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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die hier beschriebene Vorrichtung bezieht sich allgemein auf eine Windkraftanlage. Speziell bezieht sich die Vorrichtung auf eine Windkraftanlage, die ein Zahnrad mit einer Verschleißanzeige aufweist.
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In jüngerer Zeit haben Windkraftanlagen vergrößerte Aufmerksamkeit als umweltfreundliche und relativ billige alternative Energiequellen erhalten. Windkraftanlagen emittieren keine Treibhausgase (GHGs) und tragen deshalb nicht zur Erderwärmung bei. Mit dem wachsenden Interesse an Windstrom sind beträchtliche Anstrengungen gemacht worden, Windkraftanlagen zu entwickeln, die zuverlässig und effizient sind.
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Allgemein betrachtet ist Wind eine Form der Sonnenenergie, die durch die ungleichmäßige Heizung der Atmosphäre durch die Sonne, Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Erde und Drehung der Erde verursacht ist. Wind-Muster werden durch das Terrain der Erde, Wassermassen, und Vegetation beeinflusst. Die Begriffe Windkraft oder Windenergie, beschreiben den Prozess, bei dem der Wind genutzt wird, um eine Welle rotieren zu lassen und nachher mechanische Kraft oder Elektrizität zu erzeugen.
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Gewöhnlich werden Windkraftanlagen verwendet, um die im Wind enthaltene kinetische Energie in die mechanische Arbeit umzuwandeln. Diese mechanische Arbeit kann für spezifische Aufgaben verwendet werden (wie das Malen von Getreide oder das Pumpen von Wasser), oder ein Generator kann diese mechanische Kraft (d. h. die Drehung einer Welle) in die Elektrizität umwandeln. Eine Windkraftanlage weist gewöhnlich eine aerodynamische Eirichtung (z. B. Rotorblätter) ein, um die Bewegung von Luft in eine mechanische Bewegung umzuwandeln (z. B. in eine Drehung), die dann mit einem Generator in die elektrische Leistung umgewandelt wird. Die vom Generator abgegebene Leistung ist zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit proportional. Wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt, verachtfacht sich die Leistung der Windkraftanlage.
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Die Mehrheit von gewerblich verfügbaren Windkraftanlagen nutzt Antriebsstränge mit Getriebe, um die Rotorblätter mit den elektrischen Generatoren zu verbinden. Der Wind dreht die Rotorblätter, die eine Welle mit niedriger Drehzahl drehen, die in ein Getriebe führt, das eine Abtriebswelle mit höherer Drehzahl aufweist. Diese Abtriebswelle mit höherer Drehzahl steht mit einem Generator in Verbindung, der Elektrizität erzeugt. Das Getriebe dient dazu, die Drehzahl der mechanischen Bewegung zu vergrößern.
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Der Industriestandard-Antriebsstrang für große (z. B. > 1.5 MW) Windkraftanlagen bestehen aus dem getrennten Getriebe und den Generator-Einheiten, die an einem Hauptrahmen getrennt montiert werden (auch allgemein als Bettrahmen oder Bettplatte bezeichnet). Vom Getriebe wird das Drehmoment bis zu dem Generator über eine flexible ”schnelllaufende” Wellen-Kupplung übertragen. Diese Anordnung zwingt das Getriebe und den Generator, von einander physisch getrennt angeordnet zu werden und verlangt, dass sowohl die Abtriebswelle des Getriebes als auch die Eingangswelle des Generators durch Getriebe-Lager und Generator-Lager entsprechend getrennt abgestützt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem Aspekt der gegenwärtigen Erfindung wird eine Windkraftanlage zur Verfügung gestellt, die einen Turm und eine Maschinengondel aufweist, die durch den Turm und getragen ist und einen Rotor mit einem oder mehreren Rotorflügeln und einer Nabe trägt. Ein Getriebe wird mit dem Rotor verbunden und schließt ein oder mehr Zahnräder ein, die mindestens eine Verschleißindikator-Linie haben, die Identifizierung des Zahnrad-Verschleißes erleichtert. Die Verschleißindikator-Linie wird auf Zahnflanken der Zahnräder gelegt.
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In einem anderen Aspekt der gegenwärtigen Erfindung wird ein Getriebe für eine Windkraftanlage geschaffen, das ein oder mehrere Zahnräder mit Verschleißindikator-Linien aufweist, welche die Identifizierung des Zahnrad-Verschleißes erleichtert. Die Verschleißindikator-Linien sind auf Zahnflanken der Zahnräder angeordnet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Perspektiveabbildung einer beispielhaften Windkraftanlage;
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2 ist eine ausschnittsweise Schnitt-Perspektivansicht einer Verkörperung eines Antriebsstrangs, der in der Windkraftanlage der 1 verwendet werden kann;
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3 ist eine ausschnittsweise Seitenansicht eines Zahnrades, das Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat;
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4 ist eine Querschnittansicht eines Zahnrad-Zahns, der Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat;
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5 ist eine Querschnittansicht eines Zahnrad-Zahns, der Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat;
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6 ist eine ausschnittsweise Seitenansicht eines Zahnrades, das Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat;
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7 ist eine teilweise Seitenansicht eines Zahnrades, das Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat;
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8 ist eine teilweise Seitenansicht eines Zahnrades, das Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat;
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9 ist eine teilweise Seitenansicht eines Zahnrades, das Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat; und
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10 ist eine Querschnittsansicht eines Zahnrad-Zahns, der Verschleißindikator-Linien gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat.
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DETAILLIEREN DER ERFINDUNG
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Eine Horizontalachsen-Windkraftanlage (HAWT) 100 wird in der 1 illustriert. Die Windkraftanlage 100 kann einen im Wesentlichen röhrenförmigen Turm 110 aufweisen, der aus Stahl, Beton oder Kombinationen aus diesen verfertigt werden kann. Der Turm 110 kann durch übereinanderstellen mehrerer Turm-Segmente errichtet werden. Der Turm 110 trägt das Gewicht der Motorgondel 120, Rotorflügel 130 und der Nabe 140. Der Turm 110 kann auch vom Gitter-(oder Fachwerk-)Typ sein, und kann aus Beton oder Betonabschnitten gebildet werden. Die Motorgondel 120 nimmt normalerweise den Antriebsstrang (z. B. Getriebe, Wellen, Kupplungen, Generator, usw.) sowie den Hauptrahmen (auch Bodenplatte genannt) und Gier-Antriebe auf. Weitere Einrichtungen, wie die Kontrollelektronik, können innerhalb der Motorgondel 120 ebenso aufgenommen werden. Gewöhnlich wird die Motorgondel 120 eine Außenhaut haben, die aus einem Leichtbaumaterial wie Glasfaser- oder eine Grafit-Verbundwerkstoff besteht. Die Hauptfunktion der Motorgondel-Außenhaut ist, den Inhalt vor den Elementen (z. B. Regen, Eis, Schnee, usw.) zu schützen.
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Die Rotorblätter 130 sind mit der Nabe 140 verbunden, und die Nabe kann einen Anstellwinkel-Stellmechanismus enthalten, um den Anstellwinkel jedes Rotorflügels zu regulieren. Gewöhnlich werden in den meisten kommerziellen Windkraftanlagen drei Rotorblätter verwendet, jedoch konnten ebenso ein, zwei oder vier oder mehr Rotorblätter verwendet werden. Die Rotorblätter wandeln die kinetische Energie des Winds in die mechanische Energie um, um eine Welle mit der niedrigen Drehzahl drehen zu lassen. Die Rotorblätter können aus Glasfaser- oder Kohlenstofffaser-Verbundmaterial, Glasfaser-verstärktem Kunststoff oder Holz/Epoxydharz-Laminaten oder anderen passenden Materialien verfertigt werden. Die langsam drehende Welle wird mit der Nabe 140 normalerweise über eine verschraubte Flansch-Kupplung verbunden.
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Es werden Generatoren verwendet, um die Drehung einer Welle in Elektroenergie umzuwandeln. Ein Getriebe wird normalerweise verwendet, um die Drehzahl der Eingangswelle zum Generator zu vergrößern. Das Getriebe hat die langsam drehende Welle als Eingang und der Ausgang ist ein schneller drehende Welle, die gemäß Aspekten der gegenwärtigen Erfindung, direkt den Generator antreiben kann.
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2 illustriert einen Antriebsstrang 200, der ein zusammengesetztes Planetengetriebe 202 und einen Generator 260 enthält. Die langsam drehende Welle 210 wird durch zwei getrennte und axiale Hauptlager 215 unterstützt. Die langsam drehende Welle 210 wird über das Nabe-Flansch-Befestigung 220 mit der Nabe 140 und den Rotorblättern 130 der Windkraftanlage 100 verbunden. Entsprechend wird die langsam drehende Welle 210 durch die vom Wind bewegten Rotorblätter 130 angetrieben. Die langsam drehende Welle 210 ist mit dem Planetenräderkorb 240 durch eine Drehmoment übertragende Kupplung 230 verbunden. Der Planetenträger 240 trägt die Planetenräder 242 und die Planet-Ritzel 244, welche sich eine gemeinsame Welle teilen. Ein Zahnkranz 246 wird dem Getriebegehäuse 248 fest verbunden und greift mit den Planet-Ritzeln 244 ineinander. Ein Sonnenrad 250 wird durch die Planetenräder 242 angetrieben, und die Drehung des Sonnenrades 250 wird direkt an den Generator 260 übertragen. Der Generator 260 hat einen Stator 262 und einen Rotor 264. Der Rotor 264 wird durch Rotor-Lager 266 unterstützt, die innerhalb des Generators 260 eingeschlossen sind.
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Das Getriebe 202 kann jeder passende Typ des Getriebes einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Getriebe des Parallelwellentyps und Planetengetriebetypen sein. Das Getriebe, kann ein, zwei, drei oder mehr Stufen haben, obwohl für eine große Windkraftanlage drei oder weniger Stufen bevorzugt werden. Die individuellen Getriebe (z. B. langsames Zahnrad, schnelles Zahnrad, Sonnenrad, Planetenrad, Zahnkranz, usw.) weisen jeweils mehrere Zähne auf, die mit Zähnen angrenzender Zahnräder kämmen. Zum Beispiel kämmen die Zähne auf dem Sonnenrad 250 mit den Zähnen des Planetenrads 242.
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Während des Betriebs der Windkraftanlage können die Zahnräder des Getriebes 202 Verschleiß erfahren. Es ist wichtig, diesen Verschleiß zu kontrollieren und Zahräder zu reparieren oder zu ersetzen, die außer der Spezifizierung sind. Jedoch ist es bis heute schwierig gewesen zu bestimmen, wie viel Verschleiß auf den Zahnrädern vorliegt. Eine bekannte Lösung hat verlangt, dass ein Techniker eine Schablone verwendet, wo der Zahnrad-Eindruck darin maschinell hergestellt wurde und dann unter Nutzung von Fühlerlehren der Freiraum zwischen der Schablone und dem Zahnrad-Zahn gemessen wurde. Jedoch kann dieser Prozess variable Ergebnisse erbringen, die auf den spezifischen Techniker zurückgeht, der die Messung durchführt.
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Ein verbessertes Zahnrad 300 wird in der 3 illustriert, die eine teilweise vereinfachte Seitenansicht von einem Zahnrad ist, das im Getriebe einer Windkraftanlage verwendet werden kann. Das Zahnrad 300 weist mehrere Zähne 310 auf, von denen nur drei gezeigt werden. Die Zähne 310 sind im Umfang um das Zahnrad 300 angeordnet. Eine oder mehrere Verschleißindikator-Linien 320 können entlang der gesamten oder eines Teils der Oberfläche des Zahnrades 300 angeordnet werden. In der 3 sind die Verschleißindikator-Linien in einem vorbestimmten Abstand D von der Zahnoberfläche weg und an beiden Flanken jedes Zahns 310 angeordnet.
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Die Verschleißindikator-Linien können in die Zahnrad-Oberfläche eingetieft sein und durch Nuten oder eingeschriebene Linien gebildet werden. 4 illustriert eine Querschnittansicht des Zahnrades 300 entlang der Schnittebene A-A der 3, in der die Verschleißindikator-Linien aus Nuten 420 bestehen. Die Nuten 420 können von der Auflagefläche 405 des Zahns 310 durch eine vorher bestimmte Entfernung D beabstandet sein, der unerwünschten Verschleiß anzeigt. Die Nuten 420 können durch durchgehende Nuten gebildet werden oder können segmentierte Gebiete einschließen, die mit der Seite des Zahnrad-Zahns eben abschließen. In diesem Beispiel würden Nuten 420 die Form einer ”punktierten Linie” oder segmentierter Nut annehmen, und dieses kann wünschenswert sein, weil es die Betrachtung der Nut 420 durch einen Techniker während einer visuellen Überprüfung erleichtert. Getriebe werden normalerweise mit Schmieröl gefüllt, das die Nuten 420 füllen kann, und so kann es eine segmentierte Nut für einen Techniker leichter machen, die Verschleißindikator-Linien zu erkennen, weil es größere Unähnlichkeit zwischen den genuteten und ungenuteten Teilen der Verschleißindikator-Linie 420 gibt.
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Jedoch kann es in einigen Anwendungen wünschenswert sein, Verschleißindikator-Linien zu haben, die von der Zahnrad-Oberfläche hervorstehen. 5 illustriert eine Querschnittsansicht des Zahns 310 entlang der Schnittlinie A-A der 3. Die Verschleißindikator-Linie 520 besteht aus einer erhabenen Rippe, die von der restlichen Flankenfläche des Zahns 310 hervorsteht. Die erhabene Rippen-Verschleißindikator-Linie 520 kann von der Anlagefläche 505 des Zahns 310 durch eine vorher bestimmte Entfernung D beabstandet sein, der unerwünschten Verschleiß anzeigt. Die Verschleißindikator-Linie 520 kann durch eine dauernde Rippe gebildet werden oder kann segmentierte Gebiete einschließen, die abwechselnd davon hervortreten oder mit der Seite des Zahnrad-Zahns abschließen.
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6 illustriert eine teilweise Seitenansicht von einem Zahnrad 600, das Verschleißindikator-Linien 620 entlang der Spitze und den Flanken von Zähnen 610 aufweist. Wenn die Oberfläche des Zahnrad-Zahns 610 Verschleiß unter dieser Linie 620 zeigt, ist es während einer Inspektion sogleich sichtbar. Ein Techniker kann dann entweder eine Reparatur durchführen oder das abgenutzte Zahnrad oder das Getriebe ersetzen.
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7 illustriert eine teilweise Seitenansicht von einem Zahnrad 700, das Verschleißindikator-Linien 720 entlang der Spitze und den Flanken von Zähnen 710 sowie entlang der Zahnzwischenräume aufweist. Ein beschädigtes oder abgenutztes Gebiet 730 auf einem der Zähne kann durch Vergleich mit der Indikatorlinie 720 sogleich identifiziert werden. Ein Techniker kann Zahnrad und Zahn-Oberflächen anhand der Verschleißindikator-Linien 720 schnell und leicht vergleichen, um zu bestimmen, ob das Zahnrad unerwünscht abgenutzt ist oder ein Bedürfnis nach Reparatur oder Ersatz besteht.
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8 illustriert eine ausschnittsweise Seitenansicht von einem Zahnrad 800, mit segmentierten Verschleißindikator-Linien 820, die sich entlang der Zahnflanken von Zähnen 810 erstrecken. Die segmentierten Verschleißindikator-Linien 820 können durch abwechselnde Linienabschnitte gebildet werden, die mit der Zahnflanke des Zahns 810 bündig sind, die von ihr hervorstehen und/oder in sie vertieft sind. In einem Beispiel kann ein erhabener Rippenabschnitt der Linie 820 zwischen bündigen Teilen entlang der Seite des Zahns 810 abwechseln. In einem anderen Beispiel kann ein vertiefter Nut-Teil der Linie 820 zwischen bündigen Abschnitten entlang der Flanke des Zahns 810 abwechseln. In einem anderen Beispiel kann eine Kombination von bündigen, erhabenen und vertiefte Teilen der Linie 820 verwendet werden, um einem Techniker zu helfen, die Verschleißindikator-Linie 820 visuell zu erkennen und es mit dem Zahnrad oder der Zahn-Oberfläche zu vergleichen.
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9 illustriert eine Seitenansicht von einem Zahnrad, das verschiedene Typen von Verschleißindikator-Linien 900 hat. In den meisten Anwendungen wird auf einem Zahnrad ein Typ der Verschleißindikator-Linie verwendet, aber es kann gewünscht werden, in verschiedenen Positionen auf den Zahnrädern oder Zähnen verschiedene Typen von Verschleißindikator-Linien zu verwenden. Der Zahn 910 weist Verschleißindikator-Linien 920 auf, die eine angeraute Oberfläche haben. Der Zahn 912 weist Verschleißindikator-Linien 922 auf, die eine polierte oder reflektierende Fläche haben. Der Zahn 914 weist Verschleißindikator-Linien 924 auf, die aus einem magnetischen Material bestehen.
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Die angeraute Oberflächen-Verschleißindikator-Linie 920 kann einen guten Kontrast zwischen der Linie 920 und den nahe gelegenen Teilen des Zahns 910 oder Zahnrad 900 erbringen. Da die meisten Zahnräder einen Belag aus Schmierstoff haben (z. B. Öl), neigt die angeraute Oberfläche dazu, mehr Schmieröl zu behalten, als die umgebenden glatten Oberflächen. Selbst wenn ein Techniker eine Flankenoberfläche des Zahns 910 abwischt, wird die angeraute Oberfläche im Vergleich zu nichtangerauten Teilen des Zahns 910 ”hervortreten”.
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Das polierte oder die reflektierende Verschleißindikator-Linie 922 kann auch guten einen Kontrast zwischen der Linie 922 und den nahe gelegenen Teilen des Zahns 912 oder Zahnrad 900 erbringen. Da die meisten Zahnräder einen Belag aus Schmierstoff haben (z. B. Öl), neigen die polierte oder reflektierende Fläche dazu, weniger Schmieröl zu behalten, als die umgebende Zahnflanke des Zahns 912. Die polierten und/oder reflektierenden Fläche der Linie 922 werden im Vergleich zu ”raueren” Teilen des Zahns 912 ”hervortreten”. Die Verschleißindikator-Linie 922 kann auch mit einer phosphoreszierenden oder Leuchtstofftinte gebildet werden. Das kann dazu beitragen, die Linie unter schlecht beleuchteten Bedingungen oder durch Gebrauch von spezifischen sich Lichtquellen (z. B. eine UV-Lampe oder eine Schwarzlichtlampe) ”zu illuminieren”.
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Die magnetische Oberflächen-Verschleißindikator-Linie 924 kann das Unterscheiden zwischen der Linie 924 und den nahe gelegenen Teilen des Zahns 914 oder Zahnrads 900 erleichtern. Die magnetische Oberfläche kann mit einer magnetischen Sonde leicht lokalisiert werden. Die magnetische Oberfläche kann auch kleine Partikeln festhalten, was sie von den nichtmagnetischen umgebenden Zahnflankenbereichen des Zahns 914 abhebt.
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10 illustriert eine Querschnittansicht eines Zahnrad-Zahns 1010, bei dem eine Verschleißindikator-Linie 1020 einen aus Elastomermaterial bestehenden Einsatz 1030 aufweist, der innerhalb einer Nut 1035 gesichert ist. Die Wirkung der ”erhabene Rippe” erleichtert die Auffindung und Betrachtung der Verschleißindikator-Linie 1020 sowie den Vergleich der Verschleißindikator-Linie 1020 mit der Anlagefläche 1040 der Zahnflanke. Das Elastomermaterial 1030 kann jedes passende Material sein, und ein Beispiel dafür ist Gummi oder eine Gummimaterialzusammensetzung. Die Nut 1035 kann in der spezifischen Anwendung rechteckig sein oder eine Schwalbenschwanz-Form, oder falls gewünscht jede andere passende Form haben.
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Die Verschleißindikator-Linie kann auf eine oder beide Seiten der Zahnräder und oder Zähne gelegt werden, und jede Seite kann eine oder mehr Verschleißindikator-Linien haben. Gewöhnlich wird mindestens eine Flanke des Zahnradzahns mindestens eine Verschleißindikator-Linie haben. Die Verschleißindikator-Linie kann von den verschleißbehafteten Oberflächen des Zahnrades um ein vorbestimmtes Maß nach innen versetzt sein, das unerwünschten Verschleiß auf dem Zahnrad und/oder der Zahnflanke anzeigt. Die Verschleißindikator-Linie kann auch einer Kombination einer vertieften Nut, einer erhabenen Rippe, einer angerauten Oberfläche, einer polierten Oberfläche, einer reflektierenden Fläche, phosphoreszierenden Materials, Leuchtstoffmaterials und/oder eines magnetischen Materials, oder irgendwelcher Kombinationen davon gebildet werden. Nur als Beispiel kann die Verschleißindikator-Linie durch einen genuteten Teil, einen erhabenen Rippen-Teil, einen angerauten Oberflächenteil und/oder einen Teil aus magnetischen Material gebildet werden.
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Die Verschleißindikator-Linien können auch von optischen Geräten und Verarbeitungssystemen genutzt werden, die die Zahnräder oder Teile davon abbilden, und dann die Größe des Verschleißes berechnen oder den Restbetrag der Zahnrad-Lebenerwartung schätzen. Die sich abhebenden Oberflächen der Verschleißindikator-Linien erleichtern manuelle oder elektronische Identifizierung und Lokalisierung der Verschleißindikator-Linien, und die nachfolgende Einschätzung des Verschleißes, den die Zahnräder und/oder Zahnradzähne erfahren haben.
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Ein bevorzugter Generator-Typ, der mit der Windkraftanlage der gegenwärtigen Erfindung verwendet werden kann, ist ein permanentmagneterregter Synchrongenerator, es können aber Induktionsgeneratoren, fremderregte Synchrongeneratoren, oder doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren ebenso verwendet werden. Eine Windkraftanlage, die einen einzelnen Generator verwendet, ist beschrieben worden, aber es soll verstanden werden, dass verschiedene Generatoren ebenso verwendbar sind wie Modifizierungen an den Getrieben. Außerdem soll es verstanden werden, dass die Verschleißindikator-Linie (N) der gegenwärtigen Erfindung in jeder Anwendung verwendet werden kann, bei der eine Anzeige des Zahnrad-Verschleißes gewünscht wird.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsform zu beschreiben und es auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung, einschließlich der Benutzung und Verwendung von Geräten oder Systemen und des Durchführens beschriebener Verfahren. Der Schutzbereich der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert, und kann andere Beispiele einschließen, die denjenigen ersichtlich sind, die auf dem Fachgebiet bewandert sind. Solche anderen Beispiele sollen im Rahmen der Ansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente haben, die sich von der wörtlichen Sprache der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden aus den wörtlichen Sprachen der Ansprüche einschließen.
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Es wird eine Windkraftanlage 100 geschaffen, die einen Turm 110 und eine durch den Turm getragene Motorgondel 120 aufweist, die einen Rotor mit einem oder mehreren Rotorblättern 130 und eine Nabe 140 aufweist. Ein Getriebe 202 ist mit dem Rotor verbunden und enthält ein oder mehrere Zahnräder 300, die eine Verschleißindikator-Linie 320 haben, die die Identifizierung des Zahnrad-Verschleißes erleichtert. Die Verschleißindikator-Linien sind auf Zahnflanken von dem oder den Zahnrädern angeordnet.
