-
Lagereinrichtung, insbesondere zur Verwendung in
-
großen Windenergieanlagen Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung
axial zueinander ausgerichteter verdrehbarer im Relativwinkel bezüglich zueinander
einstellbarer, sowohl in Axial- als auch in Radialrichtung hoch beanpruchter Teile,
insbesondere zur Verwendung in großen Windenergieanlagen - Windenergiekonvertern
oder dergleichen -zwecks stabiler Lagerung von an Naben befestigten verstellbaren
Rotorblättern, mit zwei voneinander in einem Axialabstand angeordneten Lagerstellen.
-
Rotorblätter oder -flügel großer Windenergieanlagen sind zur Erzielung
eines geeigneten Einstellwinkels bezüglich der Strömungsrichtung der Luft und somit
zur Regulierung von Drehzahl und Leistung der Anlage insgesamt um die Blattlängsachse
drehbar, ähnlich wie dies auch bei größeren Flugzeugpropellern und Hubschrauberrotoren
der Fall ist.
-
Die für ein Verstellen der Blätter erforderlichen Drehgelenke müssen
bei Windenergieanlagen großer Leistung ungewöhnlich große Kräfte und Momente übertragen,
da die Rotorblätter bei ihrer Basis an sogenannten Rotornaben fliegend gelagert
sind.
-
Die aufzunehmenden Momente können in der Größenordnung von 10 000
kN.m liegen Hierfür sind sehr stabile belastbare Lager erforderlich, die in der
Regel auch schwergewichtig sind. Die Reibung derartiger Lager kann sehr groß werden,
wodurch hohe Verstellantriebsleistungen für die Rotorblätter erforderlich werden,
die beispielsweise bei 100 kW liegen können. Durch unzulRssig große Reibung der
Blattlager können eine Drehung der Blätter unter der Windkraft in die sogenannte
"Fahnenstellung" sowie die Funktion der sogenannten "Pendelnabe" behindert werden.
-
Insbesondere sind nach dem Stand der Technik für große Blatt-bzw.
Flügellager Wälzlager großen Durchmessers bekannt, die sowohl in Axial- als auch
in Radialrichtung Kräfte und somit auch Biegemomente aufnehmen können. Derartige
Lager mit relativ geringer Dicke ähneln den sogenannten Drehkränzen, die beispielsweise
im Kranbau Verwendung finden. Auch Rollen- und Kugellagerausführungen sowie Doppel-Kegelrollenlager
sind nach dem Stand der Technik bekannnt. Für eine möglichst kompakte Lagerausführung
ist bei Blattlagern, die nicht übermäßig großen Kräften ausgesetzt sind, lediglich
eine einzige Lagerstelle vorgesehen.
-
Bei Ausführungsformen von Windenergieanlagen großer Bauart geht man
nach dem Stand der Technik zwecks Aufnahme der äußerst großen zu übertragenden Kräfte,
insbesondere der Biegemomenter auf zwei Blattlagerstellen über, wobei die Lagerstellen
in einem bestimmten Axialabstand bezüglich der Rotorblattachse angeordnet sind.
Bei entsprechend großem Axialabstand zwischen den Lagerstellen könnten beispielsweise
die einzelnen Lager vergleichsweise klein dimensioniert und dennoch große Kräfte
übertragen werden. Eine kleine Dimension (d.n. Verringerung des Lagerdurchmessers)
ist nicht nur im Hinblick auf eine kompakte Ausführungsform anzustreben, sondern
schon deshalb, weil dann Lager größerer Präzision verwendbar sind, die wenig Reibungsverluste
aufweisen. Bei Lagerkonstruktionen wird bekanntlich bei Verringerung des Lagerdurchmessers
der sogenannte "Reibradius" herabgesenkt, was mit einer Verringerung des Reibmomentes
einhergeht. Geringes Reibmoment ist, wie eingangs gesagt, erforderlich, wenn die
Verstelleistung der Rotorblätter im Betrieb großer Windenergieanlagen auf einem
Minimum gehalten werden soll.
-
Lagerdurchmesser, Reibradius sowie Reibmoment können jedoch bei Ausführungsformen
von Lagern nach dem Stand der Technik nicht beliebig verringert werden, weil der
die Lagerstellen axial durchsetzende Rotorschaft zur Aufnahme großer Kräfte, insbesondere
großer Biegemomente, genügend biegesteif und somit hinreichend groß im Durchmesser
dimensioniert sein muß.
-
In der Praxis muß also der Außendurchmesser des Blattschaftes, auf
dem die Innenringe bzw. die Innenkäfige der beiden axial voneinander beabstandeten
Lager abgestützt sind, zur Aufnahme großer Kräfte vergleichsweise groß gewählt werden,
so daß auch der effektive Lagerdurchmesser und damit der Reibradius wie das Reibmoment
des Lagers zwangsläufig groß dimensioniert bleiben müssen. Große Verstellkräfte
für die einzelnen Rotorblätter sind die nachteilige Folge.
-
Um vorgenanntes Problem zu überwinden, ist bereits eine scharnierartige
Ausbildung eines Lagers mit zwei Lager stellen für eine Blattlagerung von Windenergieanlagen
vorgeschlagen worden (Boeing). Bei der bekannten Ausführungsform kann zwar das eigentliche
Lager oder Scharnier vergleichsweise klein dimensioniert werden, die bezüglich der
Rotorblatt- bzw. Rotornabenachse exzentrisch angeordneten einseitigen Scharnierhälften
müssen jedoch vergleichsweise breit, d.h. mit großem Radius gebaut werden, um insbesondere
große Biegemomente ohne Beeinträchtigung bzw. Bruch des Lagers übertragen zu können.
-
Insgesamt nehmen also Blattschaft und Haltearm (Scharnierhälfte) zusammen
mit der eigentlichen Gelenkstelle beträchtliche Dimensionen an. Durch die exzentrische
Scharnieranordnung werden ferner nicht nur das Aussehen des Blatts sowie in gewissem
Maße auch die Luftströmung beeinträchtigt, sondern insbesondere auch Asymmetrien
bezüglich der Rotorblattachse
geschaffen, die im Betrieb auch das
Schwingungsverhalten des gesamten Rotorsystems nachteilig beeinflussen können. Die
scharnierartige Lagerausbildung gestattet somit vergleichsweise klein dimensionierte
(Einzel-) Lagerstellen, löst jedoch nicht das Problem im Hinblick auf vergleichsweise
schlanke Rotorblattschäfte.
-
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lagereinrichtung axial
zueinander ausgerichteter verdrehbarer im Relativwinkel bezüglich zueinander einstellbarer
hoch beanspruchter Teile der eingangs genannten Art, bei der trotz Übertragung großer
Kräfte und Biegemomente zwischen den verstellbaren Teilen die Verstellkraft des
einen Teils, z.B. des Rotorblatts, im Betrieb vergleichsweise klein ist und dennoch
eine schlanke kompakte Bauweise einer Lagereinrichtung ermöglicht ist.
-
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Auf gabe dadurch, daß
zwei im wesentlichen konisch verlaufende axial zueinander ausgerichtete entgegengesetzt
angeordnete Dreibein-Anordnungen vorgesehen sind, die sich gegenseitig berührungsfrei
durchdringen, wobei die Lagerstellen im Bereich der Konusspitzen der Dreibein-Anordnungen
vorgesehen sind und jede Dreibein-Anordnung im Bereich ihrer Konusbasis an jeweils
einem der drehbaren Teile, Rotorblatt bzw. Rotornabe, fest oder lösbar verbunden
ist.
-
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Dreibein-Lösung wird die
eingangs genannte Problematik nach dem Stand der Technik optimal gelöst. Die Kombination
zweier Dreibein-Anordnungen, die sich gegenseitig durchdringen, gestattet die Schaffung
von zwei Lager stellen mit vergleichsweise kleinem Lagerdurchmesser, was gleichbedeutend
ist mit einer geringen Verstellkraft jedes einzelnen Rotorblatts, während gleichzeitig
hinreichende Stabilität des Blattschafts sichergestellt ist. Dennoch i5t die Lagereinrichtung
insgesmat äußerst kompakt bezüglich der Rotorblattachse und vergleichsweise schlank
bezüglich des Rotorschaftdurchmessers. Ähnliches gilt für den Halteteil, z.B. die
Rotornabe. Bei gerader Anordnung der Beine könnte theoretisch eine Drehbewegung
bzw.
-
Verstellung von 1200 umfangsmäßig erzielt werden. Aufgrund der endlichen
Dimension der Beine wird trotz gegenseitiger Durchdringung der Dreibein-Anordnung
ein Verstellwinkel erreicht, der im Betrieb den gestellten Anforderungen ohne weiteres
genügt. Somit wird durch die Erfindung eine Lagereinrichtung geschaffen, die eine
äußerst vorteilhafte Rombination von Einzelmerkmalen bei Lagerblattschäften ermöglicht,
nämlich die Kombination einer hohen Steifigkeit, insbesondere Quersteifigkeit, der
Schäfte bei gleichzeitig kleinem Lagerdurchmesser jedes Einzellagers sowie einem
vergleichsweise großen Axialabstand zwischen den Lagerstellen, der maßgebend für
die Aufnahme von Biegemomenten ist und die zu übertragenden Kräfte reduziert. Da
die Lagerstellen
radial innen mehr oder weniger im Axialzentrum
des Rotorblatts liegen und Rotorblätter grundsätzlich eine große Länge aufweisen,
beeinträchtigt der Lagerabstand zwischen den Lagerstellen nicht die Kompaktheit
der Ausführung insgesamt. Es kann also der Lagerabstand ohne Beeinträchtigung der
äußeren Dimension der Blätter -zwecks weiterer Reduzierung der Übertragungskräfte
noch vergrößert werden, sofern dies gewünscht bzw. erforderlich ist. Ferner werden
durch die Erfindung ein äußerst günstiges, dynamisches Schwingungsverhalten sowie
günstige Strömungseigenschaften erzielt. Als Vorteil wird ferner die günstige optische
Formgestaltung der Lagereinrichtung insgesamt herausgestellt.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
daß die im wesentlichen durch die Konusspitze der einen Dreibein-Anordnung gebildete
Lagerstelle im Querschnittsbereich der Konusbasis der anderen Dreibein-Anordnung
liegt. Dadurch wird eine besonders günstige Übertragung der Kräfte erzielt.
-
Insbesondere können die Beine jeder Dreibein-Anordnung im wesentlichen
gleich lang und symmetrisch, d.h. auf dem Umfang um jeweils 1200 versetzt, sein.
Die Beine selbst sind hierbei schlank ausgebildet, können jedoch auch bei stärker
beanspruchten Ausführungsformen stärker dimensioniert und eventuell verstrebt sein.
-
Mit Vorteil sind beide Dreibein-Anordnungen einer einzigen Lagereinrichtung
im wesentlichen gleich ausgebildet. Dadurch können Fertigungskosten entscheidend
herabgesetzt werden. Zudem scheiden grundsätzliche Verwechslungen der Einzelteile
bei der Montage aus.
-
Zweckmäßig können die Lager stellen einen verdrehbaren Außenring aufweisen,
der am Rotorblatt befestigt ist.
-
Alternativ können jedoch auch die Lagerstellen einen verdrehbaren
Innenring aufweisen, der dann am Rotorblatt befestigt ist, sofern ein drehbarer
Innenring erwünscht ist.
-
Als Lager können ohne weiteres an sich bekannte Wälz-, Rollen-, Kegelrollen-
oder Kugellager oder Gleitlager, auch als Gelenklager bezeichnet, verwendet werden,
so daß auf gängige im Handel erhältliche Gegenstände zurückgegriffen werden kann,
die somit nicht in Sonderausführungsform hergestellt werden müssen.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Konusbasis zumindest einer
Dreibein-Anordnung einen integralen zylinderförmigen und/oder entgegengesetzt konisch
geformten Bereich aufweist, dessen Basis am verdrehbaren Teil, Rotorblatt bzw. Rotornabe,
fest oder lösbar verbunden ist.
-
Jede Dreibein-Anordnung kann im Nichtdurchdringungsbereich vorteilhafterweise
eine Versteifungsverkleidung aufweisen, wobei im Durchdringungsbereich jeweils drei
schlitzartige Öffnungen gebildet sind Trotz Durchdringung der Einzelteile kann vorteilhafterweise
der maximale relative Verstellwinkel beider Teile, Rotorblatt bzw. Rotornabe, etwa
900 bis 950 betragen. Dies reicht praktisch für jeden Verstellbetrieb der Praxis
aus.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zumindest eine der
Dreibein-Anordnungen im Querschnittsbereich der Durchdringung eine Trennstelle enthält.
Dadurch wird eine einfache Montage ermöglicht, wenn beispielsweise die Dreibein-Anordnungen
unlösbar am Rotorblatt bzw. an der Rotornabe verbunden sind.
-
Schließlich kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen
sein, daß bei jeweils integral aufgebauter Dreibein-Anordnung ein oder zwei Stege
der drei die schlitzartigen Öffnungen voneinander trennenden Stege an der entsprechenden
Dreibein-Anordnung lösbar befestigbar sind.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:
Fig. 1
eine schematischeperspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 2 einen schematischen Axialschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 1, wobei
zusätzlich Verkleidungsplatten im Nichtdurchdringungsbereich der Einzelteile zwecks
Erhöhung der Steifigkeit vorgesehen. sind, Fig. 3 einen schematischen Axialschnitt
der Ausführungsform, gemäß Fig. 1, wobei Lagerstellen vorgesehen sind, die einen
verdrehbaren Außenring für das Rotorblatt vorsehen, Fig. 4 einen der Fig. 3 entsprechenden
Axialschnitt mit Lagerstellen, die einen verdrehbaren Inennring für das Rotorblatt
vorsehen, Fig. 5 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1, aus der insbesondere
der Durchdringungsbereich der beiden Dreibein-Anordnungen mit schlitzartigen Öffnungen
und Verbindungsstegen ersichtlich ist, wobei jede Dreibein-Anordnung im Nichtdurchdringungsbereich
Kegel- bzw. Kegelstumpfform eine Mantelausbildung aufweist,
Fig.
6 einen Schnitt der Lagereinrichtung gemäß A-B der Fig. 5, Fig. 7 einen schematischen
Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform mit einem zusätzlichen Konusabschnitt
bei einer Dreibein-Anordnung, und Fig. 8 bis 12 schematische Ansichten, aus denen
verschiedene Montagemöglichkeiten ersichtlich sind.
-
Die in Fig. 1 gezeigte schematische Ausführungsform einer Lagereinrichtung
mit zweiDreibein-Anordnungen 3 und 4 zeigt deutlich die Art der Durchdringung der
Einzelbeine 5a, 5b und 5c einer jeder Dreibein-Anordnung. Beide Dreibein-Anordnungen
3, 4 weisen im wesentlichen Konusform auf und sind an ihrer Basis 9 bzw. 10 jeweils
an zugeordneten Drehteilen befestigt, z.B. an einem Rotorblatt 13 bzw. einer Rotornabe
12 (vgl. Fig. 3 und 4).
-
Die Befestigung am Rotorblatt und Rotornabe kann hierbei unlösbar,
beispielsweise durch Verschweißung, ausgebildet sein, jedoch ist auch eine lösbare
Verbindung denkbar.
-
Im Bereich jeder Konusspitze einer jeden Dreibein-Anordnung 3 bzw.
4 sind die eigentlichen beiden Lagerstellen 7 bzw 6 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 liegen hierbei die Lagerstellen 6, 7 jeweils in der Konusbasis 9 bzw.
-
10 der anderen Dreibein-Anordnung.
-
Gemäß schematischer Darstellung nach Fìg. 1 ist ersichtlich, daß ein
großer Verstellbereich zwischen den Dreibein-Anordnungen 3, 4 dann ermöglicht wird,
wenn die Einzelbeine 5a, 5b und 5c schlank ausgebildet sind. Theoretisch ist ein
Verstellwinkel zwischen den Einzelteilen von 1200 umfangsmäßig denkbar. Aufgrund
der endlichen Dimensionen der Reine werden noch Verstellwinkel von ca. 90 bis 950
erzielt. Dies genügt den Anfordernissen einer Blattlagerung.
-
Das in Fig. 2 schematisch im Axialschnitt dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht grundsätzlich demjenigen gemäß Fig. 1, wobei ferner Versteifungsverkleidungen
15 und 16 an den beiden Dreibein-Anordnungen 3 und 4 vorgesehen sind. Die Versteifungsverkleidungen
können in einer beliebigen Weise an den eigentlichen Beinen der Dreibein-Anordnungen
befestigt sein.
-
In den Fig. 3 und 4 sind schematisch Axialschnitte von Lagereinrichtungen
dargestellt, aus denen insbesondere die Lagerstellen ersichtlich sind. Nach Ausführungsform
gemäß Fig. 3 verdreht sich bei einem Verstellbetrieb des Rotorblattes der Außenring
des Lagerkäfigs, während nach Ausführungsform gemäß Fig. 4 der Innenring des Lagerkäfigs
verdrehbar vorgesehen ist.
-
Anstelle ausgeprägter schlanker Beine können zwecks Erhöhung der Gesamtstabilität
kegelige oder pyramidenartige Mantelausbildungen bei Dreibein-Anordnungen vorgesehen
sein. In diesem
Fall ist bei vorgesehener Versteifungsverkleidung
die Innenoberfläche der Verkleidung der Außenoberfläche des Mantels angepaßt. Mantel
und gegebenenfalls Verkleidung sind im Durchdringungsbereich beider Dreibein-lln
ordnungen unterbrochen, so daß schlitzart.ige Öffnungen 22 bjs 24 im Durchdringungsbereich
20 gebildet werden, die im einzelnen aus den Fig 5 und 6 entnehmbar sind, in denen
kegelige Dreibein-Anordnungen 3 und 4 ohne Zusatzverkleidung in einer Seitenansicht
bzw. in einer Querschnittsansicht gezeigt sind.
-
Die Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 zeigt ferner in strichlierter
Linie die Befestigungsstelle der beiden Lagerstellen 6 und 7 im Innern der Gesamtanordnung.
Insbesondere aus Fig. 5 geht die kompakte Bauweise der Lagereinrichtung mit kleinen
Lager stellen in einem weiten Axialabstand voneinander hervor, wobei dennoch stabile
Bauweise gewährleistet ist.
-
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 der Zeichnung zeigt schematisch
im Axialschnitt den grundsätzlichen Aufbau einer Lagereinrichtung der vorher beschriebenen
Art unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für entsprechende Teile, wobei ferner
die eine Dreibein-Anordnung 3, die am Rotorblatt 13 befestigt ist, neben dem eigentlichen
Konusabschnitt im Durchdringungsbereich einen weiteren Konusbereich 14 aufweist,
der durch seine Basis 18 die Befestigungsstelle für das Rotorblatt 13 schafft. Der
Bereich 14 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist entgegengesetzt
konisch
ausgebildet bezüglich des eigentlichen den Durchdringungsbereich aufweisenden Konusabschnitts
der gleichen Dreibein-Anordnung 3. Der Mantelbereich 14 kann neben einer Konusform
auch gegebenenfalls zylinderartig ausgestaltet sein.
-
In den Fig. 8 bis 12 sind schematische Ansichten gezeigt, aus denen
verschiedene Montageinöglichkeiten ersichtlich sind.
-
Fig. 8 zeigt eine ausgeprägte Dreibcin-Lösung mit an den Fußpunkten
lösbaren Beinen. Beide Dreibein-Anordnungen werden entgegengesetzt ineinander gesteckt
und anschließend mit den Anschlußteilen (Nabe, Blatt) verbunden.
-
In Fig. 9 ist eine weitere Montagemöglichkeit bei sich durchdringenden
Kegeln gemäß Fig. 5 gezeigt. Im Durchdringungsbereich der Kegel sind Trennstellen
gemäß im wesentlichen einer Querschnittsebene C-D bei beiden Dreibein-Anordnungen
vorgesehen, derart, daß ein Ineinandersetzen der Einzelteile ermöglicht ist (Bedingung:
der der Trennflächenanordnung eingeschriebene Kreis ist größer als die Projektion
der inneren Kontur des Durchbruchs im jeweiligen Gegenkonus). Die Konusbasen können
gegebenenfalls feste Bestandteile der Anschlußteile (Nabe, Blatt) sein.
-
In den Fig. 10 und 11 ist die eine Dreibein-Anordnung (ausgeprägtes
Dreibein gemäß Fig. 10; Kegelmantelausführung gemäß Fig. 11) ohne Trennfläche ausgebildet
und kann fester Bestandteil
des Anschlußteils, beispielsweise
der Rotornabe, sein.
-
Die andere Dreibein-Anordnung weist demgegenüber eine Trennfläche
auf, dergestalt, daß die durch die Trennfläche abgetrennte Konusspitze der Dreibein-AnordnunF
in die andere Dreibein-Anordnung seitlich oder von unten einsetzbar ist, durch den
Durchdringungsbereich der integralen Dreibein-Anordnung geschoben und anschließend
mit dem zugeordneten restlichen Kegelstumpfteil zusammengesetzt werden kann.
-
Gemäß Fig. 12 sind bei einer Kegelmantel-Lagerausführung Kegelspitze
und Kegelstumpf mittels der beiden integralen Streben 25a bzw. 26a verbunden, während
jeweils die restliche Strebe 25b bzw. 26b demontierbar ist. Bei herausgelösten Streben
25b bzw. 26b kann jeweils die Kegelspitze der einen Dreibein-Anordnung in den Durchbruchsbereich
der anderen eingesetzt werden.
-
Anschließend werden die lösbaren Streben 25b und 26b an ihre vorgesehenen
Stellen wieder eingesetzt. Die Montage erfolgt in ähnlicher Weise wie beispielsweise
bei einem Drehkranz im Kranbau.