DE102017206246A1

DE102017206246A1 - Lageranordnung zur Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102017206246A1
Application number: DE102017206246.0A
Authority: DE
Inventors: Gunther Elfert; Bernd Lüneburg; Fabian Ackfeld; Jörg Rollmann; Thomas Wulf
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde Germany GmbH
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2018-10-11
Also published as: WO2018189143A1; CN110914538A; CN110914538B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, umfassend ein Wälzlager (1) zur drehbaren Lagerung des Rotorblatts um seine Längsachse und eine Nabe (10) zur Übertragung einer Rotationsbewegung des Rotorblatts auf eine Rotorwelle der Windenergieanlage, wobei das Wälzlager (1) einen ersten Lagerring (2), einen zweiten Lagerring (3) und zwischen den Lagerringen (2, 3) angeordnete Wälzkörper (4a, 4b, 5) aufweist, wobei die Lagerringe (2, 3) relativ zueinander drehbar sind, wobei der erste Lagerring (2) einen sich radial zur Mitte des ersten Lagerrings (2) hin erstreckenden Zapfen (6) aufweist, der zwei Laufbahnen (7, 8) für erste Wälzkörper (4a, 4b) und eine Laufbahn (9) für zweite Wälzkörper (5) aufweist, wobei der zweite Lagerring (3) Laufbahnen (7', 8') für die ersten Wälzkörper (4a, 4b) und eine Laufbahn (9') für die zweiten Wälzkörper (5) aufweist, wobei einer der Lagerringe (2, 3) mit der Nabe (10) und der andere der Lagerringe (3, 2) mit dem Rotorblatt verbunden ist, und wobei die Nabe (10) einen kreisringförmigen Anschlussbereich (11) zur Anbindung des Wälzlagers (1) aufweist. Um eine Lageranordnung zur Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage vorzuschlagen, die eine hohe Steifigkeit gegen elastische Verformungen des Rotorlagers aufweist, wobei ein geringes Gewicht des Blattlagers, ein geringer Montageaufwand und geringe Materialkosten erreicht werden und die Gefahr von „False Brinelling“-Effekten minimiert wird, wird vorgeschlagen, dass einer der Lagerringe (2, 3) in dem Anschlussbereich (11) derart in die Nabe (10) integriert ist, dass das Material der Nabe (10) zur Aussteifung des integrierten Lagerrings (2, 3) in radialer Richtung beiträgt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, umfassend ein Wälzlager zur drehbaren Lagerung des Rotorblatts um seine Längsachse und eine Nabe zur Übertragung einer Rotationsbewegung des Rotorblatts auf eine Rotorwelle der Windenergieanlage, wobei das Wälzlager einen ersten Lagerring, einen zweiten Lagerring und zwischen den Lagerringen angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei die Lagerringe relativ zueinander drehbar sind, wobei der erste Lagerring einen sich radial zur Mitte des ersten Lagerrings hin erstreckenden Zapfen aufweist, der zwei Laufbahnen für erste Wälzkörper und eine Laufbahn für zweite Wälzkörper aufweist, wobei der zweite Lagerring Laufbahnen für die ersten Wälzkörper und eine Laufbahn für die zweiten Wälzkörper aufweist, wobei einer der Lagerringe mit der Nabe und der andere der Lagerringe mit dem Rotorblatt verbunden ist, und wobei die Nabe einen kreisringförmigen Anschlussbereich zur Anbindung des Wälzlagers aufweist.
Die Blattlager von Windenergieanlagen müssen hohe Kräfte und Momente übertragen. Hierbei müssen zum einen hohe Pitchzyklenzahlen realisiert werden, was hohe Anforderungen an die Lebensdauer der überholten Kontaktstellen der Wälzkörperreihe mit den Laufbahnen bedeutet. Zum anderen muss das Blattlager große Verformungen und Verformungsänderungszyklen, auch im Stillstand des Lagers (bei drehende Turbine) ertragen. Bei den in der erfindungsgemäßen Lageanordnung verwendeten 3-reihigen Rollendrehverbindungen haben die Rollen Linienkontakt du den Laufbahnen. Bereits geringe Relativverformungen der Laufbahnen senkrecht zur Rollrichtung der Wälzkörperreihe, insbesondere im Stillstand des Lagers, führen bei solchen Rollenlagern zu Schäden (sog. „False Brinelling“), was die Lebensdauer unzulässig verringern kann. Dieser Schädigungsmechanismus begrenzt den Einsatzbereich von 3-reihigen Rollendrehverbindungen.
Eine Lageranordnung der eingangs genannten Art ist zum Beispiel aus der Druckschrift EP 1 891 327 B1 bekannt. In der Ausführungsform gemäß 1 dieser Druckschrift ist das Blattlager als 3-reihige Rollendrehverbindung ausgeführt. In der EP 1 891 327 B1 wird beschrieben, dass verschiedene Beanspruchungen auf das Blattlager ist Rotorblattes einer Windenergieanlage einwirken. Als größte Belastung wird das Kippmoment hervorgehoben, welches durch die Eigengewichtskraft der Rotorblätter und der Nabe sowie durch die im Zentrum des Winddrucks (etwa in der Mitte der Rotorblattlänge) konzentrierte Windlast auf die Blattlager wirkt. Aufgrund der beträchtlichen Hebelarme resultieren sehr hohe Biegebeanspruchung der Blattwurzel des Rotorblattes und der Blattlager. Das von der Windlast erzeugte Kippmoment werde bei dem in der EP 1 891 327 B1 vorgeschlagenen Bauform einer 3-reihigen Rollendrehverbindung als Blattlager ausschließlich durch ein Axialkraftpaar abgestützt. Zur Aufnahme dieser in Axialrichtung auf das Blattlager einwirkenden Kräfte, die aus dem erwähnten, durch die Windlast und Eigengewichtskräfte hervorgerufenen Kippmoment resultieren, dienen bei einer 3-reihigen Rollendrehverbindung diejenigen Wälzkörper, deren Rotationsachse quer zur Längsachse des Rotorblattes ausgerichtet ist. Diese Wälzkörper sind bei einer 3-reihigen Rollendrehverbindung gemäß EP 1 891 327 B1 so ausgebildet, dass sie ausschließlich Axialkräfte übertragen können. Über diese Wälzkörper können keine Radialkräfte aufgenommen bzw. übertragen werden.
Neben der Biegebeanspruchung durch die über den Hebelarm des Rotorblattes wirkende Windlast und die daraus resultierenden Axialkräfte sei gemäß EP 1 891 327 B1 auch noch eine Belastung zu berücksichtigen, die aus der Windkraft selbst resultiere und das Blattlager in Radialrichtung belaste. Diese Belastung sei zwar bedeutend geringer als die durch das von der Eigengewichtskraft und der Windlast herrührende Kippmoment verursachte Belastung, könne aber dennoch nicht vernachlässigt werden, weil bei der die in der EP 1 891 327 B1 vorgeschlagenen Bauform des Blattlagers als 3-reihige Rollendrehverbindung die etwa zylinderförmigen Wälzkörper keine Radialkräfte übertragen könnten. Aus diesem Grunde sei bei den 3-reihigen Rollendrehverbindungen, die als Blattlager verwendet werden, eine dritte Wälzkörperreihe vorgesehen, durch welche die Radialkräfte übertragen werden können. Diese dritte Wälzkörperreihe könne platzsparend in Axialrichtung gesehen zwischen den beiden Wälzkörperreihen vorgesehen werden, die für die Übertragung der Axialkräfte vorgesehen sind.
Im Stand der Technik ist es üblich, das Blattlager von außen stirnseitig an die Nabe anzuflanschen. So ist bei der in der EP 1 891 327 B1 vorgeschlagenen Bauform für das Blattlager der Außenring des Blattlagers stirnseitig von außen an einen kreisringförmigen Anschlussbereich der Nabe angeflanscht. Der Außenring weist eine kreisringförmige Anschlussfläche 10 auf, die auf einer Stirnseite 16 der Rotornabe 3 anliegt. Der Außenring des Blattlagers ist über Stehbolzen 20 mit der Rotornabe 3 verschraubt, während der Innenring des Blattlagers über Stehbolzen 19 und Verankerungskörper 8 mit dem Rotorblatt 2 verschraubt ist.
Sowohl mechanische Simulationsrechnungen als auch die Betriebspraxis zeigen, dass aufgrund der teilweise extrem hohen Belastungen, die auf Blattlager von Rotorblättern von Windenergieanlagen einwirken, elastische Verformungen der Blattlager auftreten. Diese elastischen Verformungen führen durch unterschiedliche Einflüsse zu einer Verringerung der Lebensdauer der Blattlager. Zum einen können die elastischen Verformungen bei abgedichteten Lagern zu Undichtigkeiten führen, sodass die Lebensdauer, auf die die Lager ausgelegt worden sind, aufgrund unzureichender Schmierung des Lagers tatsächlich nicht erreicht wird. Zum anderen können die elastischen Verformungen des Blattlagers dazu führen, dass die Wälzkörper so belastet werden, dass die Wälzkörper oder die mit ihnen zusammenwirkenden Laufbahnen der Lagerringe vorzeitig verschleißen oder sogar zerstört werden. So kann es z.B. durch die elastischen Verformungen des Blattlagers zu einer erhöhten Kantenpressung der Wälzkörper gegen die Laufbahn kommen, welche zu einem erhöhten Verschleiß und zu verkürzter Lebensdauer der Blattlager führt.
Die vorstehend beschriebenen Auswirkungen werden umso gravierender, je größer die Blattlagerdurchmesser werden. Auf dem Gebiet der Windenergieanlagen geht der Trend zu immer größeren Anlagen mit immer größeren Rotorblattlängen und größeren Durchmessern der mit der Nabe zu verbindenden Rotorblattwurzel. Damit werden auch Blattlager mit immer größeren Durchmessern erforderlich. Je größer das Verhältnis von Blattlagerdurchmesser zu Lagerringdicke wird, desto „weicher“ verhalten sich die Blattlager, d.h. desto größer sind die auftretenden elastischen Verformungen infolge der auf die Blattlager im Betrieb einwirkenden Belastungen.
Das Problem der elastischen Verformung des Blattlagers und einer daraus bei Verwendung von im Wesentlichen zylindrischen Wälzkörperrollen resultierenden Kantenpressung der Wälzkörper gegen die Laufbahn wird in der EP 1 891 327 B1 angesprochen (vgl. Abs. 0023). Die EP 1 891 327 B1 empfiehlt als Maßnahme zur Erhöhung der Lebensdauer der vorgeschlagenen 3-reihigen Rollendrehverbindung, dass die die Axialkräfte aufnehmenden Wälzkörper „zumindest einen bombierten Übergangsbereich zwischen der Mantelfläche und wenigstens einer angrenzenden Stirnseite aufweisen sollten, d.h. eine Abflachung oder Abrundung. Dadurch wird eine Kantenpressung gegen die Laufbahn bei elastischer Verformung der Lagereinheit im Betrieb toleriert, indem auch für diesen Fall im Bereich des abgerundeten Übergangs eine ausreichende Kontaktfläche zu den Laufflächen sichergestellt ist.“ Nachteilig an dieser vorgeschlagenen Lösungsmaßnahme ist, dass sie das vorstehend erwähnte Problem einer durch die elastischen Verformungen des Lagers entstehenden Undichtigkeit und einer die Lebensdauer verkürzenden unzureichenden Schmierung nicht adressiert. Nachteilig ist weiter, dass diese Lösungsmaßnahme bei sehr großen Lagern nicht ausreichend sein kann, weil die Verformungen so groß werden können, dass die Abrundung der Wälzkörper nicht ausreicht, um eine unzulässig große Kantenpressung sicher zu vermeiden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene weitere Lösungen bekannt, wie dem Problem einer elastischen Verformung des Blattlagers im Betrieb entgegengewirkt werden kann. Diese Lösungen haben den gemeinsamen Grundgedanken, die Steifigkeit des Blattlagers durch zusätzliche Verstärkungselemente zu erhöhen und dadurch den Widerstand des Blattlagers gegen elastische Verformungen im Betrieb zu erhöhen.
In der Patentanmeldung EP 2 933 476 A1 wird der Lösungsansatz verfolgt, die Steifigkeit des Blattlagers (pitch bearing) durch zwei Verstärkungsscheiben (first reinforcement plate 31, second reinforcement plate 32) erhöhen. Die beiden Verstärkungsscheiben sind am Innenring des Blattlagers befestigt. Zusätzlich zu den Verstärkungsscheiben sind weitere Verstärkungsmittel zur Erhöhung der Steifigkeit des Blattlagers vorgesehen, die an den Verstärkungsscheiben befestigt sind (Abs. 0070: „The pitch bearing is further reinforced by a stiffening block which servers as a further means 40 for reinforcing the pitch bearing. The further means 40 is attached to the reinforcement plates 31, 32 by a plurality of equally distributed bolts 41.“).
Die WO 2013/107452 A1 schlägt zur Erhöhung der Steifigkeit des Blattlagers in Radial-, Umfangs- und Axialrichtung eine Stützstruktur (support structure 30) vor. Diese wird durch Unterstützungsrippen (support ribs 40) gebildet. Die Stützstruktur kann in Umfangsrichtung unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen.
Die Druckschrift US 2013/0052023 A1 lehrt, einer elastischen Verformung des Außenrings (outer ring 15) des Blattlagers dadurch entgegenzuwirken, dass von der üblicherweise zylindrischen Form des Außenrings abgewichen und zusätzliches Material an der Außenseite des Außenrings angefügt wird (vgl. Abs. 0027: „In order to reduce such a deformation of the outer bearing ring 15 the outer bearing is reinforced by adding material to the usually cylindrical shape of the outer bearing ring 15. The material is added to the outer surface of a usually cylindrical outer bearing ring,...“).
In der Druckschrift EP 2 546 512 A1 wird ein mit dem Innenring des Blattlagers verbundener Verstärkungsring (reinforcement ring 23) zur Erhöhung der Steifigkeit vorgeschlagen. Die Druckschrift EP 2 623 772 A1 lehrt ebenfalls die Verwendung eines mit dem Innenring des Blattlagers verbundenen Verstärkungsring (reinforcing 24). Auch die Patentanmeldung WO 2013/076754 A1 lehrt die Verwendung eines Verstärkungselements in Form einer Ringplatte („reinforcement element 23 in form of a ring plate“), welches am Innenring des Blattlager befestigt ist.
Alle vorstehend erwähnten Verstärkungslösungen weisen den Nachteil auf, dass zusätzliche Bauteile zur Erzielung der Verstärkung des Blattlagers verwendet werden müssen. Diese zusätzlichen Bauteile erhöhen das Gewicht des Blattlagers und führen zu einem erhöhten Montageaufwand und höheren Materialkosten.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lageranordnung zur Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage vorzuschlagen, die eine hohe Steifigkeit gegen elastische Verformungen des Rotorlagers aufweist, wobei ein geringes Gewicht des Blattlagers, ein geringer Montageaufwand und geringe Materialkosten erreicht werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Windenergieanlage vorzuschlagen, bei der auch bei großen Rotorblättern, die einen großen Durchmesser im Bereich der Rotorblattwurzel aufweisen, eine elastische Verformung des Blattlagers infolge der im Betrieb auftretenden hohen Belastungen verhindert oder auf ein hinnehmbares Maß begrenzt wird.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Lageranordnung gelöst durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lageanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben. Hinsichtlich der Windenergieanlage wird die Aufgabe gelöst durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Die Lageranordnung wird erfindungsgemäß in der Art und Weise in die Nabe integriert, dass die Nabe die Laufbahnen des Lagers optimal stützt und damit die Verformungen, insbesondere die radialen Verformungen der Laufbahnen minimiert werden. Die Integration des Wälzlagers in die Nabe hat zur Folge, dass das System Lager-Nabe steifer wird als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten stirnseitigen Anflanschen des Wälzlagers an die Nabe. Dies reduziert insbesondere die radialen Verformungen des Lagers und der Laufbahnen und führt damit zu geringeren Relativbewegungen der Laufbahnen senkrecht zur Rollrichtung der Rollen. Auf diese Weise wird die Gefahr von „False Brinelling“-Effekten minimiert.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung erzielt eine Erhöhung der Steifigkeit des Blattlagers und damit einen größeren Widerstand gegen elastische Verformungen des Blattlagers bei im Betrieb auftretenden hohen Belastungen ohne die Verwendung von zusätzlichen Verstärkungsbauteilen. Die erfindungsgemäße Lagerordnung kommt ohne zusätzliche Verstärkungselemente aus. Dadurch wird das Gewicht des Blattlagers möglichst gering gehalten. Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist ohne erhöhten Montageaufwand montierbar, weil keine separaten Verstärkungselemente gehandhabt und montiert werden müssen. Durch den Verzicht auf separate Verstärkungselemente wird auch der Materialeinsatz für das Blattlager auf ein Minimum reduziert.
Zur weiteren Optimierung können jedoch auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus versteifende Zusatzelemente eingesetzt werden. Durch Verwendung von versteifenden Zusatzelementen bei einer Lageranordnung mit in die Nabe integriertem Lagerring können besonders hohe Steifigkeiten erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Lageranordnung zur Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, umfassend ein Wälzlager zur drehbaren Lagerung des Rotorblatts um seine Längsachse und eine Nabe zur Übertragung einer Rotationsbewegung des Rotorblatts auf eine Rotorwelle der Windenergieanlage, wobei das Wälzlager einen ersten Lagerring, einen zweiten Lagerring und zwischen den Lagerringen angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei die Lagerringe relativ zueinander drehbar sind, wobei der erste Lagerring einen sich radial zur Mitte des ersten Lagerrings hin erstreckenden Zapfen aufweist, der zwei Laufbahnen für erste Wälzkörper und eine Laufbahn für zweite Wälzkörper aufweist, wobei der zweite Lagerring Laufbahnen für die ersten Wälzkörper und eine Laufbahn für die zweiten Wälzkörper aufweist, wobei einer der Lagerringe mit der Nabe und der andere der Lagerringe mit dem Rotorblatt verbunden ist, und wobei die Nabe einen kreisringförmigen Anschlussbereich zur Anbindung des Wälzlagers aufweist. Um bei einer solchen Lageranordnung eine hohe Steifigkeit gegen elastische Verformungen des Rotorlagers zu erreichen, und ein geringes Gewicht des Blattlagers, einen geringen Montageaufwand und geringe Materialkosten zu verwirklichen, schlägt die Erfindung vor, dass einer der Lagerringe in dem Anschlussbereich derart in die Nabe integriert ist, dass das Material der Nabe zur Aussteifung des integrierten Lagerrings in radialer Richtung beiträgt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das zur Aussteifung des integrierten Lagerrings dienende Material der Nabe im Anschlussbereich so verteilt angeordnet, dass Relativverformungen in radialer Richtung zwischen den Laufbahnen des ersten und des zweiten Lagerrings minimiert sind. Die Verteilung des Nabenmaterials im Anschlussbereich der Nabe erfolgt unter Berücksichtigung der Steifigkeitsverhältnisse des an das Rotorblatt angeschlossenen Lagerrings und des damit verbundenen Rotorblatts in dessen Betriebsstellung. Außerdem werden die wechselnden Belastungen berücksichtigt, die aus dem aufgrund der Gewichtskraft des Rotorblatts auftretenden Kippmoment resultieren. Durch die erfindungsgemäß gewählte Verteilung des Nabenmaterials im Anschlussbereich kommt es zu gar keinen oder nur zu geringen/minimierten Relativverformungen in radialer Richtung zwischen den Laufbahnen des ersten und des zweiten Lagerrings. Die konkrete Verteilung des Nabenmaterials im Anschlussbereich und damit die konstruktive Ausgestaltung des Anschlussbereichs der Nabe erfolgt auf Basis von Finite-Elemente-Analysen mittels Bestimmung des Kraftflusses und der Verformungen.
Auf diese Weise wird das vorhandene Material der Nabe erfindungsgemäß hinsichtlich seiner Verteilung im Anschlussbereich der Nabe optimiert und dazu genutzt, die Biegesteifigkeit des Blattlagers zu erhöhen und dadurch den Widerstand gegen elastische Verformungen des Blattlagers, insbesondere in radialer Richtung, bei im Betrieb auftretenden hohen Belastungen zu erhöhen. Durch die Ausnutzung der Nabe zur Steifigkeitserhöhung der erfindungsgemäßen Lageranordnung dient sozusagen das Material der Nabe als Verstärkungsmaterial für das Blattlager. Dadurch werden keine zusätzlichen Verstärkungselemente benötigt. Das Gewicht des Blattlagers wird so nicht durch zusätzliche, separate Verstärkungselemente erhöht, sondern kann möglichst gering gehalten werden. Der für das Blattlager benötigte Materialeinsatz und die Teileanzahl werden auf diese Weise minimal gehalten.
Erfindungsgemäß kann das Blattlager auf unterschiedliche Weise in die Nabe integriert werden. Die unterschiedlichen Möglichkeiten werden nachfolgend in Ausführungsbeispielen beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Wälzlager am Innenumfang des Anschlussbereichs angeordnet. Bei dieser Ausführungsform bildet der erste Lagerring vorzugsweise den Außenring des Wälzlagers. Diese Ausführungsform bietet mehrere Vorteile: a) es lässt sich ein insgesamt vergleichsweise kleines Blattlager mit relativ geringem Außendurchmesser realisieren, was zu vergleichsweise geringen Herstellungskosten führt, b) der Außenring weist durch die Integration in die Nabe einen hohen Widerstand gegen Verformungen, insbesondere radiale Verformungen infolge der im Betrieb auftretenden Belastungen (insbesondere durch Kippmomente) auf, c) auch die Steifigkeit des Innenrings gegen Verformungen, insbesondere radiale Verformungen infolge der im Betrieb auftretenden Belastungen (insbesondere durch Kippmomente) kann durch zusätzliche versteifende Zusatzelemente erhöht werden. Bei der Ausführungsform mit am Innenumfang des Anschlussbereichs in die Nabe integriertem Außenring kann mit einem geringen Materialeinsatz ein in radialer Richtung sehr steif ausgebildetes Blattlager geschaffen werden, bei dem die radialen Verformungen der Lagerringe und damit auch die unerwünschten Relativbewegungen der Laufbahnen der beiden Lagerringe zueinander im Betrieb minimiert sind.
Der erste Lagerring kann einteilig mit der Nabe ausgebildet sein, d.h. Nabe und erster Lagerring sind Bestandteil ein- und desselben Bauteils. Z.B. kann der erste Lagerring durch eine spanende Bearbeitung wie Drehen oder Fräsen der Nabe aus dem Material der Nabe gebildet werden. Diese Ausführungsform kann auch mit dem Begriff „vollintegrierter Lagerring“ bezeichnet werden, um deutlich zu machen, dass diese Art der Integration des Lagerrings dazu führt, dass der Lagerring kein eigenständiges Bauteil ist, sondern Bestandteil der Nabe. Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Komponenten, die das Wälzlager bilden, besonders gering, weil der Außenring als separate Komponente wegfällt. Bei dieser Ausführungsform werden auch keine Befestigungsmittel wie zum Beispiel Schrauben benötigt, um den ersten Lagerring mit der Nabe zu verbinden.
Alternativ zu der Lösung mit „vollintegriertem Lagerring“ kann der erste Lagerring als separater, von der Nabe getrennt ausgebildeter Lagerring ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform ist der erste Lagerring über Verbindungselemente mit der Nabe verbunden. Solche Verbindungselemente können z.B. Schrauben sein, die z.B. in Gewindebohrungen eingeschraubt sind, die in der Nabe vorgesehen sind. Eine Ausführungsform der Erfindung mit separatem, getrennt von der Nabe ausgebildetem Lagerring kann mit dem Begriff „teilintegrierter Lagerring“ bezeichnet werden, um sie von der vorstehend beschriebenen Lösung mit „vollintegriertem Lagerring“ sprachlich besser unterscheiden zu können. Der übergeordnete Begriff „integrierter Lagerring“ bezeichnet dagegen sowohl die Lösung mit vollintegriertem Lagerring als auch die Lösung mit teilintegriertem Lagerring.
Bei den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen „vollintegrierter Lagerring“ und „teilintegrierter Lagerring“ trägt das Material der Nabe zur Aussteifung des integrierten Lagerrings in radialer Richtung bei. Insbesondere trägt das Nabenmaterial zu einer Biegesteifigkeit des Wälzlagers gegen Momente bei, die über das Rotorblatt auf das Wälzlager einwirken. Die Querschnittsfläche des integrierten Lagerrings und die Querschnittsfläche des Nabenmaterials im Anschlussbereich des Lagerrings tragen beide zu dem Flächenträgheitsmoment des relevanten Bauteilquerschnitts bei. Dadurch ist das für den Widerstand gegen Biegung relevante Flächenträgheitsmoment der aus Nabe und integriertem Lagerring bestehenden Einheit größer als bei einer Lageranordnung mit nicht in die Nabe integriertem Wälzlagerring.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Wälzlager am Außenumfang des Anschlussbereichs angeordnet. In diesem Fall bildet der erste Lagerring vorzugsweise den Innenring des Wälzlagers.
Wenn das Wälzlager am Außenumfang des Anschlussbereichs der Nabe angeordnet ist und der erste Lagerring den Innenring des Wälzlagers bildet, so kann der erste Lagerring einteilig mit der Nabe ausgebildet sein. Ähnlich wie bei der Anordnung des ersten Lagerrings am Innenumfang des Anschlussbereichs kann auch bei dessen Anordnung am Außenumfang dieser Lagerring aus dem Material der Nabe durch eine spanende Bearbeitung wie zum Beispiel Drehen oder Fräsen herausgebildet sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Ausführungsform mit am Außenumfang des Anschlussbereichs angeordnetem Wälzlager ist der erste Lagerring als separates Bauteil vorgesehen und bildet den Innenring des Wälzlagers. Der erste Lagerring ist dann getrennt von der Nabe ausgebildet und über Verbindungselemente wie z.B. Schrauben mit der Nabe verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist es aus Montagegründen erforderlich, den zweiten Lagerring, der den Außenring bildet, in Axialrichtung geteilt auszubilden, d.h. er besteht aus zwei Teilringen. Zusätzlich können die den geteilten Außenring bildenden Teilringe auch in Umfangsrichtung segmentiert ausgeführt sein, um die Montage bzw. Demontage weiter zu vereinfachen. Der erste Lagerring kann bei dieser Ausführungsform in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung gesehen segmentiert ausgebildet sein. Die Aussage, dass der erste Lagerring beziehungsweise die den zweiten Lagerring bildenden Teilringe in Umfangsrichtung segmentiert ausgebildet sind, bedeutet, dass sich diese Ringe über ihren Umfang aus mehreren Lagerringsegmenten beziehungsweise Teilringsegmenten zusammensetzen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Anschlussbereich der Nabe eine erste zylindrische Anlagefläche auf, an der eine Mantelfläche des ersten Lagerrings anliegt. Diese erste zylindrische Anlagefläche erstreckt sich parallel zu der Rotationsachse des Wälzlagers. Da die Mantelfläche des ersten Lagerrings an dieser ersten zylindrischen Anlagefläche der Nabe anliegt, addieren sich der Querschnitt des ersten Lagerrings und der Querschnitt des Anschlussbereichs der Nabe zu einem gemeinsamen Querschnitt, der dann den relevanten Querschnitt zur Bestimmung des Flächenträgheitsmoments bildet, welches für den Widerstand des Verbundes aus erstem Lagerring und Anschlussbereich der Nabe gegen Verformungen, insbesondere Verformungen infolge Biegebeanspruchung, maßgebend ist. Das den ersten Lagerring aussteifende Material der Nabe bewirkt insbesondere einen erhöhten Widerstand des Wälzlagers gegen Verformungen in radialer Richtung. Dadurch werden insbesondere solche relativen Verformungen des ersten und zweiten Lagerrings zueinander vermieden oder zumindest auf ein geringes Maß begrenzt, die zu einer Auseinanderbewegung der Laufbahnen der beiden Lagerringe in radialer Richtung führen. Gerade diese relativen Bewegungen der Laufbahnen, die durch Verformungen der Lagerringe hervorgerufen werden, führen zu einem erhöhten Verschleiß der Blattlager von Windenergieanlagen.
Zusätzlich zu der ersten zylindrischen Anlagefläche weist die Nabe nach einer Ausführungsform der Erfindung eine zweite zylindrische Anlagefläche auf. Diese zweite zylindrische Anlagefläche erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur ersten zylindrischen Anlagefläche in radialer Richtung zur Mitte des Wälzlagers hin. An dieser zweiten zylindrischen Anlagefläche liegt eine Stirnfläche des ersten Lagerrings an. Auf diese Weise stützt sich der erste Lagerring mit seiner vom Rotorblatt abgewandten Stirnfläche in Längsrichtung des Rotorblatts gesehen formschlüssig auf der Nabe ab. Durch diese Abstützung des Lagerrings wird die Steifigkeit des Verbundes aus Lagerring und Nabe weiter erhöht. Das Material der Nabe trägt in Axialrichtung gesehen zu einer Vergrößerung des für die Verformungssteifigkeit relevanten Querschnitts bei.
Die beiden vorstehend beschriebenen ersten und zweiten zylindrischen Anlageflächen der Nabe bilden eine im Querschnitt L-förmige, in Umfangsrichtung umlaufende Aufnahmetasche für den ersten Lagerring. In die zweite zylindrische Anlagefläche können über den Umfang verteilt angeordnete Sacklochbohrungen mit Innengewinde eingebracht sein, welche jeweils mit Durchgangsbohrungen des ersten Lagerrings fluchten. Mittels Schrauben, die in die Sacklochbohrungen eingeschraubt sind, ist der erste Lagerring fest mit der Nabe verbunden. Der erste Lagerring und die Nabe bilden dann einen steifen Bauteilverbund. In diesem Bauteilverbund weist der erste Lagerring insbesondere eine wesentlich höhere Steifigkeit gegen die Kippmomente auf, die über den mit dem Rotorblatt verbundenen zweiten Lagerring auf den ersten Lagerring einwirken.
Bei der Dimensionierung des versteifend wirkenden Anschlussbereichs der Nabe sind eine Reihe von Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Zum einen wird die Dimensionierung des Anschlussbereichs durch die Dicke des ersten Lagerrings in radialer und axialer Richtung beeinflusst. Zum anderen ist bei der Dimensionierung des Anschlussbereichs auch der Durchmesser des ersten Lagerrings zu berücksichtigen. Des Weiteren spielt auch der Kraftfluss eine Rolle, d.h. es ist zu berücksichtigen, in welchen Richtungen die auf den ersten Lagerring einwirkenden Kräfte auf die Nabe und insbesondere auf den Anschlussbereich der Nabe einwirken. Der Kraftfluss kann bei unterschiedlichen Nabenbauarten unterschiedlich sein. Die Dimensionierung des Anschlussbereichs der Nabe ist auch abhängig davon, ob der erste Lagerring „vollintegriert“ ist (also Bestandteil der Nabe ist), oder ob er „teilintegriert“ ist, d.h. als separat ausgebildetes Bauteil über Verbindungselemente wie zum Beispiel Schrauben mit der Nabe verbunden ist. Aufgrund der Mehrzahl unterschiedlicher Einflussfaktoren, die sich bei unterschiedlichen Windenergieanlagen unterschiedlich auswirken, ist es leider nicht möglich, eine einzige Dimensionierungsvorschrift anzugeben, die bei allen denkbaren Anwendungsfällen immer zu der erfindungsgemäßen Aussteifung des Wälzlagers führt. Die konkrete Gestaltung der Nabe und insbesondere des Anschlussbereichs der Nabe erfolgt daher im Einzelfall auf Basis von Finite-Elemente-Analysen mittels Bestimmung des Kraftflusses und der Verformungen.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Windenergieanlage mit mindestens einem an einer Nabe befestigten Rotorblatt und mit einer Rotorwelle, welche die Rotation der Nabe auf einen Rotor eines Generators überträgt, wobei das Rotorblatt über die erfindungsgemäße Lageranordnung mit der Nabe verbunden ist. Eine solche Windenergieanlage fällt weniger häufig aus, weil die Blattlager aufgrund der vorliegenden Erfindung eine erhöhte Lebensdauer aufweisen und daher weniger oft ausgewechselt oder repariert werden müssen. Die Verfügbarkeit von Windenergieanlagen, die mit der erfindungsgemäßen Lageanordnung ausgerüstet sind ist größer als die Verfügbarkeit von Windenergieanlagen, bei denen die Rotorblätter mit Lageranordnungen nach dem Stand der Technik an der Nabe befestigt sind. Die Erfindung leistet damit einen erheblichen Beitrag zur Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer verschiedene Ausführungsformen darstellenden Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Rotornabe einer Windenergieanlage mit integriertem Wälzlager.
2 zeigt einen radialen Halbschnitt durch einen Anschlussbereich der Nabe.
3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Details B aus 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Details B aus 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Rotornabe 10 (im folgenden kurz „Nabe“ genannt) für eine Windenergieanlage. Die Nabe 10 weist Anschlussbereiche 11 auf, an denen in 1 nicht dargestellte Rotorblätter der Windenergieanlage mit ihrer Rotorblattwurzel angeschlossen werden. Die Anschlussbereiche 11 sind kreisringförmig ausgebildet. Insgesamt sind drei Anschlussbereiche 11 an der Nabe 10 vorgesehen. In dem in 1 oben dargestellten Anschlussbereich 11 ist ein Wälzlager 1 aufgenommen. Dieses Wälzlager 1 bildet ein Blattlager, durch welches das Rotorblatt relativ zur Nabe 10 um seine Längsachse verdreht werden kann, um im Betrieb der Windenergieanlage den Anstellwinkel des Rotorblatts an den Wind anpassen zu können.
2 zeigt einen radialen Halbschnitt durch den das Wälzlager 1 aufnehmenden Anschlussbereich 11 der Nabe 10 gemäß 1. Es ist gut zu erkennen, dass das Wälzlager 1 vollständig von dem Anschlussbereich 11 der Nabe 10 umschlossen ist. Das Wälzlager 1 umfasst einen ersten Lagerring 2 und einen zweiten Lagerring 3. Das das Wälzlager 1 umschließende Nabenmaterial trägt zur Aussteifung des integrierten Lagerrings 2 in radialer Richtung bei. Die in 2 dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist in 3 nochmals in vergrößerter Darstellung abgebildet. Der genaue Aufbau der Lageranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird anhand der 3 näher beschrieben.
Die in 3 dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lageranordnung weist einen ersten Lagerring 2 auf. Der erste Lagerring 2 weist einen sich radial zur Mitte des ersten Lagerrings 2 hin erstreckenden Zapfen 6 auf. Der Zapfen 6 weist zwei Laufbahnen 7, 8 für erste Wälzkörper 4a, 4b und eine Laufbahn 9 für zweite Wälzkörper 5 auf. Dementsprechend weist der zweite Lagerring 3 zwei Laufbahnen 7', 8' für die ersten Wälzkörper 4a, 4b und eine Laufbahn 9' für die zweiten Wälzkörper 5 auf. Der erste Lagerring 2 ist in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel Bestandteil der Nabe 10, d.h. er ist in die Nabe 10 vollständig integriert. Dadurch sind auch die Laufbahnen 7, 8, 9 Bestandteil der Nabe 10. Die „Verbindung“ des ersten Lagerrings 2 mit der Nabe 10 ist dadurch sehr fest und steif. Es sind keine gesonderten Befestigungsmittel wie z.B. Schrauben erforderlich, um den ersten Lagerring mit der Nabe 10 zu verbinden. Fertigungstechnisch kann der erste Lagerring 2 beispielsweise durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren wie Drehen oder Fräsen aus dem Material der Nabe 10 gebildet sein.
Der erste Lagerring 2 weist einen Zapfen 6 auf. Der Zapfen 6 weist zwei horizontal ausgerichtete Laufbahnen 7, 8 auf. Die Laufbahnen 7, 8 sind gebildet durch Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21, die auf dem Zapfen 6 aufgebracht sind. Weiterhin weist der Zapfen 6 an seiner radial nach innen weisenden Stirnfläche eine Laufbahn 9 für die zweiten Wälzkörper 5 auf. Die Laufbahn 9 wird ebenfalls gebildet durch Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21. Die Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 sind vorteilhaft formschlüssig auf den Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 aufgebracht. Die Nabe 10 respektive der Zapfen 6 dient somit als Träger für die Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21. Die Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 sind gehärtet oder bestehen aus einem harten bis sehr harten Material. D.h. die Wälzkörper 4a, 4b, 5 haben keinen unmittelbaren Kontakt zu den den Wälzkörpern zugewandten Oberflächen des Zapfens 6, sondern die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen auf den Laufbahnplatten 20 oder Drähten 21 ab. Durch die Verwendung von separaten Laufbahnplatten 20 oder Drähten 21 muss das Material der Nabe 10 kein härtbares Material, insbesondere kein härtbarer Stahl sein. Das Härten der Oberflächen des Zapfens 6 zur Erzeugung von Laufbahnen, auf denen die Wälzkörper unmittelbar abrollen können, ist nicht erforderlich. Es kann ein kostengünstiges Material für die Nabe 10 verwendet werden, weil die für die Laufbahnen 7, 8, 9 erforderliche Härte über die separaten Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 bereitgestellt wird.
Alternativ können die Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 auch gehärtet sein oder mit einem harten Material beschichtet sein. In diesen Fällen sind dann keine Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 mehr erforderlich. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 können dann unmittelbar auf den Laufbahnen 7, 8, 9 abrollen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 bildet der einteilig mit der Nabe 10 ausgebildete erste Lagerring 2 den Außenring des Wälzlagers 1. Der Innenring des Wälzlagers 1 wird durch den zweiten Lagerring 3 gebildet. Der zweite Lagerring 3 ist in Axialrichtung gesehen geteilt, d.h. er wird durch zwei Teilringe 3a, 3b gebildet. Die Teilringe weisen den Laufbahnen 7, 8, 9 des ersten Lagerrings 2 zugeordnete Laufbahnen 7', 8', 9' auf, die durch gehärtete, insbesondere induktiv gehärtete Oberflächenbereiche der Teilringe 3a, 3b gebildet sind. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen unmittelbar auf den gehärteten Laufbahnen 7', 8', 9' der Teilringe 3a, 3b ab. Die Teilringe 3a, 3b weisen miteinander fluchtende Durchgangsbohrungen auf. Durch diese Durchgangsbohrungen können Schrauben hindurchgeführt werden, die den Innenring 3 des Wälzlagers 1 mit dem Rotorblatt an der Rotorblattwurzel verbinden. Auf diese Weise ist das mit dem Innenring 3 verbundene Rotorblatt relativ zu der Nabe 10 verdrehbar angeordnet, um z.B. die Anstellung des Rotorblattes relativ zum Wind im Betrieb verändern zu können („pitching“).
Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageanordnung ist in 4 dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 3 ist hier der erste Lagerring 2 als separates, getrennt von der Nabe 10 ausgebildetes Bauteil ausgebildet. Der erste Lagerring 2 bildet den Außenring des Wälzlagers 1 und der zweite Lagerring 3 bildet den Innenring des Wälzlagers 1. Der erste Lagerring 2 weist Durchgangsbohrungen auf, die mit entsprechenden Sacklochbohrungen im Material der Nabe 10 fluchten. Die Sacklochbohrungen in der Nabe 10 weisen ein Innengewinde auf. Der erste Lagerring 2 ist über Schrauben 13 mit der Nabe 10 verbunden. Die Schrauben 13 sind durch die Durchgangsbohrungen im ersten Lagerring 2 hindurchgeführt und in die Sacklochbohrungen der Nabe 10 eingeschraubt. Auf diese Weise ist der erste Lagerring 2 drehfest mit der Nabe 10 verbunden.
Der erste Lagerring 2 weist einen Zapfen 6 auf, der Laufbahnen 7, 8, 9 für die Wälzkörper 4a, 4b, 5 aufweist. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 3 sind keine Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 erforderlich, um ausreichend harte Laufbahnen für die Wälzkörper zur Verfügung zu stellen. Stattdessen sind die Oberflächen des Zapfens 6 gehärtet, so dass die Oberflächen selbst die Laufbahnen 7, 8, 9 für die Wälzkörper bilden. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen unmittelbar auf den die Laufbahnen 7, 8, 9 bildenden Oberflächen des Zapfens 6 ab. Vorzugsweise sind die Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 induktiv gehärtet. Der erste Lagerring 2 kann insbesondere aus härtbarem Stahl bestehen, so dass die Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 durch Induktionshärten gehärtet werden, um ausreichend harte und verschleißfeste Laufbahnen 7, 8, 9 für die Wälzkörper 4a, 4b, 5 zur Verfügung zu stellen.
Der zweite Lagerring 3 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 durch zwei Teilringe 3a, 3b gebildet. Der erste Teilring 3a weist eine Laufbahn 7' für die Wälzkörper 4a auf. Die Laufbahn 7' ist die zu der Laufbahn 7 des ersten Lagerrings 2 komplementäre Laufbahn. Der zweite Teilring 3b weist eine Laufbahn 8' für die Wälzkörper 4b auf, welche die zu der Laufbahn 8 des ersten Lagerrings 2 komplementäre Laufbahn ist. Weiterhin weist der zweite Teilring 3b eine Laufbahn 9' für die Wälzkörper 5 auf, die die zu der Laufbahn 9 des ersten Lagerrings 2 komplementäre Laufbahn ist. Auch die Laufbahnen 7', 8', 9' des zweiten Lagerrings 3 sind gehärtet, insbesondere induktiv gehärtet. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen unmittelbar auf den gehärteten Laufbahnen 7, 8, 9 und 7', 8' und 9' ab.
Die den Innenring bildenden Teilringe 3a, 3b sind bei der Ausführungsform gemäß 4 genauso mit dem Rotorblatt verbunden wie voranstehend zu der Ausführungsform gemäß 3 beschrieben.
Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß 3 und 4 kann die Laufbahn 9' für die Wälzkörper 5 auch an dem ersten Teilring 3a vorgesehen sein. In diesem Fall liegt dann die Teilungsebene zwischen den Teilringen 3a, 3b unterhalb der Wälzkörper 5 und nicht, wie in 3 und 4 dargestellt, oberhalb der Wälzkörper 5.
Die Ausführungsform gemäß 4 weist mehrere weitere Vorteile auf. Ein Vorteil besteht darin, dass die Konstruktion des Wälzlagers sehr ähnlich ist zu der Bauform der aus dem Stand der Technik für den Anwendungsfall „Blattlager“ bekannten 3-reihigen Rollendrehverbindungen. Der Konstrukteur profitiert dabei davon, dass das ihm das Verhalten des Wälzlager 1 selbst und seiner Komponenten grundsätzlich bekannt ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die bekannte und in der Praxis bewährte Verschraubung des Innenrings mit dem Rotorblatt beibehalten werden kann. Ein dritter Vorteil besteht darin, dass alle Komponenten des Lagers aus denselben Materialien gebildet werden können, die bereits für die aus dem Stand der Technik bekannten 3-reihigen Rollendrehverbindungen bekannt und erprobt sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass dem Kunden mit der Ausführungsform nach 4 eine einbaufertige Lösung angeboten werden kann, die der Kunde so wie sie ihm geliefert wird in die Nabe integrieren und mit dem Rotorblatt 10 verbinden kann.
In 5 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung dargestellt, bei der der erste Lagerring 2 den Innenring des Wälzlagers 1 bildet. Das Wälzlager 1 ist am Außenumfang des Anschlussbereichs 11 der Nabe 10 angeordnet.
Der erste Lagerring 2 ist dadurch in die Nabe 10 integriert, dass er einteilig mit der Nabe 10 ausgebildet ist. Der erste Lagerring 2 ist somit vollständig in die Nabe 10 integriert. Die „Verbindung“ des ersten Lagerrings 2 mit der Nabe 10 ist dadurch sehr fest und steif. Es sind keine gesonderten Befestigungsmittel wie z.B. Schrauben erforderlich, um den ersten Lagerring 2 mit der Nabe 10 zu verbinden. Fertigungstechnisch kann der erste Lagerring 2 beispielsweise durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren wie Drehen oder Fräsen aus dem Material der Nabe 10 gebildet sein.
Der erste Lagerring 2 weist einen sich radial nach außen erstreckenden Zapfen 6 auf. Der Zapfen 6 weist Laufbahnen 7, 8, 9 für die Wälzkörper 4a, 4b, 5 auf. Die Laufbahnen 7, 8 sind horizontal ausgerichtet. Die Laufbahn 9 ist an der radial nach außen weisenden Stirnfläche ist Zapfens 6 angeordnet. Auf den horizontal ausgerichteten Laufbahnen 7 und 8 rollen die ersten Wälzkörper 4a, 4b ab, welche die in Axialrichtung wirkenden Kräfte aufnehmen. Auf der radial nach außen weisenden Laufbahn 9 rollen die zweiten Wälzkörper 9 ab, welche die in Radialrichtung wirkenden Kräfte aufnehmen. Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 werden die Laufbahnen 7, 8, 9 durch Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 gebildet, die gehärtet sind oder aus einem harten bis sehr harten Material bestehen. D.h. die Wälzkörper 4a, 4b, 5 haben keinen unmittelbaren Kontakt zu den den Wälzkörpern zugewandten Oberflächen des Zapfens 6, sondern die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen auf den Laufbahnplatten 20 oder Drähten 21 ab. Die Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 sind vorteilhaft formschlüssig auf den Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 aufgebracht. Die Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 sind gehärtet oder bestehen aus einem harten bis sehr harten Material. Die Nabe 10 respektive der Zapfen 6 dient somit als Träger für die Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21. Dadurch sind die Laufbahnen 7, 8, 9 zusammen mit den Laufbahnplatten 20 oder Drähten 21 sozusagen Bestandteil der Nabe 10. Durch die Verwendung von separaten Laufbahnplatten 20 oder Drähten 21 muss das Material der Nabe 10 kein härtbares Material, insbesondere kein härtbarer Stahl sein. Das Härten der Oberflächen des Zapfens 6 zur Erzeugung von Laufbahnen, auf denen die Wälzkörper unmittelbar abrollen können, ist nicht erforderlich. Es kann ein kostengünstiges Material für die Nabe 10 verwendet werden, weil die für die Laufbahnen 7, 8, 9 erforderliche Härte über die separaten Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 bereitgestellt wird.
Alternativ können die Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 auch gehärtet sein oder mit einem harten Material beschichtet sein. In diesen Fällen sind dann keine Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 mehr erforderlich. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 können dann unmittelbar auf den Laufbahnen 7, 8, 9 abrollen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 bildet der einteilig mit der Nabe 10 ausgebildete erste Lagerring 2 den Innenring des Wälzlagers 1. Der Außenring des Wälzlagers 1 wird durch den zweiten Lagerring 3 gebildet. Der zweite Lagerring 3 ist in Axialrichtung gesehen geteilt, d.h. er wird durch zwei Teilringe 3a, 3b gebildet. Die Teilringe weisen den Laufbahnen 7, 8, 9 des ersten Lagerrings 2 zugeordnete Laufbahnen 7', 8', 9' auf, die durch gehärtete, insbesondere induktiv gehärtete Oberflächenbereiche der Teilringe 3a, 3b gebildet sind. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen unmittelbar auf den gehärteten Laufbahnen 7', 8', 9' der Teilringe 3a, 3b ab. Die Teilringe 3a, 3b weisen miteinander fluchtende Durchgangsbohrungen auf. Durch diese Durchgangsbohrungen können Schrauben hindurchgeführt werden, die den Außenring 3 des Wälzlagers 1 mit dem Rotorblatt an der Rotorblattwurzel verbinden. Auf diese Weise ist das mit dem Außenring 3 verbundene Rotorblatt relativ zu der Nabe 10 verdrehbar angeordnet, um z.B. die Anstellung des Rotorblattes relativ zum Wind im Betrieb verändern zu können („pitching“).
6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist das Wälzlager 1 am Außenumfang des Anschlussbereiches 11 der Nabe 10 angeordnet. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 5 ist bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Lagerring 2 als separates, getrennt von der Nabe 10 ausgebildetes Bauteil ausgebildet. Der erste Lagerring 2 bildet den Innenring des Wälzlagers 1 und der zweite Lagerring 3 bildet den Außenring des Wälzlagers 1. Der erste Lagerring 2 weist Durchgangsbohrungen auf, die mit entsprechenden Sacklochbohrungen im Material der Nabe 10 fluchten. Die Sacklochbohrungen in der Nabe 10 weisen ein Innengewinde auf. Der erste Lagerring 2 ist über Schrauben 13 mit der Nabe 10 verbunden. Die Schrauben 13 sind durch die Durchgangsbohrungen im ersten Lagerring 2 hindurchgeführt und in die Sacklochbohrungen der Nabe 10 eingeschraubt. Auf diese Weise ist der erste Lagerring 2 drehfest mit der Nabe 10 verbunden.
Der erste Lagerring 2 weist einen Zapfen 6 auf, der Laufbahnen 7, 8, 9 für die Wälzkörper 4a, 4b, 5 aufweist. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 5 sind keine Laufbahnplatten 20 oder Drähte 21 erforderlich, um ausreichend harte Laufbahnen für die Wälzkörper 4a, 4b, 5 zur Verfügung zu stellen. Stattdessen sind die Oberflächen des Zapfens 6 gehärtet, so dass die Oberflächen selbst die Laufbahnen 7, 8, 9 für die Wälzkörper bilden. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen unmittelbar auf den die Laufbahnen 7, 8, 9 bildenden Oberflächen des Zapfens 6 ab. Vorzugsweise sind die Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 induktiv gehärtet. Der erste Lagerring 2 kann insbesondere aus härtbarem Stahl bestehen, so dass die Laufbahnen 7, 8, 9 des Zapfens 6 durch Induktionshärten gehärtet werden, um ausreichend harte und verschleißfeste Laufbahnen 7, 8, 9 für die Wälzkörper 4a, 4b, 5 zur Verfügung zu stellen.
Der zweite Lagerring 3 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 durch zwei Teilringe 3a, 3b gebildet. Der erste Teilring 3a weist eine Laufbahn 7' für die Wälzkörper 4a auf. Die Laufbahn 7' ist die zu der Laufbahn 7 des ersten Lagerrings 2 komplementäre Laufbahn. Der zweite Teilring 3b weist eine Laufbahn 8' für die Wälzkörper 4b auf, welche die zu der Laufbahn 8 des ersten Lagerrings 2 komplementäre Laufbahn ist. Weiterhin weist der erste Teilring 3a eine Laufbahn 9' für die Wälzkörper 5 auf, die die zu der Laufbahn 9 des ersten Lagerrings 2 komplementäre Laufbahn ist. Auch die Laufbahnen 7', 8', 9' des zweiten Lagerrings 3 sind gehärtet, insbesondere induktiv gehärtet. Die Wälzkörper 4a, 4b, 5 rollen unmittelbar auf den gehärteten Laufbahnen 7, 8, 9 und 7', 8' und 9' ab.
Die den Außenring bildenden Teilringe 3a, 3b sind bei der Ausführungsform gemäß 6 genauso mit dem Rotorblatt verbunden wie voranstehend zu der Ausführungsform gemäß 5 beschrieben.
Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß 5 und 6 kann die Laufbahn 9' für die Wälzkörper 5 auch an dem zweiten Teilring 3b vorgesehen sein. In diesem Fall liegt dann die Teilungsebene zwischen den Teilringen 3a, 3b oberhalb der Wälzkörper 5 und nicht, wie in 5 und 6 dargestellt, unterhalb der Wälzkörper 5.
Die Ausführungsform gemäß 6 weist mehrere weitere Vorteile auf. Ein Vorteil besteht darin, dass die Konstruktion des Wälzlagers 1 sehr ähnlich ist zu der Bauform der aus dem Stand der Technik für den Anwendungsfall „Blattlager“ bekannten 3-reihigen Rollendrehverbindungen. Der Konstrukteur profitiert dabei davon, dass das ihm das Verhalten des Wälzlager 1 selbst und seiner Komponenten grundsätzlich bekannt ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die bekannte und in der Praxis bewährte Verschraubung des Außenrings mit dem Rotorblatt beibehalten werden kann. Ein dritter Vorteil besteht darin, dass alle Komponenten des Lagers aus denselben Materialien gebildet werden können, die bereits für die aus dem Stand der Technik bekannten 3-reihigen Rollendrehverbindungen bekannt und erprobt sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass dem Kunden mit der Ausführungsform nach 6 eine einbaufertige Lösung angeboten werden kann, die der Kunde so wie sie ihm geliefert wird in die Nabe 10 integrieren und mit dem Rotorblatt verbinden kann.
In den Figuren der vorliegenden Anmeldung sind beispielhaft Befestigungsmittel in Form von Schrauben 13 vorgesehen, um den ersten Lagerring 2 Dreh fest mit der Nabe 10 zu verbinden. Anstelle von derartigen Schraubverbindungen kann der erste Lagerring 2 auch über andere Befestigungsmittel mit der Nabe 10 verbunden werden. Geeignete Befestigungsmittel sind zum Beispiel a) von oben oder unten verschraubte konische Spann- oder Klemmelemente, die den ersten Lagerring 2 gegen die Nabe 10 verspannen bzw. klemmen, b) Verschraubung eines Klemmelements oder mehrerer Klemmelemente, die den ersten Lagerring gegen die Nabe 10 klemmen, insbesondere formschlüssig gegen die Nabe 10 klemmen, c) Verschraubung von Spannmuttern, die in ein Gewinde eingeschraubt werden, dass am Anschlussbereich 11 der Nabe 10 angeordnet ist und den ersten Lagerring 2 gegen die Nabe 10 verspannen oder verklemmen, d) Verschraubung von der Außenseite der Nabe 10 respektive an der Außenseite des Anschlussbereiches 11 her mittels Schrauben, die den Anschlussbereich 11 der Nabe 10 durchgreifen und in Gewindebohrungen eingeschraubt sind, die in dem ersten Lagerring 2 angeordnet sind.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung

• können die Lagerringe 2, 3 segmentiert ausgebildet sein,
• können die Wälzkörper 4a, 4b, 5 in Käfigen oder Käfigsegmenten gehalten sein oder die Wälzkörper können durch zwischen den Wälzkörpern angeordnete Zwischenstücke von voneinander beanstandet sein
• können die die Wälzkörper 4a, 4b, 5 haltenden Käfige/Käfigsegmente bzw. die zwischen den Wälzkörpern angeordneten Zwischenstücke aus metallischem oder nichtmetallischem Material bestehen. Metallische Käfige/Käfigsegmente oder metallische Zwischenstücke können mit Kunststoff beschichtet sein. Die Käfige/Käfigsegmente können mit Gleitstücken versehen sein. Dabei kann das Material der Gleitstücke ein anderes sein als das der Käfige/Käfigsegmente.

Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind die Wälzkörper 4a, 4b dazu vorgesehen, die auf die Lagerringe 2, 3 einwirkenden Axialkräfte aufzunehmen, während die Wälzkörper 5 die auf die Lagerringe 2, 3 einwirkenden Radialkräfte aufnehmen.
Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lageranordnung können die Wälzkörper 4a, 4b, 5 vorzugsweise als Zylinderrollen oder als Toroidalrollen ausgebildet sein. Sind die Wälzkörper als Zylinderrollen ausgebildet, so weisen die Laufbahnen eine ebene Form auf. Wenn die Wälzkörper als Toroidalrollen ausgebildet sind, so sind an die Form der Rollen angepasste Laufbahnformen vorzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: erster Lagerring
3: zweiter Lagerring
4a: erste Wälzkörper
4b: erste Wälzkörper
5: zweite Wälzkörper
6: Tropfen
7, 7': Laufbahn
8, 8': Laufbahn
9, 9': Laufbahn
10: Nabe
11: Anschlussbereich
12: Innenumfang
13: Verbindungsmittel; Schrauben
14: Außenumfang
15: erste zylindrische Anlagefläche
16: Mantelfläche
17: zweite zylindrische Anlagefläche
18: Stirnfläche
20: Laufbahnplatten
21: Drähte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1891327 B1 [0003, 0004, 0005, 0008]
EP 2933476 A1 [0010]
WO 2013/107452 A1 [0011]
US 2013/0052023 A1 [0012]
EP 2546512 A1 [0013]
EP 2623772 A1 [0013]
WO 2013/076754 A1 [0013]

Claims

Lageranordnung zur Lagerung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, umfassend ein Wälzlager (1) zur drehbaren Lagerung des Rotorblatts um seine Längsachse und eine Nabe (10) zur Übertragung einer Rotationsbewegung des Rotorblatts auf eine Rotorwelle der Windenergieanlage, wobei das Wälzlager (1) einen ersten Lagerring (2), einen zweiten Lagerring (3) und zwischen den Lagerringen (2, 3) angeordnete Wälzkörper (4a, 4b, 5) aufweist, wobei die Lagerringe (2, 3) relativ zueinander drehbar sind, wobei der erste Lagerring (2) einen sich radial zur Mitte des ersten Lagerrings (2) hin erstreckenden Zapfen (6) aufweist, der zwei Laufbahnen (7, 8) für erste Wälzkörper (4a, 4b) und eine Laufbahn (9) für zweite Wälzkörper (5) aufweist, wobei der zweite Lagerring (3) Laufbahnen (7', 8') für die ersten Wälzkörper (4a, 4b) und eine Laufbahn (9') für die zweiten Wälzkörper (5) aufweist, wobei einer der Lagerringe (2, 3) mit der Nabe (10) und der andere der Lagerringe (3, 2) mit dem Rotorblatt verbunden ist, und wobei die Nabe (10) einen kreisringförmigen Anschlussbereich (11) zur Anbindung des Wälzlagers (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Lagerringe (2, 3) in dem Anschlussbereich (11) derart in die Nabe (10) integriert ist, dass das Material der Nabe (10) zur Aussteifung des integrierten Lagerrings (2, 3) in radialer Richtung beiträgt.
Lageranordnung nach Anspruch 1, wobei das zur Aussteifung des integrierten Lagerrings (2, 3) dienende Material der Nabe (10) im Anschlussbereich (11) so verteilt angeordnet ist, dass Relativverformungen in radialer Richtung zwischen den Laufbahnen (7, 8, 9; 7', 8', 9') des ersten und des zweiten Lagerrings (2, 3) minimiert sind.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wälzlager (1) am Innenumfang (12) des Anschlussbereichs (11) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 3, wobei der erste Lagerring (2) den Außenring des Wälzlagers (1) bildet.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wälzlager (1) am Außenumfang (14) des Anschlussbereichs (11) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 5, wobei der erste Lagerring (2) den Innenring des Wälzlagers (1) bildet.
Lageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der erste Lagerring (2) einteilig mit der Nabe (10) ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Lagerring (2) ein eigenständiges, über Verbindungsmittel (13) mit der Nabe (10) verbundenes Bauteil ist.
Lageranordnung nach Anspruch 8, wobei der Anschlussbereich (11) der Nabe (10) eine erste zylindrische Anlagefläche (15) aufweist, an der eine Mantelfläche (16) des ersten Lagerrings (2) anliegt.
Lageranordnung nach Anspruch 9, wobei die Nabe (10) eine zweite zylindrische Anlagefläche (17) aufweist, an der eine Stirnfläche (18) des ersten Lagerrings (2) anliegt.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der erste Lagerring (2) in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung segmentiert ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zweite Lagerring (3) in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung segmentiert ausgebildet ist.
Windenergieanlage mit mindestens einem an einer Nabe befestigten Rotorblatt und mit einer Rotorwelle, welche die Rotation der Nabe auf einen Rotor eines Generators überträgt, wobei das Rotorblatt über eine Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit der Nabe verbunden ist.