DE102011113122A1

DE102011113122A1 - Blattlager für eine Windkraftanlage sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102011113122A1
Application number: DE102011113122A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hubertus (FH) Frank
Original assignee: IMO Holding GmbH
Current assignee: IMO Holding GmbH
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-12-27
Also published as: WO2012175204A1

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Großwälzlager als Blattlager für eine Windkraftanlage sowie auf eine Windkraftanlage mit einer um eine Drehachse etwa in Windrichtung drehbaren Nabe und mehreren, von der Nabe etwa radial auskragenden Rotorblättern, welche in je einem als Großwälzlager ausgebildeten Blattlager gelagert und dadurch in ihrem Anstellwinkel verstellbar sind, wobei das Blattlager zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse verdrehbare Anschlußelemente aus Stahl umfaßt mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlußfläche zum Anschluß an die Nabe des Windrades einerseits sowie an ein Rotorblatt andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen zum Hindurchstecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlußelementen, worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn jedes Anschlußelements entlang rollen, wobei zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn einen Stickstoffgehalt N ≥ 0,1 Gew.-%, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist; sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Großwälzlagers.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Großwälzlager als Blattlager für eine Windkraftanlage sowie auf eine Windkraftanlage mit einer um eine Drehachse etwa in Windrichtung drehbaren Nabe und mehreren, von der Nabe etwa radial auskragenden Rotorblättern, welche in je einem als Großwälzlager ausgebildeten Blattlager gelagert und dadurch in ihrem Anstellwinkel verstellbar sind, wobei das Blattlager zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse verdrehbare Anschlußelemente aus Stahl umfaßt mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlußfläche zum Anschluß an die Nabe des Windrades einerseits sowie an ein Rotorblatt andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen zum Hindurch stecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlußelementen, worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn jedes Anschlußelements entlang rollen, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Großwälzlagers.
Windkraftanlagen als Lieferant alternativer Energien gewinnen im Laufe der letzten Jahre immer mehr an Bedeutung. Die besagten Anlagen werden immer größer konzipiert und ihre Leistungsfähigkeit wird optimiert, um so viel Energie als möglich aus Wind zu gewinnen und beispielsweise dem Strommarkt zur Verfügung zu stellen.
Ein entscheidender Beitrag zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen kommt dabei aus der verbesserten Konstruktion und Steuerung der Blattlager.
Nicht nur, dass die Maßstabsvergrößerung der Windkraftanlagen zu erhöhten Belastungen infolge größerer Windlasten führt, auch die Erhöhung der sogenannten Pitchzyklen als auch das Ausregeln von Böen und des Saugdruckes durch den „Turmschatten” führt zu einer großen mechanischen Belastung, insbesondere der Blattlager.
Darüber hinaus geht man verstärkt dazu über, Windkraftanlagen in Küstennähe oder gar im Off-Shore-Bereich einer Küste aufzustellen, weil dort optimale Windverhältnisse anzutreffen sind.
Die solchermaßen gesteigerte Lagerbelastung kann letztendlich dazu führen, dass eine angestrebte Lebensdauer des Lagers wegen Abrieb und ggf. Korrosion nicht erreicht wird.
Daraus resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein gattungsgemäßes Großwälzlager als Blattlager für eine Windkraftanlage derart weiterzubilden, dass es eine erhöhte Lebensdauer und Korrosionsbeständigkeit aufweist, insbesondere ohne nennenswerte Gewichtserhöhung des Großwälzlagers.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn einen Stickstoffgehalt N ≥ 0,1 Gew.-%, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist. Im Rahmen einer derartigen Aufstickung verleiht der Stickstoff als Legierungszusatz dem Stahl besondere Eigenschaften; insbesondere erhält der davon betroffene Bereich eine gesteigerte Härte. Dabei ist diese Härtung der Laufbahnen darauf zurückzuführen, dass zumindest in einem jeweiligem Oberflächenbereich ein erhöhter Stickstoffgehalt vorliegt.
Gleichzeitig sind diese Bereiche zur (partiellen) Härtung von Randschichten gut geeignet und können auch auf großformatige Werkstücke angewendet werden, und stellen im optimalen Fall einen Zeit- und Kostenvorteil gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Prozess dar.
Insbesondere soll das Großwälzlager mit rotationssymmetrischen Laufbahnen versehen sein, welche oberflächig gehärtet sind, und findet in dieser Form Anwendung in Windkraftanlagen, insbesondere im Rahmen von Blattlagern, welche aus den oben bereits aufgezeigten Gründen besonderen mechanischen Ansprüchen unterliegen und korrosionsbeständig sein müssen. Dabei kann ein solches Großwälzlager kranzförmig um seine Rotationsachse verteilt angeordnete Befestigungsbohrungen in den gegeneinander verdrehbaren Ringen tragen.
Für die Anwendung eines nitrierten Stahls als Bauteil in einem Großwälzlager, insbesondere in einem Großwälzlager für Windkraftanlagen, hat es sich als günstig erwiesen, dass der Stickstoffgehalt N in dem nitrierten Bereich ≥ 0,2 Gew.-% ist, vorzugsweise N des nitrierten Bereichs ≥ 0,3 Gew.-%, insbesondere N ≥ 0,4 Gew.-% des nitrierten Bereichs beträgt. In Kombination mit einer Härtung dieses Bereiches kann somit eine gute Abriebbeständigkeit in Kombination mit exzellenter Korrosionsbeständigkeit erreicht werden. Besonders bei Installation der besagten Windkraftanlage im Off-Shore-Bereich ist diese erhöhte Korrosionsbeständigkeit wichtig, unter anderem wird zum Beispiel ausgeschlossen, dass es unter Dichtungen, die an einem derartigen Werkteil anlaufen, zum Unterrosten kommt.
In derartigen Konzentrationen hinzulegiert und in eventueller Kombination mit anderen Legierungsstoffen, wie zum Beispiel Cr und/oder einem oder mehreren der folgenden Elemente: Mo, V, Al, Cu, Ni, Nb, Ta, Ti, W, Pb, kann Stickstoff die Härte des Stahls und gleichzeitig auch dessen Korrosionsbeständigkeit beträchtlich steigern. Nach heutigem Stand der Technik kann in Nitrierstählen, wie beispielsweise X20CrMoN 15 1 oder X20CrMoVN 15 1 eine Härte > 58 HRC erreicht werden. Eine deutlich höhere Härte (ca. 65 HRC) kennt man nur von japanischen Messerslählen, die aber gleichzeitig nicht im ausreichenden Maße korrosionsbeständig sind, was in erster Linie auf das Fehlen von Chrom als Legierungszusatz zurückzuführen ist.
Kohlenstoff ist eines der einflussreichsten Legierungselemente im Stahl. Mit zunehmendem Kohlenstoff-Gehalt steigen die Festigkeit und Härtbarkeit des Stahles. Der Korrosionswiderstand gegenüber Wasser, Säuren und heissen Gasen usw. wird durch den Kohlenstoff allerdings nur wenig beeinflusst.
Daher ist es notwendig, dass ein für die Erfindung verwendeter Stahl zumindest einen Kohlenstoffgehalt C von 0,1 Gew.-% oder mehr aufweist, vorzugsweise von 0,2 Gew.-% oder mehr, insbesondere von 0,3 Gew.-% oder mehr.
Besondere Eigenschaften in Bezug auf Härte und Festigkeit erhält der Stahl bei einem Kohlenstoffgehalt C von 1,5 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise von 1,0 Gew.-% oder weniger, insbesondere von 0,5 Gew.-% oder weniger.
Die Erfindung bevorzugt darüber hinaus, dass der Stickstoffgehalt N des nitrierten Bereichs gleich oder größer ist als der Kohlenstoffgehalt des betreffenden Stahlbereichs: N ≥ C.
Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass die auf dem Stickstoff N basierenden, vorteilhaften Härtungseigenschaften die vom Kohlenstoff C resultierende Sprödigkeit übersteigen und insgesamt also ein zwar harter, gleichzeitig aber auch zäher Werkstoff gebildet wird.
Der verwendete Stahl sollte – zumindest in dem erfindungsgemäß nitrierten und gehärteten Bereich – einen Chromgehalt Cr von 0,5 Gew.-% oder mehr aufweisen, bspw. von 1 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise von 2 Gew.-% oder mehr, insbesondere von 5 Gew.-% oder mehr. Ohne Zusatz von Chrom könnte der verwendete Stahl zwar hohe Härten erhalten, wie von japanischen Messerstählen bekannt, allerdings würde die Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen im Off-Shore-Bereich in keiner Weise ausreichen. Außerdem erhöht jedes Prozent des Chromgehaltes die Zugfestigkeit des Stahls um etwa 80–100 N/mm².
Es ist denkbar, Chrom ganz oder anteilsmäßig durch andere korrosionsreduzierende Legierungszusätze zu ersetzen. Beispielsweise ist bekannt, dass Mo, Ti, Ni, Nb und Ta positiven Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit von Stählen haben. W kann zusätzlich noch die Verschleißfähigkeit erhöhen.
Dabei hat sich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Werkteils als günstig erwiesen, dass der Stahl – zumindest in dem erfindungsgemäß nitrierten und gehärteten Bereich – einen Molybdängehalt Mo von mehr als 0,1 Gew.-% aufweist, vorzugsweise von mehr als 0,2 Gew.-%, insbesondere von mehr als 0,3 Gew.-%. Molybdän Mo kann sich durch eine Herabsetzung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit förderlich auf die Härtbarkeit auswirken. Weitere Vorteile sind, dass Molybdän Mo die Anlassprödigkeit verringert, die Feinkornbildung fördert, Festigkeit und Streckgrenze erhöht. Diese Eigenschaften machen sich insbesondere auch im Rahmen von Blattlagern positiv bemerkbar.
Der Stickstoff N kann in dem Stahl, der zur Konstruktion des erfidungsgemäßen Werkteils herangezogen werden soll, gleichmäßig verteilt sein. Dazu wird zur Herstellung des Werkstückes ein bereits (hoch) stickstofflegierter Stahl herangezogen. In der Regel handelt es sich nach heutigem Stand der Technik bei diesen Stählen um druckaufgestickte, korrosionsbeständige, martensitische Stähle, die beispielsweise nach dem sogenannten DES U-Verfahren (Druck-Elektro-Schlacke-Umschmelzung) hergestellt worden sind. Diese Stähle sind fein und homogen und können unter Beibehaltung des Stickstoffgehaltes in verschiedener Weise nachbearbeitet werden.
Gängige, allgemeine Nachbearbeitungsverfahren sind Weichglühen, Spannungsarmglühen, Härten, Abkühlen, Anlassen.
Der Härteprozeß kann in einem aufwendigen Prozess im Vakuum durchgeführt werden. Dabei sollte auf die eingestellten Partialdrücke, insbesondere von Stickstoff, geachtet werden, da es sonst zu einer ungewollten Aufstickung oder Entstickung der Randbereiche kommt, was zu einer Minderung der Korrosionsbeständigkeit und Härte führen kann. Desweiteren ist dieser Standardhärteprozess ungeeignet für große Werkstücke. Bei Ringen von mehreren Metern Durchmessern, wie sie Anwendung in Großwälzlagern für Windkraftanlgen finden, wären Vakuumkammern von großem Ausmaß notwendig, die zusätzlich noch schwierig zu steuern wären.
Andere Methoden zur Härtung sind die Austenitisierung des Werkstoffes zwischen 1000°C und 1030°C, mit eventuellem zusätzlichem Ausgleich zwischen 750°C–780°C. Auch diese Standardmethoden beziehen sich stets auf das gesamte Werkstück und sind insbesondere bei großformatigen Werkstücken mit Ausmaßen von mehreren Meter mit einem hohen Konstruktions- und Kostenaufwand verbunden.
Daher ist es Inhalt der Erfindung, zusätzlich eine Methode zu entwickeln, bei der bereits mit Sickstoff durchlegierte Stähle nur in partiellen Bereichen gehärtet werden, in denen es zu besonderen Anforderungen in Bezug auf Abrieb, Reibung und Korrosion kommt.
Ein zweiter erfindungsgemäßer Weg zur Erhöhung dar Härte und Korrosionsbeständigkeit des Werkstückes besteht darin, einen in der Anwendung üblichen Werkstoff, der ursprünglich nicht oder nur gering mit Stickstoff legiert ist, wie beispielsweise 42CrMo4, in Bereichen an seiner Oberfläche mit erhöhten Stickstoffgehalten zu versehen und diese angereicherten Oberflächenbereiche gleichzeitig und/oder nachträglich zu härten, so dass besonders dort eine höhere Härte und Korrosionsbeständigkeit erhalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Großwälzlagers oder einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit wenigstens einem derartigen Großwälzlager zeichnet sich dadurch aus, dass der Stickstoff N dem Stahl vor dessen Formgebung hinzugefügt wird. Üblicherweise ist in diesem Falle der Stickstoffgehalt im gesamten Werkstück vor der Härtung ungefähr gleich hoch, da der Stickstoff bereits während der Herstellung des Stahls (beispielsweise im DESU-Verfahren) hinzugefügt wird, mit dem Ziel, den Stahl härter und korrosionsbeständiger zu machen. Bei geeigneten Bedingungen der Formgebung (z. B. Temperaturführung, Partialdruck usw.), wird der ursprüngliche Stickstoffgehalt beibehalten. Somit ist eine nachträgliche (partielle) Härtung möglich.
Der Stickstoff N kann einem Stahl andererseits auch nach dessen Formgebung hinzugefügt werden, wobei durch gängige Nitrierungsmethoden in diesem Fall im Wesentlichen in Oberflächenbereichen eine Anreicherung mit Stickstoff erreicht wird. Die Einbringung des Stickstoffes N kann durch Badnitrieren, insbesondere Salzbadnitneren, oder durch Gasnitrieren oder Plasmanitrieren oder Sputtern erreicht werden.
Es ist Inhalt der Erfindung, dass zumindest ein nitrierter Bereich gehärtet wird, wobei sich vorzugsweise das induktive Härten als für großformatige Werkstücke besonders geeignet gezeigt hat.
Weitere geeignete Verfahren zur Härtung von bereits nitrierten Bereichen sind z. B. Konduktionshärten, Flammenhärten, Laserstrahlhärten und Elektronenstrahlhärten.
Insbesondere beim Induktionshärten, aber auch bei den anderen genannten Härtemöglichkeiten besteht die Möglichkeit, einen nicht stickstoffhaltigen Werkstoff gleichzeitig zu nitrieren und zu härten. Dazu wird ein üblicher Werkstoff wie beispielsweise 42CrMo4 während des Induktivhärteprozesses im Bereich der erwärmten Härtezone mit einem speziellen Gas (z. B. N₂, NH₃, auch in Kombination mit CO₂ usw.) mit atmosphärischem Druck oder Überdruck beaufschlagt, um über Diffusion eine (partielle) oberflächige Stickstoffeinbringung in die erhitzte Zone des Werkstückes (bspw. Ringes) einzubringen.
Eine alternative Variante dazu wäre, dass der Stickstoff nach dem (Induktiv-)Härten von beispielsweise eines 42CrMo4-Ringes durch einen separaten Prozess in den oberflächengehärteten Bereich eingebracht wird. Dabei kann der Stickstoff nachträglich sowohl nur in den gehärteten Bereich eingebracht werden, als auch in das gesamte Werkstück.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass wenigstens ein (nitrierter) Bereich auf wenigstens 500°C erhitzt wird, vorzugsweise auf wenigstens 700°C, insbesondere auf wenigstens 900°C und somit eine gewünschte (partielle) Härtung erzielt wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
1 eine schematische Stirnansicht auf eine Windkraftanlage; sowie
2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Rotorblattlagereinheit in eingebautem Zustand, teilweise abgebrochen.
Gemäß 1 besteht die Windkraftanlage aus einem Mast 1, einem von diesem getragenen Maschinenhaus 2 und dem eigentlichen, daran drehbar gelagerten Windrad 3. Dessen Nabe 4 trägt sternartig bzw. äquidistant über den Nabenumfang verteilt angeordnete, jeweils radial von der Nabe 4 ab ragende, langgestreckte Rotarblätter 5, die jeweils in einer Drehrichtung 7 um ihre Längsachse 6 gegenüber der Windrichtung verstellbar sind. Dazu sind in Bohrungen 8 in der Nabe 4 jeweils zylinderförmige Anschlußelemente 9 eingelassen.
An der dem Flügelblatt 5 abgewandten Stirnseite ist ein starr fixiertes Nabenanschlußelement 10 vorgesehen, Die große Anzahl der sogenannten Pitchzyklen als auch das Ausregeln von Böen und der Saugdruck durch den „Turmschatten” führt zu einer hohen mechanischen Belastung unter anderem der Blattlager 11 und daher sind hohe Anforderungen an Abrieb und Korrosion in besonders diesem Bereich gestellt. Die Anforderung an hohe Korrosionsbeständigkeit ist insbesondere dann gefordert, wenn die Windkraftanlage in aggressiver Seeluft aufgestellt und betrieben wird.
Somit ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass besondere Bereiche der Blattlager 11, welche hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und/oder besonders leicht korrodieren, aus hochstickstofflegiertem Stahl hergestellt sind, welcher in Bereichen der höchsten Belastung noch partiell durch beispielsweise Induktionsverfahren gehärtet sein sollte.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Wälzlager 12 und 13 aus stickstofflegiertem Stahl hergestellt sind, der in seinen Randzonen 14 und 15 gehärtet ist, damit er in den Bereichen, in denen die größte mechanische Belastung während der Betriebes zu erwarten ist, besonders stabile Eigenschaften gegenüber Abrieb und Korrosion zeigt.
Das bereits oben erwähnte erfindungsgemäßes Blattlager 11 dient dem verdrehbaren Anschluß eines Rotorblattes 5 an der Rotornabe 4, und sein Aufbau ist nun in 2 detailliert dargestellt.
Das Rotorblatt 5 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff und ist nach Art eines Flügels gestaltet. Zur Gewichtsersparnis ist das Rotorblatt 5 als einen inneren Hohlraum umgebende Mantelfläche 16 ausgebildet, die häufig einen Durchmesser von 2–3 m an ihrer dicksten Stelle einnehmen kann. Die ebene rückwärtige Anschlußfläche 17 hat einen kreisringförmigen Umriß. In dieser Anschlußfläche 17 befinden sich kranzförmig angeordnete Sacklochbohrungen 18, welche jeweils bis zu einem in das Rotorblatt 5 eingesetzten Verankerungskörper 19 aus einem harten Material führen, bspw. aus Eisen. Die Sacklochbohrungen 18 setzen sich in den Verankerungskörpern 19 als Innengewindebohrungen fort.
Die Rotornabe 4 verfügt über eine steife Ausbuchtung 20 mit je einer ebenen, kreisringförmigen Anschlußfläche 21 für jedes Rotorblatt 5, welche eine kreisförmige Öffnung 22 umgibt.
In der Anschlußfläche 21 befinden sich kranzförmig angeordnete Sacklochbohrungen 22, die mit einem Innengewinde versehen sind.
Zwischen den beiden Anschlußflächen 17, 21 befindet sich die Lagereinheit 23, die zwei ringförmige, zueinander konzentrische und gegeneinander verdrehbare Anschlußelemente 24, 25 aufweist. Je eine von zwei voneinander abgewandten Stirnseiten 26, 27 dieser Anschlußelemente 24, 25 liegen jeweils vollflächig an je einer Anschlußfläche 17, 21 an. Auch die Stirnseiten 26 und 27 können aus besonders gehärtetem und korrosionsbeständigem Stahl hergestellt sein.
Zur festen Verbindung der Anschlußelemente 24, 25 mit dem Rotorblatt 5 einerseits und der Rotornabe 4 andererseits sind in den beiden Anschlußelementen 24, 25 jeweils kranzförmig angeordnete Durchgangsbohrungen 28, 29 vorgesehen. Die Durchgangsbohrungen 78 des innenliegenden Anschlußelements 24 stimmen hinsichtlich Anzahl, Durchmesser und Ausrichtung mit den Sacklochbohrungen 29 in der Anschlußfläche 17 des Rotorblattes 5 derart überein, dass je eine Durchgangsbohrung 29 mit je einer Sacklochbohrung 9 fluchtet und das Einstecken eines Stehbolzens 30 erlaubt. Sind alle Muttern auf dem Stehbolzen 30 fest angezogen, so ist der Innenring 24 fest mit dem rückwärtigen Ende 31 des Rotorblattes 5 verbunden, und zwar vorzugsweise so, dass die Mittelachse des Innenrings 24 mit der Langsachse des Rotorblattes 5 fluchtet.
Die Durchgangsbohrungen 29 des äußeren Anschlußelements 25 entsprechen hinsichtlich Anzahl, Durchmesser und Anordnung bzw. Ausrichtung den Sacklochbohrungen 8 in der Anschlußfläche 21 der Rotornabe 4 derart überein, dass je eine Durchgangsbohrung 29 mit je einer Sacklochbohrung 8 fluchtend ausgerichtet ist und das Hindurchstecken eines Stehbolzens 32 ermöglicht. Sind alle Muttern 33 auf den Stehbolzen 32 fest angezogen, so ist der Außenring 25 fest mit der Ausbuchtung 21 der Rotornabe 4 verbunden.
Wie man erkennt, ist ein Ring 24, 25 – in diesem Falle der Außenring 25 – als sog. „Nasenring” ausgebildet, d. h., er weist einen rundum laufenden Bund auf, die sog. Nase 34. Dieser Bund 34 hat einen etwa rechteckigen Querschnitt, und er wird von einer Ausnehmung des anderen, querschnittlich etwa C-förmig gestalteten Rings 52, 24 – in diesem Falle des Innenrings 24 – umgriffen. Infolge dieser Umgreifung ist ein Zusammenbau des Lagers 11 nur deshalb möglich, weil der C-förmige Ring 24 in einer Ebene, die von der Rotationsachse 6 des Blattlagers 11 rechtwinklig durchsetzt wird, in zwei aufeinander liegende Ringe unterteilt ist.
Drei Seiten des Querschnitts durch die Nase 34 dienen als Laufbahnen 14 für daran entlang rollende Wälzkörper 12, 13, insbesondere rollenförmige Wälzkörper 12, 13. Diese Laufbahnen 14 weisen einen erhöhten Stickstoffgehalt N auf und sind außerdem oberflächengehärtet. Vorzugsweise sind die gehärteten Oberflächenbereiche 14 an den Kanten der Nase 34 miteinander verbunden, also gemeinsam gehärtet.
In ähnlicher Form sind die den Wälzkörpern 12, 13 zugewandten Oberflächen 15 des querschnittlich C-förmigen Rings 24 ebenfalls mit einem erhöhten Stickstoffanteil ausgestattet und darüber hinaus auch oberflächengehärtet. In diesem Falle sind die verschiedenen, erfindungsgemäß behandelten Laufbahnbereiche 15 nicht miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Mast
2: Maschinenhaus
3: Windrad
4: Nabe
5: Flügelblatt
6: Längsachse
7: Drehrichtung
8: Bohrung
9: Anschluß
10: Nabenanschlußelement
11: Blattlager
12: Wälzlager
13: Wälzlager
14: Gehärtete Schicht
15: Gehärtete Schicht
16: Mantelfläche
17: Anschlußfläche
18: Sacklochbohrung
19: Verankerungskörper
20: Ausbuchtung
21: Anschlußfläche
22: Öffnung
23: Lagereinheit
24: Innenring
25: Außenring
26: Stirnseite
27: Stirnseite
28: Durchgangsbohrung
29: Durchgangsbohrung
30: Stehbolzen
31: Rückwärtiges Ende
32: Stehbolzen

Claims

Großwälzlager für die Anwendung in einer Windkraftanlage als Blattlager (11), umfassend zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse verdrehbare Anchlußelemente (24, 25) aus Stahl mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlußfläche (26, 27) zum Anschluß an die Rotornabe (4) einerseits und an ein Rotorblatt (5) andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen (8, 18, 28, 29) zum Hindurchstecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben oder -bolzen (30, 32) durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlußelementen (24, 25), worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern (12, 13) an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn (14, 15) jedes Anschlußelements (24, 25) entlang rollen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn (14, 15) einen Stickstoffgehalt N ≥ 0,1 Gew.-%, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist.
Windkraftanlage (1) mit einer um eine Drehachse etwa in Windrichtung drehbaren Nabe (4) und mehreren, von der Nabe (4) etwa radial auskragenden Rotorblättern (5), welche in je einem als Großwälzlager ausgebildeten Blattlager (11) gelagert und dadurch in ihrem Anstellwinkel verstellbar sind, wobei das Blattlager (11) zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse (6) verdrehbare Anschlußelemente (24, 25) aus Stahl umfaßt mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlußfläche (26, 27) zum Anschluß an die Nabe (4) des Windrades (3) einerseits sowie an ein Rotorblatt (5) andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen (8, 18, 28, 29) zum Hindurchstecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben oder -bolzen (30, 32) durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlußelementen (24, 25), worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern (12, 13) an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn (14, 15) jedes Anschlußelements (24, 25) entlang rollen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn (14, 15) einen Stickstoffgehalt N ≥ 0,1 Gew.-%, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist.
Großwälzlager nach Anspruch 1 oder damit ausgerüstete Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt N des nitrierten Bereichs ≥ 0,2 Gew.-% ist, vorzugsweise N ≥ 0,3 Gew.-% des nitrierten Bereichs, insbesondere N ≥ 0,4 Gew.-% des nitrierten Bereichs.
Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffgehalt C von 0,1 Gew.-% oder mehr aufweist, vorzugsweise von 0,2 Gew.-% oder mehr, insbesondere von 0,3 Gew.-% oder mehr.
Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffgehalt C von 1,5 Gew.-% oder weniger aufweist, vorzugsweise von 1,0 Gew.-% oder weniger, insbesondere von 0,5 Gew.-% oder weniger.
Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt N des nitrierten Bereichs gleich oder größer ist als der Kohlenstoffgehalt des Stahls: N ≥ C.
Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Chromgehalt Cr von mehr als 0,5 Gew.-% aufweist, vorzugsweise von mehr als 0,8 Gew.-%, insbesondere von mehr als 5 Gew.-%.
Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Molybdängehalt Mo von mehr als 0,1 Gew.-% aufweist, vorzugsweise von mehr als 0,2 Gew.-%, insbesondere von mehr als 0,3 Gew.-%.
Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N in dem Stahl gleichmäßig verteilt ist.
Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N nur in einem Oberflächenbereich des Stahls erhöht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N dem Stahl vor dessen Formgebung hinzugefügt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N dem Stahl nach dessen Formgebung hinzugefügt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff durch Badnitrieren, insbesondere Salzbadnitrieren, oder durch Gasnitrieren oder Plasmanitrieren oder Sputtern hinzugefügt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein nitrierter Bereich induktiv gehärtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein nitrierter Bereich auf wenigstens 500°C erhitzt wird, vorzugsweise auf wenigstens 700°C, insbesondere auf wenigstens 900°C.