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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Maschinenstrang für eine Windkraftanlage, wobei der Maschinenstrang eine Blattlager aufweisende Rotornabe und ein Wälzlager mit einem ersten Lagerring und einem zweiten Lagerring aufweist, wobei die Rotornabe drehfest mit dem ersten Lagerring verbunden ist.
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Solche Maschinenstränge sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Insbesondere bei Maschinensträngen, welche zwischen einer Rotorwelle und einem Triebstrang der Windkraftanlage nur ein Hauptlager aufweisen, wird dieses stark belastet. Das Hauptlager nimmt alle Axial- und Radiallasten und Momente auf, welche beispielsweise durch das Eigengewicht der Rotornabe und der Blätter und durch Windlast entstehen. Bei der Konstruktion ist es wichtig, die Rotornabe möglichst nah am Lager anzuordnen um so einen Hebelarm zwischen der Rotornabe mit den Blättern und dem Lager möglichst gering zu halten und damit Kippmomente zu reduzieren. Problematisch dabei ist allerdings, dass ein geringer Abstand der Blattlager zum Hauptlager dazu führt, dass über den Umfang des Hauptlagers lokale Erhöhungen der Lastverteilung entstehen. Bei einer dreiblättrigen Windkraftanlage finden sich diese Erhöhungen der Lastverteilung im Abstand von 120° zueinander.
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Da eine ungleichmäßige Lastverteilung zu einer Verringerung der Lebensdauer des Hauptlagers führt, werden üblicherweise die Rotornabe und andere anliegende Anschlusskonstruktionen versteift. Dazu kann beispielsweise die Wandstärke der Rotornabe erhöht werden. Denkbar ist auch, dass zusätzliche Versteifungsplatten an der Rotornabe oder den anliegenden Anschlusskonstriktionen angebracht werden. Eine derartige Versteifung führt allerdings zu einem höheren Gewicht, was wiederum eine Erhöhung der Lasten vieler weiterer Bauteile mit sich bringt. Schließlich führt das höhere Gewicht zu einer Verringerung der Lebensdauer des Hauptlagers.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Maschinenstrang für eine Windkraftanlage bereitzustellen, welcher die geschilderten Nachteile aus dem Stand der Technik nicht aufweist, sondern Kipplasten am Hauptlager einer Windkraftanlage effektiv reduziert und dabei ohne die Notwendigkeit von Versteifungen am Maschinenstrang zu einer Vergleichmäßigung der Lastverteilung am Hauptlager beiträgt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Maschinenstrang für eine Windkraftanlage, wobei der Maschinenstrang eine Blattlager aufweisende Rotornabe und ein Hauptlager mit einem ersten Lagerring und einem zweiten Lagerring aufweist, wobei die Rotornabe drehfest mit dem ersten Lagerring verbunden ist, wobei im Betrieb des Hauptlagers durch die Rotornaben ein kreisförmiges Lichtraumprofil mit einem Nabendurchmesser definiert wird, wobei der Nabendurchmesser größer ist als ein Ringdurchmesser des ersten Ringes oder kleiner ist als ein Ringdurchmesser des ersten Ringes.
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Der erfindungsgemäße Maschinenstrang ermöglicht es, dass die Rotornabe sehr nah am Hauptlager angeordnet sein kann und dennoch eine sehr gleichmäßige Lastverteilung entlang des Umfangs des Hauptlagers entsteht. Durch die Blätter einer Windkraftanlage werden an den Blattlagern sehr hohe Lasten in den Maschinenstrang eingetragen. Durch die radiale Beabstandung des Eintrags der Belastungen an den Blattlagern von dem Hauptlager kann der axiale Abstand der Blattlager zum Hauptlager gering gehalten werden. Die Lasten verteilten sich durch den größeren radialen Abstand gleichmäßiger entlang des Umfangs des Hauptlagers. Lokale Spitzen der Belastung werden effektiv verringert. Ferner werden bei einer Reduzierung des Nabendurchmessers Material und somit Gewicht und Kosten eingespart. Vorzugsweise ist das Hauptlager ein Wälzlager, beispielsweise ein Kegelrollenlager mit einer oder mehreren Laufbahnen, 2RD-Lager, 3RD-Lager, 4RD-Lager, wobei die Liste nicht abschließend ist. Axial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist entlang der Drehachse des Hauptlagers angeordnet. Radial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist orthogonal zur Drehachse des Hauptlagers angeordnet. Ein Ringdurchmesser im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Außendurchmesser des ersten Lagerringes oder ein Innendurchmesser des ersten Lagerringes oder ein Durchmesser einer ringförmigen Anordnung von Befestigungspunkten am ersten Lagerring sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Ringdurchmesser der Durchmesser eines Schraublochkreises zum Befestigen einer Rotorwelle oder einer Adapterplatte oder der Rotornabe am ersten Lagerring ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Maschinenstrang eine Rotorwelle, einen Triebstrang und ein Getriebe aufweist, wobei der Maschinenstrang zur Lagerung der Rotorwelle und des Triebstranges zwischen der Rotornabe und dem Getriebe ausschließlich das Wälzlager aufweist. Dies ermöglicht die Verwendung eines einzelnen Hauptlagers. Durch die geschickte Dimensionierung der Rotornabe ist der Einsatz eines einzelnen Hauptlagers bei gleichmäßiger Lastverteilung am Hauptlager und geringen Kippmomenten möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Maschinenstrang eine zwischen der Rotornabe und dem ersten Ring angeordnete Adapterplatte aufweist. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, die Rotornabe drehfest mit dem ersten Lagerring zu verbinden. Weiterhin ist es möglich, durch die Verwendung einer entsprechend dimensionierten Adapterplatte unterschiedliche Rotornabengeometrien mit unterschiedlichen Rotorwellendurchmessern und/oder unterschiedlichen Hauptlagergeometrien zu kombinieren, womit eine sehr hohe Flexibilität bei der Konstruktion einer Windkraftanlage erreicht wird. Vorzugsweise ist die Adapterplatte aus einem Metall gefertigt. Vorzugsweise ist die Adapterplatte scheibenförmig, weist also eine Haupterstreckungsebene auf und ist entlang der Haupterstreckungsebene ausgedehnter als orthogonal zu ihrer Haupterstrerckungsebene. Vorzugsweise ist die Adapterplatte bezogen auf ihre Haupterstreckungsebene kreisförmig. Denkbar ist aber auch, dass die Adapterplatte bezogen auf ihre Haupterstreckungsebene ringförmig ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorwelle durch die Adapterplatte gebildet ist. Dies ermöglicht eine Anordnung der Rotornabe in axialer Richtung sehr nah am Hauptlager. Denkbar ist, dass die Rotornabe um die Dicke der Adapterplatte von dem ersten Lagerring in axialer Richtung entfernt angeordnet ist. Somit wäre die Rotorwelle also scheibenförmig.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Adapterplatte eine erste ringförmige Anordnung einer Mehrzahl von Bohrungen und eine zweite ringförmige Anordnung einer Mehrzahl von Bohrungen aufweist, wobei die erste Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen einen geringeren Durchmesser oder einen größeren Durchmesser aufweist als die zweite Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen und wobei die erste Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen und die zweite Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen konzentrisch angeordnet sind. Dies ermöglicht eine sichere Befestigung der Rotornabe an dem ersten Lagerring.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotornabe an der ersten Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen mit der Adapterplatte verschraubt ist und/oder dass die Adapterplatte an der zweiten Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen mit dem ersten Lagerring verschraubt ist. Mit anderen Worten sind die Rotornabe und/oder der erste Lagerring an Schraubenlochkreisen der Adapterplatte mit dieser verschraubt. Denkbar ist, dass die Rotornabe und/oder der erste Lagerring mittelbar oder unmittelbar mit der Adapterplatte verschraubt sind. Mittelbar bedeutet hier, dass zwischen der Rotornabe bzw. dem ersten Lagerring und der Adapterplatte ein weiteres Element, wie beispielsweise die Rotorwelle, angeordnet ist. Unmittelbar bedeutet hier, dass zwischen der Rotornabe bzw. dem ersten Lagerring und der Adapterplatte kein weiteres Element, wie beispielsweise eine Rotorwelle, angeordnet ist, sondern dass die Rotornabe bzw. der erste Lagerring direkt mit der Adapterplatte verschraubt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Adapterplatte einstückig mit zumindest einem Teil der Rotornabe verbunden ist, wobei zumindest ein Teil der Rotornabe und die Adapterplatte vorzugsweise als einstückiges Gussteil ausgeführt sind. Damit ist eine besonders gute Kraftübertragung zwischen Rotornabe und Adapterplatte ermöglicht. Ferner vereinfacht das Vorsehen der Adapterplatte als mit der Rotornabe einstückig verbundenes Gussteil die Fertigung des Maschinenstranges.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Lagerring ein Innenring des Hauptlagers ist und der zweite Lagerring ein Außenring des Hauptlagers ist oder dass der erste Lagerring ein Außenring des Hauptlagers ist und der zweite Lagerring ein Innenring des Hauptlagers ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Nabendurchmesser wenigstens 10 % größer ist als der Ringdurchmesser des ersten Ringes, wobei der Nabendurchmesser bevorzugt wenigstens 20 % größer ist als der Ringdurchmesser des ersten Ringes, wobei Nabendurchmesser besonders bevorzugt wenigstens 30 % größer ist als der Ringdurchmesser des ersten Ringes, oder dass der Nabendurchmesser wenigstens 10 % geringer ist als der Ringdurchmesser des ersten Ringes, wobei Nabendurchmesser bevorzugt wenigstens 20 % geringer ist als der Ringdurchmesser des ersten Ringes, Nabendurchmesser besonders bevorzugt wenigstens 30 % geringer ist als der Ringdurchmesser des ersten Ringes. Je größer der Größenunterschied zwischen dem Nabendurchmesser und dem Innen- bzw. Ringdurchmesser des ersten Lagerringes ist, desto gleichmäßiger ist die Lastverteilung im Hauptlager. Ein Größenunterschied von circa 30 % hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt. Lokale Überhöhungen und 0-Zonen in der Lastverteilung werden so vermieden oder zumindest effektiv verringert.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe ist eine Windkraftanlage aufweisend einen erfindungsgemäßen Maschinenstrang.
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Alle vorstehenden Ausführungen unter „Offenbarung der Erfindung“ gelten gleichermaßen für den erfindungsgemäßen Maschinenstrang und die erfindungsgemäße Windkraftanlage.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Abbildung eines Maschinenstranges gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Abbildung einer Windkraftanlage gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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1 zeigt eine schematische Abbildung eines Maschinenstranges 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Maschinenstrang 1 ist ein Maschinenstrang 1 einer Windkraftanlage 100 (siehe auch 2) und weist eine Rotornabe 2 mit Blattlagern 2.1 auf. An den Blattlagern 2.1 sind Blätter 7 angeordnet. Durch Winddruck auf die Blätter 7 wird die Rotornabe 2 in eine Drehbewegung versetzt. Um diese Drehbewegung zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden, ist die Rotornabe 2 mit dem Triebstrang 5 drehfest verbunden.
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Neben dem Winddruck wirken weitere Lasten, welche beispielsweise durch das Eigengewicht der Blätter 7 und der Rotornabe 2 hervorgerufen werden, auf den Maschinenstrang 1. Diese Lasten, vornehmlich Axial- und Radiallasten, werden von einem einzelnen Hauptlager 4 aufgenommen und über einen feststehenden Teil 5' des Triebstranges 5 abgeleitet. Neben den Axial- und Radiallasten führt die Beabstandung der Rotornabe 2 in axialer Richtung A vom Hauptlager 4 dazu, dass Kippmomente auf das Hauptlager 4 wirken. Je weiter die Rotornabe 2 in axialer Richtung A vom Hauptlager 4 entfernt ist, desto größer sind diese Kippmomente. Zur Reduktion der Kippmomente wird die Rotornabe 2 mit den Blattlagern 2.1 in axialer Richtung A so nah wie möglich am Hauptlager 4 angeordnet. Problematisch bei einer Anordnung der Rotornabe 2 sehr nah am Hauptlager 4 ist, dass durch die örtlich sehr diskrete Lasteinleitung durch die Blattlager 2.1 in die Rotornabe 2 eine ungleichmäßige Lastverteilung in Umfangsrichtung am Hauptlager 4 entsteht. Die Folge sind stark unterschiedliche Laufbahnpressungen am ersten Lagerring 4.1 und am zweiten Lagerring 4.2 des Hauptlagers 4 mit teilweise deutlich erhöhten Belastungen der Lagerringe 4.1, 4.2.
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Um dies zu verbessern und die Lastverteilung am Hauptlager 4 zu vergleichmäßigen, weist die Rotornabe 2 hier einen gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduzierten Nabendurchmesser N auf. Der Nabendurchmesser N ist das Lichtraumprofil, welches bei einer Rotation der Rotornabe 2 bei Betrieb der Windkraftanlage 100 durch die Blattlager 2.1 aufgespannt wird. Der Nabendurchmesser N ist dabei circa 30 % geringer als der Ringdurchmesser des ersten Lagerringes 4.1, an welchem die Rotornabe 2 drehfest verschraubt ist. Dazu weist der Maschinenstrang 1 eine Adapterplatte 6 mit einer ersten kreisförmigen Anordnung einer Mehrzahl von Bohrungen 6.1, also einem ersten Bohrlochkreis, und mit einer zweiten kreisförmigen Anordnung einer Mehrzahl von Bohrungen 6.2, also einem zweiten Bohrlochkreis auf. Die erste Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen 6.1 weist einen geringeren Durchmesser auf als die zweite kreisförmige Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen 6.2, welche konzentrisch zu der ersten Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen 6.1 angeordnet ist. Die Rotornabe 2 ist an der ersten Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen 6.1 mit der Adapterplatte 6 verschraubt. Weiterhin ist die Adapterplatte 6 an der zweiten Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen 6.2 mit dem ersten Lagerring 4.1 verschraubt. Der Durchmesser der zweiten Anordnung der Mehrzahl von Bohrungen 6.2 ist hier der Ringdurchmesser. Durch die Vergrößerung des Abstandes zwischen den Blattlagern 2.1 und dem ersten Lagerring 4.1 in radialer Richtung vergleichmäßigt sich die Lastverteilung am Hauptlager 4. Die Adapterplatte 6 ist in der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform auch die Rotorwelle 3. Denkbar ist aber auch, dass die Adapterplatte 6 und die Rotorwelle 3 als zwei einzelne Bauteile ausgeführt sind.
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2 zeigt eine schematische Abbildung einer Windkraftanlage 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Windkraftanlage 100 weist einen erfindungsgemäßen Maschinenstrang 1 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinenstrang
- 2
- Rotornabe
- 2.1
- Blattlager
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Hauptlager
- 4.1
- erster Lagerring
- 4.2
- zweiter Lagerring
- 5
- Triebstrang
- 5'
- feststehender Teil des Triebstranges
- 6
- Adapterplatte
- 6.1
- erste Anordnung einer Mehrzahl von Bohrungen
- 6.2
- zweite Anordnung einer Mehrzahl von Bohrungen
- 7
- Blatt
- 100
- Windkraftanlage
- A
- axiale Richtung
- N
- Nabendurchmesser
