DE19814629A1 - Anordnung zur drehbaren Lagerung der Maschinengondel einer Windkraftanlage - Google Patents

Abstract

Anordnung zur drehbaren Lagerung der Maschinengondel (3) einer Windkraftanlage vom Horizontalrotor-Typ auf einem Turm (1), mit einem eine Drehverbindung zwischen dem Turm und der Maschinengondel herstellenden Großwälzlager, aufweisend der Drehverbindung lösbar zugeordnete, ein zusätzliches Reibmoment erzeugende, selbstnachstellende Reibmittel (13), die direkt oder indirekt auf einen Lagerring (9, 15) des Großwälzlagers wirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur drehbaren Lage­ rung der Maschinengondel einer Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung wird auch als "Azimutsystem" bezeichnet.

Windkraftanlagen, bei denen die Drehachse des Rotors im wesentlichen horizontal liegt (Horizontalrotor-Typ), haben eine auf einem Turm gelagerte Maschinengondel. In dieser um eine vertikale Achse drehbaren Maschinengondel ist die Rotornabe um eine im wesentlichen horizontale Achse dreh­ bar gelagert, hat aber vorzugsweise eine fest vorgegebene Winkellage zur Grundplatte der Gondel um die vertikale Achse.

Beim Betrieb von Windkraftanlagen werden bekanntermaßen durch die auf die Rotorblätter einwirkenden Windkräfte (Turbulenzen) hohe turbulenzbedingte Drehmomente um die Turmachse (vertikale Achse) erzeugt. Diese bewirken ten­ dentiell eine Verdrehung der Maschinengondel um die Turmachse. Andererseits soll die Maschinengondel im Rahmen der Betriebsführung der Anlage durch einen entsprechenden Antrieb in vorbestimmte Winkellagen um die Vertikale ge­ bracht und dort - ggfs. auch gegen ein durch den Wind er­ zeugtes Drehmoment - festgehalten werden können.

Die Gondellagerung ist üblicherweise als Kugeldrehverbin­ dung ("Kugellager") zwischen einem verzahnten turmfesten Lagerring und einem Lagerring an der Grundplatte des Ma­ schinenträgers ausgeführt, und auf dem Maschinenträger sind mehrere Antriebsmotoren mit Untersetzungsgetriebe festste­ hend montiert, die jeweils über ein Antriebswellenritzel mit der Verzahnung des turmfesten Lagerrings im Eingriff stehen.

Die turbulenzbedingten Momente um die Turmachse werden beim Stand der Technik entweder durch (zumeist hydrauli­ sche) Bremsen aufgenommen, oder es werden Reiblager einge­ setzt, die ein ausreichend hohes Reibmoment erzeugen, um die im Normalbetrieb auftretenden Lasten aufzunehmen. Bei­ de Arten von Anlagen weisen in der Regel Antriebsmotoren auf, bei denen eine zusätzliche Bremse vorgesehen ist, um eventuell auftretende Extremlasten antriebsseitig abzufan­ gen.

Im praktischen Betrieb von Windkraftanlagen der erstge­ nannten Bauart hat es sich als nötig erwiesen, die aktiven Bremsen auch bei relativ geringen Windstärken und -lasten und somit praktisch ständig in Betrieb halten zu müssen. Dies hat einen hohen Bremsenverschleiß zur Folge und wirkt sich nachteilig auf die Stabilität der Anlagensteuerung insgesamt und natürlich auf die Wartungshäufigkeit und auch den effektiven Energieverbrauch aus.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine An­ ordnung der oben genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie bei geringem Konstruktions- und Antriebsaufwand wirtschaftlich optimiert ist.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ge­ löst.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, der Lagerung der Maschinengondel ohne Änderung des grundsätzlichen Aufbaus, insbesondere der bewährten Kugeldrehverbindung, mit gerin­ gem konstruktivem Aufwand ein zusätzliches Selbsthalte- bzw. -bremsvermögen einzuprägen. Speziell soll der Lage­ rung - in besonders einfacher Realisierung dieses Gedan­ kens - ein zusätzliches Reibmoment verliehen werden.

Die Reibmittel umfassen zweckmäßigerweise einen am Maschi­ nenträger oder Turmkopf-Lagerring angebrachten federbela­ steten Reibbelag und eine auf dem anderen der beiden Teile vorgesehene und auf dem Reibbelag ablaufende Gleitbahn.

Je nach spezieller Ausführung des Lagerringes kann der Reibbelag unmittelbar auf dessen Unter- oder Oberseite bzw. - bei Vorsehen zweier Reibbelagsschichten - auch auf beide wirken, oder es ist auf die Unter- und/oder Obersei­ te des Lagerringes eine zusätzliche Gleitbahn aufgebracht. Im letzteren Falle kann die Materialpaarung der Reibmittel unabhängig von der Ausführung der Lagerringe festgelegt und somit optimiert werden, die Herstellung ist aber na­ türlich aufwendiger. Das Vorsehen zweier, auf die Unter- und Oberseite eines Lagerringes wirkender Reibbeläge ist zwar ebenfalls aufwendiger als das Vorsehen nur eines Reibbelages bzw. einer Reibplattenspur, ermöglicht aber in lagerschonender Weise die Kompensation der Axialkraftkom­ ponente.

Die Federbelastung des Reibbelages ist zur Anpassung an unterschiedliche, speziell auch an sich ändernde Betriebs­ bedingungen bevorzugt einstellbar.

Bei einer unaufwendig in bekannte Konstruktionen des Turm­ kopf-Lagerringes oder des Maschinenträgers integrierbaren Ausführung kann der Reibbelag durch eine Mehrzahl vonein­ ander beabstandeter, jeweils insbesondere über Tellerfe­ derpakete gegen die Gleitbahn gepreßter Reibplatten gebil­ det werden. Anstelle von Tellerfederpaketen sind grund­ sätzlich auch entsprechend dimensionierte Schraubenfedern oder andere Federelemente, ggfs. auch Elastomerblöcke, einsetzbar.

Hierbei ist zweckmäßigerweise jeder einzelnen Reibplatte eine Druckschraube zur Einstellung ihrer Federbelastung zugeordnet, die Reibplatten sind von einem Federstempel oder Federtopf getragen, und der Federstempel oder Feder­ topf ist in einer Bohrung der Grundplatte oder der Trag­ platte aufgenommen und vertikal geführt.

In einer sinnvollen konstruktiven Vereinfachung sind Hal­ ter (Halteplatten) für die Reibplatten einseitig durch die Drehkranzverschraubung der Grundplatte fixiert.

Alternativ zu den oben angesprochenen Anordnungen kann der Reibbelag auch radial nach innen oder außen gerichtet auf die Gleitbahn, insbesondere direkt auf die Oberfläche des Lagerringes, wirken. Bei Inkaufnahme des mit der Anbrin­ gung zweier Reibspuren bzw. Reibplattenanordnungen verse­ henen Aufwandes ist auch eine kombiniert radial nach innen und außen auf die Mantelflächen ringförmiger Gleitbahnen wirkende Anordnung möglich.

Bei einer Windkraftanlage im Leistungsbereich von einigen hundert kW bis etwa 2 MW, bei der die Maschinengondel auf einem ein- oder zweireihigen Großkugellager gelagert ist, wird das zusätzliche Reibmoment (beispielsweise durch ent­ sprechendes Anziehen von Druckschrauben) auf einen Wert im Bereich von insgesamt 50 bis 700 kNm eingestellt werden. Bei einer solchen Anlage ist der Drehverbindung zwischen Maschinenträger und Turmkopf-Lagerring außerdem eine akti­ ve Bremseinrichtung, speziell mit zwei oder mehreren Mo­ tor-Bremsen-Einheiten, mit einem konstruktiv vorbestimmten maximalen Bremsmoment im Bereich zwischen 100 und 2000 kNm zugeordnet. Eine solche Abstimmung zwischen passiver und aktiver Bremsvorrichtung ermöglicht eine hinsichtlich der Gondelsteuerung optimierte Betriebsführung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im übrigen in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nach­ stehend zusammen mit der Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung ei­ ner auf dem Turm einer Windkraftanlage montierten Maschinengondel,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Grundplatte der Maschinen­ gondel nach Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3a eine Detail-Querschnittsdarstellung der Drehver­ bindung zwischen Turmkopf-Lagerring und Maschinen­ rahmen gemäß einer Ausführungsform und

Fig. 3b eine Detail-Querschnittsdarstellung der Drehver­ bindung zwischen Turmkopf-Lagerring und Maschinen­ rahmen gemäß einer weiteren Ausführungsform.

In Fig. 1 ist skizzenartig eine auf einem Turm 1 einer Windkraftanlage montierte Maschinengondel 3 gezeigt, von deren Maschinen-Komponenten hier nur die Rotorwelle 5 und die Rotornabe 5a einzeln bezeichnet sind. Die Tragstruktur der Maschinengondel 3 ist durch einen Maschinenrahmen 7 mit einer annähernd rechteckigen Grundplatte 7a und einer aufgeschweißten Maschinenhalterung 7b gebildet. Den oberen Abschluß des Turmes 1 bildet ein Turmkopf-Lagerring 9 mit Außenverzahnung 9a, der koaxial als Außenlagerring einen (hier nicht zu erkennenden) gondelseitigen Innenlagerring eines Großwälzlagers unter dem Maschinenrahmen 7 um­ schließt. Die Details hierzu sind weiter unten genauer be­ schrieben.

Im Maschinenrahmen 7 sitzen vier als Antriebs- und Bremsmotoren dienende Elektromotoren 11 (von denen aus der Figuren-Perspektive zwei zu sehen sind), die über Ritzel 11a mit der Außenverzahnung 9a des Turmkopf-Lagerringes 9 im Eingriff stehen. Weiterhin sind auf dem Maschinenrahmen 7 drei Reibplattenhalter 13 zur Erzeugung eines zusätzli­ chen Bremsmomentes bei Verdrehungen der Maschinengondel 3 gegenüber dem Turm 1 zu erkennen; auch diese und deren ge­ naue Funktionsweise sind weiter unten beschrieben.

Fig. 2 zeigt in der Draufsicht den Maschinenrahmen 7 in der Ausführung nach Fig. 1. Die Grundplatte 7a ruht auf einem Lagerring 15 eines Großwälzlagers und ist aus dessen Gestalt entwickelt. Sie weist vier Flansche 17 zur Aufnah­ me der Motoren 11 (Fig. 1) auf. Weiter sind 16 Bohrungen 19 zur Aufnahme von Reibplattenhaltern vorgesehen, die um den Umfang des inneren Lagerringes 15 verteilt angeordnet sind.

Fig. 3a zeigt in einer Detail-Querschnittsdarstellung der Drehverbindung zwischen dem Turmkopf-Lagerring 9 und dem Maschinenrahmen 7 die Ausführung eines auf die Grundplatte 7a aufgeschraubten Reibplattenhalters 13.

Der Turmkopf-Lagerring 9 bildet den äußeren Lagerring und der maschinengondelseitige Lagerring 15 den inneren Lager­ ring einer Kugeldrehverbindung bzw. eines Kugellagers, von dem in der Figur außerdem eine Kugel 21 gezeigt ist. Am Turmkopf-Lagerring ist eine Gewindebohrung 23 zur Aufnahme einer Gewindeschraube zur Verbindung mit dem (nicht ge­ zeigten) Turmkopfflansch zu erkennen, und der innere La­ gerring 15 ist über Gewindeschrauben 25 mit der Grundplat­ te 7a des Maschinenträgers verschraubt.

Über der Bohrung 19 ist koaxial zu dieser mit zwei Gewin­ deschrauben 27a, 27b eine Halteplatte 29 mit geeignetem Querschnitt auf die Grundplatte 7a aufgeschraubt. Die Hal­ teplatte 29 weist eine zentrische Durchgangsbohrung auf, in die eine mit einer Feststellmutter 31a versehene Druck- bzw. Einstellschraube 31 eingeschraubt ist. Deren Ende stützt sich auf der oberen Stirnfläche eines Reibplatten­ stempels 33 ab, der ein Tellerfederpaket 35 und an seinem unteren Ende eine durch die Tellerfedern belastete Reib­ platte 37 trägt. Die Reibplatte 37 liegt auf der als Gleitfläche geschliffenen oberen Stirnfläche 39 des Turm­ kopf-Lagerringes auf und wird durch das Tellerfederpaket 35 mit einer über die Einstellschraube 31 vorwählbaren An­ druckkraft gegen diese vorgespannt.

Bei Drehung des Maschinenträgers gegenüber dem Turmkopf-La­ gerring erzeugt die Reibplatte 37 durch ihre Reibung auf der Gleitfläche 39 somit ein vorbestimmtes, dem eingepräg­ ten Drehmoment entgegenwirkendes Reibmoment. Die Reibkräf­ te bzw. -momente der einzelnen Reibplatten (siehe Fig. 2) addieren sich zu einem für eine optimale Betriebsführung erwünschten Wert.

Die Einzelverschraubung der Reibplattenhalter mit dem Ma­ schinenträger ermöglicht in kostengünstiger Weise den Ein­ satz standardisierter Großwälzlager und zudem eine indivi­ duelle Einstellung der Vorspannung und ein leichtes Aus­ wechseln der Reibplatten. Eine Vereinfachung des Aufbaus ist beim Einsatz zusammenhängender Halteplatten für mehrere Bohrungen möglich.

Fig. 3b zeigt in einer weiteren Detail-Querschnitts­ darstellung eine weitere Ausführung eines auf die Grund­ platte 7a aufgeschraubten Reibplattenhalters 13'. Die in dieser Figur gezeigten Komponenten entsprechen zum Teil den Komponenten der Anordnung aus Fig. 3a und sind inso­ weit mit entsprechenden Bezugsziffern bezeichnet und wer­ den hier nicht nochmals erläutert.

Der Turmkopf-Lagerring 9 bildet auch hier den äußeren La­ gerring und der maschinengondelseitige Lagerring 15 den inneren Lagerring einer Kugeldrehverbindung, die aber hier zweireihig ausgeführt ist und von der in der Figur je eine Kugel 21.1' bzw. 21.2' der ersten und zweiten Kugelreihe gezeigt ist.

Die Bohrung für den Gewindebolzen 27b zur Verschraubung der Halteplatte 29 mit der Grundplatte 7a ist hier koaxial mit der Bohrung für den Gewindebolzen 25 zur Verschraubung des Lagerringes 15 mit der Halteplatte ausgeführt, so daß die Gewindebolzen 27b und 25 kürzer als bei der Anordnung nach Fig. 3a ausgeführt sind und von beiden Seiten in die entsprechende Bohrung der Grundplatte eingreifen.

In der Bohrung 19 ist (anstelle des Reibplattenstempels aus Fig. 3a) ein Federtopf 33' aufgenommen, der - geführt durch eine Passung in der Grundplatte - ein modifiziertes Tellerfederpaket 35' und auf seiner unteren Stirnfläche die durch die Tellerfedern belastete Reibplatte 37 trägt.

Das Tellerfederpaket 35' wird seinerseits durch einen Füh­ rungsstempel 33a' geführt.

Die Reibplatte 37 aus einem speziellen Gleitmetall liegt hier auf einer Gleitbahn 39a' auf, die auf die obere Stirnfläche 39' des Turmkopf-Lagerringes zusätzlich aufge­ bracht ist.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbei­ spiele. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten möglich, welche von der dargestellten Lösung auch in anders gearte­ ter Ausführung Gebrauch machen.

So unterliegt die genaue Positionierung einzelner Reib­ platten auf dem Maschinenträger in der Praxis bestimmten konstruktiven Limitierungen und wird in der Regel von der Prinzipdarstellung nach Fig. 2 abweichen. Auch die Anzahl und Form der Reibplatten und sie tragenden Halter ist na­ türlich in Abhängigkeit vom konkreten Anwendungsfall vari­ ierbar. Insbesondere ist auch die Anordnung der Verzahnung vertauschbar, so daß sich eine innenverzahnte Kugeldreh­ verbindung ergibt. Weiterhin ist die Erfindung auch bei einer Anlage mit turmfester Anordnung der Antriebe und gondelfester Verzahnung anwendbar.

Claims (13)

1. Anordnung zur drehbaren Lagerung der Maschinengondel (3) einer Windkraftanlage vom Horizontalrotor-Typ auf ei­ nem Turm (1), mit einem eine Drehverbindung zwischen dem Turm und der Maschinengondel herstellenden Großwälzlager (9, 15, 21; 21.1', 21.2') gekennzeichnet durch der Drehverbindung lösbar zugeordnete, ein zusätzliches Reibmoment erzeugende, selbstnachstellende Reibmittel (13), die direkt oder indirekt auf einen Lagerring (9, 15) des Großwälzlagers wirken.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibmittel (13) eine an einem Maschinenrahmen (7) der Maschinengondel (3) oder einem Turmkopf-Lagerring (9) des Turmes (1) angebrachten federbelasteten Reibfläche (37) und eine am anderen der Teile Turmkopf-Lagerring oder Maschinenrahmen vorgesehene und auf der Reibfläche ablau­ fende Gleitfläche (39; 39a') aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibfläche (37) unmittelbar auf die Unter- und/oder Oberseite eines Lagerringes (9) wirkt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Unter- und/oder Oberseite des Lagerringes (9) eine zusätzliche Gleitbahn (39a') aufgebracht ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Maschinenrahmen (7) oder dem Turmkopf-Lagerring (9) eine Mehrzahl voneinander beabstan­ deter, jeweils insbesondere über Tellerfederpakete (35; 35') gegen die Gleitfläche (39; 39a') gepreßter Reibplat­ ten (37) abnehmbar angebracht ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federbelastung der Reibfläche (37) einstellbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Reibplatte (37) eine Druckschraube (31) zur Einstellung ihrer Federbelastung zugeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reibplatte (37) von einem Feder­ stempel (33) oder Federtopf (33') getragen und der Feder­ stempel oder Federtopf in einer Bohrung (19) des Maschi­ nenrahmens (7) oder des Turmkopf-Lagerringes (9) aufgenom­ men und vertikal geführt ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Reibplattenhalter einseitig durch die Drehkranzverschraubung des Maschinenrahmens fixiert sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibfläche radial nach in­ nen und/oder außen gerichtet auf die Gleitbahn, insbeson­ dere direkt auf die Oberfläche des Lagerringes, wirkt.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Reibmoment bei einer Anlage mit einer Leistung im Bereich zwischen 300 kW und 2 MW auf einen Gesamtwert im Bereich von 50 bis 700 kNm eingestellt ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Großwälzlager als ein- oder zweireihiges Kugel- oder Rollenlager (9, 15, 21; 21.1', 21.2') ausgeführt ist.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehverbindung zwischen Turmkopf-Lagerring (9) und Maschinenrahmen (7) eine aktive Bremseinrichtung (11), insbesondere eine Elektromotor- Scheibenbremsen-Einheit, mit einem konstruktiv vorbestimm­ ten maximalen Bremsmoment im Bereich zwischen 100 und 2000 kNm bei einer Anlage mit einer Leistung im Bereich zwi­ schen 300 kW und 2 MW zugeordnet ist.