DE102012212792A1

DE102012212792A1 - Lageranordnung für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102012212792A1
Application number: DE201210212792
Authority: DE
Inventors: Carsten Landeck; Klaus Zimmermann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-01-23

Abstract

Lageranordnung (1, 14) für eine Windkraftanlage mit Direktantrieb, umfassend einen Generator mit einem Stator (4), einem Rotor (2) und wenigstens einem dazwischen angeordneten Rollenlager (3), das durch eine berührungslose Dichtung abgedichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Windkraftanlage mit Direktantrieb, umfassend einen Generator mit einem Stator, einem Rotor und wenigstens einem dazwischen angeordneten Rollenlager.
Hintergrund der Erfindung
Windkraftanlagen umfassen im Wesentlichen eine Turbine mit an einer Nabe angebrachten Rotorblättern, wobei die Nabe mit einer Rotorwelle gekoppelt ist, die mit dem Rotor einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine verbunden ist. Ein zugehöriger Stator ist ortsfest an einer Gondel angebracht, die auf einem Turm angeordnet ist.
Direkt angetriebene Windkraftanlagen weisen kein zwischengeschaltetes Getriebe auf, dementsprechend dreht sich der Rotor mit derselben Geschwindigkeit wie die Rotorblätter. Der Verzicht auf ein Getriebe erfordert allerdings vergleichsweise große Generatoren. Seit einiger Zeit werden Windkraftanlagen für den Offshore Einsatz entwickelt. Bei Offshore Anwendungen sind die Wartungskosten um ein Vielfaches höher als bei auf dem Land aufgestellten Windkraftanlagen. Besonders schwierig gestaltet sich der Austausch von Einzelteilen des Antriebsstrangs, die auf Gondelhöhe angehoben und dort montiert werden müssen.
Bei herkömmlichen Windkraftanlagen, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2007 003 618 A1 bekannt sind, hat sich die Lagerung des Rotors als aufwendig herausgestellt. Im Stand der Technik werden derartige Lageranordnungen mit Radialwellendichtringen ausgeführt, d. h., eine auf der Rotorwelle angeordnete Dichtung rotiert mit dieser und dichtet einen Dichtspalt ab, indem sie an einem ortsfesten Bauteil, insbesondere einem Teil des Stators, schleift. Alternativ kann eine im Gehäuse angeordnete, nicht rotierende Dichtung, welche auf der rotierenden Welle schleift, vorgesehen sein. Derartige berührende Dichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie durch die auftretende Reibung verschleißen und nach einer festgelegten Betriebsdauer ausgetauscht werden müssen. Zudem könnte der Fall eintreten, dass die Dichtung früher versagt, wodurch ein Lagerschaden verursacht werden kann, der hohe Kosten durch Stillstandszeiten auslöst und eine aufwendigere Reparatur erforderlich macht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung für einen Generator einer Windkraftanlage anzugeben, die wartungsfrei ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Lageranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Rollenlager durch eine berührungslose Dichtung abgedichtet ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine wartungsfreie Dichtung für eine Windkraftanlage durch den Einsatz einer berührungslosen Dichtung erhalten werden kann. Konstruktionsbedingt weist dieses Dichtsystem während des Betriebs keinen Verschleiß auf, somit kann es während der gesamten vorgesehenen Lebensdauer der Windkraftanlage, die z. B. 20 Jahre betragen kann, wartungsfrei betrieben werden. Dementsprechend entfallen kostspielige und aufwendige Wartungsmaßnahmen wie der Austausch einer Dichtung oder von Dichtungskomponenten in großer Höhe. Dies ist für die vorliegende Anwendung besonders vorteilhaft, da die verwendeten Rollenlager einen Durchmesser im Bereich von 1.000 bis 2.000 mm aufweisen, derartige Dichtungen können nur mit hohem technischem Aufwand nachträglich ausgetauscht werden.
Im Hinblick auf die berührungslose Dichtung wird es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass sie als Labyrinthdichtung ausgebildet ist. Durch die Labyrinthdichtung wird ein vergleichsweise langer Dichtspalt geschaffen, der das Eindringen von Fremdkörpern oder anderen unerwünschten Stoffen von außen in den Bereich des Rollenlagers verhindert. Beispiele dafür sind Salz, Staub sowie Regenwasser. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene berührungslose Dichtung wird sichergestellt, dass der abgedichtete Raum um das Rollenlager verschmutzungsfrei bleibt.
Eine noch bessere Dichtwirkung kann bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung erzielt werden, wenn die Labyrinthdichtung ein mehrstufiges Labyrinth aufweist. Durch die mehreren Stufen erhöht sich die Länge des Dichtspalts, sodass es eventuell vorhandenen Fremdkörpern erschwert wird, bis in den abgedichteten Raum um das Rollenlager herum zu gelangen.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Labyrinthdichtung an beiden Seiten des Rollenlagers angeordnete erste, an dem Rotor angebrachte Dichtungselemente und zweite, an dem Stator angebrachte Dichtungselemente umfasst, wobei zwischen den ersten und den zweiten Dichtungselementen jeweils ein Dichtspalt mit festgelegter Größe gebildet ist. Der labyrinthartige Dichtspalt macht es Schmutzteilchen praktisch unmöglich, von außen in das Innere des abgedichteten Bereichs um das Rollenlager zu gelangen, sodass diese permanent vor Verschmutzung geschützt werden können.
Um die gewünschte dauerhafte Haltbarkeit zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass die berührungslose Dichtung aus Stahl hergestellt ist.
Um eine Schmierung des Rollenlagers zu gewährleisten, kann ein Freiraum im Bereich des Rollenlagers mit Fett oder Öl gefüllt sein. Dadurch wird einerseits die gewünschte Schmierung erzielt, andererseits wird verhindert, dass Wassertropfen oder Ähnliches in den Bereich des Rollenlagers gelangen. Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Lageranordnung ein Mittel aufweist, um den Freiraum mit Fett zu befüllen. Beispielsweise kann ein mit Fett oder Öl gefüllter Vorratsbehälter vorhanden sein, der eine Pumpe oder eine Presse aufweist, um kontinuierlich oder in festgelegten Zeitabständen den Freiraum mit Fett zu befüllen, wobei alter Schmierstoff vom Lager weggefördert wird.
Erfindungsgemäß kann das Rollenlager als zweireihiges Kegelrollenlager ausgebildet sein. Die Wälzkörper laufen dabei einerseits an einem Lageraußenring und andererseits an zwei Innenringen. Die Lageranordnung ist Bestandteil des Lastpfads, d. h., über die Lageranordnung werden erhebliche Kräfte abgetragen.
Um eine noch höhere Sicherheit gegenüber Verschmutzung zu erhalten, kann die berührungslose Dichtung außenseitig mit einem V-Ring versehen sein. Der V-Ring wird entlang der äußeren Berührfläche des ersten und des zweiten Dichtungselements positioniert und dichtet diesen Bereich nach außen ab. Andererseits gelangt an dieser Stelle eine geringe Fettmenge von innen nach außen, dementsprechend kann mit dem zusätzlichen V-Ring, der aus einem Elastomermaterial besteht, eine besonders hohe Sicherheit vor Verschmutzung erzielt werden.
Daneben betrifft die Erfindung eine Windkraftanlage mit Direktantrieb mit einer Rotorblätter aufweisenden Turbine und einem Generator, umfassend einen Stator, einen mit der Turbine verbundenen Rotor und einer wenigstens ein Rollenlager umfassenden Lageranordnung.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Generator mit einer Lageranordnung der beschriebenen Art aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lageranordnung in einer geschnittenen Ansicht; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lageranordnung in einer geschnittenen Ansicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Lageranordnung 1 in einer geschnittenen Ansicht. Die Lageranordnung 1 ist Bestandteil einer Windkraftanlage mit Direktantrieb und dient zur Lagerung des Generatorrotors im Stator. Da es sich um ein rotationssymmetrisches Bauteil handelt, ist in 1 lediglich die obere Hälfte der Lageranordnung 1 dargestellt. Ein lediglich teilweise gezeigter Rotor 2 ist mittels eines Rollenlagers 3 in einem Gehäuse eines Stators 4 gelagert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rollenlager 3 als zweireihiges Kegelrollenlager ausgebildet, das an Anlageflächen 5 eines Lageraußenrings 6 anliegt. Der Lageraußenring 6 ist in dem Stator 4 gehalten. Andererseits liegen die Wälzkörper des Rollenlagers 3 an Innenringen 7, 8 an, die in dem Rotor 2 angeordnet sind. Der Stator 4 und der Lageraußenring 6 sind mittels Schraubbolzen 9 miteinander verbunden, wobei auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar sind.
Das Rollenlager 3 ist durch eine berührungslose Dichtung abgedichtet, die als Labyrinthdichtung ausgebildet ist und erste, an dem Rotor 2 angeordnete Dichtungselemente 10 und zweite, an dem Stator angebrachte Dichtungselemente 11 umfasst, wobei zwischen den ersten und den zweiten Dichtungselementen 10, 11 jeweils ein Dichtspalt mit festgelegter Größe gebildet ist. Wesentlich ist dabei, dass die beiden aus Stahl bestehenden Dichtungselemente 10, 11 einander nicht berühren, sie sind durch einen Dichtspalt in der Größenordnung einiger Millimeter voneinander getrennt. Dementsprechend ist diese berührungslose Dichtung reibungsfrei und damit auch verschleißfrei. Eines der Dichtungselemente rotiert, das andere steht.
Im Bereich des Rollenlagers 3 ist ein Freiraum 12 gebildet, der mit Fett gefüllt ist. Eine Pumpe ist vorgesehen, um während des Betriebs in bestimmten Abständen das Lager und den Freiraum mit Fett zu befüllen. Überschüssiges Fett gelangt durch den Dichtspalt zwischen den Dichtungselementen 10, 11 nach außen, wodurch an dieser Stelle ein Fettkragen entsteht, der den Dichtspalt zusätzlich abdichtet und das Eindringen von Staub oder anderen unerwünschten Stoffen verhindert.
In 1 erkennt man, dass an der Außenseite der Dichtung ein zusätzlicher V-Ring 13 vorgesehen ist, der aus einem Elastomer besteht. Der V-Ring dient als zusätzlicher Staubschutz im Bereich des Dichtspalts. Er ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und kann auch weggelassen werden. Er weist eine an einem Dichtungselement anliegende Dichtlippe auf und sollte nach einer gewissen Zeit erneuert werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das zweite Dichtungselement 11 einen sich axial erstreckenden Endabschnitt auf, der in einen entsprechend gegengleich ausgebildeten Abschnitt des ersten Dichtungselements 10 eingreift. Die in 1 gezeigte Labyrinthdichtung ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen, da auch anders geformte Labyrinthdichtungen verwendet werden können.
Die Lageranordnung 1 eignet sich besonders für Offshore Anwendungen, da sie wartungsfrei ist und einen störungsfreien Betrieb des Rollenlagers während der gesamten Nutzungsdauer der Windkraftanlage erwarten lässt.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Lageranordnung 14, wobei übereinstimmende Komponenten mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet werden. Das Rollenlager 3 ist zwischen dem Stator 4 und dem Rotor 2 aufgenommen. Der Lageraußenring 6 und die Innenringe 7, 8 entsprechen ebenfalls den entsprechenden Komponenten des Ausführungsbeispiels von 1.
Anders ausgebildet ist hingegen die Labyrinthdichtung, bestehend aus ersten, am Rotor zwei angeordneten Dichtungselementen 15 und zweiten, am Stator 4 angeordneten Dichtungselementen 16. Das erste Dichtungselement 15 weist einen sich radial erstreckenden Endabschnitt 17 auf, der in einer entsprechend gegengleich ausgebildeten Nut 18 des zweiten Dichtungselements 16 aufgenommen ist. Zwischen den Dichtungselementen 15, 16 ist ein Dichtspalt mit festgelegter Breite ausgebildet. Der Dichtspalt wird außenseitig zusätzlich von dem V-Ring 13 verschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Lageranordnung
2: Rotor
3: Rollenlager
4: Stator
5: Anlageflächen/Laufbahnen
6: Lageraußenring
7: Innenring
8: Innenring
9: Schraubbolzen
10: Dichtungselement
11: Dichtungselement
12: Freiraum
13: V-Ring
14: Lageranordnung
15: Dichtungselement
16: Dichtungselement
17: Endabschnitt
18: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007003618 A1 [0004]

Claims

Lageranordnung (1, 14) für eine Windkraftanlage mit Direktantrieb, umfassend einen Generator mit einem Stator (4), einem Rotor (2) und wenigstens einem dazwischen angeordneten Rollenlager (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Rollenlager (3) durch eine berührungslose Dichtung abgedichtet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Dichtung als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung als mehrstufiges Labyrinth ausgebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthdichtung an beiden Seiten des Rollenlagers (3) angeordnete erste, an dem Rotor (2) angebrachte Dichtungselemente (10, 15) und zweite, an dem Stator (4) angebrachte Dichtungselemente (11, 16) umfasst, wobei zwischen den ersten und den zweiten Dichtungselementen (10, 11, 15, 16) jeweils ein Dichtspalt mit festgelegter Größe gebildet ist.
Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Dichtung aus Stahl oder Kunststoff hergestellt ist.
Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freiraum im Bereich des Rollenlagers (3) mit Fett oder Öl gefüllt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mittel aufweist, um den Freiraum mit Fett oder Öl zu befüllen, vorzugsweise kontinuierlich oder in festgelegten Zeitabständen.
Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollenlager (3) als zweireihiges Kegelrollenlager oder als angestellte Lagerung mit zwei einseitigen Kegelrollenlagern ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Dichtung außenseitig mit einem vorzugsweise aus einem Elastomermaterial bestehenden V-Ring (13) versehen ist.
Windkraftanlage mit Direktantrieb, mit einer Rotorblätter aufweisenden Turbine und einem Generator, umfassend einen Stator (4), einen mit der Turbine verbundenen Rotor (2) und einer wenigstens ein Rollenlager (3) umfassenden Lageranordnung (1, 14), dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage einen Generator mit einer Lageranordnung (1, 14) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 aufweist.