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Title:
ELASTIC ROTARY BEARING FOR TWO-BLADE ROTORS OF WIND TURBINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2024/022609
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an elastic rotary bearing for two-blade rotors that are used in wind turbines with high load cycles. The invention especially relates to a new rotor hub for especially elastically borne two-blade rotors of wind turbines into which an elastic rotary bearing is integrated which in turn is composed of two rotary bearing units of layer elements and conical elements.

Inventors:
MITSCH FRANZ (DE)
Application Number:
PCT/EP2023/025345
Publication Date:
February 01, 2024
Filing Date:
July 21, 2023
Export Citation:
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Assignee:
FM ENERGIE GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
F03D1/06; F03D80/70; F16F1/41
Domestic Patent References:
WO2012076892A12012-06-14
WO2010054808A12010-05-20
Foreign References:
US20140226926A12014-08-14
US20200025175A12020-01-23
US20150226186A12015-08-13
Attorney, Agent or Firm:
BENZ, Jürgen (DE)
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Claims:
Patentansprüche:

1. Drehlagerung für hohe Lastzyklen als integraler Bestandteil einer Rotornabe für einen elastisch gelagerten Zweiblattrotor einer Windkraftanlage, welcher bei gleichzeitig hoher

5 axialer und radialer Krafteinwirkung befähigt ist, eine Pendelbewegung des Rotors um einen Drehwinkel von mindestens 3° durchzuführen, umfassend ein erstes inneres Bauteil (3), welches mit der Rotorwelle (1) und damit mit der drehenden Struktur Windkraftanlage fest verbunden ist, und ein zweites äußeres bewegliches Bauteil (2), welches Anschlussbereiche (7) für zwei gegenüberliegende Rotorblätter (7a, 7b) aufweist,

10 wobei das erste starrverbundene innere Bauteil (3), und das zweite bewegliche äußere Bauteil (2) über Drehgelenkeinheiten (5) so mit einander verbunden sind, dass die mit der Rotornabe verbundenen Rotorblätter (7a, 7b) bei Krafteinwirkung in Richtung der Struktur der Windkraftanlage oder von ihr weg reversibel bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass

(i) mindestens zwei Drehgelenkeinheiten (5) gegenüberliegend angeordnet und miteinander fest verbunden sind und jede Drehgelenkeinheit im Wesentlichen aufgebaut ist aus

(a) mindestens einer jeweils mehrere elastische Schichten (18) umfassenden Konus-Buchse (5.1) zur Aufnahme von vorwiegend radial zur Konus-Achse wirkenden Kräften, welche einen Konus-Winkel (5.1.4) aufweist, der so gewählt ist, dass die im Betrieb auftretende Torsionsbelastung minimiert wird, wobei die mindestens eine Konus- Buchse (5.1) der ersten Drehgelenkeinheit (5) über eine bolzenartige Verbindung (6) mit der mindestens einen Konus-Buchse (5.1) der zweiten Drehgelenkeinheit (5) fest verbunden ist, sowie

25 (b) mindestens einer elastischen Schichtfeder (5.2), welche so angeordnet ist, dass sie eine gemeinsame Achse mit der mindestens einen Konus-Buchse aufweist und jene axial wirkenden Kräfte aufnimmt, welche von der Konus-Buchse nicht aufgenommen werden können,

(ii) das erste innere, Bauteil (3), welches fest mit der Rotorwelle (1) verbunden ist, an zwei gegenüberliegenden Seiten mit der innersten Schicht der Konus-Buchse (5.1) jeweils einer Drehgelenkeinheit (5) fest verbunden ist, wobei die Konus-Achsen senkrecht zur Achse der Rotorwelle (1) angeordnet sind, und

(iii) das zweite äußere, bewegliche Bauteil (2) mit der äußersten Schicht der mindestens einen-Konus-Buchse (5.1) jeweils einer Drehgelenkeinheit (5) fest verbunden

35 ist, so dass unter Krafteinwirkung eine reversible torsionale Verformung der einzelnen elastischen Schichten (18) der Konus-Buchsen (5.1) sowie ggf. eine torsionale

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 Verformung der jeweiligen Schichtfedern (5.2) erfolgt, wodurch die besagten Pendelbewegung des Zwei-Blatt-Rotors ermöglicht wird.

2. Drehlagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Konus-Winkel (5.1.4) der jeweiligen Konus-Buchsen (5) kleiner als 20°, insbesondere kleiner als 15°, vorzugsweise 8 - 12° beträgt.

3. Drehlagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Konus-Buchse (5.1) sechs bis zehn Schichten (18), insbesondere acht Schichten, aufweist, welche durch unelastische Elemente voneinander getrennt sind.

4. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine axial wirkende elastische Schichtfeder (5.2) aus 3 - 8 elastischen Schichten aufgebaut ist, welche durch unelastische Elemente voneinander getrennt sind.

5. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastische axiale Schichtfeder (5.2) ein flaches Sandwichelement (5.2.1) ist, welches eine bauliche Einheit mit einer radial wirksamen Konus-Buchse (5.1) einer Drehgelenkeinheit (5) bildet.

6. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elastische axiale Schichtfeder (5.2) durch mindestens ein axial wirksames Halbkugelelement (5.2.2) gebildet wird.

7. Drehlagerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei axial mit dem Abstand (9.1) gegenüberliegende Halbkugelelemente (5.2.2) zusammen mit der jeweilig radial wirksamen Konus-Buchse (5.1) eine Drehgelenkeinheit (5) bilden, wobei die Halbkugelelemente vorzugsweise durch einen entsprechend geformten festen Kern (9.2) miteinander verbunden sind.

8. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste innere, starre Bauteil (3) über die im Bereich der Konus-Buchsen (5.1) entsprechend geformte bolzenartige Verbindungen (6) mit der innersten Schicht der besagten Konus- Buchsen der besagten Drehgelenkeinheiten (5) verbunden ist.

9. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Konus-Buchsen (5.1) abnehmbar und austauschbar sind.

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023

10. Drehlagerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konus-Buchsen (5.1) in ihrem Inneren entsprechend geformte lose Kegelelemente (5.1.5) aufweisen, welche Einrichtungen zur Führung (5.1.6) und Verspannung (5.1.7) besitzen.

11. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren elastischen Schichten (18) der Konus-Buchse (5.1) eine kleinere Shore-Härte aufweisen als die inneren elastischen Schichten (18).

12. Drehlagerung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Shore-Härte der Schichten (18) von außen nach innen pro Schicht um 2 - 5% zunimmt.

13. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren elastischen Schichten (18) der Konus-Buchse (5.1) eine größere Dicke aufweisen als die inneren elastischen Schichten (18).

14. Drehlagerung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass, die Dicke der Schichten (18) von innen nach außen pro Schicht um 5 - 10% abnimmt.

15. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Schichten (18) der Konus-Buchse (5.1) kürzer sind als die inneren Schichten.

16. Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgelenkeinheiten (5) Anschlagelemente (4) aufweisen, welche so gestaltet und angeordnet sind, dass sie die Pendel-Bewegung der Rotorblätter (7a, 7b) begrenzen.

17. Rotornabe für einen Zwei-Blatt-Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Drehlagerung nach einem der Ansprüche 1 - 16 aufweist.

18. Windkraftanlage umfassend im Wesentlichen einen Turm, einen Generator und einen zu Pendel-Bewegungen befähigten Zwei-Blatt-Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwei-Blatt-Rotor eine Rotornabe gemäß Anspruch 17 aufweist.

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023

Description:
Elastische Drehlagerung für Zwei-Blattrotoren von Windkraftanlagen

Die Erfindung betrifft eine elastische Drehlagerung für Zweiblattrotoren, welche für hohe Lastzyklen geeignet sind und in Windkraftanlagen zur Anwendung kommen.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine neuartige Rotornabe für elastisch gelagerte

5 Zweiblatt-Rotoren von Windkraftanlagen, in welche eine elastische Drehlagerung für den Rotor integriert ist.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine entsprechende Rotornabe, welche so aufgebaut ist, dass ein drehelastisches Element und ein axial-elastisches Element auf kleinem Raum so angeordnet sind, dass bei gleichzeitig hoher axialer und radialer Krafteinwirkung auf die

10 Rotorblätter im Betrieb eine reversible Pendelbewegung derselbigen in Richtung der Struktur der Windkraftanlage stattfinden kann.

Die meisten derzeitig verbauten und errichteten Windkraftanlagen haben drei in einer Ebene gleichmäßig verteilte Rotorblätter, so dass bei jeder Umdrehung eine weithegend einheitliche Belastung auftritt.

15 Zweiblatt-Rotoren sind hingegen eher noch die Ausnahme, da sie größere Wechsellasten erzeugen.

Insbesondere bei der im Offshore Anwendung haben Zweiblatt-Rotoren jedoch folgende Vorteile:

• Geringere Kosten, da weniger Rotorblätter;

20 • einfacher Transport, da mehrere Rotoren parallel auf dem Transportschiff gelagert werden können, während ein Dreiblatt-Rotor im montierten Zustand eine extreme Fläche beansprucht. Daher müssen die Rotorblätter einzelnen montiert werden, was einen erheblichen Zeitaufwand bedeutet;

• einfache Montage, da der fertig montierte Rotor wie ein horizontal liegender „Balken“ hochgehoben werden kann.

Ein großer Nachteil von Zweiblattrotoren ist hingegen die ungleichmäßige Belastung während jeder Umdrehung des Rotors.

Bei senkrecht befindlichen Rotorblättern führen vertikale Scherwinde zu einer Nick Bewegung, während horizontale Scherwinde keinen oder nur einen geringen Einfluss haben.

30 Bei horizontal befindlichen Rotorblättern führen horizontal unterschiedliche Schwerwinde zu Belastungen in Gier Richtung. Gleichzeitig ändert sich das Massenträgheitsmoment des Rotors und damit der gesamten Anlage permanent während jeder Umdrehung.

Diese ständigen Last- und Trägheits-Wechsel bringen erhebliche Lasten in alle, dem Rotor folgenden Elemente, wie Rotornabe, Rotorwelle, Rotorlager, Getriebe, Generator und Turm.

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 Auch führt der Einfluss des Turmschattens zu größeren Belastungen, als es beim Dreiblatt Rotor der Fall ist.

Um diese Belastungen zu verhindern, ist es sinnvoll den Rotor pendelnd zu lagern, sodass dieser Nick- und Gier-Kräfte nicht mehr überträgt. Somit sollen idealerweise nur noch die

5 gewünschten Torsionskräfte zum Antrieb des Generators übertragen werden.

Dazu wurde bislang der Einsatz von kreisförmigen elastischen Lagerelementen vorgeschlagen, welche eine Pendelbewegung des Rotors ermöglichen.

Ein bekanntes Beispiel wurde in der MOD-2 Zweiblatt-Windkraftanlage realisiert (Solar Energy Research Institute, 1980, SERI/ SP 738-728): Das kreisförmige Schichtelement ist dabei so angeordnet, dass es im Wesentlichen nur radiale Kräfte aufnimmt. Um die radialen Lasten zu übertragen benötigt dieses kreisförmig angeordnete Elemente jedoch einen großen Durchmesser, welcher mit zunehmender Anlagengröße aufgrund höherer Lasten und Gewichte ansteigt. Die in den elastomeren Schichten auftretenden Schubbewegungen vergrößern sich bei gleicher Winkelbewegung auf den erforderlichen größeren

15 Durchmessern, so dass diese nicht mehr mit vertretbarem Aufwand von den Elastomerelementen aufgenommen werden können. Aus der zitierten Beschreibung und den diesbezüglichen Abbildungen ist nicht eindeutig zu entnehmen, ob das besagte elastische Schichtelement der MOD-2 Anlage so ausgelegt ist, dass es auch größere axiale Kräfte übertragen kann. Überdies scheinen die kreisförmigen Schichtelement großen Durchmesser

20 zu besitzen, benötigen also einen erheblichen Platzbedarf innerhalb der Rotornabe.

Die WO 2012/076892 offenbart ein im Aufbau nicht näher beschriebenes Wipp-Lager für Rotoren von Windkraftanlagen unter Verwendung von zylindrischen und konusförmigen elastischen Anschlagelementen. Das Wipp-Lager ermöglicht einen Wipp-Winkel von +20° bis -20° und ist so angeordnet, dass axiale Kräfte nur geringfügig übertragen werden können.

Elastische Lager, die radiale wie axiale Kräfte aufnehmen können, sind im Stand der Technik ebenfalls bekannt, jedoch für andere technische Aufgaben. So beschreibt beispielsweise die WO 2010/054808 ein Maschinen- oder Getriebelager, welches eine Kombination eines elastischen Sandwichlagers mit einem elastischen Konuslager darstellt, wobei eine Vielzahl solcher Lager eine umlaufende elastische Verbindung beispielsweise zwischen Rotorwelle

30 und Maschinenträger einer Windkraftanlage herstellen. Die eingesetzten Konus-Elemente sind relativ flach gestaltet, weisen also einen breiteren Kegelwinkel bis zu 50° auf, da sie auch hohe axiale Kräfte übertragen müssen. Die Konusse und die Sandwich-Elemente-sind dabei so angebracht, dass sie entsprechend der zu lösenden Aufgabe, keine Torsionskräfte

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 übertragen können, und somit auch keine Drehwinkel, wie beispielsweise Pendelbewegungen des Rotors.

Somit besteht die Aufgabe, ein elastisches Lager für einen Zweiblatt-Rotor zur Verfügung zu stellen, welches eine reversible Torsionsbewegung und einen Drehwinkel der Rotorblätter auf

5 möglichst kleinem Durchmesser, bzw. unter Beanspruchung eines möglichst kleinen Platzbedarfs innerhalb einer Rotornabe zulässt, und dabei in der Lage ist, radiale wie auch axiale Lasten aufzunehmen, um die vom Durchmesser und Drehwinkel abhängigen Verformungen möglichst gering zu halten. Die Gewichtslast von 100 - 3001 schweren Zweiblattrotors verursacht bei jeder Umdrehung des Rotors eine Wechsellast in axialer

10 Richtung des Lagers. Insbesondere offshore Anlagen müssen über die gesamte Lebensdauer von mindestens 30Jahren wartungsfrei sein. Da die benötigten axialen Lastzyklen während der Lebensdauer mit ca.1,5 10 8 Zyklen für Elastomerbauteile sehr hoch sind, dürfen in axialer Richtung nur geringe Verformungen im Elastomer auftreten. Diese können durch ein für eine optimale Drehverformung optimiertes Konuslager nicht übertragen werden.

Gleichermaßen macht der Rotor eine ständige Pendelbewegung um die Nick- und Gier- Lasten auszugleichen, so dass auch hier die Torsionslasten mit sehr großen Zyklen auftreten. Dadurch muss das Konuslager für große Lastzyklen ausgelegt werden, Das erfordert möglichst kleine Durchmesser und einen kleinen Kegelwinkel, was zur Übertragung der

20 axialen Kräfte ungeeignet wäre. Zur Übertragung der axialen Kräfte bei kleinen Elastomer- Verformungen müsste der Durchmesser und der Konuswinkel groß sein, was wiederum schlecht für die hohen Torsionslasten wäre.

Die Aufgabe wurde durch die Drehlagerung, bzw. die Rotornabe wie unten und in den Ansprüchen detailliert beschrieben gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine elastische Drehlagerung für eine Rotornabe mit hohen Lastzyklen für einen elastisch gelagerten Zwei-Blatt-Rotor einer Windkraftanlage, bzw. eine Rotornabe mit einer elastischen Drehlagerung, wobei der Rotor befähigt ist, bei gleichzeitig hoher axialer und radialer Krafteinwirkung eine Pendelbewegung um einen Drehwinkel von mindestens 3° durchzuführen.

30 Die erfindungsgemäße Drehlagerung als Bestandteil einer neuartigen Rotornabe umfasst ein erstes inneres Bauteil, welches mit der Rotorwelle und damit mit der Struktur der Windkraftanlage fest verbunden ist, und ein zweites äußeres bewegliches Bauteil, welches Anschlussbereiche für zwei gegenüberliegende Rotorblätter aufweist, wobei das erste

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 festverbundene innere Bauteil und das zweite bewegliche äußere Bauteil über jeweils zwei gegenüberliegenden, zur Aufnahme von Torsionskräften befähigte Drehgelenkeinheiten so mit einander verbunden sind, dass die mit der Rotornabe verbundenen Rotorblätter bei Krafteinwirkung in Richtung der drehenden Struktur der Windkraftanlage oder von ihr weg

5 reversibel bewegbar sind.

Erfindungsgemäß umfasst eine Rotornabe zwei erfindungsgemäße Drehgelenkeinheiten, welche innerhalb der Rotornabe gegenüber angeordnet und miteinander fest verbunden sind. Jede der beiden Drehgelenkeinheiten ist im Wesentlichen aufgebaut aus :

(a) mindestens einer jeweils mehrere, vorzugsweise sechs bis zehn elastische

10 Schichten umfassenden Konus-Buchse zur Aufnahme von vorwiegend radial zur Konus- Achse wirkenden Kräften, welche aufgrund eines geringen verfügbaren Platzbedarfs einen möglichst kleinen Konus-Winkel, beispielsweise von nicht mehr als 15° vorzugsweise von kleiner 10°, aufweist, sowie

(b) mindestens einer, vorzugsweise zwei, vorzugsweise aus vier bis acht Schichten bestehenden elastischen Schichtfeder, welche so angeordnet ist, dass sie eine gemeinsame Achse mit der Konus-Buchse aufweist und jene axial wirkenden Kräfte aufnimmt, welche von der Konus-Buchse nicht aufgenommen werden können.

Sowohl bei den Konus-Elementen als auch den Schichtfeder-Elementen sind die elastischen Schichten durch unelastische, feste Schichten, beispielsweise Bleche, miteinander

20 verbunden.

Um das erste innere Bauteil in das zweite äußere bewegliche Bauteil einbauen zu können, müssen die äußeren Abmessungen des inneren Bauteiles klein gehalten werden. Dazu können in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform die Konus- Buchsen demontierbar gestaltet werden. Biegemomente werden dabei mittels einer zentralen- oder mehreren Kreisförmig angeordneten Schrauben übertragen. Die radiale Kraftübertragung erfolgt durch eine ringförmige lösbare Führung (Rezess-Element) sowie entsprechend geformten Kegelelementen.

Die erfindungsgemäßen Gelenkeinheiten sind so gestaltet, dass

- das erste innere, feste Bauteil, beispielsweise in Form einer Trägerplatte vorliegt, welche an

30 zwei gegenüberliegenden Seiten mit der innersten Schicht der jeweiligen Konus-Buchse fest verbunden ist, wobei die Konus-Achsen senkrecht zur Achse der Rotorwelle angeordnet ist, und

- das zweite äußere, bewegliche Bauteil mit der äußersten Schicht der jeweiligen Konus- Buchse fest verbunden ist, so dass unter Krafteinwirkung eine reversible torsionale

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 Verformung der einzelnen elastischen Schichten der Konus-Buchse sowie ggf. eine axiale / radiale Verformung der jeweiligen Schichtfeder erfolgt. Dadurch wird die besagte Pendelbewegung des Zweiblatt-Rotors ermöglicht.

Die Rotornabe mit der erfindungsgemäßen Drehlagerung weist in der Regel zwei

5 Drehgelenkeinheiten auf, die sich gegenüber liegen. Die beiden Konuselemente sowie die beiden Schichtfeder-Elemente sind vorzugsweise längs ein und derselben Achse angeordnet, wobei zu jedem der beiden Konuselemente mindestens ein Schichtfeder-Element gehört, mit dem es eine bauliche Einheit bildet. Diese Konus-Schichtfeder-Einheiten sind vorzugsweise über Verbindungselemente, beispielsweise Bolzen oder endständig entsprechend der Konus-

10 Buchsen geformte Zapfen, fest mit dem starren nicht beweglichen Bauteil, beispielsweise eine Trägerplatte, verbunden. Dabei sind beiden gegenüberliegenden Konus-Buchsen so stark gegeneinander verspannt, dass auch bei einer Wechselbelastung durch das Rotorgewicht des Zweiblatt-Rotors in jedem Zustand eine Restvorspannung erhalten bleibt.

Die Schichtfedern, welche hauptsächlich die axialen Kräfte übertragen sollen, können erfindungsgemäß als flache Sandwichelemente oder als Halbkugelelemente ausgebildet sein. In radialer Richtung ist die flache Schichtfeder sehr weich, so dass keine nennenswerten radialen Lasten übertragen werden. Diese werden gänzlich von der radial deutlich steiferen Konus-Buchse aufgenommen. Somit kann der Konus-Winkel, oben und im Folgenden definiert als halber Kegel- Winkel, und damit auch die Torsionsbewegung in den Elastomer-

20 Elementen klein gehalten werden, insbesondere zwischen 5 und 15°.

Halbkugelelemente hingegen sind nicht ganz so weich und können im gewissen Umfang auch axiale Kräfte übertragen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein flaches Sandwichelement der Konus-Schichtfeder-Einheit durch zwei gegenüberliegende, vorzugsweise miteinander verbundene Halbkugelelemente ersetzt. Diese sind in axialer Richtung sehr steif und haben einen kleinen Durchmesser, so dass ein großer Drehwinkel mit wenigen Schichten möglich ist. Die radiale Verschiebung wird somit durch die kardanische Verformung der beiden mit einem Drehpunkt-Abstand voneinander entfernten Halbkugelelemente möglich.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass man die erfindungsgemäße Drehlagerung in

30 ihrer Effektivität in Bezug auf radiale und torsionale Verformung optimieren kann, wenn man Schichtdicken, Schichtlängen, und Steifigkeiten, bzw. Shore-Härten des Materials gezielt verändert.

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 Somit ist Gegenstand der Erfindung eine entsprechende Drehlagerung für einen Zweiblatt- Rotor, bei welcher die äußeren elastischen Schichten der Konus-Buchse eine kleinere Shore- Härte aufweisen als die inneren elastischen Schichten. Vorzugsweise nimmt die Shore-Härte von Schicht zu Schicht von außen nach innen kontinuierlich zu, beispielsweise pro Schicht

5 um 2 - 5%.

Ferner sind solche Drehlagerungen besonders vorteilhaft, bei denen die inneren elastischen Schichten der Konus-Buchse eine größere Dicke aufweisen als die äußeren elastischen Schichten. Vorzugsweise nimmt die Dicke der Schichten von innen nach außen kontinuierlich ab, beispielsweise pro Schicht um 5 - 10%.

10 Weiterhin hat sich gezeigt, dass es auch im Sinne der beengten Platzverhältnisse innerhalb der Rotornabe vorteilhaft ist, wenn die äußeren Schichten der Konus-Buchsen kürzer sind als die inneren Schichten, wobei eine Verkürzung der drei vier äußeren Schichten ausreichend ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind so die äußeren Schichten der Konus-Buchsen kürzer als die inneren und weisen eine geringere Steifigkeit, bzw. Shore-Härte auf als die inneren längeren Schichten mit höherer Steifigkeit.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die äußeren Schichten der Konus- Buchsen kürzer und weisen eine geringere Dicke auf als die inneren Schichten.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kombiniert kürzere, dünnere und weichere

20 äußere Schichten mit längeren, dickeren und härteren inneren elastischen Schichten der Konus-Buchsen. Eine solche Konus-Buchse ist bezüglich ihrer radialen und torsionalen Verformung bei Krafteinwirkung auf die erfindungsgemäße Drehlagerung optimiert.

Die erfindungsgemäße Drehlagerung ist so ausgelegt, dass zumindest bei starken Pendelbewegungen der bewegliche Teil der Rotornabe an den fixierten Teil anschlagen kann. Um Schäden und unerwünschte Rückschlageffekte zu vermeiden, ist es günstig, erfindungsgemäß Anschlagvorrichtungen, beispielsweise in Form von elastischen Dämpfern vorzusehen.

Dies ist für den Fall sinnvoll, dass der Drehwinkel durch äußere Einflüsse wie extreme Windböen oder auch Regelungs-Fehler zu groß wird (z.B. > 4°). Die Anschläge können

30 beispielsweise zwischen dem fixierten und den beweglichen Bauteilen der Drehlagerung, bzw. der Rotornabe angeordnet sein. Im Falle zu großer Winkel haben die Anschläge dann die Aufgabe, Stöße sanft abzufangen. Dazu können beispielsweise Hydraulik-Dämpfer Zylinder des Standes der Technik verwendet werden.

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 Die beschriebenen erfindungsgemäßen Drehlagerungen als integraler Bestandteil von Rotornaben von Zweiblatt-Rotoren erlauben selbst bei hohen auftretenden axialen wie radialen Lasten am Zwei-Blatt-Rotor eine reversible Pendelbewegung desselbigen in Richtung der Struktur, bzw. des Turms der Windkraftanlage mit einem Drehwinkel von 3 - 5°.

5 Diese Lagerung, die in der Rotornabe selbst angebracht ist, benötigt dabei nur einen geringen Platzbedarf, da der Konuswinkel klein gehalten werden kann. Überdies erfahren die Elastomerschichten aufgrund des kleinen Durchmessers der Konus-Buchse eine geringe Torsionsbewegung, wodurch eine hohe Torsions-Zyklenzahl bereits mit relative wenigen elastischen Schichten ermöglicht wird.

10 Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein typische Rotornabe gemäß der Erfindung in perspektivischer Sicht. Eine Rotorwelle (1) ist mit einem festen Bauteil, im gezeigten Beispiel in Form einer Trägerplatte (3), fest verbunden. Die Trägerplatte (3) rotiert also mit der Rotorwelle. Die Trägerplatte (3) ist mit zwei gegenüberliegenden Gelenk-Einheiten (5) (gezeigt ist nur eine) verbunden. Ferner sind die Gelenk-Einheiten mit einem gegenüber der Rotor-Achse beweglichen Bauteil (2) verbunden, welches so gestaltet ist, dass es in seinem Inneren die Trägerplatte (3) sowie das Endstück der Rotorwelle aufnimmt. Das Bauteil (2), welches die äußere Form der Rotornabe bildet, ist beweglich an den Gelenk-Einheiten (5) befestigt und führt bei Krafteinwirkung auf die Rotorblätter die gewünschten Drehbewegungen in Richtung

20 der Struktur der Windkraftanlage aus. Die Rotorblätter des Zweiblatt-Rotors (nicht gezeigt) sind an den Anschlussstücken (7) des beweglichen Bauteils (2) angebracht. Das nur um die Drehachse bewegliche Bauteil (2) mit den beiden Rotorblättern ist gegenüber dem festen Bauteil (3) in seinem Inneren durch elastische Anschlagvorrichtungen (4) in seiner Bewegung begrenzt.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Drehlagerung, bzw. Rotornabe artag analog Fig. 1 mit mehr Einzelheiten in einer Seitenansicht (a) und einer erneuten perspektivischen Sicht (b). Fig. 2 zeigt insbesondere die Anordnung und Gestaltung der beiden gegenüberliegenden Gelenk-Einheiten (5) an der Trägerplatte (3). Jede Gelenk-Einheit (5) besteht aus einer Konus-Buchse (5.1) und einem Schichtfeder-Element (5.2). Die Konus-Buchsen (5.1) sind so

30 angeordnet, dass ihre breite Basis jeweils nach innen und ihre schmale Basis nach außen weisen, wobei die Konus-Achse identisch mit der Längsachse der Trägerplatte (3) ist. Ein hier planes Schichtfeder-Element (5.2) ist jeweils nach außen oberhalb der schmalen Konus- Basis angeordnet, und kann so die axialen Kräfte aufnehmen und übertragen. Die Verbindung zwischen Trägerplatte (3) und Gelenk-Elementen (5.1 )(5.2) erfolgt über

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 entsprechend der Konus-Form folgend, geformte Zapfen oder Bolzen (6), welche in Verlängerung der Trägerplatte (3) angebracht sind. Die Zapfen (6) der fixierten Trägerplatte (3) sind mit der Innenfläche der Konus-Buchse (5.1) verbunden, während die Außenfläche der Konus-Buchse mit dem beweglichen Teil (2) verbunden sind, so dass durch reversible

5 torsionale Verformung der elastischen Konus-Buchsen eine Drehung der Bauteile (2) und (3) gegeneinander, und somit der Rotorblätter gegenüber der Struktur, möglich gemacht wird. Zwischen den Bauteilen (2) und (3) sind Anschlagvorrichtungen (4) vorgesehen, welche die eindimensionale Bewegung der am Bauteil (2) angebrachten Rotorblätter (nicht gezeigt) begrenzen.

10 Fig. 3 (a) zeigt eine perspektivische Sicht einer Rotorwelle (1) mit der fest verbundenen Trägerplatte (3). Die Trägerplatte (3) ist wiederum mit den beiden Gelenk-Einheiten (5) verbunden, und zwar in der Weise, dass jeweils die innere elastische Konus-Fläche über die bei Fig. 2 dargestellten Verbindungszapfen (6) (hier nicht gezeigt) verbunden ist. Aus Gründen der bessren Übersicht, ist das bewegliche Teil (2), welches mit der jeweiligen äußeren Konus-Fläche der beiden Konus-Buchsen (5.1) verbunden ist nicht dargestellt. Die Abbildung zeigt weiterhin drei von vier Paaren von Anschlagvorrichtungen (4) für das bewegliche Teil (2) und deren Anordnung an der Trägerplatte (3).

Fig. 3b zeigt eine Draufsicht der Trägerplatte (3) mit zwei gegenüberliegenden erfindungsgemäßen Gelenk-Einheiten (5) und deren Befestigung, wobei wiederum das bewegliche Bauteil (2) der Übersicht halber weggelassen wurde.

Fig. 4 zeigt eine detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Gelenk-Einheit (5) in perspektiver Sicht (a) und als Seitenansicht (b)(c).

Ein vielschichtiges Konuselement (5.1) mit einem Konus-Winkel (5.1.4) umschließt fest mit seiner Innenfläche einen in diesem Bereich entsprechend geformten Zapfen oder Bolzen (6),

25 welcher wiederum mit der unterhalb gezeigten Trägerplatte (3) fest verbunden ist.

Alternativ kann, wie in Fig. 4 (c) gezeigt, die Konus-Buchse auch über ein entsprechend geformtes abnehmbares Kegelelement (5.1.5) mit dem Zapfen (6) mittels einer Spannschraube (5.1.7) fest aber lösbar verbunden sein, wodurch ein leichtes Auswechseln der Buchse und des Zapfens ermöglicht wird. Das abnehmbare Kegelelement (5.1.5) ruht dabei in einer kreisförmigen Führung (Rezess) (5.1.6).

Oberhalb der Konus-Buchse ist ein Schichtfeder-Element (5.2) als vielschichtiges Sandwich- Element (5.2.1) so angeordnet, dass die Achsen der beiden Bauteile identisch sind. Das axial wirksame Schichtfeder-Element (5.2) sowie die Konus-Buchse (5.1) sind von einem Gehäuse (5.3) umgeben. Das Gehäuse (5.3) ist einerseits nach innen mit der Außenfläche der Konus-

35 Buchse (5.1) und andrerseits nach außen mit dem beweglichen Bauteil (2) fest verbunden.

Received at EPO via Web-Form on Jul 21, 2023 Somit kann am Konus eine elastische Torsions-/Drehbewegung des beweglichen Teils (2) gegenüber dem festen Teil (3) bei Krafteinwirkung stattfinden, was gleichbedeutend ist mit einer Drehbewegung des Zweiblatt-Rotors gegenüber der Achse der Rotorwelle in Richtung der drehenden Struktur der Windkraftanlage. Fig. 4 zeigt ferner die für eine optimale Wirkung

5 weitere wesentlichen geometrischen Maße (5.1.1)(5.1 ,2)(5.1.3) der verwendeten Konus- Buchsen.

Fig. 5 (a)(b) zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 4 ist das flache Sandwich-Element (5.2) ersetzt durch zwei in axialer Richtung gegenüberliegenden Halbkugel-Schalen (5.2.2), die über einen

10 entsprechend geformten Kern oder Bolzen (9.2) miteinander verbunden sind. Der Abstand der Halbkugel-Drehpunkte ist durch die Position (9.1) angegeben.

Diese Anordnung erlaubt eine zusätzliche axiale wie radiale Verschiebung der elastischen Komponenten.

Fig. 6. zeigt im Detail eine Konus-Buchse (5.1) als Bestandteil der erfindungsgemäßen Drehlagerung in Seitenansicht wie sie in einer optimierten Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz kommt. Die Konus-Buchse besteht aus acht elastischen Schichten (18) ( a - h), welche durch fest verbundene Bleche voneinander getrennt sind. Prinzipiell sind auch Buchsen mit 6 - 10 Schichten geeignet. Die Dicke jeder Schicht verringert sich von Schicht zu Schicht von innen nach außen. Die innerste Schicht a hat somit die größte Dicke (16),

20 während die äußerste Schicht h die geringste Dicke (17) aufweist. Ferner ist die Konus-Länge (14) der innersten Schicht a größer als die nachfolgende Schicht b, welche wiederum größer ist als die weiter außen liegende Schicht c, usw. Die innerste Schicht a kann somit eine bis zu 30% größere Länge (14) aufweisen als die Länge (15) der äußersten Schicht h.

In einer besonderen Ausführungsform derartiger Konus-Buchsen weisen weiterhin die verschiedenen Schichten (18) unterschiedliche Shore-Härten auf, wobei die Shore-Härte der Schichten (18) von außen nach innen pro Schicht um 2 - 5% zunimmt. Derartige Buchsen zeigen optimale Eigenschaften in Bezug auf radiale wie torsionale Verformung der einzelnen elastischen Schichten. Die Konus-Buchse (5.1) ist ferner durch die angegebenen kleineren und größeren, inneren und äußeren Durchmesser (10)(11)(12)(13) gekennzeichnet.

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