DE102016223543A1

DE102016223543A1 - Windturbinenwellenanordnung

Info

Publication number: DE102016223543A1
Application number: DE102016223543.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bierlein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-05-30
Also published as: WO2018095452A1

Abstract

Windturbinenwellenanordnung mit einer Rotorwelle 5, welche Rotorblätter 6 trägt, mit einer drehfesten Gehäusestruktur 11, welche die Rotorwelle 5 aufnimmt und welche mit einem Rahmen 12 einer Gondel 3 verbunden ist, mit einem ersten Wälzlager 9 und einem in axialem Abstand zum ersten Wälzlager 9 angeordneten zweiten Wälzlager 10, wobei jedes Wälzlager 9, 10 einen Innenring 13, einen Außenring 15, und eine Mehrzahl von tonnenförmigen Wälzkörpern 16.1 ausweist, die mindestens eine Rollkörperreihe 17.1 bilden und zwischen Innenring 13 und Außenring 15 des jeweiligen Wälzlagers 9, 10 abrollen, wobei jedes Wälzlager 9, 10 eine zweite Rollkörperreihe 17.2 mit tonnenförmigen Walzkörpern 16.2 aufweist, die axial neben der ersten Rollkörperreihe 17.1 angeordnet ist, die Drehachsen D2 der Wälzkörper 16.1, 16.2 jeder Rollkörperreihe 17.1, 17.2 gegenüber der Drehachse DA1 der Rotorwelle 5 geneigt sind, wobei Senkrechte zu Drehachsen DA2 der Wälzkörper 16.1, 16.2 von beiden Rollkörperreihen 17.1, 17.2 eines jeden Wälzlagers 9, 10 eine Senkrechte zu der Drehachse DA1 unter einem Druckwinkel α, β schneiden, und der Druckwinkel α1 der Wälzkörper 16.1 der ersten Rollkörperreihe 17.1 von dem Druckwinkel β1 der Wälzkörper 16.2 der zweiten Rollkörperreihe 17.2 des ersten Wälzlagers 9 voneinander verschieden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windturbinenwellenanordnung, insbesondere die Lagerung einer Rotorwelle in der Gondel einer Windkraftanlange.
Rotorwellenlagerungen sind in der Regel in einem Einzelgehäuse untergebracht und umfassen z. B. zwei durch Wälzlager gebildete, winkeleinstellbare Rotorlager, um Winkelfehler der zu lagernden Maschinenelemente zueinander (z. B. Rotorwelle gegenüber Maschinengehäuse) ausgleichen zu können. Typische Rotorwellenlagerungen von Windkraftanlagen umfassen sogenannte Großwälzlager als Rotorlager. Bei Großwälzlagern beträgt ein Bohrungsdurchmesser, d. h. ein freier Mittendurchmesser eines Innenringes, 600 mm und mehr. Rotorlager moderner Windkraftanlagen, deren Leistung oberhalb von 2 Megawatt liegt, weisen einen Bohrungsdurchmesser von z. B. ca. 600 bis 1800 mm auf.
Allgemein werden zur Lagerung von Rotorwellen von Windkraftanlagen zwei Pendelrollenlager verwendet, die in axialem Abstand zueinander in einer mit dem Rahmen einer Gondel verbundenen Gehäusestruktur angeordnet werden. Jedes dieser Pendelrollenlager hat einen Innenring, einen Außenring und Wälzkörper, die in zwei Rollkörperreihen zwischen Innen- und Außenring angeordnet sind und bei Betrieb des Pendelrollenlagers auf von dem Innenring und dem Außenring bereitgestellten Laufbahnen abrollen. Diese Pendelrollenlager sind symmetrisch ausgebildet, was bedeutet, dass die Wälzkörper der beiden Rollkörperreihen jeweils eine gleiche Länge und einen identischen Druckwinkel haben.
Mit zunehmender Leistung von Windkraftanlagen stößt die soeben beschriebene, zwei symmetrische Pendelrollenlager umfassende Lagerung an ihre Grenzen, weil es wegen des bei solchen Anlagen großen Spiels und der relativ kleinen Druckwinkel zu relativ großen axialen Verlagerungen im Antriebsstrang kommt.
Aus diesem Grund wird von der WO 2014/031054 vorgeschlagen, anstatt der beiden zweireihigen Pendelrollenlager zwei einreihige Tonnenlager zu verwenden und die tonnenförmigen Wälzkörper steil anzustellen bzw. mit einem hohen Druckwinkel zu versehen.
Auch wenn die Verwendung von zwei Tonnenrollenlagern positive Wirkungen in Bezug auf axiale Belastungen hat, können mit dieser Art der Lagerung die höheren, bei Anlagen über 3 Megawatt Leistung liegenden Windkraftanlagen immer mehr auftretenden Radiallasten nicht mehr vernünftig beherrscht werden.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windturbinenwellenanordnung anzugeben, welche gleich gut radiale und axiale Lasten bewältigt.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird den im Anspruch angegebenen Merkmalen gelöst.
Eine gattungsmäßige Windturbinenwellenanordnung umfasst eine Rotorwelle, welche Rotorblätter trägt, eine drehfeste Gehäusestruktur, welche die Rotorwelle aufnimmt und welche mit einem Rahmen einer Gondel verbunden ist, und ein erstes Wälzlager und ein in axialem Abstand zum ersten Wälzlager angeordnetes zweites Wälzlager, wobei jedes Wälzlager einen Innenring, einen Außenring, und eine Mehrzahl von tonnenförmigen Wälzkörpern ausweist, die mindestens eine Rollkörperreihe bilden und zwischen Innenring und Außenring des jeweiligen Wälzlagers abrollen. Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass jedes Wälzlager eine zweite Rollkörperreihe mit tonnenförmigen Wälzkörpern aufweist, die axial neben der ersten Rollkörperreihe angeordnet ist, dass die Drehachsen DA2 der Wälzkörper jeder Rollkörperreihe gegenüber der Drehachse DA1 der Rotorwelle geneigt sind, wobei Senkrechte zu den Drehachsen DA2 der Wälzkörper von beiden Rollkörperreihen eines jeden Wälzlagers eine Senkrechte zu der Drehachse DA1 unter einem Druckwinkel α, β schneiden, und dass der Druckwinkel der Wälzkörper der ersten Rollkörperreihe von dem Druckwinkel der Wälzkörper der zweiten Rollkörperreihe des ersten Wälzlagers voneinander verschieden sind.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass allein schon die auf die Druckwinkel bezogene asymmetrische Ausbildung eines der beiden die Rotorwelle lagernden Wälzlagers ausreichend ist, axiale Verlagerungen der Rotorwelle auszuschließen und eine gute radiale Tragfähigkeit bereitzustellen.
Das Axialspiel ist weiter reduziert, wenn auch die Druckwinkel der beiden Rollenkörperreihen des zweiten Wälzlagers voneinander verschieden sind.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest das erste Wälzlager getriebeseitig angeordnet ist, wobei die Wälzköper der getriebenahen Rollkörperreihe unter einem Druckwinkel α1 und die Wälzkörper der getriebefernen Rollkörperreihe unter einem Druckwinkel β1 angestellt sind, wobei der Druckwinkel α1 größer dem Druckwinkel β1 ist.
Ein Optimum ist erreicht, wenn das zweite Wälzlager rotorseitig angeordnet ist, wobei die Wälzköper der rotornahen Rollkörperreihe unter einem Druckwinkel von α2 und die Wälzkörper der rotorfernen Rollkörperreihe unter einem Druckwinkel β2 angestellt sind, wobei der Druckwinkel α1 größer dem Druckwinkel β1 ist.
Zur Einstellung der Verhältnisse ist es vorteilhaft, wenn der Druckwinkel α2 kleiner dem Druckwinkel α1.
Viele Gleichteile können verwendet werden, wenn bei jedem der beiden Wälzlager die Wälzkörper von erster und zweiter Rollkörperreihe gleiche Länge haben. Die Einstellbarkeit der Lagerung ist verbessert, wenn die Wälzkörper von erster und zweiter Rollkörperreihe eine unterschiedliche Länge haben, wobei bei unterschiedlich langen Wälzköpern die jeweils längeren Wälzkörper zur Rollkörperreihe gehört, deren Wälzkörper den größeren der beiden Druckwinkel einhalten.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Windkraftanlage,
2 eine erste Ausführung einer Rotorwellenlagerung einer Windkraftanlage;
3 eine zweite Ausführung einer Rotorwellenlagerung einer Windkraftanlage und
4 eine weitere Ausführung einer Rotorwellenlagerung einer Windkraftanlage.

Wege zum Ausführen der Erfindung
Die Erfindung soll nun anhand der Fig. näher erläutert werden.
1 zeigt eine Windkraftanlage 1, umfassend eine erfindungsgemäße Windturbinenwellenanordnung. Diese Windturbinenwellenanordnung umfasst einen Maschinenturm 2, auf dem eine Gondel 3 mit einem Generator 4 sowie eine windgetriebene Rotorwelle 5 mit einer mehrere Rotorblätter 6 tragenden Rotornabe 7 angeordnet sind. Die Rotorwelle 5 wird durch eine Rotorlagerung 8 (durch Kasten eingerahmt), bestehend aus einem ersten Wälzlager 9 und einem zweiten, im axialen Abstand zum ersten Wälzlager 9 angeordneten Wälzlager 10 getragen. Dabei fungiert das erste, dem Generator 4 nahe Wälzlager 9 als Festlager und das zweite, den Rotorblättern 6 nahe Wälzlager 10 als Loslager. Mit Strichelung an den beiden Wälzlagern 9, 10 und dem Generator 4 in 1 ist eine drehfeste Gehäusestruktur 11 angedeutet, die u.a. die Rotorwelle 5 aufnimmt und die mit einem nur schematisch gezeigten Rahmen 12 mit der Gondel 3 verbunden ist.
Im Folgenden werden nun anhand der 2 die Komponenten der beiden Wälzlager 9, 10 erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen bei den verschiedenen Wälzlagern 9, 10 auf gleiche Komponenten beziehen.
Jedes der beiden Wälzlager 9, 10 hat einen Innenring 13, auf dem in axialem Abstand zueinander zwei Laufbahnen 14.1, 14.2 vorgesehen sind. Dieser Innenring 13 wird koaxial von einem Außenring 15 umgeben, der nur eine Laufbahn 14.3 von einheitlicher sphärischer Kontur aufweist. Zwischen Innenring 13 und Außenring 15 sind tonnenförmige Wälzkörper 16.1, 16.2 angeordnet, wobei die Wälzkörper 16.1 zu einer erste Rollenkörperreihe 17.1 und die Wälzkörper 16.2 zu einer zweiten, von der ersten Rollkörperreihe 17.1 axial beabstandeten Rollkörperreihe 17.2 gehören. Im Betrieb der Windkraftanlage 1 rollen die Wälzkörper 16.1, 16.2 auf den von Innen- und Außenring 13, 15 bereitgestellten Laufbahnen 14.1, 14.2, 14.3 ab. Zur Führung der Wälzkörper 16.1, 16.2 sind Käfige 18.1, 18.2 vorgesehen.
Da das erste, dem Generator 4 nahe Wälzlager 9 als Festlager fungiert, ist dessen Außenring 15 in einer von zwei seitlichen Borden 19.1, 19.2 begrenzten Ausnehmung 20 in der Gehäusestruktur 11 axial festgelegt, während der Außenring 15 des zweiten, als Loslager fungierenden Wälzlagers 10 an einer zur Drehachse DA1 der Rotorwelle 5 parallel verlaufenden Fläche 21 der Gehäusestruktur 11 axial verschiebbar anliegt.
Die Innenringe 13 von beiden Wälzlagern 9, 10 weisen zentrale Bohrungen 22 auf, welche die Rotorwelle 5 aufnehmen.
Bei jedem der beiden Wälzlager 9, 10 haben die Wälzkörper 16.1, die die erste Rollkörperreihe 17.1 bilden, eine Länge L2, die von der Länge L1 der jeweils anderen, die zweite Rollkörperreihe 17.2 bildenden Wälzkörper 17.2 verschieden ist. Für das erste Wälzlager 9 ist dies so gestaltet, dass die Wälzkörper 16.1 der ersten, dem Generator 4 nahen Rollkörperreihe 17.1 eine größere Länge haben als die Wälzkörper 16.2 der zweiten Rollkörperreihe 17.2. Folglich gilt für die Längen der Wälzkörper 16.1, 16.2 des ersten Wälzlagers 9 die Beziehung L2 >L1. Diese Längenbeziehung gilt auch für Wälzkörper 16.1, 16.2 des zweiten Wälzlagers 10.
Die Wälzkörper 16.1 der ersten Rollkörperreihe 17.1 des ersten Wälzlagers 9 laufen unter einen Druckwinkel α1 und die Wälzkörper 16.2. der zweiten Rollkörperreihe 17.2 dieses Wälzlagers 9 unter einem Druckwinkel β1, wobei der Druckwinkel β1 kleiner dem Druckwinkel α1 ist. Diese Verhältnisse gelten auch beim zweiten Wälzlager 10, allerdings mit dem Unterschied, dass die erste Rollkörperreihe 17.1 des Wälzlagers 10, deren Wälzkörper 16.1 im Vergleich zu den Wälzkörpern 16.2 der anderen Rollkörperreihe 17.1 die größere Länge L2 und die größeren Druckwinkel α2 haben, nicht an der generatornahen, sondern an der rotornahen Seite dieses Wälzlagers 10 liegt.
Dies alles führt dazu, dass bei der erfindungsgemäßen Lagerung der Rotorwelle 5 alle Wälzkörper 16.1 der jeweils ersten Rollkörperreihen 17.1 bezogen auf die Wälzkörper 16.2 der zweiten Rollkörperreihen 17.2 nicht nur unter den größeren der beiden Druckwinkel α1, α2 des jeweiligen Wälzlagers 9, 10 einnehmen, sondern gleichzeitig auch die längeren Wälzkörper 16.1.haben. Dies stellt sicher, dass auftretende Axialkräfte von den ersten Rollkörperreihen 17.1 übertragen werden, während die zweiten Rollkörperreihen 17.2 besonders gut Radiallasten aufnehmen, die mit steigenden Megawattzahlen von Windkraftanlagen 1 nicht mehr vernachlässigt werden können. So ist die in 2 gezeigte, zwei Wälzlager 9, 10 umfassende Lagerung geeignet, Rotorwellen 5 von Windkraftanlagen von 3 oder mehr Megawatt Leistung zuverlässig über einen Zeitraum von 25 Jahren und mehr zu lagern.
Auch wenn in 2 gezeigt ist, dass die Druckwinkel α1 und α2 bzw. β1 und β2 der Wälzlager 9, 10 jeweils gleich groß sind, können die Druckwinkel α1 und α2 bzw. β1 und β2 der beiden Wälzlager 9, 10 auch unterschiedlich groß sein. Letztes ist in 3 gezeigt, indem der Druckwinkel α2 des Wälzlagers 10 etwas kleiner ist als der Druckwinkel α1 des Wälzlagers 9. Durch diese flachere Anstellung der Wälzkörper 16.1 nimmt die erste Rollkörperreihe 17.1 des Wälzlagers 10 im Vergleich zur Ausbildung gemäß 2 mehr Radiallasten auf.
In 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 2 entspricht. Im Unterschied zu der Ausführung gemäß 2 haben aber die Wälzkörper 16.1, 16.2 von beiden Wälzlagern 9, 10 gleiche Längen (L1=L2). Ohne auf die Ausbildung mit gleichlangen Wälzkörpern 16.1, 16.2 in beiden Wälzlagern 9, 10 beschränkt zu sein, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 die Rotorwelle 5 vollständig axial festgelegt. Dies ist so gelöst, dass am ersten Wälzlager 9 nur ein Bord 19.1 an der dem Getriebe 4 nahen Seite der Gehäusestruktur 11 vorgesehen ist, welcher am Außenring 15 dieses Wälzlager 9 anliegt, und dass dieser Bord 19.1 mit einem Bord 19.2 zusammenwirkt, der an der rotornahen Seite des Wälzlager 10 an dessen Außenring 15 anliegt . Diese beiderseitigen Festlager sind in der Lage, axiales Spiel aus der Lagerung zu nehmen.
Nur der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang dieser Anmeldung unter einem Druckwinkel ein Winkel verstanden wird, der sich zwischen einer zur Drehachse DA1 der Rotorwelle verlaufenden Senkrechten und einer zur Drehachse DA2 eines Wälzkörpers 16.1 oder 16.2 verlaufenden Senkrechten einstellt.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Maschinenturm
3: Gondel
4: Generator
5: Rotorwelle
6: Rotorblatt
7: Rotornabe
8: Rotorlagerung
9: Erstes Wälzlager
10: Zweites Wälzlager
11: Gehäusestruktur
12: Rahmen
13: Innenring
14: Laufbahn
15: Außenring
16: Wälzkörper
17: Rollkörperreihe
18: Käfig
19: Bord
20: Ausnehmung
21: Fläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/031054 [0005]

Claims

Windturbinenwellenanordnung mit einer Rotorwelle 5, welche Rotorblätter 6 trägt, mit einer drehfesten Gehäusestruktur 11, welche die Rotorwelle 5 aufnimmt und welche mit einem Rahmen 12 einer Gondel 3 verbunden ist, mit einem ersten Wälzlager 9 und einem in axialem Abstand zum ersten Wälzlager 9 angeordneten zweiten Wälzlager 10, wobei jedes Wälzlager 9, 10 einen Innenring 13, einen Außenring 15, und eine Mehrzahl von tonnenförmigen Wälzkörpern 16.1 ausweist, die mindestens eine Rollkörperreihe 17.1 bilden und zwischen Innenring 13 und Außenring 15 des jeweiligen Wälzlagers 9, 10 abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wälzlager 9, 10 eine zweite Rollkörperreihe 17.2 mit tonnenförmigen Wälzkörpern 16.2 aufweist, die axial neben der ersten Rollkörperreihe 17.1 angeordnet ist, dass die Drehachsen D2 der Wälzkörper 16.1, 16.2 jeder Rollkörperreihe 17.1, 17.2 gegenüber der Drehachse DA1 der Rotorwelle 5 geneigt sind, wobei Senkrechte zu Drehachsen DA2 der Wälzkörper 16.1, 16.2 von beiden Rollkörperreihen 17.1, 17.2 eines jeden Wälzlagers 9, 10 eine Senkrechte zu der Drehachse DA1 unter einem Druckwinkel α, β schneiden, und dass der Druckwinkel α1 der Wälzkörper 16.1 der ersten Rollkörperreihe 17.1 von dem Druckwinkel β1 der Wälzkörper 16.2 der zweiten Rollkörperreihe 17.2 des ersten Wälzlagers 9 voneinander verschieden ist.
Windturbinenrotorwellenanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch die Druckwinkel α2, β2 der Wälzkörper 16.1, 16.2 von beiden Rollenkörperreihen 17.1, 17.2 des zweiten Wälzlagers 10 voneinander verschieden sind.
Windturbinenrotorwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wälzlager 9 getriebeseitig angeordnet ist, wobei die Wälzköper 16.1 der getriebenahen Rollkörperreihe 17.1 unter einem Druckwinkel α1 und die Wälzkörper 16.2 der getriebefernen Rollkörperreihe 17.2 unter einem Druckwinkel β1 angestellt sind, wobei der Druckwinkel α1 größer dem Druckwinkel β1 ist.
Windturbinenrotorwellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wälzlager 10 rotorseitig angeordnet ist, wobei die Wälzköper 16.1 der rotornahen Rollkörperreihe 17.1 unter einem Druckwinkel α2 und die Wälzkörper 16.2 der rotorfernen Rollkörperreihe 17.2 unter einem Druckwinkel β2 angestellt sind, wobei der Druckwinkel α2 größer dem Druckwinkel β2 ist.
Windturbinenrotorwellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet; dass der Druckwinkel α2 kleiner dem Druckwinkel α1 ist.
Windturbinenrotorwellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der beiden Wälzlager 9, 10 die Wälzkörper 16.1, 16.2 von erster und zweiter Rollkörperreihe 17.1, 17.2 entweder gleiche Längen oder unterschiedliche Längen haben, wobei bei unterschiedlich langen Wälzköpern 16.1, 16.2 die jeweils längeren Wälzkörper 16.1 zur der Rollkörperreihe 17.1 des jeweiligen Wälzlagers 9, 10 gehören, deren Wälzkörper 16.1 den größeren der beiden Druckwinkel α1/β1 bzw. α2/β2 einhalten.
Windturbinenrotorwellenanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass alle Wälzkörper 16.1, 16.2 von beiden Wälzlagern 9, 10 gleiche Länge haben.
Windturbinenrotorwellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Wälzlager 9 mittels von zumindest einem, an der Getriebeseite vorgesehenen Bord 19.1 axial festgelegt ist.