ROTORLAGERUNG FÜR EINE WINDKRAFTANLAGE, UMFASSEND EIN DOPPELTES, MEHRREIHIGES WÄLZLAGER MIT DREI KONZENTRISCHEN LAGERRINGEN

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Beschreibung

Gebiet der Erfindung

20 Die Erfindung betrifft eine Rotorlagerung für eine Windkraftanlage sowie eine Windkraftanlage mit einer entsprechenden Rotorlagerung. Derartige Rotorlagerungen sind in der Regel als Großwälzlager ausgebildet.

25 Hintergrund der Erfindung

Als Großwälzlager werden gewöhnlich Wälzlager bezeichnet, deren Außendurchmesser einen Bereich von etwa 800 mm bis 1000 mm überschreitet. Großwälzlager, die in Windkraftanlagen als Rotorlagerung eingesetzt wer- 30 den, um einen Rotor gegenüber einem Gehäuse drehbar zu lagern, können einen Außendurchmesser von beispielsweise 3000 mm aufweisen. Dabei gilt, dass mit steigendem Lagerteilkreis mehr Wälzkörper eingesetzt werden können, so dass die Lagertragfähigkeit steigt. Ein größerer Lagerteilkreis ermöglicht also letztlich die Aufnahme größerer Kräfte und gegebenenfalls Momente.

Aufgrund ständig steigender Leistungen von Windkraftanlagen und damit einhergehenden größeren Abmessungen dieser Anlagen steigen auch die durch die Rotorlagerung aufzunehmenden Kräfte und Momente. Die somit erforderliche Erhöhung der Lagertragfähigkeit kann jedoch nur bedingt durch eine entsprechende Vergrößerung des Lagerteilkreises aufgefangen werden. Ein größerer Lagerteilkreis zieht nämlich einen größeren Außendurchmesser des Großwälzlagers nach sich, wodurch sich fertigungstechnische Schwierigkeiten ergeben können, da beispielsweise auch immer größere Härteöfen erforderlich werden. Außerdem führt eine Erhöhung des Außendurchmessers auch zu größeren Lagerumbauteilen und somit auch zu einem größeren Turmkopf gewicht, was wiederum eine massivere Turmkonstruktion erfordert. Andererseits kann eine größere Lagertragfähigkeit auch nicht ohne Weiteres durch mehr Lagerreihen erreicht werden, da dadurch das Querschnittsprofil der Lagerringe steigt, wodurch sich fertigungstechnische Schwierigkeiten, beispielsweise beim Härten, ergeben können.

Zu beachten ist außerdem, dass Rotorlagerungen dauerhaft Drehzahlen ausgesetzt sind, die für die Eingangs genannten Lagerteilkreise relativ hoch sind. Derartige Großwälzlager müssen beispielsweise für Drehzahlen bis zu 30 Umdrehungen pro Minute bei einem Zeitraum von mehr als 130000 Be- triebsstunden ausgelegt werden.

Aus der DE 102 42 707 B3 ist eine Lagerung einer Rotorwelle für eine Windkraftanlage bekannt, bei der die Rotorwelle mittels einer Zweipunkt- Abstützung durch zwei Kegelrollenpaare in dem Maschinengehäuse abge- stützt wird. Nachteilig ist dabei die begrenzte Tragfähigkeit der Lageranordnung, die im Wesentlichen durch die Anzahl der auf dem Teilkreis der Kegelrollenpaare positionierbaren Kegelrollen bestimmt wird. Um eine größere Tragfähigkeit zu erzielen, müsste z.B. der Lagerteilkreis und damit der Außendurchmesser des Großwälzlagers vergrößert werden. Diese Maßnahme bereitet jedoch, wie zuvor beschrieben, fertigungstechnische Probleme.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Rotorlagerung einer Windkraftanlage bereitzustellen, die gegenüber bisherigen Lösungen eine wesent- lieh höhere Tragfähigkeit ermöglicht und somit bei gleichem Lagerteilkreis größere Kräfte und Momente übernehmen kann bzw. eine längere Lebensdauer erreicht. Sie soll außerdem einfach und kostengünstig zu fertigen sein.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotorlagerung für eine Windkraftanlage mit einem Innenring, welcher mit einem ersten Drehpartner drehfest verbunden oder verbindbar ist, mit einem Außenring, welcher eben- falls mit dem ersten Drehpartner drehfest verbunden oder verbindbar ist, und mit einem Zwischenring, welcher mit einem zweiten Drehpartner drehfest verbunden oder verbindbar ist, wobei der Innenring über mindestens eine innere Wälzkörperreihe relativ zu dem Zwischenring drehbar angeordnet ist und wobei der Außenring über mindestens eine äußere Wälzkörperreihe re- lativ zu dem Zwischenring drehbar angeordnet ist.

Die beiden Drehpartner sind relativ zueinander drehbar, so dass z.B. der erste Drehpartner den Rotor darstellt oder mit diesem verbunden bzw. verbindbar ist, während der zweite Drehpartner ein Gehäuse darstellt oder mit die- sem verbunden bzw. verbindbar ist. Die mindestens eine innere Wälzkörperreihe weist einen geringeren Lagerteilkreis als die mindestens eine äußere Wälzkörperreihe auf, wobei alle Wälzkörperreihen eine gemeinsame Dreh- achse aufweisen. Durch die mindestens zwei Wälzkörperreihen wird gewährleistet, dass der Zwischenring kaum verkippen kann.

Die erfindungsgemäße Rotorlagerung umfasst somit ein doppeltes Lauf- bahnsystem. Dadurch können im Vergleich zu einfachen Rotorlagerungen wesentlich höhere Tragfähigkeiten erreicht werden. Im Grunde genommen können quasi die doppelten Kräfte bzw. Kippmomente übertragen werden, ohne dabei den Innkreisdurchmesser des Querschnittsprofils der Lagerringe oder den Außendurchmesser der Rotorlagerung wesentlich erhöhen zu müssen.

Gemäß einer Ausführungsform sind mindestens zwei innere Wälzkörperreihen und/oder mindestens zwei äußere Wälzkörperreihen vorhanden, wobei jede der mindestens zwei inneren bzw. äußeren Wälzkörperreihen entweder nur Axial- oder nur Radialkräfte überträgt. Es liegt also eine kontrollierte Aufteilung der Axial- und Radialkräfte auf unterschiedliche Wälzkörperreihen vor. Dadurch können die Spielverhältnisse separat eingestellt werden und es liegen geringere Verkippungen der Ringe zueinander vor. Beispielsweise können die nur Radialkräfte übertragenden Wälzkörperreihen durch Zylinder- rollenlager gebildet werden und/oder die nur Axialkräfte übertragenden Wälzkörperreihen durch Axial-Kegelrollenlager gebildet werden. Um eine Übertragung von Axialkräften in beide Axialrichtungen zu ermöglichen, wäre theoretisch bereits eine entsprechend angeordnete äußere und innere Wälzkörperreihe zur Axialkraftübertragung in jeweils entgegengesetzter Richtung ausreichend; die jeweils übertragbaren Axialkräfte wären jedoch nicht so groß, wie dies bei einem doppeltem Laufbahnsystem prinzipiell möglich wäre. Vorteilhafterweise werden daher jeweils zwei Wälzkörperreihen zur Axialkraftübertragung in beiden Axialrichtungen zwischen Außenring und Zwischenring bzw. Zwischenring und Innenring vorgesehen, wodurch auch eine bessere Abstützung gegenüber Kippmomenten erfolgt. Zur Erhöhung der radialen Tragfähigkeit können mehrere Wälzkörperreihen zur Radialkraftübertragung, also z.B. mehrere Zylinderrollenreihen, vorgesehen werden. Gemäß einer Ausführungsform überträgt im Falle mehrerer innerer Wälzkörperreihen jede der mindestens einen inneren Wälzkörperreihe und/oder im Falle mehrerer äußerer Wälzkörperreihen jede der mindestens einen äußeren Wälzkörperreihe sowohl Axialkräfte als auch Radialkräfte. Insbesondere werden zwei innere Wälzkörperreihen und/oder zwei äußere Wälzkörperreihen jeweils durch zwei axial benachbarte Kegelrollenreihen oder durch zwei axial benachbarte Schrägkugelreihen gebildet. Dabei können zwei axial benachbarte Kegelrollenreihen oder zwei axial benachbarte Schrägkugelreihen derart angeordnet sein, dass im Wesentlichen kein axialer Zwischenraum verbleibt, um den Bauraum weiter zu verringern. Insbesondere liegt dabei keine weitere Wälzkörperreihe axial dazwischen. Zwei axial benachbarte Kegelrollenreihen oder zwei axial benachbarte Schrägkugelreihen können entweder eine O- Anordnung oder ein X-Anordnung bilden. Hierbei können für die äußeren und inneren Wälzkörperreihen gleiche aber auch unter- schiedliche Anordnungen gewählt werden. Z.B. können zwei axial benachbarte Kegelrollenreihen zwischen Außenring und Zwischenring eine X- Anordnung bilden, während zwei axial benachbarte Kegelrollenreihen zwischen Innenring und Zwischenring eine O-Anordnung bilden.

Neben einer reinen Aufteilung der Axial- und Radialkräfte auf separate Wälzkörperreihen einerseits und dem ausschließlichen Einsatz von Wälzkörperreihen zur Übertragung von Axial- und Radialkräften andererseits sind selbstverständlich auch Kombinationen beider Ausführungsformen denkbar. Dabei kann z.B. zwischen Außenring und Zwischenring eine Aufteilung der Axial- und Radialkräfte auf separate Wälzkörperreihen erfolgen, während zwischen Innenring und Zwischenring nur Wälzkörperreihen eingesetzt werden, die sowohl Axial- als auch Radialkräfte übertragen können. Natürlich sind auch Kombinationen innerhalb eines Laufbahnsystems denkbar.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Innenring, der Zwischenring und/oder der Außenring mindestens eine Reihe von über den Umfang verteilten Bohrungen zur Befestigung mit dem jeweiligen Drehpartner auf. Bei- spielsweise können Durchgangs-, Gewinde- und/oder Sacklochbohrungen auf einer Ringstirnseite angeordnet werden. Diese Befestigungsmöglichkeiten sind auf die höhere Tragfähigkeit der erfindungsgemäßen Rotorlagerung abzustimmen. Insbesondere können Bohrungen daher in zwei konzentrisch zueinander angeordneten Reihen auf einer Ringstirnseite angeordnet werden. Derartige Bohrungen können weiterhin dazu dienen einzelne Elemente bei mehrteiligem Außenring, Zwischenring oder Innenring zu verbinden. So ist es denkbar z.B. den Innenring aus mehreren Einzelringen zusammenzusetzen, wobei beispielsweise jeder Einzelring eine Laufbahn für Wälzkörper ausbildet.

Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass zwischen innenring und Zwischenring und/oder zwischen Außenring und Zwischenring weitere Wälzkörperreihen vorgesehen sind, welche koaxial und/oder konzentrisch zu dem jeweiligen Wälzkörperreihenpaar angeordnet ist bzw. sind. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Rotorlagerung daher weitere Lagerringe, welche drehfest mit dem ersten oder dem zweiten Drehpartner verbunden oder verbindbar sind und gemeinsam mit dem Innenring bzw. dem Außenring oder dem Zwischenring rotieren.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Anschlussstirnseiten der Lagerringe eines Drehpartners planparallel ausgebildet. Bei dieser Weiterbildung muss z.B. der erste Drehpartner als Anschlusskonstruktion nur eine plane Fläche bereitstellen, mit dem optional nutzbaren Vorteil, dass Abstufungen und der- gleichen in der Anschlusskontur vermieden werden.

Gemäß einer Ausführungsform werden die Wälzkörper mindestens einer Wälzkörperreihe durch einen Käfig geführt. Typischerweise wird für jede Wälzkörperreihe ein separater Käfig vorgesehen, so dass sich jede Wälz- körperreihe unabhängig von den anderen Reihen frei den Drehbewegungen der Lagerringe anpassen kann. Gemäß einer Ausführungsform können durch die Rotorlagerung Axialkräfte in beiden Axialrichtungen, Radialkräfte und Kippmomente aufgenommen werden. Die erfindungsgemäße Rotorlagerung eignet sich damit besonders gut, um in einem sogenannten Einlagerkonzept eingesetzt zu werden. In herkömmlicher Weise wird die Rotorwelle einer Windkraftanlage durch Zweipunkt- bzw. Dreipunkt-Abstützungen mit zwei bzw. drei separaten Lagerstellen in dem Maschinengehäuse abgestützt. Mittlerweile werden für die Lagerung des Rotors auch Einlagerkonzepte eingesetzt, d.h. eine einzelne Lagerstelle nimmt sowohl sämtliche Axial- und Radialkräfte als auch Kippmomente auf. Entsprechend kann die erfindungsgemäße Rotorlagerung im Rahmen eines Einlagerkonzepts in einer Windkraftanlage dienen, wobei z.B. der erste Drehpartner mit einem Gehäuse verbunden oder verbindbar ist und der zweite Drehpartner mit einem Rotor verbunden oder verbindbar ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens einer der Ringe, insbesondere der Innenring, Außenring oder Zwischenring, aus Einsatzstahl gefertigt. Zu den Einsatzstählen gehören bevorzugt unlegierte oder niedriglegierte Stähle, bis zu einem maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,20%. Bei der Härtung werden die Einsatzstähle in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre „eingesetzt" und auf Temperaturen zwischen 880° C und 1.050° C erhitzt, so dass der Kohlenstoff der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre in die Randschicht des Einsatzstahles eindiffundiert, wobei der Kohlenstoffanteil in der Randschicht zum Beispiel auf etwa 0,8% bis 1 ,1 % erhöht wird. Im Ergebnis ist der Lagerring im Inneren mit einer hohen Zähigkeit und auf der Oberfläche, insbesondere auf den Laufbahnen, mit einer erheblich größeren Härte und somit mit einer hohen Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung und Verschleiß ausgebildet.

Auch wenn mindestens einer der Ringe, insbesondere der Innenring, Außenring oder Zwischenring, aus Einsatzstahl gefertigt ist und durchgehärtet ist, ist es auch denkbar, diesen Ring aus Vergütungsstahl herzustellen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, welche ein Gehäuse sowie einen Rotor, welcher an dem Gehäuse drehbar gelagert ist, aufweist. Die Windkraftanlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Lagerung zur Rotation des Rotors relativ zu dem Gehäuse als eine Rotorlagerung ausgebildet ist, wie sie zuvor beschrieben wurde.

Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf Rotorhauptlagerungen beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo entsprechende Großwälzlager mit hohen Tragfähigkeiten benötigt werden. Ein weiteres Anwendungs- beispiel der Erfindung stellt die Hauptlagerung einer Tunnelvortriebsmaschine dar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausfüh- rungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Hälfte einer erfindungsgemäßen Rotorlagerung 1 in einer Schnittdarstellung entlang der Drehachse 2 der Rotorlagerung 1. Dargestellt ist der Innenring 3, der Zwischenring 4 sowie der Außenring 5 mit Wälzkörpern 6 sowohl zwischen Außenring 5 und Zwischenring 4, als auch mit Wälzkörpern 7 zwischen Zwischenring 4 und Innenring 3.

Sowohl der Innenring 3 als auch der Außenring 5 bestehen aus mehreren Ringelemente 3a, 3b, 3c, 5a, 5b, 5c, während der Zwischenring 4 aus einem einzigen Ringelement besteht. Der Zwischenring 4 weist umfänglich angeordnete Bohrungen auf, mit Hilfe derer er an einem Rotorstück 8 des nicht dargestellten Rotors befestigt ist. Der Außenring und der Innenring weisen entsprechende Bohrungen auf, um mit einem nicht dargestellten Gehäuse verbunden zu werden.

Sowohl zwischen Außenring 5 und Zwischenring 4 als auch zwischen Innenring 3 und Zwischenring 4 befinden sich zwei Wälzkörperreihen, wobei jede Wälzkörperreihe dazu geeignet ist, Axial- und Radialkräfte aufzu- nehmen. Die Wälzkörperreihen werden durch Kegelrollenlager gebildet, die jeweils axial benachbart, d.h. ohne dazwischen liegende Wälzkörperreihen, angeordnet sind. Die beiden Kegelrollenlager zwischen Außenring 5 und Zwischenring 4 bilden eine X-Anordnung. Die beiden Kegelrollenlager zwischen Innenring 3 und Zwischenring 4 bilden eine O-Anordnung. Anstelle von Kegelrollenlagern können auch Schrägkugellager eingesetzt werden, wobei auch diese z.B. eine O-Anordnung bilden können.

Die Anschlussstirnseiten 9 von Innenring 3 und Außenring 5 sind planparallel ausgeführt, um eine einfache und definierte Anlage in einem Gehäuse zu ermöglichen. Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei bezüglich gleicher Elemente bzw. Bezugszeichen auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind alle Wälzkörperreihen in der Lage Axial- und Radialkräfte aufzunehmen, da es sich um Kegelrollenlager handelt. In diesem Fall bilden jedoch die äußeren Wälzkörperreihen eine O-Anordnung und die inneren Wälzkörperreihen eine X-Anordnung. Der Innenring 3 und der Außenring 5 bestehen aus einem einzigen Ringelement. Der Zwischenring 4 ist dagegen aus mehreren Ringelementen 4a, 4b, 4c, 4d, 4e zusammengesetzt. Dabei wirkt das kreis- ringförmige Ringelement 4e als Lagerdeckel, und kann mit Schrauben und einer Vielzahl von über den Bohrungsteilkreis 10 verteilten Bohrungen mit dem Ringelement 4a verbunden werden.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, wobei bezüglich gleicher Elemente bzw. Bezugszeichen auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. Wiederum werden die Wälzlagerreihen durch Kegelrollenlager gebildet und können sowohl Axial- als auch Radialkräfte aufnehmen. Die äußeren und inneren Wälzkörperreihen bilden dabei jeweils eine O- Anordnung.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, wobei bezüglich gleicher Elemente bzw. Bezugszeichen auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird. Die Aufnahme von Axial- und Radialkräften erfolgt durch separate Wälzkörperreihen, und zwar sowohl zwischen Außenring 5 und Zwischenring 4 als auch zwischen Innenring 3 und Zwischenring 4. Die Radialkräfte werden ausschließlich durch Zylinderrollenlager 12 übertragen. Die Axialkräfte werden durch jeweils zwei Reihen von Axialkegelrollenlagern 13 übertragen. Der Zwischenring 4 besteht aus einem Ring. Innenring 3 und Außenring 5 bestehen aus jeweils drei Ringelementen 3a, 3b, 3c, 5a, 5b, 5c, die mittels Schrauben verbunden werden. Bezugszeichenliste

1 Rotorlagerung

Drehachse

3 Innenring

3a, 3b, 3c Ringelemente des Innenrings

4 Zwischenring

5 Außenring

5a, 5b, 5c Ringelemente des Außenrings

6, 7 Wälzkörper

8 Rotorstück

9 Anschlussstirnseiten

10 Bohrungsteilkreis des Zwischenrings

11 Bohrungsteilkreis des Innenrings

12 Zylinderrollenlager