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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagereinheit für eine Nachführwelle eines Solarthermiekraftwerks. Nachführwellen dienen der Lagerung und Einstellung von Spiegelflächen des Solarthermiekraftwerks, insbesondere Parabolrinnenspiegelflächen und Fresnelspiegelflächen, zur Sonne.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei Solarthermiekraftwerken werden herkömmlicherweise Spiegelflächen eingesetzt, die Sonnenlicht auf einen Absorber bündeln. Die Spiegelflächen werden dabei regelmäßig der Sonne nachgeführt, um stets eine maximale Strahlungsintensität auf dem Absorber zu erreichen. Meist sind die Spiegelflächen dabei in Form von schmalen Bändern mit vergleichsweise großer Länge in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet. Bei sogenannten Fresnelspiegelkraftwerken sind diese Spiegelflächen derart ausgerichtet, dass ein zentraler Absorber von mehreren Spiegelflächen bestrahlt wird. Alternativ sind, bei sogenannten Parabolrinnenkraftwerken, die Spiegelflächen rinnenförmig gewölbt, so dass jede Spiegelfläche einen eigenen, in der Brennlinie der Rinne angeordneten Absorber beleuchtet. Bei beiden Bauformen sind die Spiegelflächen regelmäßig jeweils über einer in Längsrichtung verlaufenden Nachführwelle derart gelagert, dass zur Nachführung nach der Sonne eine Verkippung der gesamten Spiegelfläche in Ost-West-Richtung möglich ist.
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Solarthermiekraftwerke sind aufgrund der dort besonders starken Sonneneinstrahlung oft in heißen, wüstenartigen Regionen installiert. Die Komponenten, insbesondere die Tragstrukturen und die Lager der Nachführwellen sind unter den für solche Gegenden typischen Umgebungsbedingungen regelmäßig einer starken Belastung durch Wind, Staub und Flugsand ausgesetzt und müssen daher robust ausgelegt sein. Zudem kommt es aufgrund der hohen Temperaturen und Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht regelmäßig zu signifikanten Längenänderungen der unterschiedlichen Komponenten, die wiederum berücksichtigt oder kompensiert werden müssen, damit bewegliche Teile nicht verklemmen und die Nachführgenauigkeit der Spiegelflächen erhalten bleibt.
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Aus der
EP 1 754 942 B1 ist eine Anordnung für einen Fresnel-Solar-Kollektor bekannt, bei dem die Nachführwelle in einem Rollenbock durch drei Rollen drehbar gelagert ist, die umfänglich verteilt um die Nachführwelle herum angeordnet sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfache und robuste Lagereinheit für eine Nachführwelle anzugeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lagereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Lagereinheit für eine Nachführwelle eines Solarthermiekraftwerks ein Gehäuse, das zwei zueinander parallele Gehäusewände aufweist. Des Weiteren umfasst die Lagereinheit zwei Achsschäfte, die parallel zueinander und senkrecht zu den Gehäusewänden ausgerichtet und jeweils in beiden Gehäusewänden gelagert sind. Jeder der beiden Achsschäfte bildet somit eine Verbindung zwischen beiden Gehäusewänden. Erfindungsgemäß trägt zur Lagerung der Nachführwelle jeder der beiden Achsschäfte jeweils eine Gleitbuchse, die den jeweiligen Achsschaft ringförmig umschließt. Die Nachführwelle ist somit auf beiden Gleitbuchsen im Wesentlichen, d. h. exakt oder zumindest näherungsweise, parallel zu beiden Achsschäften lagerbar, sodass die Nachführwelle um ihre Rotationsachse drehbar ist.
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Des Weiteren bewirken die Gleitbuchsen in vorteilhafter Ausbildung auch, dass die Nachführwelle bei temperaturbedingten Längenänderungen in ihrer Axialrichtung gegenüber dem Gehäuse und den Achsschäften verrutschen kann. Aufgrund dieser axialen Verschiebbarkeit der Nachführwelle können axiale Belastungen der Lagereinheit oder ein Verklemmen der Nachführwelle in der Lagereinheit – beides kann bei einer axial fixiert gelagerten Welle aufgrund von temperaturbedingten Längenänderungen der Welle auftreten – effektiv verhindert werden. Die erfindungsgemäße Lagereinheit übernimmt somit die Funktion eines Loslagers, mittels dessen die Nachführwelle auch bei unterschiedlichen oder wechselnden Temperaturen in Axialrichtung spannungsfrei lagerbar ist.
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Unter dem Begriff „Gleitbuchse“ wird hier und im Folgenden ein hülsenförmiger Körper verstanden, bei dem wenigstens eine Oberfläche – Innenfläche oder Außenfläche – aus einem Werkstoff gebildet ist, der einen besonders geringen Gleitreibungskoeffizienten aufweist. Ein solcher Werkstoff kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise eine Sinterbronze oder ein mit einem Gleitmittel, beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen/„Teflon“), gefüllter Kunststoff sein. Die Verwendung solcher Gleitbuchsen verringert somit die Reibung zu der Nachführwelle und/oder zu den Achsschäften, so dass die Nachführwelle besonders leicht gedreht werden kann. Insbesondere gegenüber dem Einsatz von vergleichsweise komplexen Wälzlagern ermöglichen die Gleitbuchsen einen einfachen und kostengünstigen Aufbau der Lagereinheit. Zudem ergibt sich durch den Einsatz der Gleitbuchsen eine robuste Gestaltung der Lagereinheit, da die Gleitbuchsen nahezu wartungsfrei sind, insbesondere nicht in regelmäßigen Intervallen nachgeschmiert werden müssen. Ferner ermöglicht der Einsatz der Gleitbuchsen eine einfache Montage der Lagereinheit.
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Im Rahmen der Erfindung ist es dabei denkbar, dass die beiden Gleitbuchsen drehfest mit dem jeweiligen Achsschaft verbunden sind und somit die Nachführwelle auf der jeweiligen Gleitbuchse gleitend gelagert ist. In diesem Fall gleitet also die Oberfläche der Nachführwelle gegenüber Außenfläche der Gleitbuchsen. In bevorzugter Ausführung der Erfindung sind die Gleitbuchsen allerdings selbst gleitend auf den Achsschäften gelagert, indem sie beispielsweise mit einer geringen Spielpassung montiert oder mit einer Übermaßpassung aufgepresst sind. Jeder der beiden Achsschäfte ist dabei insbesondere feststehend in dem Gehäuse oder an wenigstens einer der beiden Gehäusewände drehfest gelagert. Unter „gleitend gelagert“ oder „gleitgelagert“ wird dabei verstanden, dass sich die Gleitbuchsen relativ zu dem jeweiligen Achsschaft drehen können, so dass die Nachführwelle auf den Gleitbuchsen abwälzen kann.
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In besonders vorteilhafter Ausführung der Erfindung sind die Gleitbuchsen auch in ihrer Axialrichtung gleitend verschiebbar auf den Achsschäften gelagert. Hierzu ist der Abstand der Gehäusewände zueinander wesentlich größer ausgeführt als die Länge (d.h. axiale Erstreckung) der Gleitbuchsen. Dementsprechend ist auch die (axiale) Länge der Achsschäfte größer ausgeführt als die Länge der Gleitbuchsen. Infolge dieser Ausführung bewegen sich die Gleitbuchsen bei einer Axialbewegung der Nachführwelle relativ zu dem Gehäuse mit der Nachführwelle mit. In beispielhafter Dimensionierung entspricht der Abstand der Gehäusewände etwa der doppelten axialen Länge der Gleitbuchsen. Zweckmäßigerweise wird bei der Dimensionierung des Gehäuses allerdings die zu erwartende temperaturbedingte Längenausdehnung der Nachführwelle berücksichtigt, sodass das Spiel der Gleitbuchsen zwischen den Gehäusewänden je nach der Ausführung der Nachführwelle und den zu erwartenden Temperaturschwankungen wenige Zentimeter bis mehrere zehn Zentimeter betragen kann.
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Durch die Gleitlagerung der Gleitbuchsen auf den Achsschäften kann vorteilhafterweise eine präzise Oberflächenbearbeitung der Nachführwelle entfallen, da die Nachführwelle selbst nicht als Gleitpartner für die Gleitbuchsen vorgesehen ist. Vielmehr sind lediglich die im Vergleich zu der Nachführwelle besonders kurzen Achsschäfte mit einer für eine Gleitlagerung ausreichend glatten Oberflächenstruktur ausgeführt. Des Weiteren kann auf eine aufwändige Abdichtung oder Abschirmung der aufeinander gleitenden Oberflächen der Gleitbuchsen und der Achsschäfte entfallen, da die Gleitbuchsen die Achsschäfte insbesondere ohne Lagerspiel umschließen, sodass ein Eindringen von Staub oder Schmutz zwischen die aufeinander gleitenden Oberflächen vorteilhafterweise automatisch unterbunden ist.
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Grundsätzlich kann die Gleitbuchse im Rahmen der Erfindung massiv (homogen) aus einem Material mit geringem Reibungskoeffizienten gebildet sein. In einer vorteilhaften Alternativausführung der Erfindung weisen die Gleitbuchsen aber zusätzlich zu einem reibungsoptimierten Grundkörper einen Hüllkörper aus Metall oder stabilem Kunststoff auf, wobei der Hüllkörper den Grundkörper außenseitig umgibt. Bei dem reibungsoptimierten Material des Grundkörpers handelt es sich vorzugsweise um ein Material, das gegenüber dem Material der Nachführwelle weich ist. Durch den Hüllkörper der Gleitbuchse wird hierbei verhindert, dass der weiche Grundkörper durch die Nachführwelle verformt oder abgerieben wird. Somit wird die Stabilität und Lebensdauer der Lagereinheit vorteilhaft erhöht. Insbesondere kann durch den Hüllkörper die durch die Nachführwelle eingebrachte Last über eine große Oberfläche der jeweiligen Gleitbuchse verteilt werden, sodass eine ungleichmäßige Abplattung der Gleitbuchse durch näherungsweise statische Belastung verhindert wird.
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Um einerseits die Lastverteilung auf die Gleitbuchsen weiter zu verbessern und andererseits auf einfache Weise eine Schrägstellung der Nachführwelle – beispielsweise durch gewichtsbedingte Durchbiegung der Nachführwelle – zu den Rotationsachsen der Gleitbuchsen zu ermöglichen, weisen die Gleitbuchsen in zweckmäßiger Ausführung eine tonnenförmig gewölbte Oberfläche auf. Mit anderen Worten sind die in Axialrichtung verlaufenden Mantellinien der Gleitbuchsen radial nach außen gekrümmt.
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Zusätzlich oder alternativ hierzu weist das Gehäuse zum Ausgleich einer Schrägstellung der Nachführwelle an seiner mit einer Tragstruktur zu verbindenden Montageseite mindestens ein elastisches Verbindungsstück auf. Das elastische Verbindungsstück ermöglicht dabei, dass das Gehäuse und damit die gesamte Lagereinheit bei einer winkeligen Anstellung der Nachführwelle dieser folgt und sich somit in einem Winkel zur Tragstruktur anstellt. Bei dem elastischen Verbindungsstück kann es sich im Rahmen der Erfindung um ein metallisches Federelement oder um einen Elastomer- oder Kautschukkörper handeln.
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In fertigungstechnisch vorteilhafter Ausgestaltung ist das Gehäuse im Wesentlichen U-förmig ausgeführt. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei denkbar, dass es sich bei dem Gehäuse um eine Schweiß- oder Gusskonstruktion handelt. Alternativ kann das Gehäuse aber auch aus einem Normteil, insbesondere einem U-Profil, gefertigt sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist es dabei weiterhin vorstellbar, dass beide Gehäusewände auf der offenen Seite des U-förmigen Gehäuses jeweils eine – insbesondere schlitzförmige oder kreisabschnittförmige – Aussparung aufweisen. Diese Aussparungen ermöglichen dabei auf einfache Weise, dass die Nachführwelle vergleichsweise tief zwischen den beiden Achsschäften bzw. Gleitbuchsen einliegen kann, ohne auf den Gehäusewänden aufzuliegen.
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Um zu ermöglichen, dass die Nachführwelle möglichst tief zwischen den beiden Achsschäften einliegt, ist in vorteilhafter Ausführung der Abstand der beiden Längsachsen der Achsschäfte derart gewählt, dass dieser in etwa dem Durchmesser der Nachführwelle entspricht oder diesen geringfügig überschreitet. Durch diese Dimensionierung des Abstands der Achsschäfte wird auf einfache Weise ermöglicht, dass die Nachführwelle aufgrund ihrer Gewichtskraft stets zwischen den beiden Achsschäften einliegt und in einem stabilen Gleichgewichtszustand gelagert ist. Insbesondere kann die Nachführwelle dadurch im bestimmungsgemäßen Betrieb nicht aus der Führung der beiden Gleitbuchsen „springen“.
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Um die Nachführwelle – beispielsweise bei starker Windbelastung – zusätzlich gegen ein Abheben aus ihrer Lagerung zwischen den beiden Achsschäften zu sichern sowie um die Achsschäfte sowie die Gleitbuchsen gegen Verschmutzung zu schützen, ist das Gehäuse in einem bestimmungsgemäßen Endmontagezustand mit einem Gehäusedeckel verschlossen. In besonders vorteilhafter Ausführung der Lagereinheit wird der Gehäusedeckel bei der Montage zusammen mit dem Gehäuse, insbesondere mittels der gleichen Schrauben, auf der Tragstruktur fixiert. Zweckmäßigerweise weist der Gehäusedeckel dabei eine Aussparung auf, die zur Durchführung der Nachführwelle vorgesehen ist, und die in optionaler Ausgestaltung mit einem Schmutzabweiser, beispielsweise in Form eines Bürstenstreifens, der mit der Nachführwelle in Berührung steht, versehen ist. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei auch denkbar, dass der gesamte Rand des Gehäusedeckels mit einem solchen Schmutzabweiser versehen ist, sodass ein Eindringen von Staub oder Schmutz über den gesamten Umfang des Gehäuses verhindert ist.
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In optionaler Ausgestaltung weist das Gehäuse insbesondere im Gehäuseboden eine oder mehrere Langlochbohrungen auf, mittels derer die gesamte Lagereinheit bei der Montage an der Tragstruktur zu der Nachführwelle ausgerichtet werden kann.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Lagereinheit sind die Achsschäfte insbesondere als Bolzen ausgeführt. Die Bolzen weisen vorzugsweise an wenigstens einem Freiende eine Nut auf, die quer zur Längserstreckung in die Mantelfläche der Bolzen eingearbeitet ist. In dieser Nut liegt im bestimmungsgemäßen Endmontagezustand der Lagereinheit ein Sicherungsblech ein, das an einer der Gehäusewände befestigt ist. Dadurch ist jeder der Bolzen axial und verdrehsicher an dem Gehäuse fixiert. Die Verwendung von Bolzen als Achsschäfte bringt den Vorteil mit sich, dass Bolzen häufig als Normteil beschaffbar sind und bereits eine vergleichsweise präzise bearbeitete, d.h. glatte, Oberfläche aufweisen, so dass sie besonders zur Aufnahme der Gleitbuchsen geeignet ist. Zudem führt der Einsatz eines Normteiles zu einer Vereinfachung und Kostenreduktion bei der Herstellung der Lagereinheit.
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In einer alternativen Ausführung der Lagereinheit sind die Achsschäfte als Schrauben, insbesondere als Passschrauben ausgeführt. Bei Passschrauben handelt es sich ebenso um Normteile, die eine vergleichsweise glatte zylindrische Fläche aufweisen, auf der die Gleitbuchsen gleitend lagerbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in perspektivischer Ansicht eine Lagereinheit für eine (schematisch dargestellte) Nachführwelle,
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2 die Lagereinheit in Ansicht von oben,
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3 die Lagereinheit in Ansicht von der Seite,
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4 die Lagereinheit in einem Schnitt IV-IV gemäß 2, und
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5 in Ansicht gemäß 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Lagereinheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 bis 4 ist eine Lagereinheit 1 für eine Nachführwelle 2 eines Parabolrinnenspiegelkraftwerks dargestellt. Die Nachführwelle 2 ist hier und im Folgenden zur Vereinfachung durch einen skizzierten Kreis angedeutet.
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Die Lagereinheit 1 umfasst hierbei ein (U-förmig geschweißtes) Gehäuse 3, das aus zwei Seitenwänden 4 und einer Bodenplatte 5 zusammengesetzt ist. Des Weiteren umfasst die Lagereinheit 1 zwei Achsschäfte in Form von Bolzen 6, die parallel zueinander und senkrecht zu den Seitenwänden 4 in dem Gehäuse 3 angeordnet sind. Außerdem umfasst die Lagereinheit 1 zwei Gleitbuchsen 7, die mantelförmig auf den Bolzen 6 angeordnet sind. Die Rotationsachsen 8 der Gleitbuchsen 7 sind hierbei exakt oder zumindest näherungsweise parallel zu der Rotationsachse 9 der Nachführwelle 2 ausgerichtet (siehe 2). Die Nachführwelle 2 ist dadurch auf den Gleitbuchsen 7 derart gelagert, dass sie bei einer Drehung um ihre Rotationsachse 9 auf den Gleitbuchsen 7 abwälzen kann.
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Wie in 1 bis 4 zu erkennen ist, sind die Bolzen 6 in jeder der Seitenwände 4 in jeweils einer Bohrung gelagert. Zusätzlich sind die Bolzen 6 jeweils durch ein Sicherungsblech 10, das mit einer der Seitenwände 4 verschraubt ist und in einer in den Bolzen 6 eingeformten Nut 11 einliegt, axial und verdrehfest an der Gehäusewand 3 gehaltert. Des Weiteren ist in jeder der Seitenwände 4 eine kreissegmentförmige Vertiefung 12 eingeformt, sodass die Nachführwelle 2 nicht mit dem Gehäuse 3 in Kontakt kommt. Zur Montage der Lagereinheit 1 an einer Tragstruktur des Parabolrinnenkraftwerkes weist das Gehäuse 3 zwei Bohrungen 13 in der Grundplatte 5 auf.
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Wie in den 1, 2 und 4 zu erkennen ist, ist der Abstand der beiden Seitenwände 4 zueinander wesentlich größer ausgeführt als die Länge (das heißt die axiale Erstreckung) der Gleitbuchsen 7. Die Gleitbuchsen 7 sind auf den Bolzen 6 gleitend gelagert, sodass sich die Gleitbuchsen 7 nicht nur um die Rotationsachse 8 drehen können, sondern auch in Axialrichtung verschoben werden können. Dadurch kann wiederum die Nachführwelle 2 bei einer temperaturbedingten Längenausdehnung in Axialrichtung entlang der Bolzen 6 verschoben werden, ohne quer zur Rotationsrichtung der Gleitbuchsen 7 auf diesen zu „rutschen“.
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Die Gleitbuchsen 7 sind aus einem reibungsoptimierten Grundkörper 14 und einem diesen mantelförmig umschließenden stabilen Hüllkörper 15 gebildet (s. 4). Beispielsweise handelt es sich bei dem Grundkörper 14 um eine Hülse aus Sinterbronze, die in eine als Hüllkörper 15 dienende Stahlhülse eingepresst ist. Alternativ handelt es sich bei dem Grundkörper 14 um einen mit PTFE-Fasern gefüllten Kunststoffkörper, der beispielsweise einstückig mit einer faserverstärkten Kunststoffhülle umgeben ist oder mit einer Stahlhülse verklebt ist. Der Hüllkörper 15 dient dabei dazu, die eingebrachte Last flächig über die Gleitbuchse 7 zu verteilen, und um insbesondere bei der aus Kunststoff ausgeführten Gleitbuchse 7 eine Abplattung der Mantelfläche 16 durch näherungsweise statische Belastung durch die Nachführwelle 2 zu verhindern.
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Wie aus 2, 3, und 4 zu erkennen ist, ist die Mantelfläche 16 der Gleitbuchsen 7 tonnenförmig, das heißt ballig nach außen gewölbt, ausgeführt. Durch die tonnenförmige Mantelfläche 16 ist es auf einfache Weise möglich, dass die Nachführwelle 2 in einem Winkel zu den Rotationsachsen 8 angestellt wird, ohne dass die Nachführwelle 2 zwischen den Gleitbuchsen 7 verklemmt.
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In 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Lagereinheit 1 dargestellt, bei dem die Mantelflächen 16 der Gleitbuchsen 7 kreiszylindrisch, das heißt ohne Wölbung, ausgeführt sind. Zum Ausgleich einer Verkippung oder winkeligen Anstellung der Nachführwelle 2 umfasst die Lagereinheit 1 elastische Lagerpfropfen 17, die an der Grundplatte 5 des Gehäuses 3 angeordnet sind. Die Lagerpfropfen 17 dienen dabei jeweils als Verbindungsstück zur Tragstruktur des Parabolrinnenkraftwerks. Die Lagerpfropfen 17 sind beispielsweise aus Elastomer, Kautschuk oder einem metallischen Federelement ausgeführt, sodass das gesamte Gehäuse 3 einer Verkippung der Nachführwelle 2 folgen kann, indem die Lagerpfropfen 17 zwischen der Grundplatte 5 und der Tragstruktur unterschiedlich (elastisch) deformiert werden.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagereinheit
- 2
- Nachführwelle
- 3
- Gehäuse
- 4
- Seitenwand
- 5
- Bodenplatte
- 6
- Bolzen
- 7
- Gleitbuchse
- 8
- Rotationsachse
- 9
- Rotationsachse
- 10
- Sicherungsblech
- 11
- Nut
- 12
- Vertiefung
- 13
- Bohrung
- 14
- Grundkörper
- 15
- Hüllkörper
- 16
- Mantelfläche
- 17
- Lagerpfropfen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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