DE102013210722A1

DE102013210722A1 - Lageranordnung für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102013210722A1
Application number: DE201310210722
Authority: DE
Inventors: Matthias Stahl; Christian Stahl
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2014-12-11

Abstract

Eine Lageranordnung für eine Windkraftanlage umfasst – eine zur Hauptrotationsachse (R) der Windkraftanlage konzentrische Hohlwelle (3), – ein in der Hohlwelle (3) angeordnetes Pitchrohr (2), – mindestens eine Lagervorrichtung (8) zur drehbaren Lagerung des Pitchrohrs (2) relativ zur Hohlwelle (3), wobei die Lagervorrichtung als Kugel-Loslager (8) ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine für eine Windkraftanlage mit verstellbaren Rotorblättern vorgesehene Lageranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Eine gattungsgemäße Lageranordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2008 035 339 B4 bekannt. Hierbei verläuft innerhalb einer hohlen Rotorwelle einer Windenergieanlage ein auch als Pitchrohr bezeichnetes Leitungsrohr, welches relativ zur Rotorwelle und einer mit dieser verbundenen Rotornabe drehbar gelagert ist. Das Leitungsrohr der Vorrichtung nach der DE 10 2008 035 339 B4 führt elektrische Leitungen aus einem feststehenden Maschinenhaus der Windenergieanlage in Richtung des der Rotornabe zugewandten Endes der Rotorwelle. Innerhalb des Leitungsrohres verlaufende Leitungen sind mit einer Blatteinstellwinkelregelung der Windenergieanlage verbunden. Ein Schleichringsystem zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen feststehenden und rotierenden Komponenten befindet sich komplett innerhalb der Rotorwelle, sodass hierfür kein Raum in einem Innenraum der Rotornabe beansprucht wird.
Aus der EP 1 029 176 B1 sind weitere Ausführungsformen von Windkraftanlagen mit Rotorblattverstellung bekannt. Als Teil einer mechanischen Verstellvorrichtung kann beispielsweise eine Schubstange innerhalb eines Getriebes und einer Rotornabe verschiebbar sein. Ebenso sind Ausführungsformen beschrieben, bei welchen die Rotorblattverstellung mittels eines in der Rotornabe angeordneten Getriebemotors erfolgt.
Die DE 37 14 859 A1 offenbart eine Getriebekombination für eine Windkraftanlage, bei welcher in einer hohlen Turbinenwelle eine weitere Welle verläuft. Auf die Art der Lagerung zwischen der hohlen Turbinenwelle und der weiteren Welle wird hierbei nicht eingegangen.
Eine Anordnung zur Pitchwinkel-Verstellung eines Rotorblatts mittels elektrischem Direktantrieb ist beispielsweise aus der DE 10 2009 018 361 B4 bekannt. In diesem Fall ist ein Dauermagnetring mit dem Rotorblatt verbunden, während eine Statorwicklung an der Nabe vorgesehen ist.
Eine weitere mit einem elektrischen Direktantrieb arbeitende Pitchwinkelverstellvorrichtung ist aus der DE 10 2010 005 538 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung bilden ein Drehlager und ein Verstellantrieb ein integriertes System.
Die DE 10 2009 032 873 A1 offenbart eine Bremseinrichtung für eine Windenergieanlage, bei welcher eine Sekundärwelle, insbesondere eine Stellwelle oder Pitchwelle, durch eine hohle Primärwelle und eine mit dieser verbundene Bremstrommel geführt ist. Die Pitchwelle ist mittels einer Wälzlagerung an einem Scheibensockel der Bremstrommel gelagert.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zu Grunde, eine Lageranordnung anzugeben, welche besonders für die Lagerung eines Pitchrohres innerhalb einer Hohlwelle einer Windkraftanlage geeignet ist.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese für eine Windkraftanlage mit Pitchverstellung geeignete Lageranordnung umfasst eine zur Hauptrotationsachse der Windkraftanlage konzentrische Hohlwelle sowie ein in dieser angeordnetes Pitchrohr. Die zur Lagerung des Pitchrohres in der Hohlwelle vorgesehene Lagervorrichtung ist als Kugel-Loslager ausgebildet. Ein solches Kugel-Loslager wird auch als Floating Displacement-Lager bezeichnet und ist beispielsweise in der DE 197 57 027 B4 beschrieben.
Floating Displacement-Lager (FD-Lager) können einen Längenausgleich innerhalb des Lagers realisieren und sind im Stand der Technik insbesondere als Lagerungen für hohe Drehzahlen, speziell als Spindellager, gebräuchlich. Das Lager nach der DE 197 57 027 B4 ist explizit als „Kugellager für hohe Drehzahlen“ bezeichnet.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Floating Displacement-Lager auch innerhalb von Windkraftanlagen, nämlich zur Pitchrohr-Lagerung innerhalb der Hohlwelle, besonders geeignet sind. Zwar ist die Eignung für hohe Drehzahlen in diesem Fall ohne Belang, doch kommen weitere Vorteile einer Floating Displacement-Lagerung synergetisch zum Tragen: Zum einen erlaubt die Floating Displacement-Lagerung, wie prinzipiell bekannt, eine axiale Verschiebung zwischen den relativ zueinander rotierbar gelagerten Teilen. Eine axiale Verschiebbarkeit ist insbesondere erforderlich, um temperaturbedingte Längenänderungen auszugleichen und kann im vorliegenden Fall beispielsweise ±3 mm betragen. Zum anderen ist bei dieser Lagerung auch eine beschränkte Kippbarkeit zwischen den Teilen, in diesem Fall einer Hohlwelle, insbesondere Rotorwelle, und einem Pitchrohr, gegeben.
Die als Floating Displacement-Lager und damit als Kugel-Loslager ausgebildete Lagervorrichtung weist vorzugsweise einen Rillenkugellager-Außenring sowie eine zylindrische Innenlaufbahn auf, wie prinzipiell im Ausführungsbeispiel nach 1 der DE 197 57 027 B4 gezeigt. Die Innenlaufbahn kann hierbei entweder durch eine Welle oder durch einen separaten Lagerring gebildet sein. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann auch die äußere Laufbahn zylindrisch sein, während die innere Laufbahn als Rille ausgebildet ist, wie in 2 der DE 197 57 027 B4 dargestellt.
In dem Pitchrohr der Windkraftanlage können elektrische Leitungen und/oder Hydraulikleitungen verlaufen. In jedem Fall führen die Leitungen einem Mechanismus zur Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter, d. h. des Pitchwinkels, Energie zu.
Alternativ kann das Pitchrohr Teil einer mechanischen Pitchwinkelverstellvorrichtung und beispielsweise als Schubstange ausgebildet sein. Auch in diesem Fall ist die Pitchstange oder das Pitchrohr gegenüber der Hohlwelle, insbesondere Rotorwelle, zumindest geringfügig, beispielsweise um einen Winkel von bis zu 0,5° oder um einen Winkel von bis zu 1°, verkippbar.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt in vereinfachter Darstellung:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 Eine Lageranordnung in einer Windkraftanlage mit einem in einer Hohlwelle gelagerten Pitchrohr.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt in einer schematisierten Schnittdarstellung eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Lageranordnung, welche der Lagerung eines Pitchrohres 2 in einer zur Hauptrotationsachse R konzentrischen Hohlwelle 3 einer nicht weiter dargestellten Windkraftanlage dient. Die Hohlwelle 3 ist mittels zweier Kegelrollenlager 4 in einem nur andeutungsweise dargestellten Gehäuse 5 der Windkraftanlage gelagert.
Mit der Hohlwelle 3 ist ein Flansch 6 fest verbunden, welcher Teil einer Rotornabe oder fest mit einer solchen Nabe verbunden sein kann. Ebenso kann es sich bei dem Flansch 6 um ein Getriebeteil der Windkraftanlage handeln. An der Rotornabe wiederum sind mehrere, typischerweise drei, nicht dargestellte Rotorblätter angebracht, deren Anstellwinkel (Pitchwinkel) verstellbar ist. Mittel zur Verstellung des Pitchwinkels sind durch das Pitchrohr 2 geführt oder durch dieses selbst gebildet. Im Fall einer elektrischen Pitchverstellung, entweder mittels Getriebemotor oder durch Direktantrieb, sind elektrische Leitungen durch das Pitchrohr 2 geführt. Im Fall einer hydraulischen Pitchverstellung sind statt elektrischer Leitungen oder zusätzlich zu elektrischen Leitungen Hydraulikleitungen im Pitchrohr 2 angeordnet. Auch Leitungen zur Signalübertragung können im Pitchrohr 2 verlegt sein.
Beim Betrieb der Windkraftanlage rotiert die Hohlwelle 3 relativ zum Pitchrohr 2. Auf der dem Flansch 6 abgewandten Seite der Hohlwelle 3 ist eine Anlagenkomponente 7 der Windkraftanlage angedeutet, die beispielsweise als Getriebekomponente mit weiteren, nicht dargestellten Getriebekomponenten innerhalb des Gehäuses 5 der Windkraftanlage zusammenwirkt. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Windkraftanlage, insbesondere deren Pitchverstellung, wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Die Hohlwelle 3 und das Pitchrohr 2 sind im Wesentlichen koaxial, nämlich konzentrisch zur Hauptrotationsachse R, jedoch leicht zu einander kippbar, angeordnet. Der maximale Kippwinkel zwischen Hohlwelle 3 und Pitchrohr 2 beträgt 30 Winkelminuten. Gleichzeitig ist das Pitchrohr 2 innerhalb der Hohlwelle 3 um ±3 mm verschiebbar. Zur Ermöglichung einer Rotation der Hohlwelle 3 relativ zum Pitchrohr 2 ist eine Lagervorrichtung 8 vorgesehen, welche als Wälzlagerrung, nämlich als Kugel-Loslager, ausgebildet ist. Das Kugel-Loslager 8 weist einen Rillenkugellager-Außenring 9, einen zylindrischen Innenring 10, sowie zwischen den Lagerringen 9,10 abrollende Kugeln 11 als Wälzkörper auf. Die Kugeln 11 sind in einem nicht dargestellten Käfig geführt. Optional ist das Kugel-Loslager 8, welches auch als Floating Displacement-Lager (FD-Lager) bezeichnet wird, abgedichtet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die innere Laufbahn des Kugelloslagers 8 durch ein vom Pitchrohr 2 getrenntes Bauteil, nämlich den Innenring 10, gebildet. Abweichend hiervon kann die innere Laufbahn des Kugel-Loslagers 8 auch durch die Oberfläche einer Welle, insbesondere eines Abschnitts des Pitchrohres 2, gebildet sein. In beiden Fällen lässt das Kugel-Loslager 8 während der Rotation der Hohlwelle 3 eine axiale Verschiebung des Pitchrohres 2 im genannten Bereich von ±3 mm zu, wobei kaum Gleitbewegungen, sondern hauptsächlich Wälzbewegungen auftreten. Die Lagerringe 9, 10 des Kugel-Loslagers 8 sind ebenso wie die Kugeln 11 beispielsweise aus Stahl gefertigt. Ebenso sind Kugeln 11 aus Keramik, wie im Fall des Kugellagers nach der DE 197 57 027 B4 , als Wälzkörper des Kugel-Loslagers 8 geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Lageranordnung
2: Pitchrohr
3: Hohlwelle
4: Kegelrollenlager
5: Gehäuse
6: Flansch
7: Anlagenkomponente
8: Kugel-Loslager
9: Außenring
10: Innenring
11: Kugel
R: Hauptrotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008035339 B4 [0002, 0002]
EP 1029176 B1 [0003]
DE 3714859 A1 [0004]
DE 102009018361 B4 [0005]
DE 102010005538 A1 [0006]
DE 102009032873 A1 [0007]
DE 19757027 B4 [0009, 0010, 0012, 0012, 0020]

Claims

Lageranordnung für eine Windkraftanlage, mit – einer zur Hauptrotationsachse (R) der Windkraftanlage konzentrischen Hohlwelle (3), – einem in der Hohlwelle (3) angeordneten Pitchrohr (2), – mindestens einer Lagervorrichtung (8) zur drehbaren Lagerung des Pitchrohrs (2) relativ zur Hohlwelle (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorrichtung als Kugel-Loslager (8) ausgebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorrichtung (8) einen Rillenkugellager-Außenring (9) sowie eine zylindrische Innenlaufbahn aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlaufbahn durch einen Lagerring (10) gebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlaufbahn durch eine Welle gebildet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pitchrohr (2) elektrische Leitungen verlaufen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pitchrohr (2) Hydraulikleitungen verlaufen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pitchrohr (2) axial verschiebbar in der Hohlwelle (3) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pitchrohr (2) als Schubstange ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pitchrohr (2) mittels der Lagervorrichtung (8) relativ zur Hohlwelle (3) verkippbar gelagert ist.
Windkraftanlage mit verstellbaren Rotorblättern, wobei eine Pitchwinkel-Verstellvorrichtung ein Pitchrohr (2) umfasst, welches mittels einer Lageranordnung nach Anspruch 1 in einer Hohlwelle (3) gelagert ist.