Windkraftanlage sowie Windkraftanlage mit einem solchen Stellantrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Windkraftanlagen, deren Rotorblätter in ihrem Anstellwinkel einstellbar sind. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere einen Stellantrieb zum Verstellen des Pitchwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage, mit einem Großwälzlager, das zwei zueinander verdrehbare Lagerringe umfasst, sowie einem Stellaktor zum Verdrehen der beiden Lagerringe zueinander.

Bei modernen Windkraftanlagen sind die Rotorblätter um die Rotorblätterlängsachse jeweils verdrehbar an der Rotornabe gelagert, um den Anstellwinkel der Rotorblätter je nach Windgeschwindigkeit variieren zu können. Dieser Pitchwinkel, d.h. der Anstellwinkel um die Rotorblattlängsachse, kann dabei einerseits elektrisch eingestellt werden, wobei bei einer elektrischen Pitchverstellung ein Elektromotor, ein Getriebe und ein Zahnkranz am Wälzlager angebracht sind. Das vom Elektromotor angetriebene Ritzel kämmt mit dem Zahnkranz, um auf diese Weise die beiden Lagerringe zueinander zu verdrehen und hierdurch den Pitchwinkel einzustellen. Andererseits ist es bekannt, den Pitchwinkel hydraulisch zu verstellen. Hierbei sind ein oder zwei Hydraulikzylinder vorgesehen, die sich an der Nabe oder am Lagerring abstützen, der mit der Nabe verbunden ist, wobei die Kolbenstangen exzentrisch an einer Scheibe angelenkt sind, die mit dem Rotorblatt über den zweiten Lagerring verbunden ist, so dass durch Einfahren und Ausfahren der Kolbenstange eine Verdrehung der beiden Lagerringe und dadurch eine Einstellung des Pitchwinkels erreicht wird.

Da solche Stellantriebe für die Einstellung des Pitchwinkels oft über längere Zeit in derselben Stellung verharren und das Rotorblatt im einmal eingestellten Pitchwinkel halten, unterliegen die Stellantriebe besonderen Anforderungen. Beispielsweise geben sich bei den genannten elektrischen Pitchverstellungen Schmierungsprobleme, da sich das Ritzel gegenüber dem Zahnkranz oft längere Zeit nicht bewegt und Schmierstoff nicht verteilen kann.

Bei den genannten hydraulischen Pitchverstellungen ist das erzeugte Verstellmoment üblicherweise nicht konstant, da sich der Hebelarm des Hydraulikzylinders bzw. dessen Kolbenstange mit dem Schwenkwinkel ändert. Zum anderen ist die Zylinderkraft bei solchen Hydraulikzylindern richtungsabhängig, da die Kolbenfläche und die Kolbenstangenfläche unterschiedlich groß sind. Insofern wurde bereits angedacht, zur Kompensation der unterschiedlichen Stellkräfte den Hydraulikdruck entsprechend zu steuern, was jedoch recht aufwändig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Windkraftanlage sowie einen verbesserten Stellantrieb für den Pitchwinkel des Rotorblatts einer solchen Windkraftanlage zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll ein kompakt bauender, wartungsarmer Stellantrieb für den Pitchwinkel geschaffen werden, der richtungsunabhängig gleich große, konstante Stellmomente erzielen kann, ohne hierfür eine aufwändige Drucksteuerung zu benötigen. Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen Stellantrieb gemäß Anspruch 1 sowie eine Windkraftanlage gemäß Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Es wird also vorgeschlagen, den Stellantrieb in das Großwälzlager zu integrieren und den Kolben des Stellantriebs in das Innere eines der Lagerringe zu verlegen, so dass der Kolben auf einer kreisbogenförmigen Bahn und somit ohne Veränderung des Hebelarms verstellt werden kann. Erfindungsgemäß umfasst der Stellantrieb einen Ringkanalzylinder, der in einem der Lagerringe ausgebildet ist, sowie zumindest einen Kolben, der in dem Ringkanalzylinder verschieblich aufgenommen und mit dem anderen der beiden Lagerringe antriebsverbunden ist. Wird der Kolben in dem Ringkanalzylinder mit Druckmittel beaufschlagt, verfährt der Kolben in dem Ringkanalzylinder des einen Lagerrings und nimmt dabei über die genannte Antriebsverbindung den anderen Lagerring mit, so dass es zu einer Verdrehung der beiden Lagerringe und damit zu einer Verstellung des Pitchwinkels kommt. Dabei bleibt nicht nur der Hebelarm des Kolbens und damit das erzeugte Drehmoment konstant, sondern der Kolben kann auch auf gegenüberliegenden Seiten gleich große Kolbenflächen besitzen, so dass richtungsunabhängig die gleiche Stellkraft und damit das gleiche Verstellmoment erzeugt wird.

Vorteilhafterweise können mehrere Kolben vorgesehen und jeweils in einem Ringkanalzylinder aufgenommen sein, wobei die mehreren Kolben mit dem jeweils anderen Lagerring antriebsverbunden sein können. Durch solche mehreren Kolben können mit relativ kleinen Kolbendurchmessern relativ hohe Stellkräfte erzeugt werden.

Um besonders kompakt zu bauen, können die mehreren Kolben in demselben Ringkanalzylinder bzw. in verschiedenen Sektionen des gemeinsamen Ringkanalzylinders aufgenommen sein. Die Sektionen des Ringkanalzylinders können hierbei durch Trennwandungen voneinander abgetrennt sein, so dass sich der Druck, der den Kolben verschiebt, an den Trennwänden abstützen kann. Alternativ wäre es aber auch möglich, mehrere Ringkanalzylinder in einem oder auch beiden Lagerringen vorzusehen, so dass jeder Kolben oder jede Kolbengruppe ihren eigenen Ringkanalzylinder hat. Im Sinne einer einfachen, kompakten und Platz sparenden Bauweise kann jedoch ein Ringkanalzylinder ausreichend sein, in dem mehreren Kolben laufen können.

Die beiden Lagerringe des Großwälzlagers sind vorteilhafterweise durch zumindest zwei Axialwälzlagerreihen gegeneinander abgestützt, wobei die Axialwälzlagerreihen vorteilhafterweise auf gegenüberliegenden Seiten eines Ringabschnitts bzw. einer Ringnase angeordnet sein können, so dass die beiden Lagerringe gegeneinander in beide Axialrichtungen abgestützt sind, d.h. bei aufrechter Anordnung der Drehachse des Lagers ist der eine Lagerring sowohl nach unten als auch nach oben am anderen Lagerring abgestützt. Der eine Lagerring kann sozusagen zwischen den beiden Axialwälzlagern eingespannt sein.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der zumindest eine Ringkanalzylinder - im Querschnitt des Großwälzlagers betrachtet - zumindest teilweise zwischen den beiden Axialwälzlagerreihen angeordnet sein. Bei aufrechter Anordnung der Lagerdrehachse kann das eine Axiallager oberhalb des Ringkanalzylinders und das andere Axialwälzlager unterhalb des Ringkanalzylinders angeordnet sein. Dabei kann auch eine Querschnittsüberlappung zwischen den Axialwälzlagern einerseits und dem Ringkanalzylinder andererseits vorgesehen sein. Legt man im Querschnitt betrachtet eine Gerade durch den Ringkanalzylinder, die sich parallel zur Lagerdrehachse erstreckt, trifft die besagte Gerade zumindest auf eines der genannten Axiallager.

Andererseits kann zwischen den Axiallagern einerseits und dem Ringkanalzylinder andererseits durchaus ein gewisser Durchmesserversatz sinnvoll sein. Betrachtet man die mittleren Durchmesser der Axialwälzlagerreihen und des Ringkanalzylinders, können diese unterschiedlich groß bemessen sein, beispielsweise dergestalt, dass der mittlere Durchmesser des Ringkanalzylinders etwa dem äußeren Durchmesser der Axialwälzlagerreihen oder dem inneren Durchmesser der Axialwälzlagerreihen entspricht, je nachdem, ob der Ringkanalzylinder im Innenring oder im Außenring vorgesehen ist.

In Weiterbildung der Erfindung kann der Ringkanalzylinder im Außenring ausgebildet sein. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, den Ringkanalzylinder im Innenring vorzusehen.

Die beiden vorgenannten Axialwälzlager können im Wesentlichen denselben Durchmesser besitzen.

Zusätzlich zu den genannten Axialwälzlagern können die beiden Lagerringe vorteilhafterweise auch durch zumindest eine Radialwälzlagerreihe gegeneinander abgestützt sein, wobei die genannte Radialwälzlagerreihe vorteilhafterweise zwischen den beiden Axialwälzlagerreihen angeordnet sein kann.

Insbesondere kann das genannte, zumindest eine Radiallager in einem Durchmesserbereich angeordnet sein, über den sich ein Mitnehmer erstreckt, durch den der zumindest eine Kolben mit dem anderen Lagerring verbunden ist.

Der den Ringkanalzylinder aufweisende Lagerring kann vorteilhafterweise zwei- oder mehrgeteilt ausgebildet sein, wobei der Ringkanalzylinder im Bereich der Teilungsebene bzw. -fläche zwischen den beiden Lagerringteilen ausgebildet sein kann, so dass die Teilungsfläche sozusagen durch den Ringkanalzylinder hindurchgeht. Insbesondere kann der genannte Lagerring in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Großwälzlagers geteilt sein.

Der vorgenannte Mitnehmer kann sich im Wesentlichen radial von dem Ringkanalzylinder ausgehend aus dem Lagerring heraus erstrecken, um mit dem anderen Lagerring antriebsverbunden zu sein. Ist der Ringkanalzylinder im Außenring vorgesehen, kann sich der genannte Mitnehmer radial nach innen zum Innenring hin erstrecken. Um den Ringkanalzylinder abzudichten, können zwischen den beiden Lagerringteilen verschiedene Dichtungen vorgesehen sein. Insbesondere kann auf einer Seite des Ringkanalzylinders eine statische Dichtung vorgesehen sein, während auf einer anderen Seite des Ringkanalzylinders eine oder mehrere Gleitdichtungen vorgesehen sein können, die die Lagerringteile gegen den genannten Mitnehmer abdichten.

Vorteilhafterweise können die genannten Dichtungen axial arbeitend ausgebildet sein, d.h. in axialer Richtung auf sich radial erstreckende Dichtflächen pressen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Frontansicht einer Windkraftanlage, an deren

Rotornabe mehrere Rotorblätter in ihrem Pitchwinkel verstellbar angeordnet sind,

Fig. 2: eine perspektivische Darstellung des Großwälzlagers, mit dem ein

Rotorblatt an der Rotornabe drehbar gelagert ist, und des in die Lagerringe integrierten Stellantriebs zum Verstellen des Pitchwinkels,

Fig. 3: eine ausschnittsweise, perspektivische Darstellung des Stellantriebs aus

Fig. 2, die den Ringkanalzylinder und den darin verschieblichen Kolben in einem der Lagerringe zeigt, und

Fig. 4: eine Schnittansicht des Stellantriebs aus den vorhergehenden Figuren durch die beiden Lagerringe des Großwälzlagers, die die Anordnung der Wälzlagerreihen und des Ringkanalzylinders sowie der Dichtungen zum Abdichten des Ringkanalzylinders zeigt. Die in Fig. 1 gezeigte Windkraftanlage 1 kann in an sich bekannter Weise einen Turm 3 umfassen, auf dem eine Gondel 2 um eine aufrechte Achse drehbar angeordnet ist. In der genannten Gondel 2 können der Generator und andere Anlagenkomponenten aufgenommen sein.

An der Rotornabe sind mehrere Rotorblätter 4 angeordnet, die um ihre Längsachse verdrehbar, d.h. in ihrem Pitchwinkel veränderbar an der genannten Rotornabe gelagert sind.

Die genannten Rotorblätter 4 sind dabei durch ein Großwälzlager an der Rotornabe gelagert, wie es in den Figuren 2-4 dargestellt ist.

Das Großwälzlager 5 umfasst zwei Lagerringe 6 und 7, die konzentrisch zueinander angeordnet und gegeneinander verdrehbar sind.

Der eine Lagerring ist dabei mit dem Rotorblatt 4 fest verbunden, während der andere Lagerring an der Rotornabe befestigt ist.

Wie insbesondere Fig. 4 zeigt, können die beiden Lagerringe 6 und 7 durch mehrere Wälzlagerreihen gegeneinander verdrehbar abgestützt sein. Vorteilhafterweise sind dabei einerseits zwei Axialwälzlagerreihen 8 und 9 vorgesehen, die beispielsweise als Zylinderrollenlager ausgebildet sein können.

Die beiden Axialwälzlagerreihen 8 und 9 stützen die beiden Lagerringe 6 und 7 in gegenläufige Richtungen aneinander ab. Insbesondere kann einer der Lagerringe - beispielsweise der Außenring 7 - eine zum anderen Lagerring 6 hin vorspringende Ringnase 10 aufweisen, die durch die beiden Axialwälzlagerreihen 8 und 9 am anderen Lagerring 6 axial eingespannt bzw. in gegenläufige Richtungen abgestützt ist. Der andere Lagerring 6 kann hierzu eine Ringnut aufweisen, in die die genannte Ringnase 10 eingreift. Ferner können die beiden Lagerringe 6 und 7 durch zumindest eine Radialwälzlagerreihe 11 gegeneinander abgestützt sein, die beispielsweise ebenfalls als Zylinderrollenlager ausgebildet sein kann.

Anstelle der gezeigten einreihigen Wälzlager können auch mehrreihige Wälzlager vorgesehen sein.

Wie Fig. 4 zeigt, kann das Radialwälzlager 11 vorteilhafterweise zwischen den beiden Axialwälzlagern 8 und 9 angeordnet sein, insbesondere im Spalt zwischen der vorgenannten Ringnase 10 und der die Ringnase 10 aufnehmenden Ringnut.

Wie die Figuren 2-4 zeigen, ist einer der Lagerringe, insbesondere der äußere Lagerring 7, mit einem Ringkanalzylinder 12 versehen, der kreisbogenförmig im Inneren des Lagerrings 7 verläuft und einen Druckmittelzylinder bildet, in dem ein oder mehrere Kolben 13, 14 verschieblich aufgenommen sind. Wie die Fig. 3 zeigt, kann der Kolben 13 und 14 ebenfalls leicht kreisbogenförmig gekrümmt sein, um sanft und widerstandslos entlang der kreisbogenförmig gekrümmten Ringkanalzylinderkontur gleiten zu können.

Wie Fig. 4 zeigt, kann der den Ringkanalzylinder 12 aufweisende Lagerring 7 zwei- oder mehrgeteilt ausgebildet sein, wobei sich die Trennebene durch den Ringkanalzylinder 12 hindurch erstrecken kann. Zu dem anderen Lagerring 6 hin ist der Ringkanalzylinder 12 nicht gänzlich geschlossen, sondern es ist ein sich radial erstreckender Spalt vorgesehen, in dem ein Mitnehmer 15 angeordnet ist, der sich von dem Ringkanalzylinder 12 ausgehend aus dem Lagerring 7 heraus zum anderen Lagerring 6 hin erstreckt. Der genannte Mitnehmer 15 kann plattenförmig ausgebildet sein und passgenau in dem Spalt zwischen den beiden Lagerringteilen 7a und 7b sitzen, so dass der Ringkanalzylinder 12 durch den Mitnehmer 15 auch nach innen hin abgedichtet werden kann.

Wie Fig. 4 zeigt, können an den beiden Lagerringteilen 7a und 7b Gleitdichtungen 16 vorgesehen sein, die die Lagerringteile 7a und 7b zu dem genannten Mitnehmer 15 hin abdichten. Auf einer anderen Seite des Ringkanalzylinders 12 kann ferner eine statische Dichtung 17 vorgesehen sein, die den Ringkanalzylinder 12 in der Trennebene der beiden Lagerringteile 7a und 7b abdichtet.

Die genannten Dichtungen 16 und 17 können axial arbeitend ausgebildet sein und ihre Dichtwirkung entfalten, wenn die beiden Lagerringteile 7a und 7b axial gegeneinander gespannt werden, beispielsweise durch entsprechende Spannbolzen.

Wie Fig. 3 zeigt, sitzen in dem Ringkanalzylinder 12 weiterhin Trennkolben 18 bzw. Trennwandungen, die den Ringkanalzylinder 12 in mehrere Ringkanalzylindersektionen unterteilen. Gegen die genannten Trennkolben 18 stützt sich der Druck ab, der zum Verfahren der Kolben 13 und 14 dient.

Vorteilhafterweise können die genannten Trennkolben 18 mit einem Druckmittelzulauf und/oder Druckmittelablauf versehen sein, um Druckmittel in die Sektionen des Ringkanalzylinders einleiten und ableiten zu können.

Wird beispielsweise über den Trennkolben 18, der in der Fig. 3 gezeigt ist, Druckmittel in die rechte Kammer zum Kolben 14 hin zugeführt, verfährt der genannte Kolben 14 im Gegenuhrzeigersinn. Über den Mitnehmer 15 nimmt er dabei den Innenring 6 mit, so dass die beiden Lagerringe 6 und 7 gegeneinander verdreht werden.