WO2014195357A1 - Drehverbindung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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WO2014195357A1
WO2014195357A1 PCT/EP2014/061573 EP2014061573W WO2014195357A1 WO 2014195357 A1 WO2014195357 A1 WO 2014195357A1 EP 2014061573 W EP2014061573 W EP 2014061573W WO 2014195357 A1 WO2014195357 A1 WO 2014195357A1
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bearing ring
blade
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PCT/EP2014/061573
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Matthias STAMMLER
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present patent application relates to a rotary joint for blade angle adjustment of a rotor blade with respect to a rotor hub of a wind kraftan lays and a method for producing this rotary joint.
  • Wind turbines with a horizontal rotor axis usually have a nacelle, which is attached via an azimuth pivot bearing rotatably mounted on a foundation anchored in the ground or seabed tower.
  • a rotor shaft is rotatably mounted, the input side with a arranged outside the nacelle and, for example, three rotor blades bearing rotor hub and the output side via a gear or unnnittelbar with an arranged inside the nacelle electric generator is connectable.
  • the rotor blades are mounted rotatably about its longitudinal axis in the rotor hub.
  • This storage makes it possible to change the pitch of the rotor blades and thus produce more or less buoyancy as needed.
  • the rotor blades In normal operation, the rotor blades have a position that generates as much buoyancy, and thus performance. However, it is necessary in various situations to brake the system and bring it to a standstill. By changing the pitch angle, rotor blades become an aerodynamic brake.
  • the blade bearings have in today's systems diameter of, for example, up to 4.6 m. They consist of an inner ring and an outer ring which are concentric with each other and have a gap in their middle. In this gap are rolling elements, which allow by rolling a rotation of the inner ring relative to the outer ring.
  • One of the roller bearing rings (inner ring or outer ring) is fixed in the prior art with a plurality of circularly arranged screw on the rotor hub, the other ring with a plurality of circularly arranged screw connections at the root of the rotor blade.
  • the invention is therefore based on the object to provide a rotary joint according to the invention and a corresponding method available, which is low maintenance, long-term stable and still inexpensive.
  • the independent device claim relates to a rotary joint for pitch adjustment of a rotor blade with respect to a rotor hub of a rotor blade Wind turbine, comprising a bearing with a bearing inner ring and a bearing outer ring, wherein a bearing ring with the blade root of the rotor blade and another bearing ring rotatably connected to the rotor hub, characterized in that at least one bearing ring with the rotor blade and / or the rotor hub is integrally connected.
  • the independent method claim relates to a method for producing a rotary joint for Biattwinkelver ein a rotor blade with respect to a rotor hub of a Windkraftaniage containing a bearing with a bearing gerinnenring and a bearing outer ring, wherein a bearing ring with the blade root of the rotor blade and another bearing ring rotatably connected to the rotor hub , characterized by at least the following step: cohesively connecting the blade root of the rotor blade or the rotor hub with at least one bearing ring.
  • the bearing ring, on the one hand, and the rotor blade or rotor hub, on the other hand can be permanently connected to one another by the cohesive connection.
  • the cohesive connection is the only connection, no additional non-positive or positive elements (such as bolts / screws) are necessary.
  • the bearing inner race or the bearing outer be a ring. It is only important that a permanent connection is secured by the interlocking connection.
  • the rotor blade is connected to at least one bearing ring by lamination and / or that the rotor hub is connected to at least one bearing ring by lamination.
  • the lamination connection allows conventional blade-blade manufacturing techniques to continue to be realized and allows a corresponding bearing ring (eg, bearing inner race or bearing outer ring) to be connected to the rotor blade root.
  • the corresponding bearing does not have to exclusively contain only the bearing inner ring and the bearing outer ring, it is also possible, that beyond the bearing inner ring and the outer bearing ring further bearing rings are present in the bearing and / or that more than one bearing ring with the blade root of the rotor blade and / or more than one bearing ring with the rotor hub are each rotatably connected.
  • the rotor hub is provided as a metal part, in which an example bearing outer ring is embedded or is firmly connected by screws / bolts and laminated on the other side of the bearing inner ring in the rotor blade root ,
  • this technology is particularly suitable for bearings with a large diameter, preferably an inner diameter of at least 0.3 m. It can here customary bearings, such as bearings, are used, preferably with one or more rows of rolling elements, particularly preferably in the wind turbine technology common single or double row deep groove ball bearings.
  • the rotor blade and / or the rotor hub are preferably made of fiber-reinforced plastics, in particular of glass fiber reinforced plastics (GRP) and / or carbon fiber reinforced plastics (CFRP). According to the state of the art, these materials are most likely to be used for the rotor blades, but an application for the rotor hubs is also possible.
  • GRP glass fiber reinforced plastics
  • CFRP carbon fiber reinforced plastics
  • "predominantly” in the sense of this paragraph means that the volume fraction of the corresponding materials (in the hardened state, for example, of the rotor blade) is more than 50% by volume.
  • these fiber-reinforced plastics are exclusively used in the region of the interface to the bearing ring.
  • the non-100% volume fraction of the glass fiber reinforced plastics may result, for example, from the fact that metal parts are partially integrated or bulky wood, for example balsa wood, etc.,
  • the bearing ring to be connected to the fiber-reinforced plastic is preferably at least partially made of metal, for example, the bearing inner ring and / or the bearing outer ring may be made of metal. However, it is not necessary that the bearing is made entirely of metal, for example, it is possible that intermediate rings, etc. consist of other materials.
  • At least one bearing ring is attached with undercut to the rotor blade root of the rotor blade or on the rotor hub.
  • the bearing rings may have circumferential arms that can be easily laminated in order to ensure an undercut in the cured state.
  • shapes can be produced which otherwise would not be achievable solely by non-positive connections, without, for example, making certain components divisible.
  • a development of the rotary joint or of the method is that at least a first surface and at least one second surface of the bearing ring materially connected to the rotor blade and / or the rotor hub are. This results in a particularly durable connection. Such a compound is easy to produce, in particular by lamination, without possibly undercuts lead to a high workload.
  • the first and second surfaces may be different.
  • the projection lines of the first and the second surface may be arranged at an angle .phi.0.degree.
  • angles of between 70.degree. And 110.degree. as is often the case in outer or inner bearing shells, which have a substantially rectangular ring cross-section.
  • first surface correspond, for example, to the outer surface of a cylinder. But it is also possible that this outer surface corresponds to that of a truncated cone.
  • first and / or second surfaces can have projection lines in a cutting plane containing the axis of rotation as well, which are curved, since the corresponding bearing shells are embodied, for example, spherically or also contain points / indentations.
  • the penetration depth of the bearing ring in the rotor blade and / or the rotor hub is at least 0.05 times the largest outer diameter of the bearing ring.
  • This also offers a combination to the above-mentioned developments in which undercuts are laminated or two surfaces ⁇ for example, "corner") are involved, so as to achieve an even firmer connection between the components.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a wind turbine
  • FIGS. 2a are identical to FIGS. 2a.
  • FIG. 1 shows a wind turbine 4 with an anchored in the ground tower 8, on the upper side of which a nacelle 9 is arranged.
  • a rotor hub 3 with three rotor blades 2 is rotatably mounted on the nacelle 9, in turn.
  • the individual rotor blades 2 can be rotated with respect to the rotor hub 3 about the longitudinal axis of the rotor blades 2, as indicated in Fig. 1 by the double arrow.
  • a rotary joint 1 is arranged in the region between the rotor hub 3 and the blade root of the rotor blade 2, which enables the rotation of the rotor blade about its longitudinal axis.
  • Fig. 1 shows a conventional example of a wind turbine for illustrative purposes only. Alternatively, this may also be a wind turbine anchored in the seabed, a wind turbine with more or less than three rotor blades, etc.
  • Allen Detailansivier Fig. 2a to Fig. 3b have in common that they show only (for reasons of simplicity) a half of the section through the rotary joint.
  • the dash-dotted line in the respective figures represents the longitudinal axis in the interior of the (regularly hollow) rotor blade.
  • All slewing rings in Fign. 2a to 3b show a rotary joint 1 for blade angle determination of a rotor blade 2 with respect to a Rotomabe 3 of a wind turbine, comprising a bearing 5 with a bearing inner ring 6 and a bearing outer ring 7, wherein a bearing ring with the blade root of the rotor blade 2 and another bearing ring with the rotor hub 3 rotatably is connected, wherein at least one bearing ring is integrally connected to the rotor blade and / or the rotor hub.
  • Fig. 2a here is the rotor hub 3 made of a metal and connected via an additional laminate 10 made of fiber-reinforced plastic with the bearing ring 6 cohesively.
  • the bearing outer ring 7 is connected by lamination with the blade root of Rotorbiatts 2.
  • FIGS. 2b to 3b is merely the blade root of the rotor blade with a bearing ring.
  • FIG. 2b shows a metallic rotor hub 3 with a bearing inner ring 6 connected in a form-fitting manner in a manner not shown in detail.
  • outer ring 7 of the running as ein foundedem groove bearing bearing is laminated in the blade root of the rotor blade 2.
  • FIG. 3a in turn shows the rotor hub 3 with a bearing inner ring of a double deep groove ball bearing connected thereto in a manner not shown in more detail.
  • the bearing outer ring 7 is laminated in the blade root of the rotor blade 2.
  • the bearing outer ring 7 has a in Fig. 3a upwardly expiring boom, which undercuts part of the blade root of the rotor blade 2 so as to be able to absorb bending moments even better.
  • FIG. 3b shows the hub 3 with a bearing inner ring 6 connected therewith in a manner not shown in more detail.
  • the bearing outer ring 7 of the double deep groove ball bearing in turn has a boom, this time designed as an angle arm, which together with the rest of the bearing outer ring into the blade root of the rotor blade 2 is laminated.
  • the arranged in Fig. 3b on the upper side of the bearing outer ring circumferential boom has an angular shape in cross-section, which initially rises vertically and then kinks to the left in Fig. 3b. In this way, the surface to be joined is significantly expanded and by the arranged in several spatial levels undercut the attachment of the bearing outer ring is optimized with respect to the blade root of the rotor blade 2.
  • All rotary joints according to FIGS. 2a to 3b have in common that at least the rotor blade with at least one bearing ring (bearing outer ring or bearing inner ring) is connected by lamination.
  • the rotor hub is additionally connected to a bearing ring by lamination.
  • the bearing inner rings 6 and bearing outer rings 7 according to FIGS. 2a to 3b are each made of a metallic material, the blade root of the rotor blade 2 is each made of a fiber-reinforced plastic. This makes it possible that a bearing ring is involved in the production of the rotor blade. All bearings are designed as large bearings with an inner diameter d
  • GRP glass fiber reinforced Plastic
  • bearings shown with bearing inner ring and bearing outer ring still provide such bearings that have even more bearing rings, for example, one or more middle rings, these can then be partially fixed against rotation of the rotor hub or the rotor blade ,
  • the bearing ring can have an enlarged surface, which is produced for example by sandblasting, burnishing or grinding.
  • a macrostructuring is also possible, as shown in Fig. 3a and 3b.
  • it also makes sense, for example, by turning or milling to perform targeted surface enlarging measures in a bearing rings, which then by lamination, for example with the Blattwurze! of the rotor blade 2 is connected.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehverbindung (1) zur Blattwinkelverstellung eines Rotorblattes (2) bezüglich einer Rotornabe (3) einer Windkraftanläge (4), enthaltend ein Lager (5) mit einem Lagerinnenring (6) und einem Lageraußenring (7), wobei ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts (2) und ein anderer Lagerring mit der Rotornabe (3) drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lagerring mit dem Rotorblatt (2) und/oder der Rotornabe (3) stoffschlüssig verbunden ist. Außerdem wird ein Verfahren zum Herstellen dieser Drehverbindung offenbart. Mit der Erfindung wird eine dauerfeste Verbindung beispielsweise zwischen Rotornabe (3) und Rotorblatt (2) ermöglicht.

Description

Drehverbindung und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Schutzrechtsanmeldung betrifft eine Drehverbindung zur Blattwinkelverstellung eines Rotorblattes bezüglich einer Rotornabe einer Wind kraftan läge sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Drehverbindung.
Windkraftanlagen mit einer horizontalen Rotorachse weisen üblicherweise eine Gondel auf, die über ein Azimut-Drehlager drehbar auf einem über ein Fundament im Erdboden bzw. Meeresboden verankerten Turm befestigt ist. in der Gondel ist eine Rotorwelle drehbar gelagert, die eingangsseitig mit einer außerhalb der Gondel angeordneten und beispielsweise drei Rotorblätter tragenden Rotornabe und ausgangsseitig über ein Getriebe oder unnnittelbar mit einem innerhalb der Gondel angeordneten elektrischen Generator verbindbar ist. Zur Regelung der Rotordrehzahl und zum Abstellen der Windkraftanlage, welches bei starkem Wind als Überlastungsschutz und für die Durchführung von Wartungs- und Reparaturarbeiten wichtig ist, sind die Rotorblätter um ihre Längsachse drehbar in der Rotornabe gelagert. Diese Lagerung erlaubt es, den Pitchwänkel der Rotorblätter zu verändern und so je nach Bedarf mehr oder weniger Auftrieb zu erzeugen. Im Normalbetrieb haben die Rotorblätter eine Stellung, die möglichst viel Auftrieb, und damit Leistung, erzeugt. Es ist aber in verschiedenen Situationen nötig, die Anlage zu bremsen und zum Stillstand zu bringen. Durch die Änderung des Pitchwinkeis werden Rotorblätter zu einer aerodynamischen Bremse.
Die Blattlager haben in heutigen Anlagen Durchmesser von beispielsweise bis zu 4,6 m. Sie bestehen aus einem innenring und einen Außenring, die konzentrisch zueinander liegen und in ihrer Mitte einen Spalt aufweisen. In diesem Spalt befinden sich Walzkörper, die durch Abrollen ein Verdrehen des Innenrings relativ zum Außenring ermöglichen. Einer der Walzlagerringe (Innenring oder Außenring) ist nach dem Stand der Technik mit mehreren kreisförmig angeordneten Schraubverbindungen an der Rotornabe befestigt, der andere Ring mit mehreren kreisförmig angeordneten Schraubenverbindungen an der Wurzel des Rotorblatts.
Der im Verhältnis zu den Querschnitten des Innenrings und des Außenrings große Durchmesser des Lagers führt im Zusammensptel mit den hohen Belastungen (Biegemomenten), die durch großen Blattlängen hervorgerufen werden, zu einer Verformung des Blattlagers. Diese Verformung hat zwei negative Folgen: Zum einen wird die Abdichtung des Lagers erschwert, wodurch Schmierstoff austreten und Fremdstoffe eintreten können, zum anderen wird die innere Geometrie des Lagers verändert, was sich negativ auf die Fähigkeiten zu Lastaufnahme auswirkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine erfindungsgemäße Drehverbindung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, die wartungsarm, langfristig stabil und trotzdem noch kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der unabhängige Vorrichtungsanspruch betrifft eine Drehverbindung zur Blattwinkelverstellung eines Rotorblattes bezüglich einer Rotornabe einer Windkraftanlage, enthaltend ein Lager mit einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring, wobei ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts und ein anderer Lagerring mit der Rotornabe drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lagerring mit dem Rotorblatt und/oder der Rotornabe stoffschlüssig verbunden ist.
Der unabhängige Verfahrensanspruch betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Drehverbindung zur Biattwinkelverstellung eines Rotorblattes bezüglich einer Rotornabe einer Windkraftaniage, enthaltend ein Lager mit einem La- gerinnenring und einem Lageraußenring, wobei ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts und ein anderer Lagerring mit der Rotornabe drehfest verbunden ist, gekennzeichnet durch zumindest folgenden Schritt: stoffschlüssiges Verbinden der Blattwurzel des Rotorblatts oder der Rotornabe mit mindestens einem Lagerring.
Dieses erfinderische Konzept hebt sich von bisherigen Konzepten grundlegend dadurch ab, dass Lagerring einerseits und Rotorbiatt bzw. Rotornabe andererseits durch die stoffschlüssige Verbindung dauerhaft miteinander verbindbar sind. Vorzugsweise ist die stoffschlüssige Verbindung die einzige Verbindung, keine zusätzlichen kraftschlüssigen oder formschlüssigen Elemente (beispielsweise Bolzen/Schrauben) sind notwendig.
Dies ist eine Abkehr von bisherigen Produktionsmethoden, bei denen das komplette Lager zuerst mit der Nabe per Schraubverbindung verbunden wird und in einem späteren Schritt mit dem Rotorblatt. Es ist allerdings auch eine
Abkehr von denkbaren Konzepten, bei denen beispielsweise der Lagerring und die Rotorblattwurzel bzw. die Rotornabe einstückig sind, d.h. bei denen der Lagerring bereits Bestandteil der Rotornabe bzw. Rotorblattwurzel ist. Solche Konzepte sind nicht wirtschaftlich herstellbar. Außerdem wird durch die un- terschiedlichen Materialanforderungen (einerseits soll das Lager stabil sein, andererseits soll das Rotorblatt sehr leicht sein) eine solche eänstückige Variante auch technisch schwer umsetzbar sein.
In den unabhängigen Ansprüchen ist noch nicht festgelegt, welcher Lagerring konkret mit der Rotornabe bzw. der Rotorblattwurzel verbunden ist {je nach
Konstruktion kann es beispielsweise der Lagerinnenring oder der Lageraußen- ring sein. Wichtig ist lediglich, dass durch die schlüssige Verbindung jeweils eine dauerfeste Verbindung gesichert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Rotorblatt mit mindestens einem Lagerring durch Laminieren verbunden ist und/oder dass die Rotornabe mit mindestens einem Lagerring durch Laminieren verbunden ist. Die Verbindung durch Laminieren ermöglicht, dass übliche Herstellungsweisen beim Rotorblattbau weiterhin verwirklicht werden können und dass ein entsprechender Lagerring {beispielsweise Lagerinnenring oder Lageraußenring} mit der Rotorblattwurzel verbunden werden können.
Es sei angemerkt, dass das entsprechende Lager nicht ausschließlich nur den Lagerinnenring und den Lageraußenring enthalten muss, es ist auch möglich,, dass über den Lagerinnenring und den Lageraußenring hinaus noch weitere Lagerringe in dem Lager vorhanden sind und/oder dass mehr als ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts und/oder mehr als ein Lagerring mit der Rotornabe jeweils drehfest verbunden sind. Dies heißt beispielsweise, dass auch Ausführungsformen gegeben sein können, bei denen beispielsweise ein Lagerinnenring und ein Mittelring mit der Rotorblattwurzei drehfest verbunden sind und lediglich der Lageraußenring an der Rotornabe drehfest verbunden ist.
Selbstverständlich sind hierbei aber auch Mischformen bei der Produktton möglich, beispielsweise dass die Rotornabe als Metallteil zur Verfügung gestellt wird, in die ein beispielsweise Lageraußenring eingelassen ist bzw. mittels Schrauben/Bolzen fest verbunden wird und auf der anderen Seite der Lagerinnenring in die Rotorblattwurzel einlaminiert ist.
Es hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen unterschiedlichen Materialien stattfindet, vorzugsweise zwischen einem faserverstärkten Kunststoff einerseits (der eise beim Bau des Rotorblatts sowieso Verwendung findet) und einem Metall andererseits (beispielsweise einem üblichen Lagerschalenmetall). Das Laminieren bzw. Verkle- ben dieser beiden Materialgruppen hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da für die spezifische Anwendung jedes der Materialien die besten Eigenschaften mitbringt und dennoch eine feste Verbindung zwischen beiden Bauteilen ermöglicht wird.
Wie eingangs beschrieben, eignet sich diese Technologie insbesondere für Lager mit einem großen Durchmesser, vorzugsweise einem Innendurchmesser von mindestens 0,3 m. Es können hier übliche Lager, beispielsweise Wälzlager, zur Anwendung kommen, vorzugsweise mit einer oder mehreren Reihen von Wälzkörpern, besonders vorzugsweise in der Windkraftanlagentechnik übliche ein- oder zweireihige Rillenkugellager.
Das Rotorblatt und/oder die Rotornabe sind vorzugsweise aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) und/oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Nach dem heutigen Stand der Technik werden die diese Materialien am ehesten für die Rotorblätter verwendet, aber eine Anwendung für die Rotornaben ist auch möglich. Ergänzend sei bemerkt, dass "überwiegend" im Sinne dieses Absatzes meint, dass der Volumenanteil der entsprechenden Werkstoffe (im ausgehärteten Zustand beispielsweise des Rotorblatts) mehr als 50 Volumen-% beträgt. Vorzugsweise (aber nicht zwingend) werden diese faserverstärkten Kunststoffe im Bereich der Schnittstelle zu dem Lagerring ausschließlich verwendet. Der nicht 100%ige Volumenanteil der glasfaserverstärkten Kunststoffe kann sich beispielsweise dadurch ergeben, dass partiell Metallteile eingebunden sind bzw. großvolumige Holz-, beispielsweise Balsarholzteiie etc.,
Der mit dem faserverstärkten Kunststoff zu verbindende Lagerring ist vorzugsweise zumindest bereichsweise aus Metall, beispielsweise kann der Lagerinnenring und/oder der Lageraußenring aus Metall sein. Es ist jedoch nicht notwendig, dass das Lager komplett aus Metall ist, beispielsweise ist es möglich, dass hier Zwischenringe etc. aus anderen Materialien bestehen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens ein Lagerring mit Hinterschnitt an der Rotorblattwurzel des Rotorblatts oder an der Rotornabe befestigt ist. Zusätzlich zu dem Stoffschluss wird hier durch die Form der ausgehärteten stoffschlüssigen Verbindung eine besonders dauerfeste Fügung erreicht. Beispielsweise können die Lagerringe umlaufende Ausleger haben, die leicht einlaminiert werden können, um so einen Hinterschnitt im ausgehärteten Zustand zu gewährleisten. Es sind beispielsweise (durch die Integration eines Lagerrings beim Herstellen der Rotorblattwurzel) Formen herstellbar, die allein durch kraftschlüssige Verbindungen sonst nicht erzielbar wären, ohne dass beispielsweise bestimmte Bauteile teilbar ausgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, einen Lagerring mit zwei seitlichen Auslegern einzulaminieren, um so einen festen Halt zwischen Rotorblattwurzel und Lagerring zu erreichen, solche Formen wären nach dem Stand der Technik nur mit äußerst hohem Aufwand herstellbar.
Prinzipiell gibt es verschiedene Möglichkeiten, durch eine Oberflächenvergrößerung des Lagerrings die Verbindung zur Rotorblattwurzel bzw. zur Rotornabe noch stabiler zu gestalten. Dies sind zum einen: a) Mikrostrukturierung, vorzugsweise erzeugt durch Sandstrahlung, Brünieren, Schleifen, etc. Dies ist bei großen Lagern (Innendurchmesser größer als 0,3 m) in der Regel gut möglich, da die erforderliche Härtung der Lagerlaufbahn nicht zwangsweise dazu führt, dass auf der Lagerringrückseite (also den Wälzkörpern abgewandt) ebenfalls eine Härtung stattfindet. Somit ist es regelmäßig möglich, an diesen Rückseiten der Lagerringe mit geringem Aufwand oberflächenmodifizierende Maßnahmen durchzuführen. Dies gilt außerdem auch für die b) Makrostrukturierung, vorzugsweise durch Drehen, Fräsen oder Anbringung/Vorsehen von Auslegern zur Erzeugung von Hintergriffen. Diese Ausleger können beispielsweise umlaufenden an der Innenseite oder der Außenseite des Lagerrings vorgesehen sein, außerdem können diese auch diskret, umfangsmäßig über den Lagerring verteilt vorgesehen sein. Wich- tig ist lediglich, dass hier Oberflächenvergrößerungen sind bzw.
Hinterschnitte, die die Fügung zwischen den faserverstärkten Kunststoffen und dem Lagerring verbessern.
Eine Weiterbildung der Drehverbindung bzw. des Verfahrens steht vor, dass mindestens eine erste Fläche sowie mindestens eine zweite Fläche des Lagerrings stoffschlüssig mit dem Rotorblatt und/oder der Rotornabe verbunden sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders haltbare Verbindung. Eine solche Verbindung ist insbesondere durch Laminieren leicht herstellbar, ohne dass gegebenenfalls Hinterschnitte zu einem hohen Arbeitsaufwand führen.
Die ersten und zweiten Flächen können hierbei unterschiedlich beschaffen sein. So ist es beispielsweise möglich, dass in einer die Drehachse enthaltenden Schnittebene die Projektionslinien der ersten und der zweiten Fläche in einem Winkel Φ 0° zueinander angeordnet sind, wobei hier vor allem auch Winkel zwischen 70" und 110° möglich sind, beispielsweise 90°, wie dies in äußeren oder inneren Lagerschalen häufig der Fall ist, die einen im Wesentlichen rechteckförmigen Ringquerschnitt haben.
Es ist somit möglich, dass die erste Fläche beispielsweise der Außenfläche eines Zylinders entspricht. Es ist aber auch möglich, dass diese Außenfläche der eines Kegelstumpfes entspricht. Außerdem ist es möglich, dass erste und/oder zweite Fläche auch in einer die Drehachse enthaltenden Schnittebene Projektionslinien haben, die gekrümmt sind, da die entsprechenden Lagerschalen beispielsweise ballig ausgeführt sind oder auch Zacken/Einschnitte enthalten.
Aus Gründen der Langzeitstabilität sowie der einfachen Herstellbarkeit, insbesondere im Zusammenhang mit dem Laminieren, ist es möglich, dass die Eindringtiefe des Lagerrings in das Rotorblatt und/oder die Rotornabe mindestens das 0,05-fache des größten Außendurchmessers des Lagerrings beträgt. Hierbei bietet sich auch eine Kombination zu den oben angesprochenen Weiterbildungen an, bei denen Hinterschnitte einlaminiert werden bzw. zwei Flächen {beispielsweise "über Eck") eingebunden werden, um so eine noch festere Verbindung zwischen den Bauteilen zu erreichen.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Windkraftanlage;
Fign. 2a
bis 3b Beispiele erfindungsgemäßer Drehverbindungen im Detailschnitt. Fig. 1 zeigt eine Windkraftanlage 4 mit einem im Erdboden verankerten Turm 8, auf dessen Oberseite eine Gondel 9 angeordnet ist. An der Gondel 9 wiederum ist eine Rotornabe 3 mit drei Rotorblättern 2 drehbar befestigt. Die einzelnen Rotorblätter 2 lassen sich bezüglich der Rotornabe 3 um die Längsachse der Rotorblätter 2 drehen, wie dies in Fig. 1 durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Hierzu ist im Bereich zwischen der Rotornabe 3 und der Blattwurzel des Rotorblattes 2 eine Drehverbindung 1 angeordnet, welche die Drehung des Rotorblatts um dessen Längsachse ermöglicht.
Fig. 1 zeigt lediglich zur Veranschaulichung ein übliches Beispiel einer Windkraftanlage. Alternativ kann es sich hierbei auch um eine im Meeresboden verankerte Windkraftanlage handeln, eine Windkraftanlage mit mehr oder weniger als drei Rotorblättern etc.
Im Folgenden werden Details der erfindungsgemäßen Drehverbindung anhand der Fign. 2a bis 3b erläutert.
Allen Detailansichten Fig. 2a bis Fig. 3b ist gemeinsam, dass diese lediglich (aus Vereinfachungsgründen) eine Hälfte des Schnitts durch die Drehverbindung zeigen. Die Strichpunktierung bei den jeweiligen Figuren stellt hierbei die Längsachse im Inneren des (regelmäßig hohlen) Rotorblatts dar.
Alle Drehverbindungen in Fign. 2a bis 3b zeigen eine Drehverbindung 1 zur Blattwinkelfeststellung eines Rotorblatts 2 bezüglich einer Rotomabe 3 einer Windkraftanlage, enthaltend ein Lager 5 mit einem Lagerinnenring 6 und einem Lageraußenring 7, wobei ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts 2 und ein anderer Lagerring mit der Rotornabe 3 drehfest verbunden ist, wobei mindestens ein Lagerring mit dem Rotorblatt und/oder der Rotornabe stoffschlüssig verbunden ist. in Fig. 2a ist hierbei die Rotornabe 3 aus einem Metall gefertigt und über ein Zusatzlaminat 10 aus faserverstärktem Kunststoff mit dem Lagerring 6 stoffschlüssig verbunden. Der Lageraußenring 7 ist durch Laminieren mit der Blattwurzel des Rotorbiatts 2 verbunden. Bei den Ausführungsformen nach Fign. 2b bis 3b ist lediglich die Blattwurzel des Rotorblatts mit einem Lagerring.
Fig. 2b zeigt eine metallische Rotornabe 3 mit einem auf nicht näher dargestellte Weise formschlüssig damit verbundenem Lagerinnenring 6. Der Lager- außenring 7 des als einläufigem Rillenlager ausgeführten Lagers ist in die Blattwurzel des Rotorblatts 2 einlaminiert.
Fig. 3a zeigt wiederum die Rotornabe 3 mit einem damit auf nicht näher dar- gestellte Weise verbundenen Lagerinnenring eines Doppelrillenkugellagers.
Der Lageraußenring 7 ist in die Blattwurzel des Rotorblatts 2 einlaminiert. Der Lageraußenring 7 weist einen in Fig. 3a nach oben hin auslaufenden Ausleger auf, der einen Teil der Blattwurzel des Rotorblatts 2 hinterschneidet, um so Biegemomente noch besser aufnehmen zu können.
Fig. 3b zeigt die Nabe 3 mit einem damit auf nicht näher gezeigte Weise verbundenen Lagerinnenring 6. Der Lageraußenring 7 des Doppelrillenkugellagers weist wiederum einen Ausleger, diesmal als Winkelausleger ausgeführt, auf, der zusammen mit dem restlichen Lageraußenring in die Blattwurzel des Ro- torblatts 2 einlaminiert ist. Der in Fig. 3b auf der oberen Seite des Lageraußenrings angeordnete umlaufende Ausleger weist im Querschnitt eine Winkelform auf, die sich zunächst senkrecht erhebt und dann nach links in Fig. 3b abknickt. Auf diese Weise wird die zu fügende Oberfläche deutlich erweitert und durch den in mehrere Raumebenen angeordneten Hinterschnitt wird die Befestigung des Lageraußenrings bezüglich der Blattwurzel des Rotorblatts 2 optimiert.
Allen Drehverbindungen gemäß Fign. 2a bis 3b ist gemeinsam, dass zumindest das Rotorblatt mit mindestens einem Lagerring (Lageraußenring oder Lagerin- nenring) durch Laminieren verbunden ist. In Fig. 2a ist zusätzlich die Rotornabe mit einem Lagerring durch Laminieren verbunden.
Die Lagerinnenringe 6 bzw. Lageraußenringe 7 nach Fign. 2a bis 3b sind jeweils aus einem metallischen Material gefertigt, die Blattwurzel des Rotor- blatts 2 ist jeweils aus einem faserverstärkten Kunststoff. Hierdurch wird es möglich, dass gleich bei der Herstellung des Rotorblattes ein Lagerring mit eingebunden wird. Sämtliche Lager sind hierbei als Großlager ausgeführt mit einem Innendurchmesser d| (siehe Fig. 2a) von mehr als 0,3 m. Sämtliche gezeigten Drehverbindungen per Stoffschluss mit einem Lagerring verbundenen Rotorblätter/Rotornaben sind hierbei aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Alternativ sind natürlich auch andere Faserwerkstoffe möglich, insbesondere kohlenfaserverstärkte Kunststoffe. Grundsätzlich beträgt der Volumenanteil der faserverstärkten Kunststoffe mehr als 50% an dem gesamten Rotorblatt, es ist möglich, dass weitere Materialien in dem Rotorblatt verbaut sind, beispielsweise Baisarholz oder Metall.
Es sei erwähnt, dass es außerdem möglich ist, zusätzlich zu den gezeigten Lagern mit Lagerinnenring und Lageraußenring noch solche Lager vorzusehen, die noch mehr Lagerringe haben, beispielsweise einen oder mehrere Mittelringe, diese können dann auch teilweise drehfest an der Rotornabe oder dem Rotorblatt befestigt sein.
Zur Erhöhung der Oberfläche des mit der ßiattwurzel des Rotorblatts oder der Rotornabe zu verbindenden Lagerring kann der Lagerring eine vergrößerte Oberfläche aufweisen, die beispielsweise durch Sandstrahlen, Brünieren oder Schleifen erzeugt wird. Zusätzlich ist auch noch eine Makrostrukturierung möglich, wie sie in Fig. 3a bzw. 3b gezeigt ist. Hier bietet es sich auch an, beispielsweise durch Drehen oder Frästen gezielt oberflächenvergrößernde Maßnahmen in einem Lagerringe vorzunehmen, der dann durch Laminieren beispielsweise mit der Blattwurze! des Rotorblatts 2 verbunden wird.

Claims

Patentansprüche
Drehverbindung (1) zur Biattwinkelverstellung eines Rotorblattes
(2) bezüglich einer Rotornabe
(3) einer Windkraftanlage
(4), enthaltend ein Lager
(5) mit einem Lagerinnenring
(6) und einem Lageraußenring (7), wobei ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts (2) und ein anderer Lagerring mit der Rotornabe {3) drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lagerring mit dem Rotorblatt (2) und/oder der Rotornabe (3) stoffschlüssig verbunden ist.
Drehverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Rotorblatt (2) mit mindestens einem Lagerring durch Laminieren verbunden ist
und/oder dass die Rotornabe (3) mit mindestens einem Lagerring durch Laminieren verbunden ist.
Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise zwischen einem faserverstärkten Kunststoff einerseits und einem Metall andererseits, gegeben ist.
Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (5) einen Innendurchmesser (dj) von mindestens 0,3 m aufweist.
Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (5) ein Wälzlager ist, vorzugsweise mit einer oder mehreren Reihen von Wälzkörpern, besonders vorzugsweise ein- oder zweireihiges Rillenkugellager ist.
Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rotorbiatt (2) und/oder Rotornabe (3) überwiegend aus faserverstärkten Kunststoffen sind, insbesondere aus glasfa- serverstärkten Kunststoffen (GFK) und/oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK).
7. Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lagerring, vorzugsweise Lagerinnenring und Lageraußenring, jeweils aus Metall ist.
8. Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass mindestens ein Lagerring mit Hinterschnitt an der Blattwurzel des Rotorblatts (2) oder an der Rotornabe (3) befestigt ist.
9. Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Blattwurzel des Rotorblattes (2) oder der mit der Rotornabe (3) zu verbindende Lagerring eine Oberflächenvergrößerung aufweist, die als
a) Mikrostrukturierung, vorzugsweise erzeugt durch Sandstrahlung, Brünieren, Schleifen, erzeugt ist oder als
b) Makrostrukturierung, vorzugsweise durch Drehen, Fräsen oder Anbringung/Vorsehen von Auslegern zur Erzeugung von Htntergriffen erzeugt ist.
10. Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass über den Lagerinnenring (6) und den Lageraußenring (7) hinaus noch weitere Lagerringe in dem Lager (3) enthalten sind
und/oder
dass mehr als ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts (2) und/oder mehr als ein Lagerring mit der Rotornabe (3) drehfest verbunden sind.
11. Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Fläche sowie eine zweite Fläche des Lagerrings stoffschlüssig mit dem Rotorblatt und/oder der Rotornabe verbunden sind.
Drehverbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer die Drehachse enthaltenden Schnittebene die Projektionslinien der ersten und der zweiten Flächen in einem Winkel ungleich 0° zueinander angeordnet sind.
Drehverbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Projektionslinien der ersten und zweiten Fläche zwischen 70° und 110° beträgt.
Drehverbindung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche der Außenfläche eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes entspricht.
Drehverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des Lagerrings in das Rotorblatt und/oder in die Rotornabe mindestens das 0,05-fache des größten Außendurchmessers des Lagerrings beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer Drehverbindung zur Blattwinkelver- steliung eines Rotorblattes (2) bezüglich einer Rotornabe (3) einer Windkraftanlage (4), enthaltend ein Lager (5) mit einem Lagerinnenring (6) und einem Lageraußenring (7), wobei ein Lagerring mit der Blattwurzel des Rotorblatts (2) und ein anderer Lagerring mit der Rotornabe (3) drehfest verbunden ist, gekennzeichnet durch zumindest folgenden Schritt:
stoffschlüssiges Verbinden der Blattwurzel des Rotorblatts (2) oder der Rotornabe (3) mit mindestens einem Lagerring.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
dass das Rotorblatt (2) mit mindestens einem Lagerring durch Laminieren verbunden wird
und/oder dass die Rotornabe (3) mit mindestens einem Lagerring durch Laminieren verbunden wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen unterschied- liehen Materialien erfolgt, vorzugsweise zwischen einem faserverstärkten Kunststoff einerseits und einem Metall andererseits.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohlagerring vor der stoffschlüssigen Verbindung mit der Blattwurzel des Rotorblatts (2) oder der Rotornabe (3) in einem oberflächenvergrößernden Verfahren behandelt wird, vorzugsweise durch Sandstrahlen, Brünieren oder Schleifen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Fläche sowie eine zweite Fläche des Lagerrings stoffschlüssig mit dem Rotorblatt und/oder der Rotornabe verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einer die Drehachse enthaltenden Schnittebene die Projektionslinien der ersten und der zweiten Fläche in einem Winkel Φ 0° zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 70° und 110" beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche der Außenfläche eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des Lagerrings in das Ro- torbiatt und/oder in die Rotornabe mindestens das 0,05-fache des größten Außendurchmessers des Lagerrings beträgt.
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