Bremse einer Großwindkraftanlage

Die Erfindung betrifft eine Bremse einer Großwindkraftanlage.

Bei Großwindkraftanlagen sind Feststellsysteme für zum Drehen vorgesehene Rotationsteile bekannt, die nach dem Prinzip eines einschiebbaren Blockierriegels arbeiten. Derartige Feststellsystem sind aufgrund der auszuhaltenden Kräfte massiv, voluminös, schwergewichtig und damit auch kostenintensiv.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, diesbezüglich eine Verbesserung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung beruht unter anderem auf dem Erkennen folgender Nachteile bisheriger Lösungen: Bei einer der bisherigen Lösungen für ein sicheres Drehblockieren einer Hauptwelle einer Großwindkraftanlage ist die Hauptwelle mit einer massiven, dicken, beilegscheibenartig ausgebildeten, die Hauptwelle umschließenden Scheibe verbunden, wobei die Scheibe in Um- fangsrichtung verteilt axiale Durchdringungen aufweist. Im Zusammenspiel mit besagter Scheibe ist eine Arretiervorrichtung vorgesehen, mit der ggf. hydraulisch angetrieben ein massiver Riegel in eine der Durchdringungen eingeschoben werden kann, so dass dann die Hauptwelle sicher drehblockiert ist. Um die notwenigen Haltekräfte zu beherrschen, ist die axiale Dicke der Scheibe hinreichend groß. Entsprechendes gilt für den Riegel. Oftmals sind mehrere dieser Riegelmechanismen über den Umfang verteilt notwendig. Schließlich wird üblicherweise die Stellung, in der der oder die Riegel überhaupt in die Durchdringung(en) eingefahren werden können, durch manuelles Steuern eingestellt, so dass das Risiko besteht, dass bei einem nicht exakten Fluchten die Hydraulik die Riegel außerhalb der Durchdringungen gegen die Scheibe drückt, was zu entsprechenden, teilweise schwerwiegenden Schäden führt, beispielsweise auch Schäden der die Hauptwelle lagernden Wälzlagerungen aufgrund der übermäßigen Belastung in axialer Richtung.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden vorgenannte Nachteile vermieden. Die Gefahr von Schäden, infolge vergleichbarer Fehlbetätigung, ähnlich der vorausgehend beschriebenen, ist inhärent ausgeschlossen. Mit weiterem Vorteil kann zu besagter Inhärenz eine Sensorik hinzukommen, die in Verbindung mit einer entsprechenden Steuer- und Kontrolleinheit auch weniger schwerwiegende Fehlbetätigungen sicher unterbindet. Beispielsweise wird ein Betätigen der erfindungsgemäßen Feststellbremse erst erlaubt, wenn ein vollständiger oder annähernder Stillstand der Hauptwelle durch die Sensorik festgestellt worden ist. Weiterhin kann die Verdrehstellung der einzelnen Rotorblätter und/oder die Verdrehposition der Einheit aus den üblicherweise drei Rotorblättern gegenüber dem Turm der Großwindkraftanlage mit einbezogen werden.

Aufgrund der beispielsweise bremsscheibenartigen Funktionsweise der erfindungsgemäßen Lösung kann die Scheibe sehr viel weniger massiv, insbesondere dünner ausgebildet werden, was einen erheblichen Gewichts- und Kostenvorteil bedeutet. Insbesondere bei Ausbildung des Bremsenantriebs als Elektroaktuator kann auf die sonst übliche Hydraulik verzichtet werden. Wird dies insbesondere mit einer selbsthemmenden bzw. selbstblockierenden Aus- bildung des Elektroaktuators kombiniert, entstellt in besonders einfacher Weise ein System, das auch bei einem Energieausfall die Blockierung der Hauptwelle sicher aufrechterhält. Im Falle einer hydraulisch betätigten Bremse kann dies durch eine entsprechend gesicherte Ausbildung des Hydrauliksystems oder durch zusätzliche mechanische Sicherungsmaßnahmen ebenfalls gewährleistet werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze eines Turmhauses einer Windenergieanlage mit einem erfindungsgemäßen Bremssystem und

Figur 2 eine Ausschnittsvergrößerung im Bereich des Bremssystems aus Figur 1.

Die Figur 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze, teilweise in Schnittdarstellung das Innere eines Turmhauses bzw. einer Gondel einer Großwindkraftanlage, insbesondere im Multimegawattbereich mit einem erfindungsgemäßen

Bremssystem. Im Turmhaus befindet sich dabei eine Hauptwelle 10 der Windkraftanlage, an deren linken axialen Ende die Rotorblattnabe 2 mit typischerweise drei verschwenkbare Rotorblättern mit der Hauptwelle 10 verbunden ist. Am rechten axialen Ende der Hauptwelle 10 ist diese über eine Kupplung 4 mit einem Getriebe 6 verbunden, wobei auf der anderen Seite das Getriebe 6 wiederum mit einem Generator 8 zur elektrischen Energieerzeugung verbunden ist. Das Turmhaus ist dabei über ein Turmhauslager 50 drehbar auf einem Turm der Großwindkraftanlage gelagert. Die Hauptwelle 10 ist über zwei Wälzlagerungen drehbar im Turmhaus gelagert. Die linke Wälzlagerung ist dabei als ein Toroidalrollenlager 11 , was auch als CARB-Lager bekannt ist, ausgebildet und die rechte als ein Pendelrollenlager 12. In anderen Ausführungen sind natürlich auch andere Lagertypen möglich, insbesondere ein zweireihiges Kegelrollenlager in O- Anordnung, oder auch Zylinderrollenlager. In wiederum anderen Ausführungsformen kann auch nur eine Wälzlagerung vorhanden sein, wobei dann sozusagen das Getriebe 6 als zweite Lagerstelle fungieren kann.

Damit beispielsweise zum Durchführen von Wartungsarbeiten eine Person den Rotorblattnabenbereich betreten kann und darf, muss unter allen Umständen sichergestellt sein, dass die Hauptwelle 10 keine Dreh- oder Ver- schwenkbewegungen ausführt, da ansonsten Leib und Leben der Wartungsperson im Rotorblattnabenbereich gefährdet wäre. Dazu ist das erfindungsgemäße Bremssystem vorgesehen, das im beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Art einer bremsscheibenbasierten Feststellbremse ausgebildet ist. Das Bremssystem umfasst dabei eine mit der Hauptwelle 10 fest verbundene Bremsscheibe 29 in Verbindung mit einer mit dem Turmhaus fest verbundenen Bremsgrundeinheit 20. Dabei kann je nach Anlagengröße, Dimensionierung und Auslegung lediglich die eine Bremsgrundeinheit 20 vorgesehen sein; es können aber auch mehrere über den Umfang der Bremsscheibe 29 verteilt angeordnete Bremsgrundeinheiten 20 vorgesehen sein.

Die Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch das Bremssystem der Figur 1 im Bereich der Bremsgrundeinheit 20. Beim normalen Betrieb dreht sich die Bremsscheibe 29 mit der Hauptwelle 10 so mit, dass keine oder zumindest keine nennenswerte Berührung mit Teilen der Bremsgrundeinheit 20 sattfin- det. Beispielsweise für Wartungsarbeiten im Rotorblattnabenbereich wird die Hautwelle 10 der Windkraftanlage z.B. durch entsprechende Rotorblattverstellung und/oder eine zwischen dem Getriebe 6 und dem Generator 8 angeordnete Bremse zum Stillstand gebracht. Danach werden die sozusagen als Hydraulikzylinder ausgebildeten Bremsklötze 22 durch entsprechende hydraulische Druckbeaufschlagung über die Hydraulikkanäle 25 in axialer Richtung gegen die Bremsscheibe 29 gedrückt. Die Hydraulikkanäle 25 sind dabei in einem fest mit dem Turmhaus verbundenen Grundkörper 21 der Bremsgrundeinheit 20 ausgebildet.

Ferner sind die Bremsklötze 22 auf ihrer der Bremsscheibe 29 zugewandten Stirnfläche reibbeschichtet, so dass beim Andrücken zwischen den Bremsklötzen 22 und der Bremsscheibe 29 ein Mikroformschluss erzeugt ist. Alternativ kann die Reibbeschichtung anstatt direkt auf die Stirnseiten der Bremsklötze 22 auch auf eine mit den Bremsklötzen 22 verbundene, insbesondere daran angeschraubte Scheibe, aufgebracht sein.

Die Oberflächen, auf die die Reibbeschichtung aufgebracht ist, sind dabei beispielsweise durch ein Zirkularfräsen mit einer gemittelten Rautiefe Rz von 10 μιη oder besser oder auch durch ein Feindrehen mit einer mittleren Rauheit R _a gleich 1,6 μιη oder besser quer zur Bearbeitungsrichtung und R _a gleich 0,7 μιη oder besser längs zur Bearbeitungsrichtung erzeugt. In anderen Ausführungen kann zusätzlich oder alternative natürlich auch geschliffen und/oder gehont werden.

Herstellungstechnisch wird dabei auf der Oberfläche galvanisch eine Unterbe- schichtung aus Nickel mit einer Dicke von beispielsweise ca. 2 bis maximal 5 μιη aufgebracht. Auf diese Unterbeschichtung werden dann die Hartstoffpar- tikel mit einer Mohshärte von größer gleich 7, insbesondere von 10, und einer nach einem Sieben im Mittel im Bereich von 35 bis 48 μηι liegenden Partikelgröße aufgelegt. Insbesondere wird ein Industriediamantenpulver mit der Siebkörnung D46 verwendet. Daran anschließend wird ebenfalls galvanisch eine Oberbeschichtung aus Nickel aufgebracht, so dass die auf der Unterbe- schichtung aufgelegten Partikel wenigstens in ihrem unteren Bereich hin zur Unterbeschichtung von der Oberbeschichtung umschlossen sind, so dass die Partikel quasi einlagig fixiert sind. Insbesondere ist die Dicke der Oberbeschichtung so gewählt, dass in etwa die Hälfte der Partikelgröße in der Oberbeschichtung eingebettet ist. Somit ist eine Reibbeschichtung geschaffen, bei der die Diamantpartikel sicher in der Nickelschicht fixiert sind und im Mittel uniform aus der Nickelfixierschicht herausragen. In vorteilhafter Weise sind damit hohe bis sehr hohe Reibwerte von bis zu μ > 0,65 erzielbar. Beim Andrücken der Bremsklötze 22 an die Bremsscheibe 29 drücken sich die herausragenden Teile der Diamantpartikel besagten Mikroformschluss ausbildend in die Bremsscheibe 29 ein, die gegenüber den Diamantpartikeln aus einem weicheren Material, insbesondere einem Stahl oder Kugelgraphitguss, ausgebildet ist. Für den Formschluss ist es dabei wichtig, dass mit dem Andrücken die notwendige Flächenpressung, insbesondere im Bereich von 80 bis 180 MPa, aufgebracht wird.

Damit auch im Falle eines Hydraulikdruckverlustes die Hauptwelle 10 sicher fixiert bleibt, sind im angedrückten Zustand Fixierungsbolzen 27 einschraubbar, die die Bremsposition der Bremsklötze 22 auch bei einem Hydraulikdruckabfall aufrechterhalten. Ein vergleichbarer Wirkeffekt kann alternative auch mit einem entsprechend gesichert ausgebildeten Hydrauliksystem erzielt werden. In nicht näher dargestellter Art und Weise kommt mit Vorteil eine Sensorik hinzu, die in Verbindung mit einer entsprechenden Steuer- und Kontrolleinheit unter anderem Fehlbetätigungen des Bremssystems sicher unterbindet. Dabei wird ein Betätigen der erfindungsgemäßen Feststellbremse erst erlaubt, wenn ein vollständiger oder annähernder Stillstand der Hauptwelle 10 durch die Sensorik festgestellt worden ist. Weiterhin kann die Verdrehstellung der einzelnen Rotorblätter und/oder die Verdrehposition der Einheit aus den drei Rotorblättern gegenüber dem Turm der Großwindkraftanlage und/oder ein Überwachen der Klemmkraft der Bremse mit einbezogen sein. Die Steuer- und Kontrolleinheit kann in diesem Zusammenhang natürlich auch derart ausgebildet sein, dass das Steuern, Regeln und Überwachen auch aus der Ferne erfolgen kann, was beispielsweise mit Vorteil ein Betätigung der Bremse über eine Fernwartung ermöglicht.

Anstelle der hydraulischen Betätigung kann auch elektroaktuatorisch betätigt werden. Dabei kann auf die sonst übliche Hydraulik verzichtet werden. Sind dabei insbesondere Elektroaktuatoren in selbsthemmender bzw. selbstblockierender Ausbildung, beispielsweise einen Rollengewindetrieb verwendend, eingesetzt, entsteht in besonders einfacher Weise ein System, dass auch bei einem Energieausfall die Blockierung der Hauptwelle aufrechterhält.

In einer anderen Ausführung kann das erfindungsgemäße Bremssystem auch trommelbremsenartig ausgebildet sein, indem anstelle der Bremsklötze 22 und der Bremsscheibe 29 wenigstens ein entsprechend geformter Bremsbacken radial gegen einen dazu speziell ausbildeten zylindrischen Bereich der Hauptwelle oder gegen einen die Hauptwelle umschließenden, mit ihr fest verbundenen Hohlzylinder zum Drücken vorgesehen ist. In wiederum anderen Ausführung kann ergänzend oder alternativ natürlich auch das Turmhauslager 50 mit einem erfindungsgemäßen Bremssystem ausgerüstet sein.