ersten Lagerreihe (13) und der zweiten Lagerreihe (14) liegt.
Rotorlager (18) nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorlager (18) eine Festlagerstelle bildet.