EP4702238A1 - Vorrichtung zur befestigung eines rotorblattes an einem nabenkörper und mehrteilige nabenanordnung für eine windenergieanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) für die Befestigung eines Rotorblattes (140) an einem Nabenkörper (13) einer Windenergieanlage (100), mit einer blattseitige Extenderlagereinheit (2) umfassend einen ersten Lagerring (3) mit einem ersten Lochkreis (4) zur Befestigung an dem Nabenkörper (13), und einem zweiten Lagerring (5) zur Befestigung an dem Rotorblatt (140), wobei der zweite Lagerring (5) koaxial zu dem ersten Lagerring (3) um die gemeinsame Lagerachse (A) verdrehbar angeordnet ist, wobei der erste Lagerring (3) einstückig mit einer Rotornabenverlängerung (9) ausgebildet ist, die sich nabenseitig in Richtung der Lagerachse (A) über den zweiten Lagerring (5) hinaus erstreckt und in deren nabenseitigem Endbereich (E) der erste Lochkreis (4) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (1) ferner eine nabenseitige Extenderlagereinheit (10) umfasst, die plattenförmig ausgebildet ist und einen zweiten Lochkreis (11) aufweist, wobei der erste Lochkreis (4) mit dem zweiten Lochkreis (11) zur gemeinsamen Befestigung an dem Nabenkörper (13) fluchtet, sowie eine mehrteilige Nabenanordnung (150), die mittels mindestens einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung (1) zusammengehalten ist.

Description

Vorrichtung zur Befestigung eines Rotorblattes an einem Nabenkörper und mehrteilige Nabenanordnung für eine Windenergieanlage

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befestigung eines Rotorblattes an einem Nabenkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine mehrteilige Nabenanordnung für eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Die Rotorblätter von Windenergieanlagen werden an der Nabe mithilfe von Großwälzlagern befestigt. Die Großwälzlager ermöglichen die Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter zum Wind, der unter anderem zur Leistungsregelung der Windenergieanlage erforderlich ist.

Üblicherweise werden die Nabenkörper aktuell als einteilige Gussformen konstruiert. Weil der Nabenkörper allein den im Zuge des Größenwachstums der Windenergieanlagen immer größer werdenden Anforderungen an die Steifigkeit der lagerseitigen Anschlussflächen lediglich bedingt gewachsen ist bzw. dafür immer massiver und schwerer ausgelegt werden müsste, ist es bekannt, bei Bedarf zu gezielten, lokalen Versteifung der Blatt- und/oder Rotorlageranschlussflächen zusätzliche, separat gefertigte Bauteile, wie beispielsweise blattan- schluss- oder nabenanschlussseitig montierte Versteifungselemente mit den lagerseitigen Anbauteilen zu verschrauben. Diese Versteifungselemente können beispielsweise vereinfacht als Platten mit einer zentrischen Bohrung in der Mitte ausführt sein, um zu Montage- und Wartungszwecken den Zugang in die an das Lager angrenzenden Bauteile d.h. in die Nabe oder in das Blatt zu ermöglichen. Die bekannten Platten dienen primär der Erhöhung der Verwindungssteifigkeit der Anschlussflächen, um die daran angeschlossenen Großwälzlager im Hinblick auf die induzierten Strukturverformungen zu entlasten.

Das bisherige Konstruktionsprinzip mit einteiliger Nabe stößt bei weiter zunehmender Leistungsklasse und Größe der Windenergieanlagen an Grenzen. Diese Grenzen sind zum einen fertigungstechnischer Natur, weil es insbesondere bedingt durch die zu erwartenden Nabengrößen und -gewichte nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand möglich ist, derartig große Nabenkörper mit der erforderlichen Präzision in einem Stück zu gießen und im Anschluss mechanisch mit dem erforderlichen hohen Detaillierungsgrad zu bearbeiten. Zum anderen stößt die gesamte Branche der Windenergieanlagenhersteller aber auch erwartbar an Verfügbarkeitsgrenzen, weil die weltweite Anzahl an Gießereien, die in der Lage sind so große Nabenkörper in einem Stück zu fertigen, ein wesentliches Hemmnis für den erwarteten Zubau an Windenergieanlagen bildet. Schließlich kommt es erwartbar auch zu logistischen Beschränkungen durch den Nabentransport insbesondere für Onshore-Windenergie- anlagen, da Nabenkörper mit Abmessungen über 4 Metern nicht mehr ohne signifikante Mehrkosten infolge erhöhter Transport- und Verkehrsleitlogistik auf der Straße zum Einsatzort transportiert werden können, aufgrund zu geringer Brückenhöhen, Tunneldurchmesser, etc. Im Onshore-Bereich ist daher ab einer Anlagenleistung von >7 - 8 MW damit zu rechnen, dass einteilige Nabenkörper auf Basis eines konventionellen Designs des Nabe-Blattla- ger Gesamtsystems nicht mehr kosteneffizient und damit praktikabel auf der Straße transportiert werden können.

Aus dem Stand der Technik sind daher bereits einige Konzepte bekannt, nach denen der Nabenkörper in mehrere kleinere Teile aufgeteilt werden kann.

Beispielsweise beschreibt EP 2 837 820 B1 eine segmentierte Windturbinennabe, wobei die Segmente als Hohlkörper ausgebildet sind und im Nabeninneren jeweils zwei konstruktiv ausgeführte Bereiche mit Anschlussflächen zum Verbinden des Segmentes mit zwei anderen Segmenten umfassen. Jeder Bereich zum Verbinden der Segmente weist eine im Wesentlichen geschlossene Fläche auf, die auf der entsprechenden Fläche des benachbarten Segments aufliegt und mit Bolzen, Nieten oder mittels Schweißen daran befestigt ist. Die symmetrische Segmentierung findet hier gezielt zwischen den Blattlageranschlussflächen statt, so dass der Blattlagerring konstruktiv keine Funktion bei der mechanischen Fixierung der benachbarten Nabensegmente übernimmt.

US 8449263 B2 zeigt ebenfalls eine segmentierte Rotornabe, die zweischalig mit einer inneren Nabe und einem Nabengehäuse ausgebildet ist, die jeweils segmentiert sind und über Flansche an den Segmentstößen miteinander verschraubt oder vernietet werden. Innere Nabe und Nabengehäuse sind über Stützstreben miteinander verbunden. Die Segmentierung findet hier ebenfalls zwischen den Blattlageranschlussflächen statt.

Nachteilig bei den beiden vorgenannten Patentschriften ist es, dass die Nabensegmente und hier insbesondere die konstruktiven Elemente zur Fixierung benachbarter Nabensegmente kompliziert zu fertigen sind und ein erheblicher Aufwand zur Verschraubung der Nabensegmente zusätzlich zur ohnehin anfallenden Montage der Blattlager anfällt.

Aus DE 10 2011 052 668 B4 ist eine Vorrichtung zur Befestigung eines Rotorblattes an einem Nabenkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Nabenanordnung für eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 bekannt. DE 10 2011 052 668 B4 beschreibt eine weitere segmentierte Nabe für eine Windkraftanlage. Die Segmente weisen wenigstens eine Seite auf, die an der Seite eines benachbarten Segmentes anliegt und sich von einem Außenumfang der Nabe zu einem zentralen Bereich der Nabe erstrecken. Die Segmente sind mit einer Frontplatte verbunden, die an den Seitenflächen der Segmente montiert ist, die in eine Richtung von der Gondel weg, also der Windrichtung entgegen, weist. Jedes Rotorblatt ist an der Nabe über ein zusätzliches Bauteil, die sogenannte Verbindungsnabe, befestigt, die zwei konzentrische, kreisförmige Anordnungen von Bolzenlöchern aufweist. Dabei ist der äußere Lochkreis zur Verbindung mit den Nabensegmenten und der innere Lochkreis zur Montage von Rotorblattlagern vorgesehen.

Nachteilig ist, dass die Verbindungsnaben konstruktiv zur Übertragung der Belastung von blattseitigen auf einen anderen nabenseitigen Anschlussdurchmesser ausgelegt sein müssen und infolge der zwei Lochkreise ein deutlich erhöhter Fertigungs- als auch Montageaufwand entsteht. Weiterhin ist von Nachteil, dass die Verbindungsnabe nur die Montage von Rotorblattlagern und damit von Rotorblättern erlaubt, die einen kleineren Durchmesser aufweisen, als der größere der beiden Lochkreise. Es kann damit bezogen auf die Nabengröße nicht das volle Potential des Blattlager- und damit des Blattwurzeldurchmessers ausgeschöpft werden, was bezogen auf den geringeren Blattlagerdurchmesser zu einer reduzierten Tragfähigkeit und Lebensdauer des Blattlagers führt. Abgeleitet von dem geringeren Blattwurzeldurchmesser wird hierdurch insgesamt der Rotordurchmesser beschränkt und damit der erzielbare Ertrag der Windenergieanlage limitiert. Es kann bei gleicher Nabengröße nur ein vergleichsweise kleiner Rotor von der segmentierten Nabe getragen werden. In dem bekannten Design ist eine solche, eine radiale Reduktion des maximalen Blattwurzeldurchmessers bewirkende Verbindungsnabe jedoch erforderlich, weil die üblichen Blattlager eine durchgängige d.h. unsegmentierte Anschlussfläche benötigen. Zudem müssen die Zugänglichkeiten zu den 2 Schraubenlochkreisen an der Verbindungsnabe - einmal zur Befestigung der Verbindungsnabe nabenseitig und einmal zur Befestigung der Verbindungsnabe blattseitig - sowohl für Montage als auch für Wartungszwecke in der Höhe gewährleistet sein. Die Verbindungsnabe hat die Funktion, die Normal- und Schubkräfte an den Stoßflächen benachbarter Nabensegmente zu übertragen, um die feststehenden Ringe der Blattlager vor einer zusätzlichen Übertragung von aus der Nabensegmentierung resultierenden Zusatzbelastungen zu schützen.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Befestigung eines Rotorblattes an einem Nabenkörper, sowie eine mehrteilige Nabenanordnung für eine Windenergieanlage anzugeben, die auf einfache Weise herzustellen, zu transportieren und vor Ort zu montieren ist, sowie konstruktiv eine höhere Flexibilität hinsichtlich des Anschlussdurchmessers von Blattlager und Rotorblatt bietet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Befestigung eines Rotorblattes an einem Nabenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine mehrteilige Nabenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.

Hierdurch wird eine Vorrichtung für die Befestigung eines Rotorblattes an einem Nabenkörper einer Windenergieanlage geschaffen, die eine blattseitige Extenderlagereinheit und eine nabenseitige Extenderlagereinheit umfasst. Die blattseitige Extenderlagereinheit umfasst dabei einen ersten Lagerring mit einem ersten Lochkreis zur Befestigung an dem Nabenkörper, und einen zweiten Lagerring zur Befestigung an dem Rotorblatt. Der zweite Lagerring ist koaxial zu dem ersten Lagerring um die gemeinsame Lagerachse verdrehbar angeordnet. Die nabenseitige Extenderlagereinheit ist plattenförmig ausgebildet und weist einen zweiten Lochkreis auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Lagerring mit einer Rotornabenverlängerung ausgebildet ist, die sich nabenseitig in Richtung der Lagerachse über den zweiten Lagerring hinaus erstreckt und in deren nabenseitigem Endbereich der erste Lochkreis angeordnet ist. Der zweite Lochkreis der nabenseitigen Extenderlagereinheit fluchtet mit dem ersten Lochkreis der blattseitigen Extenderlagereinheit zur gemeinsamen Befestigung an dem Nabenkörper.

Die erfindungsgemäße, zumindest zweiteilige Vorrichtung zur Befestigung eines Rotorblattes an einem Nabenkörper ermöglicht die Befestigung des Rotorblattes an einem segmentierten Nabenkörper mit Verschraubungen, die sich durch den ersten und den zweiten Lochkreis erstrecken und damit zugleich die blattseitige und die nabenseitige Extenderlagereinheit an dem - vorzugsweise in der Blattlageranschlussfläche symmetrisch segmentierten - Nabenkörper befestigen. Dadurch wird die benötigte Schraubenanzahl effektiv reduziert, wodurch sich der Montageaufwand vor Ort sowie zugleich die Kosten für die mechanische Bearbeitung der Einzelkomponenten erheblich verringert.

Diese vereinfachte Montage wird ermöglicht durch die erfindungsgemäß getrennte Ausbildung von blattseitiger und nabenseitiger Extenderlagereinheit. Durch die nabenseitige Extenderlagereinheit können die im Stoß von Nabenkörpersegmenten auftretenden Beanspruchungen mit aufgenommen werden und so die blattseitige Extenderlagereinheit entlasten. Die in der blattseitigen Extenderlagereinheit integrierte Rotornabenverlängerung ist in ihrem Endbereich zum Anschluss an die Nabe ebenfalls dazu ausgelegt, die infolge einer Segmentierung des Nabenkörpers auftretenden, zusätzlichen Beanspruchungen aufzunehmen. Auf diese Weise werden Verformungen des an der blattseitigen Extenderlagereinheit angeordneten Lagerrings, die zu einer Beeinträchtigung der Blattlagerung führen könnten, gezielt vermieden.

Die nabenseitige Extenderlagereinheit weist vorzugsweise eine Plattenstärke auf, die mindestens 20 % einer axialen Wandstärke der Rotornabenverlängerung in deren nabenseitigem Endbereich beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Plattenstärke mindestens 50% oder sogar mindestens 70 % der Wandstärke der Rotornabenverlängerung in deren nabenseitigem Endbereich. Derartige Plattenstärken gehen deutlich über das Maß hinaus, wie es plattenartige Versteifungsmittel zur Versteifung von Blattanschlussflächen einteiliger Rotornaben aufweisen, die lediglich Verwindungsbeanspruchungen der Blattanschlussflächen aufnehmen müssen. Mit den vorgenannten bevorzugten Plattenstärken ist die nabenseitige Extenderlagereinheit dagegen für Beanspruchungen ausgelegt, die in der gleichen Größenordnung liegen, wie die von dem gesamten Rotorblatt über die Rotornabenverlängerung in den Nabenkörper eingebrachten Beanspruchungen. Derartige nabenseitige Extenderlagereinheiten sind demnach besonders gut geeignet, die bei einer geteilten Nabe zusätzlich auftretenden Schubkräfte in dem Segmentstoß aufzunehmen.

In bevorzugten Ausführungsformern weist die nabenseitige Extenderlagereinheit zusätzlich zu dem zweiten Lochkreis Befestigungsmittel für eine temporäre oder permanente Fixierung der nabenseitigen Extenderlagereinheit an dem Nabenkörper auf. Die zusätzlichen Befestigungsmittel erlauben eine schrittweise Montage der Vorrichtung an einem mehrteiligen Nabenkörper. Die Befestigungsmittel können beispielsweise durch Befestigungsbohrungen, formschlüssige Montageelemente oder ähnliches ausgebildet sein. Durch die Fixierung der nabenseitigen Extenderlagereinheit an dem Nabenkörper über die Befestigungsmittel, beispielsweise durch in die Befestigungsbohrungen eingreifende Fixierungselemente, können mehrere Nabenkörpersegmente in Bezug auf die nabenseitige Extenderlagereinheit und relativ zueinander einfach und zielsicher positioniert werden. Dies vereinfacht die Montage der Nabensegmente und die anschließende Montage der blattseitigen Extenderlagereinheit an dem bereits zusammengesetzten Nabenkörper und reduziert insbesondere mögliche Fehler bei der Montagedurchführung vor Ort.

Bevorzugt kann ferner mindestens eine Reihe von zwischen den ersten und zweiten Lagerringen der blattseitigen Extenderlagereinheit abrollenden Wälzkörpern vorgesehen sein, die einen Wälzkörperdurchmesser aufweisen, wobei sich die Rotornabenverlängerung in Richtung der Lagerachse mindestens um das 3-fache des Wälzkörperdurchmessers der Reihe der größten Wälzkörper über den zweiten Lagerring hinaus erstreckt. Der Wälzkörperdurchmesser der Wälzkörperreihe mit dem größten Durchmesser ist ein Maß für die von dem Wälzlager maximal zu übertragenden Kräfte. Die an einer mehrteiligen, segmentierten Nabe im Stoß auftretenden Zug- und Schubkräfte stehen in direktem Zusammenhang mit den von den Rotorblättern über die Blattlager eingebrachten Kräfte. Es hat sich herausgestellt, dass das Laufbahn system des Blattlagers besonders gut vor Verformungen aufgrund der Kräfte an den Segmentstößen der Nabe geschützt ist, wenn sich die Rotornabenverlängerung in Richtung der Lagerachse mindestens um das 3-fache des größten Wälzkörperdurchmessers über den zweiten Lagerring hinaus erstreckt.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die nabenseitige Extenderlagereinheit mindestens zwei Teile umfassen, die jeweils einen Umfangsabschnitt des zweiten Lochkreises enthalten. Durch die mehrteilige Ausbildung der nabenseitigen Extenderlagereinheit wird die Anzahl der Bauteile in der Größe des Blattdurchmessers weiter reduziert. In diesen Ausführungsformen kann die blattseitige Extenderlagereinheit das einzige Bauteil sein, dessen Abmessungen den Durchmesser des zu montieren Rotorblattes erreicht oder übersteigt. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine mehrteilige Nabenanordnung für eine Windenergieanlage. Die Nabenanordnung umfasst einen Nabenkörper mit Befestigungsmitteln zur Befestigung der Nabenanordnung an einer Gondel der Windenergieanlage und mindestens einem dritten Lochkreis zur Befestigung eines Rotorblattes der Windenergieanlage. Der Nabenkörper umfasst mindestens zwei Nabenkörpersegmente, an denen jeweils ein Umfangsabschnitt des dritten Lochkreises ausgebildet ist. Die Nabenkörpersegmente sind derart angeordnet, dass die Umfangsabschnitte gemeinsam den dritten Lochkreis bilden. Die Nabenanordnung umfasst ferner eine vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung, wobei der dritte Lochkreis mit dem ersten Lochkreis und dem zweiten Lochkreis der Befestigungsvorrichtung fluchtet. Die Befestigungsvorrichtung ist an dem Nabenkörper mit einer Mehrzahl von Schrauben befestigt, die sich jeweils durch den ersten, zweiten und dritten Lochkreis erstrecken.

Durch die gemeinsame Verschraubung von den Nabenkörpersegmenten mit der mehrteiligen Befestigungsvorrichtung über den ersten, zweiten und dritten Lochkreis wird ein Reibschluss zwischen den Nabenkörpersegmenten und der Befestigungsvorrichtung erzeugt, der die im Stoß der Nabenkörpersegmente auftretenden Kräfte über die Befestigungsvorrichtung überträgt. Die fluchtende Anordnung aller drei Lochkreise erlaubt eine vereinfachte Montage mit nur einer Schraubenreihe.

Durch die erfindungsgemäße, mehrteilige Nabenanordnung wird eine signifikante Reduzierung des Transportvolumens zur Baustelle der Windenergieanlage im Vergleich zu einer einteiligen Nabe erzielt und gleichzeitig eine einfache Montage vor Ort mittels Schraubverbindungen ermöglicht. Zusätzlich sind die Nabenkörpersegmente im Vergleich zu einer einteiligen Nabe mit geringerem Fertigungsaufwand herzustellen, wodurch absehbar zu erwartende Engpässe in der Herstellung von großen Strukturbauteilen abgeschwächt werden können.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der dritte Lochkreis als Durchgangsbohrungen ausgebildet, die in einem radialen Flansch des Nabenkörpers angeordnet sind. Der radiale Flansch des Nabenkörpers bildet zugleich sowohl ein Versteifungselement für das jeweilige Nabensegment, als auch eine vergrößerte Auflagefläche für den Reibschluss mit der Befestigungsvorrichtung. Besonders bevorzugt ist in diesen Ausführungsformen die nabenseitige Extenderlagereinheit nabeninnenseitig und blattseitige Extenderlagereinheit nabenaußensei- tig angeordnet. Durch die sandwichartige Anordnung und Verschraubung der radialen Flansche benachbarter Nabensegmente zwischen der blattseitigen und der nabenseitigen Extenderlagereinheit wird die für den Reibschluss wirksame Fläche weiter vergrößert, da beide axialen Oberflächen des Flansches für die Übertragung von Schub- und Reibkräften nutzbar gemacht werden. Ferner kann bei diesen Ausführungsformen die Biegebeanspruchung der Schraubverbindung, die beide Extenderlagereinheiten mit den Nabensegmenten verbindet, reduziert werden.

In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist der dritte Lochkreis als Sacklochbohrungen in dem Nabenkörper ausgebildet, wobei die nabenseitige Extenderlagereinheit und die blattseitige Extenderlagereinheit nabenaußenseitig des Nabenkörpers angeordnet sind. Diese Ausführungsformen zeichnen sich durch eine besonders einfache Gussform für die Nabenkörpersegmente aus, die darüber hinaus mit nur einer fein bearbeiteten Auflagefläche für die Befestigungsvorrichtung auszustatten sind.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die an den Teilen der nabenseitigen Extenderlagereinheit ausgebildeten Umfangsabschnitte des zweiten Lochkreises jeweils mit mindestens zwei an den Nabenkörpersegmenten ausgebildeten Umfangsabschnitten des dritten Lochkreises überlappend angeordnet sind. Auf diese Weise ist trotz jeweils zumindest zweiteiliger Ausbildung des Nabenkörpers und der nabenseitigen Extenderlagereinheit eine Übertragung der am Stoß der Nabenkörpersegmente auftretenden Kräfte über die nabenseitige Extenderlagereinheit möglich.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die Nabenkörpersegmente auf der windzugewandten und/oder auf der windabgewandten Seite mit mindestens einem Versteifungsring miteinander verbunden sind. Versteifungsringe, insbesondere nahtlos gewalzte Versteifungsringe, sind für die Aufnahme von besonders hohen Zugspannungen ausgelegt. Im Vergleich zu einer aufgeschraubten, zentralen Platte nimmt ein Versteifungsring zudem die Zugkräfte in radialer Richtung weiter außen und damit näher an den Blattwurzeln auf, wo die Belastungen in den Nabengrundkörper eingeleitet werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch eine Windenergieanlage, deren Rotorblätter mittels erfindungsgemäßer Befestigungsvorrichtungen an dem Nabenkörper gelagert sind,

Fig. 2 zeigt schematisch einen eine erfindungsgemäßen Nabenanordnung mit einem dreiteiligen Nabenkörper und drei erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtungen,

Fig. 3 zeigt schematisch in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Darstellung Teile der Nabenanordnung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 und 5 zeigen schematisch in geschnittenen Darstellungen die Zusammenwirkung von Befestigungsvorrichtung und Nabenkörpersegmenten nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3,

Fig. 6 zeigt schematisch in einer geschnittenen Darstellung die Zusammenwirkung von Befestigungsvorrichtung und Nabenkörpersegmenten nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 7 zeigt schematisch das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 in einer Ausstattungsvariante mit einem elektrischen Blattverstellantrieb.

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.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Windenergieanlage 100 gezeigt. Die Windenergieanlage 100 umfasst einen Turm 110, eine Gondel 120 und einen drehbar an der Gondel 120 gelagerten Rotor 130. Der Rotor 130 umfasst eine mehrteilige Nabenanordnung 150 und eine Mehrzahl von drehbar an der Nabenanordnung 150 befestigten Rotorblättern 140. Üblicherweise umfasst der Rotor 130 wie dargestellt drei Rotorblätter 140. Die Rotorblätter 140 sind drehbar an der Nabenanordnung 150 gelagert, um eine Leistungsregelung der Windenergieanlage 100 bei schwankenden Windverhältnissen zu ermöglichen. Darüber hinaus ist eine Verstellung der Rotorblätter 140 in die Fahnenstellung, also in Windrichtung, möglich, um die Leistungsaufnahme der Rotorblätter 140 zu minimieren und die Windenergieanlage 100 außer Betrieb zu nehmen.

Mindestens eines der Rotorblätter 140 ist an der Nabenanordnung 150 mittels einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung 1 gelagert. Vorzugsweise sind alle Rotorblätter 140 an der Nabe 150 mittels erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtungen 1 gelagert.

Die erfindungsgemäßen Nabenanordnungen 150 mit den darin verwendeten Befestigungsvorrichtungen 1 zur Befestigung der Rotorblätter 140 an dem Nabenkörper werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren 2 bis 7 näher erläutert.

In den Fig. 2 bis 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mehrteiligen Nabenanordnung 150 für eine Windenergieanlage 100 (vgl. Fig. 1). Die Nabenanordnung 150 umfasst einen Nabenkörper 13 mit Befestigungsmitteln 22 zur Befestigung der Nabenanordnung 150 an der Gondel 120 der Windenergieanlage 100 und mit vorzugsweise drei dritten Lochkreisen 14 zur Befestigung jeweils eines Rotorblattes 140 der Windenergieanlage 100.

Der Nabenkörper 13 umfasst vorzugsweise drei Nabenkörpersegmente 13‘, 13“, 13‘“, an denen jeweils ein Umfangsabschnitt 14‘, 14“ von zwei der drei dritten Lochkreise 14 ausgebildet ist. Die Umfangsabschnitte 14‘, 14“ sind derart angeordnet, dass sie gemeinsam die dritten Lochkreise 14 bilden. In anderen Worten ist der Nabenkörper 13 in Nabenkörpersegmente 13‘, 13“, 13‘“ unterteilt, wobei die Stöße der Nabenkörpersegmente 13‘, 13“, ^‘“ jeweils in den durch die dritten Lochkreise 14 definierten Blattanschlussflächen liegen.

Die Nabenanordnung 150 weist ferner für jeden der dritten Lochkreise 14 eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 1 , die nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 näher erläutert wird.

Die Befestigungsvorrichtung 1 für die Befestigung des Rotorblattes 140 an dem Nabenkörper 13 der Windenergieanlage 100, umfasst eine blattseitige Extenderlagereinheit 2 und eine nabenseitige Extenderlagereinheit 10. Die blattseitige Extenderlagereinheit 2 weist einen ersten Lagerring 3 mit einem ersten Lochkreis 4 zur Befestigung an dem Nabenkörper 13 und einen zweiten Lagerring 5 zur Befestigung an dem Rotorblatt 140 auf. Dabei ist der zweite Lagerring 5 koaxial zu dem ersten Lagerring 3 um die gemeinsame Lagerachse A verdrehbar angeordnet.

Der erste Lagerring 3 ist mit einer Rotornabenverlängerung 9 ausgebildet, die sich nabenseitig in Richtung der Lagerachse A über den zweiten Lagerring 5 hinaus erstreckt. In einem nabenseitigem Endbereich E der Rotornabenverlängerung 9 ist der erste Lochkreis 4 angeordnet. Der nabenseitige Endbereich E ist bevorzugt als ein sich radial erstreckender Flansch ausgebildet.

Die Rotornabenverlängerung kann im Wesentlichen zylindrisch oder sich konisch zum Rotorblatt hin erweiternd oder reduzierend ausgebildet sein. Dadurch können an einen standardisierten Nabenkörper 13 Rotorblätter 140 mit unterschiedlichen Blattwurzeldurchmessern montiert werden. Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 1 fungiert demnach als Adapter zwischen standardisierten Bauteilen eines Baukastensystems.

In den Figuren sind bevorzugte Ausführungsformen mit einer konischen Erweiterung der Rotornabenverlängerung 9 zum Rotorblatt hin gezeigt. Eine solche konische Erweiterung hat den Vorteil, dass bei gleicher Größe des Nabenkörpers 13 größere Blattwurzeldurchmesser und damit auch längere Rotorblätter 140 montiert werden können, die Windenergieanlagen mit höherer Leistung ermöglichen.

Die nabenseitige Extenderlagereinheit 10 ist plattenförmig ausgebildet und weist einen zweiten Lochkreis 11 auf. Die plattenförmige nabenseitige Extenderlagereinheit kann eine zentrale Öffnung aufweisen, durch die das Innere des Rotorblattes 140 (vgl. Fig. 1) vom Nabenkörper 13 aus zugänglich ist. Plattenförmig im Sinne dieser Offenbarung bedeutet, dass die radiale Erstreckung der nabenseitige Extenderlagereinheit 10 zumindest das dreifache, bevorzugt mindestens das fünffache ihrer Plattenstärke D beträgt.

Die Plattenstärke D der nabenseitigen Extenderlagereinheit 10 beträgt bevorzugt mindestens 20 % der axialen Wandstärke W der Rotornabenverlängerung 9 in deren nabenseitigem Endbereich E. In einigen Ausführungsformen kann die Plattenstärke D der nabenseitigen Extenderlagereinheit 10 auch vorzugsweise mindestens 50 % oder sogar mindestens 70 % der axialen Wandstärke W der Rotornabenverlängerung 9 in deren nabenseitigem Endbereich E, um eine zusätzliche Stabilisierung des segmentierten Nabenkörpers zu erzielen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zweite Lochkreis 11 mit dem ersten Lochkreis 4 zur gemeinsamen Befestigung an dem Nabenkörper 13 fluchtet. Der dritte Lochkreis 14 fluchtet zudem ebenfalls mit dem ersten Lochkreis 4 und dem zweiten Lochkreis 11 . Die Befestigungsvorrichtung 1 ist somit mit einer Mehrzahl von Schrauben 15 an dem Nabenkörper 13 zu befestigen, die sich jeweils durch den ersten 4, zweiten 11 und dritten Lochkreis 14 erstrecken.

Ebenfalls von der Erfindung umfasst sind (nicht gezeigte) Ausführungsformen, in denen mindestens ein zweiter, radial versetzter Satz von drei zueinander fluchtenden Lochkreisen in der nabenseitigen und der blattseitigen Extenderlagereinheit, sowie dem Nabenkörper vorgesehen ist. Durch die zusätzliche Verschraubungsreihe kann die Übertragung der Belastungen über den Reibschluss sowie die Fläche für die Klemmung der benachbarten Nabenkörpersegmente zwischen blattseitiger und nabenseitiger Extenderlagereinheit erhöht werden.

Wie insbesondere in Fig. 5 ersichtlich kann die nabenseitige Extenderlagereinheit 10 zusätzlich zu dem zweiten Lochkreis 11 Befestigungsmittel 12 für eine temporäre oder permanente Fixierung der nabenseitigen Extenderlagereinheit 10 an dem Nabenkörper 13 aufweisen. In einem ersten Schritt der Montage wird die nabenseitige Extenderlagereinheit 10 über die Befestigungsmittel 12 an den Nabenkörpersegmenten 13‘, 13“ befestigt, so dass diese korrekt zueinander positioniert sind. Die Befestigungsmittel 12 sind nach Art und Anzahl jedoch nicht ausreichend, um die Belastungen im Segmentstoß während des Betriebs aufzunehmen. Es handelt sich vielmehr um Hilfsmittel zur Vereinfachung einer fehlersicheren Montage. Als weitere Hilfsmittel zur fehlersicheren Montage können Zentrierungen und/oder formschlüssige Montagehilfen zur eindeutigen Zuordnung und Positionierung der Teile vorhanden sein. Dadurch kann die Montageabfolge vor Ort optimiert und in ihrer Komplexität reduziert werden.

Der erste Lagerring 3 und der zweite Lagerring 5 können beispielsweise als ein Gleitlager mit Gleitpads ausgebildet sein. Bevorzugt ist aber zusätzlich oder alternativ zu den Gleitpads mindestens eine Reihe von zwischen den Lagerringen 3, 5 abrollbaren Wälzkörpern 6, 7, 8 vorgesehen, die einen größten Wälzkörperdurchmesser WD aufweisen. Die Wälzkörper 6, 7, 8 können beispielsweise Kugeln, Zylinderrollen oder Kegelrollen sein. Dabei erstreckt sich die Rotornabenverlängerung 9 in Richtung der Lagerachse A mindestens um das 3-fache, weiter bevorzugt mindestens um das 5-fache, des größten Wälzkörperdurchmessers WD der Reihe der größten Wälzkörper 7, 8 über den zweiten Lagerring 5 hinaus. Durch die axiale Erstreckung der Rotornabenverlängerung 9, weist die Rotornabenverlängerung 9 im Vergleich zu einem konventionellen Blattlagerring eine zusätzliche Steifigkeit auf, die es erlaubt, die im Segmentstoß der Nabenkörpersegmente auftretenden Kräfte aufzunehmen und Verformungen des Laufbahnsystems auf ein tolerierbares Maß zu begrenzen.

Wie in den Figuren 2 bis 7 gezeigt, können der erste und der zweite Lagerring 3, 5 beispielsweise eine dreireihige Rollendrehverbindung bilden. Alternativ sind jedoch auch andere Lagerbauformen, wie beispielsweise ein Doppelkegelrollenlager oder ein doppelreihiges Schrägkugellager denkbar. Der erste und/oder der zweite Lagerring 3, 5 können in axialer Richtung unterteilt sein, um den Zusammenbau des Lagers zu vereinfachen. In den in Fig. 2 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Außenring 3 in axialer Richtung A unterteilt. Denkbar sind aber auch Ausführungsformen in denen der Innenring in axialer Richtung A unterteilt ist oder überhaupt keine Unterteilung in axialer Richtung A erfolgt.

Wie insbesondere in Fig. 3 dargestellt umfasst die nabenseitige Extenderlagereinheit 10 bevorzugt mindestens zwei Teile 10‘, 10“, die jeweils einen Umfangsabschnitt 1 T, 11“ des zweiten Lochkreises 11 enthalten. Die an den Teilen 10‘, 10“ der nabenseitigen Extenderlagereinheit 10 ausgebildeten Umfangsabschnitte 1 T, 11“ des zweiten Lochkreises 11 sind dann jeweils mit mindestens zwei an den Nabenkörpersegmenten 13‘, 13“ ausgebildeten Umfangsabschnitten 14‘, 14“ des dritten Lochkreises 14 überlappend angeordnet.

Zusätzlich können die Nabenkörpersegmente 13‘, 13“ auf der windzugewandten Seite und/oder der windabgewandten Seite mit einem mittels mindestens einem Versteifungsring 17, 18, 19 miteinander verbunden sein. Bevorzugt werden wie in Fig. 3 dargestellt zumindest an der windzugewandten Seite zwei Versteifungsringe 17, 18 eingesetzt, die einen an den Nabenkörpersegmenten 13‘, 13“ ausgebildeten Flansch 23 sandwichartig umschließen und von einer Verschraubungsreihe durchdrungen werden. Auf der windabgewandten Seite sind die Befestigungsmittel 22 bevorzugt ebenfalls als ein Flansch mit einem Lochkreis ausgebildet, wobei der Versteifungsring 19 bevorzugt innenseitig des Nabenkörpers 13 angeordnet ist. Der Flansch 22 wird im montierten Zustand dann ebenfalls sandwichartig von dem Versteifungsring 19 und der Anschlusskomponente der Gondel 120, üblicherweise einem Lagerring eines Rotorlagers oder einem Abschlussflansch einer Rotorwelle, eingeschlossen. In diesem Sinne kann ein Versteifungsring auf der windabgewandten Seite vorteilhafterweise auch in den drehbaren Lagerring des Rotorlagers bzw. die Rotorwelle konstruktiv integriert sein durch eine entsprechend massivere Ausbildung von Rotorlagerring bzw. Rotorwelle. Die Versteifungsringe 17, 18, 19 sind bevorzugt nahtlos gewalzte Ringe. Die Versteifungsringe 17, 18, 19 können auch segmentiert ausgebildet sein, wobei die Ringsegmentgrenzen jeweils die Stöße der Nabenkörpersegmente 13‘, 13“ überdecken.

Bei dem in Fig. 2 bis 5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist der dritte Lochkreis 14 als Durchgangsbohrungen ausgebildet, die in einem radialen Flansch 16 des Nabenkörpers 13 angeordnet sind. Die nabenseitige Extenderlagereinheit 10 ist dabei nabeninnenseitig des Flansches 16 und blattseitige Extenderlagereinheit 2 nabenaußenseitig des Flansches 16 angeordnet.

In Fig. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 2 bis 5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der dritte Lochkreis 14 als Sacklochbohrungen in dem Nabenkörper 13 ausgebildet ist. Dabei sind sowohl die nabenseitige Extenderlagereinheit 10 als auch die blattseitige Extenderlagereinheit 2 nabenaußenseitig des Nabenkörpers 13 angeordnet.

Im Übrigen gelten die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bis 5 für das zweite Ausführungsbeispiel entsprechend.

Fig. 7 zeigt eine Ausstattungsvariante des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem elektrischen Verstellantrieb 20. Der Verstellantrieb 20 ist in die blattseitige Extenderlagereinheit 2 integriert. Dazu ist der Verstellantrieb 20 an einer Versteifungsplatte 21 montiert, die ihrerseits an dem zweiten Lagerring 5 der blattseitigen Extenderlagereinheit 2 befestigt ist. Das Antriebsritzel des Verstellantriebs 20 ist mit einer Verzahnung im nabenseitigen Endbereich E der Rotornabenverlängerung 9 im Eingriff. Auf diese Weise kann eine Verstellung des Pitch-Winkels des angeschlossenen Rotorblattes 140 bewirkt werden. Die Integration des Verstellantriebs 20 in die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 1 hat den Vorteil, dass der Antrieb 20 bereits im Werk vormontiert und getestet werden kann und die Montage im Feld auf einfache Verschraubungen zum Zusammenbau der Nabe beschränkt ist. Auch wird eine getrennte Supply Line von Nabe und Blattlagereinheit inklusive Verstellantrieb ermög- licht. Anstelle eines einzelnen Verstellantriebs 20 können auch mehrere über den Umfang der Befestigungsvorrichtung 1 verteilt angeordnete Verstellantriebe 20 vorgesehen sein.

Die Ausstattungsvariante mit integriertem Verstellantrieb 20 ist in Fig. 7 beispielhaft für das zweite Ausführungsbeispiel gezeigt. In gleicher weise kann auch die Befestigungsvorrich- tung nach dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bis 5 mit einem integrierten Verstellantrieb 20 ausgestattet werden.

Bezugszeichenliste

1 Befestigungsvorrichtung

2 blattseitige Extenderlagereinheit

3 erster Lagerring

4 erster Lochkreis

5 zweiter Lagerring

6, 7, 8 Wälzkörperreihen

9 Rotornabenverlängerung

10 nabenseitige Extenderlagereinheit

10‘, 10“ Teile der nabenseitigen Extenderlagereinheit

11 zweiter Lochkreis

1 T, 11“ Umfangsabschnitte des zweiten Lochkreises

12 Befestigungsmittel

13 Nabenkörper

13‘, 13“, 13‘“ Nabenkörpersegmente

14 dritter Lochkreis

14‘, 14“ Umfangsabschnitte des dritten Lochkreises

15 Schrauben

16 Flansch

17, 18, 19 Versteifungsring

20 Verstellantrieb

21 Versteifungsplatte

22 Befestigungsmittel

23 Flansch

100 Windenergieanlage

110 Turm

120 Gondel

130 Rotor

140 Rotorblatt

150 Mehrteilige Nabenanordnung

A Lagerachse

E nabenseitiger Endbereich der Rotornabenverlängerung D Plattenstärke der nabenseitigen Extenderlagereinheit

W Wandstärke der Rotornabenverlängerung

WD Wälzkörperdurchmesser

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung für die Befestigung eines Rotorblattes (140) an einem Nabenkörper (13) einer Windenergieanlage (100), umfassend eine blattseitige Extenderlagereinheit (2) umfassend einen ersten Lagerring (3) mit einem ersten Lochkreis (4) zur Befestigung an dem Nabenkörper (13), und einen zweiten Lagerring (5) zur Befestigung an dem Rotorblatt (140), wobei der zweite Lagerring (5) koaxial zu dem ersten Lagerring (3) um die gemeinsame Lagerachse (A) verdrehbar angeordnet ist, und eine nabenseitige Extenderlagereinheit (10), die plattenförmig ausgebildet ist und einen zweiten Lochkreis (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (3) mit einer Rotornabenverlängerung (9) ausgebildet ist, die sich nabenseitig in Richtung der Lagerachse (A) über den zweiten Lagerring (5) hinaus erstreckt und in deren nabenseitigem Endbereich (E) der erste Lochkreis (4) angeordnet ist, wobei der zweite Lochkreis (11) mit dem ersten Lochkreis (4) zur gemeinsamen Befestigung an dem Nabenkörper (13) fluchtet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Extenderlagereinheit (10) eine Plattenstärke (D) aufweist, die mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 50 % und besonders bevorzugt mindestens 70 % einer axialen Wandstärke (W) der Rotornabenverlängerung (9) in deren nabenseitigem Endbereich (E) beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Extenderlagereinheit (10) zusätzlich zu dem zweiten Lochkreis (11) Befestigungsmittel (12) für eine temporäre oder permanente Fixierung der nabenseitigen Extenderlagereinheit (10) an dem Nabenkörper (13) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reihe von zwischen den Lagerringen (3, 5) abrollbaren Wälzkörpern (6, 7, 8) vorgesehen sind, die einen Wälzkörperdurchmesser (WD) aufweisen, und sich die Rotornabenverlängerung in Richtung der Lagerachse (A) mindestens um das 3-fache des Wälzkörperdurchmessers (WD) der Reihe der größten Wälzkörper (7, 8) über den zweiten Lagerring (5) hinaus erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Extenderlagereinheit (10) mindestens zwei Teile (10‘, 10“) umfasst, die jeweils einen Umfangsabschnitt (1 T, 11“) des zweiten Lochkreises (11) enthalten.

6. Mehrteilige Nabenanordnung für eine Windenergieanlage (100), umfassend einen Nabenkörper (13) mit Befestigungsmitteln (22) zur Befestigung der Nabenanordnung (150) an einer Gondel (120) der Windenergieanlage (100) und mindestens einem dritten Lochkreis (14) zur Befestigung eines Rotorblattes (140) der Windenergieanlage (100), wobei der Nabenkörper (13) mindestens zwei Nabenkörpersegmente (13‘, 13“, 13‘“) umfasst, an denen jeweils ein Umfangsabschnitt (14‘, 14“) des dritten Lochkreises (14) ausgebildet ist und die derart angeordnet sind, dass die Umfangsabschnitte (14‘, 14“) gemeinsam den dritten Lochkreis (14) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenanordnung (150) ferner eine Befestigungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst, wobei der dritte Lochkreis (14) mit dem ersten Lochkreis (4) und dem zweiten Lochkreis (11) fluchtet und die Befestigungsvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl von Schrauben (15) an dem Nabenkörper (13) befestigt ist, die sich jeweils durch den ersten (4), zweiten (11) und dritten Lochkreis (14) erstrecken.

7. Mehrteilige Nabenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Lochkreis (14) als Durchgangsbohrungen ausgebildet ist, die in einem radialen Flansch (16) des Nabenkörpers (13) angeordnet sind.

8. Mehrteilige Nabenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Extenderlagereinheit (10) nabeninnenseitig des Flansches (16) und blattseitige Extenderlagereinheit (2) nabenaußenseitig des Flansches (16) angeordnet ist.

9. Mehrteilige Nabenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Lochkreis (14) als Sacklochbohrungen in dem Nabenkörper (13) ausgebildet ist, wobei die nabenseitige Extenderlagereinheit (10) und die blattseitige Extenderlagereinheit (2) nabenaußenseitig des Nabenkörpers (13) angeordnet sind.

10. Mehrteilige Nabenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 mit einer Befestigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Teilen (10‘, 10“) der nabenseitigen Extenderlagereinheit (10) ausgebildeten Umfangsabschnitte (1 T, 11“) des zweiten Lochkreises (11) jeweils mit mindestens zwei an den Nabenkörpersegmenten (13‘, 13“) ausgebildeten Umfangsabschnitten (14‘, 14“) des dritten Lochkreises (14) überlappend angeordnet sind.

11. Mehrteilige Nabenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenkörpersegmente (13‘, 13“) auf der windzugewandten Seite und/oder der windabgewandten Seite mit einem mittels mindestens einem Versteifungsring (17, 18, 19) miteinander verbunden sind.