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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Rotorlager einer Windkraftanlage, umfassend eine Vielzahl von in mindestens zwei Lagerreihen um eine Lagerachse abwälzenden Wälzkörpern.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der
EP 1 705 392 A1 ist ein Rotorlager 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, umfassen.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Rotorlagern ist, dass diese eine aufwendige und damit schwere und teure Konstruktion aufweisen. Insbesondere bei kleinen Windkraftanlagen, die z. B. auf Häusern montiert werden und deren Bohrungsdurchmesser unterhalb von z. B. 300 mm liegt, sind die bekannten Rotorlager daher nur mit Nachteilen einsetzbar.
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Aufgabe der Erfindung
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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, um insbesondere als Rotorlager bei kleinen Windkraftanlagen eingesetzt werden zu können.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rotorlager gemäß dem unabhängigen Anspruch. Demzufolge ist ein gattungsgemäßes Rotorlager dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Lagerreihen durch Pendelkugellagerreihen eines Pendelkugellagers gebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Rotorlager zeichnet sich dadurch aus, dass dieses, da ausschließlich aus Pendelkugellagerreihen bestehend, einen äußerst einfachen, leichten und kostengünstigen Aufbau besitzt und somit optimal für Windkraftanlagen mit einem kleinen Teilkreisdurchmesser geeignet ist. Dennoch erfüllt das erfindungsgemäße Rotorlager die Voraussetzung, sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte (einseitig oder beidseitig) übertragen zu können und ermöglicht die Ausbildung einer winkeleinstellbaren Festlagerstelle. Der Verzicht auf durch Rollen bzw. Tonnenrollen gebildete Wälzkörper reduziert weiterhin die Reibung.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Bohrungsdurchmesser des Rotorlagers kleiner als 300 mm ist. Möglich ist insbesondere, dass der Bohrungsdurchmesser des Rotorlagers kleiner als 150 mm oder kleiner als 50 mm ist. Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass bei Windkraftanlagen mit derart kleinem Bohrungsdurchmesser des Rotorlagers die technischen Anforderungen bezüglich der Aufnahme von Radial- und Axialkräften durch den Einsatz von Pendelkugellagerreihen wesentlich besser erfüllt werden können, als beispielsweise durch Rollenlagerreihen. Insbesondere kann durch eine Erhöhung der Anzahl der durch Kugeln gebildeten Wälzkörper im Vergleich zu Rotorlagerungen, umfassend durch Rollen/Tonnenrollen gebildete Wälzkörper, die erforderliche Tragfähigkeit erreicht werden, jedoch bei deutlich besserer Kinematik bzw. günstigeren Reibungsverhältnissen.
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Die Anzahl der Lagerreihen und deren Anordnung, d. h. die Wahl des Druckwinkels der Lagerreihen, kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt werden. Möglich ist z. B., dass in einem Axialschnitt (Schnittdarstellung, umfassend die Lagerachse) dargestellte Druckwinkel sämtlicher Lagerreihen axial symmetrisch angeordnet sind. Eine Darstellung der Druckwinkel in dem Axialschnitt ist somit bezüglich einer zur Lagerachse senkrecht stehenden Ebene spiegelbildlich. Alternativ ist denkbar, dass in einem Axialschnitt dargestellte Druckwinkel sämtlicher Lagerreihen axial asymmetrisch angeordnet sind. In diesem Fall ergibt sich ein Rotorlager, das in den zwei Axialrichtungen unterschiedlich große maximale Axialkräfte aufnehmen kann.
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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.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Lagerreihe einen Druckwinkel von 0 Grad aufweist und dass Kugeln dieser Lagerreihe einen größeren Durchmesser aufweisen als Kugeln einer anderen Lagerreihe. Diese Lagerreihe übernimmt somit vornehmlich die auftretenden Radialkräfte.
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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.
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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.
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Denkbar ist, dass die Kugeln einer oder mehrerer, insbesondere aller, Lagerreihen durch einen oder mehrere Käfige geführt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigen
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1 eine Windkraftanlage, umfassend ein erfindungsgemäßes Rotorlager,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers,
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers und
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7 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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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 9 getragen. Wie bei Wellenlagerungen üblich, bildet ein Rotorlager 9 eine Festlagerstelle und ein Rotorlager 9 eine Loslagerstelle. Jeweils eines der zwei Rotorlager 9 ist in den 2 bis 7 jeweils anhand eines Ausführungsbeispieles näher dargestellt.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers 9, umfassend ein zweireihiges Pendelkugellager, welches in der Windkraftanlage 1 in 1 eingesetzt ist, zeigt 2 als Darstellung eines Axialschnittes.
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Das zweireihige Pendelkugellager umfasst zwei Lagerringe, nämlich einen Außenring 10 und einen Innenring 11, sowie eine Vielzahl von Kugeln 12. Die Kugeln 12 wälzen in einer ersten Lagerreihe 13 und einer zweiten Lagerreihe 14 zwischen den Lagerringen um eine Lagerachse 15 ab.
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Der Druckwinkel α der ersten Lagerreihe 13 beträgt α = 0 Grad, während für den Druckwinkel der zweiten Lagerreihe 14 β = 25 Grad gilt.
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Die durch Kugeln 12 gebildeten Wälzkörper der ersten Lagerreihe 13 weisen einen größeren Durchmesser auf, als die Kugeln 12 der zweiten Lagerreihe 14.
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In 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers 9, umfassend drei Lagerreihen 13, 14, 17. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Druckwinkel der ersten und zweiten Lagerreihe 13, 14 gleich groß, d. h. α = β = 10 Grad, während der Druckwinkel der dritten Lagerreihe 17 größer ist, d. h. γ = 25 Grad.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers 9, diesmal umfassend ein Pendelkugellager mit vier Lagerreihen 13, 14, 17, 18.
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Die Druckwinkel der Drucklinien 16 sämtlicher Lagerreihen sind in den Ausführungsbeispielen nach den 2 bis 4 axial asymmetrisch angeordnet, d. h. die Drucklinien 16 sind bezüglich keiner senkrecht zur Lagerachse 15 stehenden Ebene spiegelsymmetrisch darstellbar. Daraus resultiert ein Rotorlager 9 mit unterschiedlichen, maximal aufzunehmenden Axialkräften in den beiden Axialrichtungen. Sowohl der Außenring 10 als auch der Innenring 11 sind in diesen Ausführungsbeispielen jeweils ungeteilt ausgeführt.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers 9, diesmal mit einem aus vier Lagerreihen 13, 14, 17, 18 bestehenden Pendelkugellager. Wiederum sind die Drucklinien 16 axial symmetrisch angeordnet.
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7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorlagers 9, mit einem aus fünf Lagerreihen 13, 14, 17, 18, 21 bestehendem Pendelkugellager, erneut mit axial symmetrisch angeordneten Drucklinien 16. Da eine ungerade Anzahl von Lagerreihen vorliegt, weist eine axial mittig angeordnete Lagerreihe, nämlich die Lagerreihe 17, einen Druckwinkel von 0 Grad auf.
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Die Kugeln 12 einer oder aller Lagerreihen 13, 14, 17, 18, 21 sämtlicher Ausführungsbeispiele können durch einen bzw. mehrere Käfige geführt werden.
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Möglich ist, dass zwei axial benachbarte Lagerreihen einen gemeinsamen Käfig aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Maschinenturm
- 3
- Maschinenhaus
- 4
- Generator
- 5
- Rotor
- 6
- Rotorblatt
- 7
- Rotornabe
- 8
- Rotorlagerung
- 9
- Rotorlager
- 10
- Außenring
- 11
- Innenring
- 12
- Kugel
- 13
- erste Lagerreihe
- 14
- zweite Lagerreihe
- 15
- Lagerachse
- 16
- Drucklinie
- 17
- dritte Lagerreihe
- 18
- vierte Lagerreihe
- 19
- Teilring
- 20
- Ebene
- 21
- fünfte Lagerreihe
- 22
- Bohrungsdurchmesser
- α
- Druckwinkel der ersten Lagerreihe
- β
- Druckwinkel der zweiten Lagerreihe
- γ
- Druckwinkel der dritten Lagerreihe
- δ
- Druckwinkel der vierten Lagerreihe
- ε
- Druckwinkel der fünften Lagerreihe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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