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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenlegung betrifft Windräder und insbesondere Rotorwellenanordnungen für Windräder mit Wälzlagern zur Abstützung der Rotorwelle.
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HINTERGRUND
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Windräder sind allgemein bekannt und werden immer häufiger zur Stromerzeugung verwendet. Windräder sind beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass sie eine im Wesentlichen horizontale Rotorwelle aufweisen, die in einer Gondeleinrahmung am oberen Ende eines hohen Turms positioniert ist. Die im Wesentlichen horizontale Rotorwelle stützt Turbinenrotorblätter von Windrädern ab. Die Windenergie wird über die Rotorblätter in kinetische Energie über die Rotation der Rotorwelle umgewandelt, die wiederum mit einem Generator verbunden ist, der elektrischen Strom erzeugt. Manchmal ist auch ein Getriebe zwischen der Rotorwelle und dem Generator angebracht. Es gibt auch Beispiele für Windräder, die mit einer vertikalen Rotorwelle versehen sind.
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Die immer größer werdenden Windräder führen stets zu höheren Anforderungen an die mechanischen Bauteile in dem Windrad. Eines der wichtigsten und anspruchsvollsten mechanischen Bauteile in einem Windrad ist das/sind die Lager, die die Rotorwelle abstützen. Das abstützende/die abstützenden Lager für die Rotorwelle müssen sehr große Kräfte aufnehmen, sowohl axial und radial als auch Kombinationen aus axialen und radialen Kräften, sowie große Biegemomente und Drehmomente.
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Zu diesem Zweck wird eine Reihe unterschiedlicher Lagerarten und -anordnungen zur Abstützung der Rotorwelle verwendet. Ein Beispiel für eine verwendete Lageranordnung sind zwei konische Wälzlager, die entfernt voneinander positioniert sind, um die Rotorwelle abzustützen. Diese Lager sind dazu ausgestaltet, hohe radiale und axiale Kräfte (in eine Richtung) aufnehmen zu können. Durch das Anbringen zweier Lager dieser Art entfernt voneinander (in O- oder X-Anordnung) an einer Rotorwelle, ist es möglich, radiale Kräfte und auch axiale Kräfte in beide Richtungen aufzunehmen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Vor diesem Hintergrund sind die Ziele der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Lageranordnung, die 1) wenigstens einige Nachteile des Stands der Technik verbessert, 2) eine zuverlässige Lösung bereitstellt, die hohe Kräfte aufnehmen kann, und 3) wenigstens eine nützliche und gute Alternative zu den bekannten Lageranordnungen für Windräder bereitstellt.
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Diese und andere Ziele werden von den in den Hauptansprüchen bereitgestellten Erfindungsgegenständen erfüllt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Die Ziele werden durch eine Rotorwellenanordnung für ein Windrad erzielt, die Folgendes umfasst: eine Rotorwelle zum Abstützen von Rotorblättern, eine drehfeste erste Gehäusestruktur zur Abstützung der Rotorwelle, wobei die erste Gehäusestruktur so angeordnet ist, dass sie an einer Gondeleinrahmung eines Windrads angebracht ist, und ein erstes Wälzlager, das zur Abstützung, in eine radiale Richtung und in wenigstens eine erste axiale Richtung, der Rotorwelle relativ zur ersten Gehäusestruktur an einem ersten Abstützpunkt angeordnet ist, wobei das erste Wälzlager ein einreihiges Pendellager ist, das einen ersten inneren Ring, einen ersten äußeren Ring und einen Satz Wälzelemente umfasst, der aus Rollen gebildet ist, die zwischen dem ersten inneren und dem ersten äußeren Ring angeordnet sind. Zusätzlich dazu ist jede Rolle eine asymmetrische Rolle und weist eine gewölbte mit der Lauffläche in Kontakt stehende Oberfläche auf, die in Kontakt mit einer gewölbten inneren Lauffläche des ersten inneren Rings und in Kontakt mit einer gewölbten äußeren Lauffläche des ersten äußeren Rings angeordnet ist, und wobei ein Kontaktwinkel zwischen jeder Rolle und der inneren und/oder der äußeren Lauffläche relativ zur radialen Richtung der Rotorwelle geneigt ist. Ferner umfasst die Anordnung eine drehfeste zweite Gehäusestruktur zur Abstützung der Rotorwelle, wobei die zweite Gehäusestruktur so angeordnet ist, dass sie an der Gondeleinrahmung des Windrads angebracht ist, und ein zweites Wälzlager, das zur Abstützung der Rotorwelle relativ zu der zweiten Gehäusestruktur an einem zweiten Abstützpunkt angeordnet ist.
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Von den Erfindern wurde realisiert, dass durch das Einfügen eines Wälzlagers, wie dem zuvor genannten ersten Wälzlager, in eine Lageranordnung für ein Windrad eine kompaktere und zuverlässigere Lageranordnung erreicht werden kann. Der geneigte Winkel der Laufflächen führt dazu, dass das Lager hohe Lasten sowohl in die axiale als auch in die radiale Richtung der Rotorwelle aufnehmen kann. Zusätzlich dazu verringert die Selbstausrichtungsfähigkeit aufgrund des gewölbten Profils der Laufflächen und Rollen erheblich Randspannungen in der Zone zwischen den Laufflächen und Rollenenden. Insbesondere führt die Ausgestaltung des ersten Pendel-Wälzlagers dazu, dass der erste äußere Ring und der erste innere Ring relativ zueinander versetzt sind, verursacht durch beispielsweise Durchbiegungen der Welle.
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Die Asymmetrie der Rollen ist in axialer Richtung der Rollen zu beobachten, und insbesondere ist die Asymmetrie entlang einer Rotationsachse einer jeden Rolle zu beobachten.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Wälzlager ein einreihiges Pendellager, das zur Abstützung in radialer Richtung und in einer zweiten entgegengesetzten axialen Richtung angeordnet ist, und das einen zweiten inneren Ring, einen zweiten äußeren Ring und einen zweiten Satz Wälzelemente umfasst, der aus Rollen gebildet ist, die zwischen dem zweiten inneren und äußeren Ring angeordnet sind, und wobei ein Kontaktwinkel zwischen jeder Rolle und der inneren und/oder äußeren Lauffläche relativ zur radialen Richtung der Rotorwelle geneigt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist jede Rolle eine asymmetrische Rolle und weist eine gewölbte mit der Lauffläche in Kontakt stehende Oberfläche auf, die in Kontakt mit einer gewölbten inneren Lauffläche des zweiten inneren Rings und in Kontakt mit einer gewölbten äußeren Lauffläche des zweiten äußeren Rings angeordnet ist. Durch ein zweites Wälzlager mit einer ähnlichen Ausgestaltung wie das erste Wälzlager kann eine noch weiter verbesserte Lageranordnung realisiert werden, wodurch sich sowohl eine erhöhte Kompaktheit als auch eine verbesserte Zuverlässigkeit ergibt. Durch diese Ausgestaltung ist es auch möglich, von einer hohen Lagervorspannung Gebrauch zu machen, was zu einer erhöhten Systemsteifigkeit des Windrads führt, was weiter die Lebensdauer der Windradanordnung verlängert. Ferner wird für die zweite Lagerposition eine Selbstausrichtungsfähigkeit realisiert. Deshalb ist jedes Lager in der Lageranordnung dazu fähig, versetzt zu sein (verursacht durch beispielsweise Durchbiegungen der Welle), wodurch erheblich das Risiko von z.B. Randspannungen in der Zone zwischen den Lager-Laufflächen und den Rollenenden verringert wird. Ein Vorteil ist deshalb, dass eine kompaktere Lageranordnung realisiert werden kann, auch wenn es bei der Windradanwendung sehr große Lasten gibt. Deshalb ist diese Lageranordnung besonders gut für größere Windräder geeignet. Ein Beispiel für ein sehr großes Windrad ist ein Windrad, das elektrischen Strom bis zu, oder sogar von mehr als, 5 Megawatt (MW) erzeugen kann. Das erste und das zweite Wälzlager können in einer Anordnung mit Druckmittelpunkt zwischen den Lagerstellen oder in einer Anordnung mit Druckmittelpunkt außerhalb der Lagerstellen, auch bekannt als X- und O-Anordnung, angeordnet sein. Die Anordnung ist aufgrund dieser zwei Lager dazu fähig, sehr großen Lasten in beide axiale Richtungen der Rotorwelle standzuhalten. Aufgrund der Tatsache, dass die axialen Lasten in Richtung des Windes am größten sind, kann das Lager, das axiale Kräfte in diese Richtung aufnimmt, dazu ausgestaltet sein, größer zu sein, und daher größere axiale Kräfte aufzunehmen als das andere Lager, das axiale Kräfte in der entgegengesetzten axialen Richtung abstützt. Es ist daher nicht notwendig, zwei Wälzlager mit einer ähnlichen Größe und/oder einem ähnlichen Gewicht zu verwenden, und daher kann die Lösung noch kompakter sein.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich ein Radius der gewölbten äußeren Lauffläche des ersten oder zweiten äußeren Rings jeweils von einem Zentrumspunkt von einer Lagerachse des ersten oder zweiten Wälzlagers. Die Ausgestaltung der Lager führt zu einer guten Selbstausrichtungsfähigkeit, d.h. dass der äußere Ring und der innere Ring des Lagers relativ zueinander versetzt sein können. In diesem Zusammenhang führt die verbesserte Selbstausrichtungsfähigkeit dazu, dass das Lager nicht zur Aufnahme von beispielsweise großen Randspannungen in der Kontaktzone zwischen den Rollenenden und den Laufflächen der Lagerringe ausgestaltet und/oder angepasst sein muss. Infolgedessen kann das Lager ein kleineres Lager sein, verglichen damit, wenn das Lager diese verbesserte Selbstausrichtungsfähigkeit nicht aufweisen würde. Die verringerte Größe und das verringerte Gewicht der Lager sind vorteilhaft für Windräder, bei welchen die Lageranordnung an der Oberseite des Windradturms positioniert ist. Zusätzlich dazu ist dies besonders vorteilhaft für größere Windräder, wie z.B. für Windräder, die elektrischen Strom von bis zu, oder sogar mehr als, 5 MW erzeugen können.
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In einer Ausführungsform weist wenigstens der erste oder der zweite innere Ring einen Flansch auf, der jeweils angrenzend an die gewölbte Lauffläche des ersten oder zweiten inneren Rings oder äußeren Rings positioniert ist. Der Flansch ist dazu fähig, die Rollen in dem Lager zu führen und/oder die Rollen in dem Lager zu halten. Deshalb ist der Flansch dazu ausgestaltet, in Kontakt mit den Rollenenden des Satzes von Rollen in dem ersten und/oder zweiten Wälzlager stehen zu können. Die Kontaktzone kann bevorzugt so gestaltet sein, dass das Risiko von erhöhten Spannungen verringert wird. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem keine scharfen Kanten im Bereich zwischen dem Flansch und der Lauffläche liegen. Zusätzlich dazu können die Rollenenden ohne scharfe Kanten zwischen den axialen Enden der Rollen und den gewölbten Rollenprofilen ausgestaltet sein. Die Führung der Rollen aufgrund des Flansches verringert das Risiko und das Vorhandensein von Rollenversatz. Insbesondere stellt der Flansch sicher, dass die Rollen nicht versetzt werden, wenn sie in die Lastzone gelangen, d.h. dass die Rollen "gerade" in die Lastzone gelangen und auch dass die Rollen nicht versetzt sind, wenn sie in der Lastzone des Lagers sind. Ein Rollenversatz bedeutet, dass die Rollen gegenüber ihrem normalen und bevorzugten Rollpfad zwischen den Laufflächen der Lagerringe geneigt sind. Die Rückhaltefunktion des Flansches kann besonders vorteilhaft während der Montage des Lagers und/oder während der Befestigung des Lagers an der Rotorwelle sein. In einer Ausführungsform weist der innere Ring des ersten oder zweiten Lagers einen zweiten Flansch auf, der auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Flansches und angrenzend an die Lauffläche positioniert ist. Dies kann ferner die Rückhaltefunktion des Rollensatzes in dem Wälzlager verbessern. Deshalb kann der wenigstens eine Flansch ein beliebiger, oder eine Kombination, aus einem Führungsflansch oder einem Rollenhalteflansch sein.
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In einer Ausführungsform sind das erste und das zweite Wälzlager axial entfernt voneinander an der Rotorwelle positioniert. In einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite Wälzlager axial aneinander angrenzend an der Rotorwelle positioniert. In noch einer weiteren Ausführungsform sind der erste und der zweite innere Ring des ersten und des zweiten Wälzlagers integriert. Deshalb sind das erste und das zweite Wälzlager eine einzelne Lagereinheit. Dies kann zu einer noch kompakteren Lageranordnung führen. Das erste und das zweite Wälzlager können in einer Anordnung mit Druckmittelpunkt zwischen den Lagerstellen oder in einer Anordnung mit Druckmittelpunkt außerhalb der Lagerstellen (auch bekannt als X- und O-Anordnung) angeordnet sein, was dazu führt, dass das Lager dazu fähig ist, radiale Lasten und auch axiale Lasten in beide entgegengesetzte Richtung aufzunehmen.
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Das Lager ist auch dazu fähig, Lastmomente aufzunehmen. Da die axialen Kräfte in Richtung des Windes am größten sind, können das erste und das zweite Wälzlager unterschiedliche Größen aufweisen. Deshalb kann entweder das erste oder das zweite Wälzlager eine geringere Größe aufweisen, wodurch sich eine kompaktere Lageranordnung einschließlich einer Gewichtsreduktion ergibt. In noch einer weiteren Ausführungsform sind der erste und der zweite äußere Ring des ersten und des zweiten Wälzlagers integriert. Dies führt also auch dazu, dass das erste und das zweite Wälzlager eine einzelne Lagereinheit sind, mit denselben Vorteilen, wie wenn die inneren Ringe des ersten und des zweiten Wälzlagers integriert sind.
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In einer Ausführungsform weist wenigstens der erste oder der zweite äußere Ring einen Befestigungsflansch zum Befestigen des ersten und/oder des zweiten Wälzlagers an der ersten oder der zweiten Gehäusestruktur oder an der Welle auf. Der Befestigungsflansch kann in radialer Richtung des ersten oder zweiten äußeren Rings um den Umfang des ersten oder des zweiten äußeren Rings vorspringen. In einer Ausführungsform ist der Befestigungsflansch in mehrere Flanschabschnitte entlang des Umfangs des ersten oder des zweiten äußeren Rings aufgeteilt. Beispielsweise kann es drei Flanschabschnitte geben, die gleichmäßig entlang des Umfangs des ersten oder des zweiten äußeren Rings verteilt sind und sich in radialer Richtung nach außen von dem ersten oder zweiten äußeren Ring erstrecken. In einer Ausführungsform weist der Befestigungsflansch oder die Flanschabschnitte Befestigungsbohrungen auf, die dazu dienen sollen, beispielsweise Befestigungsschrauben/-bolzen aufnehmen zu können, und wobei die entsprechende Gehäusestruktur oder Welle Bohrungen aufweist, in welchen die Schrauben angezogen werden, wodurch das Wälzlager an der Gehäusestruktur befestigt wird. Durch einen Befestigungsflansch wird das Befestigungsverfahren des Wälzlagers erleichtert. Beispielsweise kann das Lagerspiel oder die Vorspannung voreingestellt werden, bevor das Lager befestigt wird, was zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer des Lagers führen kann. Ein fehlerhaft befestigtes Lager könnte zu einer Verringerung der Lebensdauer des Lagers führen. Infolgedessen kann ein Befestigungsflansch das Risiko einer fehlerhaften Befestigung verringern. Die Definition von Lagerspiel ist etwas, das von einem Fachmann anerkannt ist. Wie bei den äußeren Ringen können auch die inneren Ringe Befestigungsflansche zum Befestigen des Wälzlagers an einer feststehenden oder rotierenden Struktur, z.B. einer Gehäusestruktur oder einer Welle, aufweisen. Der Befestigungsflansch kann ähnlich ausgestaltet sein wie bei dem äußeren Ring. Die Vorteile, den Flansch auf dem inneren Ring zu haben, sind ähnlich, wie wenn der Befestigungsflansch auf dem äußeren Ring des Lagers ist.
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In einer Ausführungsform ist das erste und/oder das zweite Wälzlager ein kugelförmiges Axialrollenlager (KARL).
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In einer Ausführungsform ist das zweite Wälzlager ein beliebiges Lager der folgenden Lager: ein kugelförmiges Wälzlager (KWL), ein Ring-Pendellager (RPL) oder ein torusförmiges Wälzlager.
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In einer Ausführungsform ist das zweite Wälzlager ein Kegelrollenlager (KRL) oder ein zylindrisches Wälzlager (ZWL) ist.
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In einer Ausführungsform dienen die äußeren Ringe des ersten und des zweiten Wälzlagers dazu, in der Rotorwellenanordnung für ein Windrad gedreht zu werden, während die inneren Ringe drehfest sind. In einer weiteren Ausführungsform dienen die inneren Ringe des ersten und des zweiten Wälzlagers dazu, in der Rotorwellenanordnung für ein Windrad gedreht zu werden, während die äußeren Ringe drehfest sind.
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In einer Ausführungsform der Rotorwellenanordnung des Windrads liegt der geneigte Kontaktwinkel des ersten Wälzlagers im Bereich von 10 bis 55 Grad. Durch einen Kontaktwinkel in diesem Bereich ist es möglich, große axiale Kräfte aufzunehmen, die durch den Druck des Windes auf die Rotorblätter des Windrads entstehen. Dies ist besonders offensichtlich in größeren Windrädern, die große Rotorblätter für die Windräder aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform liegt der Kontaktwinkel im Wesentlichen bei 45 Grad. Der Kontaktwinkel des Lagers kann basierend auf den Größen der axialen und radialen Lasten in dem bestimmten Windrad ausgestaltet sein.
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In einer Ausführungsform der Rotorwellenanordnung für das Windrad, wenn der Kontaktwinkel des zweiten Wälzlagers zwischen einer jeden Rolle und der inneren und/oder äußeren Lauffläche relativ zur radialen Richtung der Rotorwelle geneigt ist, liegt der Kontaktwinkel im Bereich von 10 bis 55 Grad. In einer weiteren Ausführungsform liegt der Kontaktwinkel im Wesentlichen bei 45 Grad. Auch hier können die Kontaktwinkel basierend auf den Größen der axialen und radialen Lasten ausgestaltet sein. Die Kontaktwinkel des ersten und des zweiten Wälzlagers können ähnlich sein, sie können jedoch auch unterschiedlich sein. Beispielsweise können die Kontaktwinkel für das erste und das zweite Wälzlager so eingestellt sein, dass sie sehr große axiale Lasten in eine Richtung und geringere axiale Lasten in die entgegengesetzte axiale Richtung aufnehmen. Bevorzugt ist die Rotorwellenanordnung des Windrads dazu angeordnet, große axiale Lasten in Richtung des Winds und geringere axiale Lasten in die entgegengesetzte axiale Richtung aufzunehmen.
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In einer Ausführungsform der Rotorwellenanordnung des Windrads ist die Rotorwelle des Windrads im Wesentlichen horizontal. In einer weiteren Ausführungsform ist die Rotorwelle des Windrads im Wesentlichen vertikal.
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In einer Ausführungsform sind das erste und das zweite Wälzlager der Rotorwellenanordnung des Windrads große Wälzlager. Ein großes Wälzlager kann als Lager definiert werden, das einen äußeren Durchmesser von 500 mm oder mehr aufweist.
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In einer Ausführungsform ist eine Befestigungshülse zwischen der Rotorwelle des Windrads und wenigstens dem ersten oder dem zweiten Wälzlager positioniert. Die Befestigungshülse kann ein zylindrisch geformtes Element mit einer zylindrisch geformten inneren Bohrungsoberfläche und einer äußeren umlaufenden Oberfläche sein, auf welcher wenigstens der erste oder der zweite innere Ring befestigt sein kann. Die zylindrisch geformte äußere Oberfläche der Befestigungshülse kann konisch geformt sein und die entsprechende innere umlaufende Oberfläche des inneren Rings kann auch eine konische Form aufweisen. Durch Herauffahren des inneren Rings an die konisch geformte äußere Oberfläche der Befestigungshülse kann eine Presspassung erzielt werden, die zu einer zuverlässigen Befestigung des Lagers an der Rotorwelle führt. Beispielsweise kann es sein, dass es lediglich eine Befestigungshülse für den ersten und den zweiten inneren Ring gibt, oder es kann alternativ sein, dass es je eine Befestigungshülse für den ersten und den zweiten inneren Ring gibt. Besonders bei der Ausführungsform, bei welcher der erste und der zweite innere Ring angrenzend aneinander positioniert sind, oder bei der Ausführungsform, bei welcher der erste und der zweite innere Ring integriert sind, kann es sein, dass lediglich Bedarf für eine Befestigungshülse besteht. In einem derartigen Fall kann die Befestigungshülse so ausgestaltet sein, dass sie zwei unterschiedliche äußere Durchmesser auf der äußeren umlaufenden Oberfläche aufweist, wobei ein erster Durchmesser der Aufnahme des ersten inneren Rings und ein zweiter Durchmesser der Aufnahme des zweiten inneren Rings dient.
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Der erste und der zweite Durchmesser können sich voneinander unterscheiden, wenn das erste und das zweite Wälzlager unterschiedliche Größen aufweisen. Wie zuvor erwähnt, kann die Möglichkeit bestehen, Lager unterschiedlicher Größen zu haben, da die Lasteigenschaften in den zwei entgegengesetzten axialen Richtungen der Rotorwelle unterschiedlich sind, da die größte axiale Last in Richtung des Windes des Windrads besteht.
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In einer Ausführungsform ist die Rotoranordnung des Windrads eine 3-Punkt-Aufhängevorrichtung. Eine derartige Anordnung würde ein drittes Lager einschließen. 3-Punkt-Lageranordnungen sind von Fachmännern anerkannt.
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In einer Ausführungsform weist das Windrad ein Getriebe auf, das mit der Rotorwelle verbunden ist. Das Getriebe überträgt ein Drehmoment an einen Generator, wobei das Getriebe und der Generator in der Gondel des Windrads positioniert sind. In einer weiteren Ausführungsform ist kein Getriebe in dem Windrad vorhanden. Zusätzlich dazu kann in einer weiteren Ausführungsform der Generator in einer radial äußeren Position der Lageranordnung des Windrads positioniert sein. In dieser bestimmten Ausführungsform kann die Lageranordnung so ausgestaltet sein, dass die äußeren Ringe des ersten und des zweiten Wälzlagers sich drehen sollen, und wobei die inneren Ringe stationär sind. In einer Ausführungsform weist wenigstens das erste oder das zweite Wälzlager eine Beschichtung auf einer beliebigen seiner Oberflächen auf. Beispielsweise kann eine Lauffläche von wenigstens einem der Wälzlager beschichtet sein, mit beispielsweise einer Beschichtung zur elektrischen Isolierung, Korrosionsbeständigkeit, Reibungsverringerung, etc. In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eines der Wälzelemente des ersten und/oder zweiten Wälzlagers eine Beschichtung auf.
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In einer Ausführungsform ist das Lagerspiel in der Lageranordnung des Windrads im Wesentlichen auf null eingestellt. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Wälzlager in der Lageranordnung des Windrads eine Vorspannung auf, d.h. dass es kein Spiel in den Wälzlagern gibt.
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In einer Ausführungsform weist wenigstens das erste oder das zweite Wälzlager einen Käfig für die Wälzelemente auf. Der Käfig kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, wie z.B. aus Stahlblech, Stahl, Messing oder Kunststoff. In einer weiteren Ausführungsform sind die Wälzelemente in wenigstens dem ersten oder dem zweiten Wälzlager durch Abstandselemente voneinander beabstandet. Die Abstandselemente sind einzelne Elemente, die die Wälzelemente voneinander beabstanden, und können aus jeder Art von Material, wie z.B. aus Kunststoff, Stahl, Messing, etc., hergestellt sein. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Wälzelemente von wenigstens dem ersten oder dem zweiten Wälzlager eine Mehrzahl von Käfigsegmenten zum Zurückhalten der Rollen auf. Die Käfigsegmente können auch aus jedem geeigneten Material, wie z.B. Stahl, Kunststoff oder Messing, hergestellt sein.
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In einer Ausführungsform weist wenigstens das erste oder das zweite Wälzlager eine konische Bohrung auf. In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens das erste oder das zweite Wälzlager eine zylindrische Bohrung auf. Deshalb kann ein beliebiges oder können beide Wälzlager eine zylindrische oder konische Bohrung aufweisen, abhängig davon, wie die Lager an der Welle/dem Gehäuse befestigt werden sollen.
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In einer Ausführungsform weist die Lageranordnung wenigstens ein Fühlerelement zum Abtasten einer Last, einer Rotationsgeschwindigkeit, einer Temperatur, einer Schallemission, etc. auf. In einer weiteren Ausführungsform ist das wenigstens eine Fühlerelement Teil eines Bedingungsüberwachungssystems zur Überwachung einer Bedingung der Lageranordnung. Es ist zu beachten, dass beliebige Kombinationen der zuvor genannten Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, sofern nicht das Gegenteil dargestellt oder anderweitig angegeben ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter in Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Windradgondel, die eine Rotorwelle und zweite Lager zum Abstützen der Rotorwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
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2 eine Rotorwellenanordnung eines Windrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Rotorwellenanordnung eines Windrads offenlegt, wobei zwei Lager angrenzend aneinander positioniert sind.
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4 eine weitere Ausführungsform einer Rotorwelle eines Windrads gemäß der Erfindung, wobei sich die äußeren Ringe der Lager drehen sollen.
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5 eine weitere Ausführungsform einer Rotorwellenanordnung eines Windrads gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die beiden Lager unterschiedlicher Art sind.
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Die Zeichnungen zeigen schematische veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sind deshalb nicht maßstabsgetreu. Es ist zu verstehen, dass die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichend sind und dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Es ist auch zu beachten, dass einige Einzelheiten in den Zeichnungen übertrieben dargestellt sein können, um die Erfindung besser zu beschreiben und darzustellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 stellt eine Windradgondel 11 dar, die eine Rotorwellenanordnung 1 eines Windrads gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Gondel 11 ist an der Oberseite eines Turms 10 befestigt. Rotorblätter 3 sind an einem Drehpunkt 31 befestigt, der wiederum an einer Rotorwelle 2 befestigt ist. Ein erstes Wälzlager 5 ist zur Abstützung der Welle 2 an einem ersten Abstützpunkt in Bezug auf eine erste Gehäusestruktur (nicht in dieser Figur dargestellt) angeordnet. Ferner ist ein zweites Wälzlager 6 zur Abstützung der Welle 2 an einem zweiten Abstützpunkt in Bezug auf eine zweite Gehäusestruktur (nicht in dieser Figur dargestellt) angeordnet. Die Rotorwelle 2 ist dazu angeordnet, einen Generator 8 über ein Getriebe 7 anzutreiben.
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Während 1 zeigt, wie die Lageranordnung 1 des Windrads in einer Gondel 11 eines Windrads positioniert sein kann, stellt 2 andererseits eine Ausführungsform der Windrad-Anordnung 1 detaillierter dar. Eine Rotorwelle 2 ist zu sehen, die die Rotorblätter 3 über den Drehpunkt 31 abstützt. Die Anordnung 1 umfasst ferner eine drehfeste erste Gehäusestruktur 41 zur Abstützung der Rotorwelle 2, und wobei die erste Gehäusestruktur zur Befestigung an der Gondeleinrahmung 11 angeordnet ist. Ein erstes Wälzlager 5 ist zur Abstützung, in radialer Richtung und in wenigstens einer ersten axialen Richtung, der Rotorwelle 2 in Bezug auf die erste Gehäusestruktur 41 an einem ersten Abstützpunkt angeordnet. Das Lager 5 ist ein einreihiges Pendellager, das einen ersten inneren Ring 51, einen ersten äußeren Ring 52 und einen Satz Rollen 53 umfasst. Jede Rolle 53 ist eine asymmetrische Rolle und weist eine gewölbte mit der Lauffläche in Kontakt stehende Oberfläche auf, die in Kontakt mit einer gewölbten inneren Lauffläche 511 des ersten inneren Rings 51 und in Kontakt mit einer gewölbten äußeren Lauffläche 521 des ersten äußeren Rings 52 angeordnet ist. Ein Kontaktwinkel zwischen jeder Rolle 53 und der inneren und äußeren Lauffläche 511 und 521 ist relativ zur radialen Richtung der Rotorwelle 2 geneigt.
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Die Lauffläche 521 weist ferner einen Radius R1 mit einem Ausgangspunkt in der zentralen Achse X1 der Rotorwelle 2 und des Lagers 5 auf. Ferner weist die Anordnung 1 ein zweites Wälzlager 6 auf, das zur Abstützung der Rotorwelle 2 relativ zu einer zweiten Gehäusestruktur 42 an einem zweiten Abstützpunkt angeordnet ist. In dieser bestimmten Ausführungsform ist jede Rolle 63 des zweiten Wälzlagers 6 eine asymmetrische Rolle und weist eine gewölbte mit der Lauffläche in Kontakt stehende Oberfläche auf, die in Kontakt mit einer gewölbten inneren Lauffläche 611 eines zweiten inneren Rings 61 und in Kontakt mit einer gewölbten äußeren Lauffläche 621 eines zweiten äußeren Rings 62 angeordnet ist.
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Ein Kontaktwinkel zwischen jeder Rolle 63 und der inneren und äußeren Lauffläche 611 und 621 ist relativ zur radialen Richtung der Rotorwelle 2 geneigt. Ferner weisen in dieser bestimmten Ausführungsform der erste und der zweite innere Ring 51 und 61 Flansche 512 und 612 zum Führen der Rollen auf. Genauer gesagt, sind in dieser bestimmten Ausführungsform das erste und das zweite Lager 5 und 6 kugelförmige Axialrollenlager (KARL). Wie bei dem ersten Wälzlager 5 weist die Lauffläche 611 des zweiten Wälzlagers einen Radius R2 mit einem Ausgangspunkt in der zentralen Achse der Rotorwelle 2 und des Lagers 6 auf. Wie zuvor erläutert, können die beiden Lager in entweder einer X- oder einer O-Anordnung befestigt sein. In dieser Ausführungsform sind die beiden KARLs in einer O-Anordnung befestigt. Das erste und das zweite Lager 5 und 6 weisen auch Käfige für die Rollen auf, die in dieser Figur nicht zu sehen sind. Diese Anordnung ist kompakt und auch sehr zuverlässig. Der geneigte Winkel der Laufflächen führt dazu, dass die Lager hohe Lasten in beide entgegengesetzte axiale Richtungen und in die radiale Richtung der Rotorwelle 2 aufnehmen können. Zusätzlich dazu verringert die Selbstausrichtungsfähigkeit aufgrund des gewölbten Profils der Laufflächen 511, 521, 611, 621 und Rollen 53, 63 erheblich Randspannungen in der Zone zwischen den Laufflächen und Rollenenden. Die Ausgestaltung des ersten und zweiten Pendel-Wälzlagers 5 und 6 führt insbesondere dazu, dass der erste äußere Ring 52 und der erste innere Ring 51 und der zweite äußere Ring 62 und der zweite innere Ring 61 relativ zueinander versetzt sein können, beispielsweise verursacht durch Durchbiegungen der Welle, was weiter die Lebensdauer und Systemzuverlässigkeit erhöht. Bei dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, die Lager vorzuspannen, was die Systemsteifigkeit weiter erhöht. Dies, in Kombination mit der Selbstausrichtungsfähigkeit, führt zu einer Lageranordnung, die eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist und gleichzeitig kompakt ist.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu sehen. Die Figur zeigt eine Rotorwellenanordnung 1 des Windrads, die eine Rotorwelle 2 zur Abstützung der Rotorblätter über einen Drehpunkt 31 umfasst. Unter Bezugnahme auf 2, wo die inneren Ringe 51 und 61 zusammen mit der Rotorwelle 2 gedreht werden sollen, sind hier in 3 die äußeren Ringe 52 und 62 so angeordnet, dass sie sich mit der Rotorwelle 2 drehen, wobei die Rotorwelle 2 radial außerhalb der Gehäusestruktur 41, 42 positioniert ist. Deshalb sind die erste und die zweite Gehäusestruktur 41 und 42 hier auf der radial inneren Seite des ersten und zweiten Lagers 5 und 6 positioniert. Die Gehäusestruktur in einer beliebigen der Ausführungsformen kann eine einzelne Einheit sein, oder kann jedoch auch in mehrere Einheiten aufgeteilt sein. Des Weiteren ist ein Generator 8 radial außerhalb der beiden Lager 5 und 6 positioniert und es gibt weiter kein Getriebe in dieser Anordnung. Die Lager 5 und 6 sind in dieser Ausführungsform von zwei kugelförmigen Axialrollenlager dargestellt, die asymmetrische Rollen 53 und 63 und Flansche 512 und 612 auf dem inneren Ring 51 und 61 eines jeden Lagers aufweisen. In der in 2 dargestellten Ausführungsform weisen die Radien R1 und R2 der Laufflächen 511 und 611 der beiden Lager ferner einen Ausgangspunkt in der zentralen Achse X1 der beiden Lager 5 und 6 auf. Zusätzlich dazu sind die beiden Lager 5 und 6 nebeneinander in einer O-Anordnung befestigt, wodurch sich eine sehr kompakte und steife Lageranordnung für das Windrad ergibt. Die beiden Lager 5 und 6 könnten gleichermaßen, wenn bevorzugt, auch in einer X-Anordnung befestigt sein.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die äußeren Ringe 52 und 62 gedreht werden sollen und in Kontakt mit einer Rotorwelle 2 sein sollen. Die Rotorwellenanordnung des Windrads umfasst eine Rotorwelle 2 zur Abstützung von Rotorblättern über einen Drehpunkt 31. Ein erstes Wälzlager 5 ist zur Abstützung, in einer ersten radialen Richtung, der Rotorwelle 2 in Bezug auf eine Gehäusestruktur 41 an einem ersten Abstützpunkt angeordnet. Das Wälzlager 5 ist ein einreihiges Pendel-Wälzlager, das einen ersten inneren Ring 51, einen ersten äußeren Ring 52 und einen Satz von Rollen 53 aufweist, die zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 51, 52 angeordnet sind. Die Rollen 53 sind asymmetrische Rollen und weisen eine gewölbte mit der Lauffläche in Kontakt stehende Oberfläche auf, die in Kontakt mit einer gewölbten inneren und äußeren Lauffläche 511 und 521 des entsprechenden inneren und äußeren Rings 51 und 52 steht. Ein Kontaktwinkel zwischen jeder Rolle 52 und der inneren und äußeren Lauffläche 511 und 521 ist relativ zur radialen Richtung der Rotorwelle 2 geneigt. Ein zweites Lager 6 ist in einer entfernten Position von dem ersten Wälzlager 5 entlang der Welle 2 angeordnet. Das Wälzlager 6 ist zur Abstützung, in eine zweite axiale Richtung, der Rotorwelle 2 in Bezug auf die Gehäusestruktur 42 angeordnet, welche in dieser Ausführungsform dieselbe Gehäusestruktur wie die Gehäusestruktur 41 ist. Ferner ist in dieser bestimmten Ausführungsform das zweite Wälzlager 6 auch ein Pendel-Wälzlager, das asymmetrische Rollen 63 aufweist, die zwischen zwei gewölbten Laufflächen 611 und 621 angeordnet sind, welche Laufflächen in Bezug auf die radiale Richtung der Welle 2 geneigt sind. Ferner weisen beide Lager 5 und 6 Flansche 512 und 612 an jedem entsprechenden inneren Ring 51 und 52 auf. Die erste und die zweite Lauffläche 521 und 621 der entsprechenden äußeren Ringe 52 und 62 weisen einen entsprechenden Radius auf, der jeweils einen Ausgangspunkt in der axialen Mittellinie X1 der Lager 5 und 6 aufweist. In dieser Anordnung sind die Lager 5 und 6 in einer O-Anordnung angeordnet, könnten aber gleichermaßen auch in einer X-Anordnung angeordnet sein.
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Zusätzlich dazu kann, wie nicht in dieser oder einer beliebigen anderen der Ausführungsformen hier dargestellt ist, die Welle 2 einen variierenden Durchmesser entlang seiner Erstreckung aufweisen. Die Gehäusestrukturen 41 und 42 können auch auf verschiedene Arten ausgestaltet sein, wie z.B. integriert als eine Struktur, aufgeteilt in mehrere Teile, mit variierenden Durchmessern entlang seiner axialen Erstreckung, verbunden mit den inneren Ringen, verbunden mit den äußeren Ringen, etc.
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In 5 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Rotorwelle 2 ist zu sehen, die die Rotorblätter 3 über den Drehpunkt 31 abstützt. Die Anordnung umfasst ferner eine drehfeste erste Gehäusestruktur 41 zum Abstützen der Rotorwelle 2, und wobei die erste Gehäusestruktur zur Befestigung an der Gondeleinrahmung 11 angeordnet ist. Ein erstes Wälzlager 5 ist zur Abstützung, in wenigstens einer ersten radialen Richtung, der Rotorwelle 2 in Bezug auf die erste Gehäusestruktur 41 an einem ersten Abstützpunkt angeordnet. Das Lager 5 ist ein einreihiges Pendellager, das einen ersten inneren Ring 51, einen ersten äußeren Ring 52 und einen Satz Rollen 53 umfasst. Jede Rolle 53 ist eine asymmetrische Rolle und weist eine gewölbte mit der Lauffläche in Kontakt stehende Oberfläche auf, die in Kontakt mit einer gewölbten inneren Lauffläche 511 des ersten inneren Rings 51 und in Kontakt mit einer gewölbten äußeren Lauffläche 521 des ersten äußeren Rings 52 angeordnet ist, wobei die Laufflächen 511 und 521 in Bezug auf die radiale Richtung der Welle 2 geneigt sind. Die äußere Lauffläche 521 weist einen Radius R1 mit einem Ausgangspunkt in der zentralen Achse X1 der Rotorwelle 2 und des Lagers 5 auf.
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Das Lager 5 weist ferner einen Flansch 512 an seinem inneren Ring 51 auf. Die Rotorwellenanordnung 1 des Windrads weist ferner ein zweites Wälzlager 6 auf, das entfernt von dem ersten Wälzlager 5 und zwischen der Rotorwelle 2 und einer zweiten Gehäusestruktur 42 angeordnet ist. Dieses Wälzlager weist einen zweiten inneren Ring 61 und einen zweiten äußeren Ring 62 und Wälzelemente 63 auf, die zwischen den Ringen 61 und 62 angeordnet sind. Die Wälzelemente in diesem Lager sind symmetrische Rollen, die eine die äußere Lauffläche kontaktierende Oberfläche aufweisen, die zwischen einer inneren Oberfläche 611 des zweiten inneren Rings 61 und einer äußeren Lauffläche 621 des zweiten äußeren Rings 62 positioniert ist. Die Laufflächen 611 und 621 sind in Bezug auf die radiale Richtung der Welle geneigt. Dieses Lager ist auch ein Pendellager. Die Lagerart wird manchmal als Pendel-Torus- oder Ring-Pendellager (RPL) bezeichnet. Ferner weist in dieser Ausführungsform die äußere Lauffläche 621 einen Radius R2 auf, der die zentrale Achse X1 der Welle und des Lagers 6 überschneidet und sich darüber hinaus erstreckt.
