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Title:
WIND POWER PLANTS HAVING ELASTIC SELF-ALIGNING BALL BEARINGS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/144167
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to wind power plants which are equipped with novel elastic self-aligning ball bearings. Said self-aligning ball bearings can, in principle, be used for the cardanic suspension of a pendulum absorber, preferably in the tower of a wind power plant as well as for the rope attachment of floating off-shore plants at the bottom of a body of water. The invention also relates to the correspondingly equipped vibration pendulum absorbers per se and to corresponding installations and pendulum absorbers which have additional damping devices.

Inventors:
MITSCH, Franz (Im Rosengarten 16, Heppenheim, 64646, DE)
Application Number:
EP2017/000237
Publication Date:
August 31, 2017
Filing Date:
February 20, 2017
Export Citation:
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Assignee:
FM ENERGIE GMBH & CO.KG (Im Rosengarten 16, Heppenheim, 64646, DE)
International Classes:
F03D80/00; F16C11/06
Domestic Patent References:
2016-02-18
2013-02-21
2014-07-03
2016-02-18
Foreign References:
EP1008747A22000-06-14
DE1105738B1961-04-27
Attorney, Agent or Firm:
BENZ, Juergen (Heumann, Rechts- und PatentanwälteSpessartring 63, Darmstadt, 64287, DE)
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Claims:
Patentansprüche:

1. Windkraftanlage umfassend mindestens ein elastisches Lager, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Lager ein Kugelpendellager ist, welches ein Kugelgelenk (5) mit einem inneren Gelenkkopf (5.4) und einer Gelenkpfanne (5.5) umfasst, wobei der Gelenkkopf mindestens Halbkugelform aufweist und in der entsprechenden

dimensionierten und geformten Gelenkpfanne gelagert ist, und zwischen Gelenkkopf und Gelenkpfanne mindestens eine Elastomerschicht (5.1) in der Weise angeordnet ist, dass mindestens 80% der Fläche der Elastomerschicht mit den sphärischen Flächen des Gelenkkopfes und der Gelenkpfanne festverbunden ist, die Elastomerschicht eine Dicke von 5 mm - 20 mm aufweist, und der von der Elastomerschicht bedeckte Gelenkkopf (5.4) und die entsprechende Gelenkpfanne (5.5) eine Teilkugelform mit einem

Umschlingungswinkel von 180° bis 325°aufweisen.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelpendellager mindesten zwei Elastomerschichten (5.1 , 5.2) aufweist, welche ganz oder teilweise durch ein oder mehrere Zwischenbleche (5.3) voneinander getrennt sind.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager Bereiche zwischen Elastomerschicht (5.1) und Gelenkkopf (5.4) und / oder

Gelenkpfanne (5.5) oder innerhalb der Elastomerschicht (5.1) aufweist, welche es erlauben, dass ein Fluid (5.6) über ein Füllventil in diese Bereiche eingepresst werden kann, so dass dadurch lokal unterschiedliche Torsionssteifigkeiten bei gleichbleibenden axialen Steifigkeiten vorliegen.

4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerschicht (5.1) zwischen Gelenkkopf und Gellenkpfanne in axialer Richtung des Lagers eine unterschiedliche Steifigkeit besitzt wie in horizontaler Richtung. 5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelpendellager Teil eines Pendel-Schwingungstilgers ist, umfassend eine

Pendelstange (2) oder ein Pendelseil (14) und eine Tilgermasse (1), wobei sich der Pendeltilger in alle Richtungen frei um das elastische Kugelpendellager bewegen kann.

6. Windkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der

Pendelschwingungstilger eine Vorrichtung im Bereich des Kugelpendellagers aufweist, welche Torsionsschwingungen des Tilgers vermindert oder verhindert.

7. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Torsionshebel (2.1) umfasst, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Pendelstange (2) oder zum Pendelseil (14) angebracht ist und ein elastisches

Torsionslager für Nickbewegungen (6) und ein elastisches Torsionslager für

Drehbewegungen (7) des Pendels (1 , 2) aufweist.

8. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Pendeljoch (2.2) (2.3) mit elastischen Anschlagelementen (10) im Bereich des

Pendelgelenks (5) oder des Pendelseils (14) aufweist und so angeordnet ist, dass torsionale Pendelbewegungen gedämpft oder vermieden werden. 9. Windkraftanlage nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens drei Federelemente (8) aufweist, welche im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die Pendelstange (2) oder das Pendelseil (14) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale Bewegungen des Pendels gedämpft oder vermieden werden. 10. Windkraftanlage nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens drei Lenker (9) mit elastischen sphärischen Lagern (9.1)( 9.2) aufweist, welche im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die

Pendelstange (2) oder das Pendelseil (14) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale Bewegungen des Pendels gedämpft oder vermieden werden. 11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine zusätzliche Vorrichtung zur Dämpfung von in der Anlage auftretenden Schwingungen aufweist, wobei diese Vorrichtung ein hydraulischer Dämpfer, ein Wirbelstromdämpfer oder ein mechanischer temperaturunabhängiger Dämpfer ist.

12. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass

die Windkraftanlage eine Off-Shore Plattform (18) ist, welche über Seile (15) mit dem

Meeres- oder Seegrund (12) über Fundamente (11) verankert ist, wobei jedes Seil (15) mittels Seilbefestigungen (14) über ein besagtes oberes Kugelgelenk (17) an der Plattform und ein besagtes unters Kugelgelenk (16) am Fundament befestigt ist.

13. Pendel-Schwingungstilger zur Dämpfung von Schwingungen in hohen schlanken

Bauwerken, umfassend eine Pendelstange (2) oder ein Pendelseil (14), mindestens eine Tilgermasse (1) und ein elastisches Kugelgelenk (5) am oberen Ende der Pendelstange oder des Pendelseils, dadurch gekennzeichnet, dass (i) das Kugelgelenk (5) mit einem inneren Gelenkkopf (5.4) und einer Gelenkpfanne (5.5) ausgestattet ist, wobei der Gelenkkopf mindestens Halbkugelform aufweist und in der entsprechenden dimensionierten und geformten Gelenkpfanne gelagert ist, und zwischen Gelenkkopf und Gelenkpfanne mindesten eine Elastomerschicht (5.1 ) mit einer Dicke von 5 mm - 20 mm so angeordnet ist, dass sich das Pendel in alle Richtungen frei um das elastische Kugelpendellager bewegen kann, wobei der mit der Elastomerschicht verbundene Gelenkkopf (5.4) und die entsprechende Gelenkpfanne (5.5) eine

Teilkugelform mit einem Umschlingungswinkel von 180° bis 325°aufweist, und

(ii) im Bereich des Kugelgelenks (5) eine Vorrichtung angebracht ist, welche axiale Torsionsschwingungen des Pendels vermindert oder verhindert, und diese Vorrichtung (a) einen Torsionshebel (2.1) umfasst, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Pendelstange (2) oder zum Pendelseil (14) angebracht ist und ein elastisches

Torsionslager für Nickbewegungen (6) und ein elastisches Torsionslager (7) für axiale Drehbewegungen des Pendels aufweist, oder

(b) mindestens drei Federelemente (8) aufweist, die im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die Pendelstange (2) oder das Pendelseil (14) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale Bewegungen des Pendels gedämpft oder vermieden werden, oder

(c) mindestens drei Lenker (9) mit elastischen sphärischen Lagern (9.1 , 9.2) aufweist, welche im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die

Pendelstange (2) oder das Pendelseil (14) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale Bewegungen des Pendels gedämpft oder vermieden werden, oder

(d) ein Pendeljoch (2.2) mit elastischen Anschlagelementen ( 0) im Bereich des Pendelgelenks (5) aufweist und so angeordnet ist, dass torsionale

Pendelbewegungen gedämpft oder vermieden werden, oder

(e) eine Kombination aus (b) und (d), oder aus (c) und (d) aufweist

14. Pendelschwingungstilger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass

(i) das Kugelgelenk (5) Bereiche zwischen Elastomerschicht (5.1) und Gelenkkopf (5.4) und / oder Gelenkpfanne (5.5) oder innerhalb der Elastomerschicht (5.1) aufweist, welche es erlauben, dass ein Fluid (5.6) über ein Füllventil in diese Bereiche eingepresst werden kann, so dass dadurch lokal unterschiedliche Torsionssteifigkeiten bei

gleichbleibenden axialen Steifigkeiten vorliegen, oder

(ii) die Elastomerschicht (5.1) zwischen Gelenkkopf und Gellenkpfanne in axialer Richtung des Lagers eine unterschiedliche Steifigkeit besitzt wie in horizontaler Richtung.

15. Pendelschwingungstilger nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine zusätzliche Vorrichtung zur Dämpfung von auftretenden Schwingungen aufweist, wobei diese Vorrichtung ein hydraulischer Dämpfer, ein Wirbelstromdämpfer oder ein mechanischer oder hydraulischer temperaturunabhängiger Dämpfer ist.

Description:
Windkraftanlagen mit elastischen Kugel-Pendellagern

Die Erfindung betrifft Windkraftanlagen, welche neben den üblichen Vorrichtungen zur Dämpfung von in der Anlage auftretenden unterschiedlichen Schwingungen mit neuartigen elastischen Kugel-Pendellagern ausgestattet sind. Diese Kugelpendellager können prinzipiell zur kardanischen Aufhängung eines Pendeltilgers vorzugsweise im Turm einer

Windkraftanlage als auch zur Seilbefestigung von schwimmenden Off-Shore-Anlagen am Grund eines Gewässers Verwendung finden. Die Erfindung betrifft auch die entsprechenden Schwingungs-Pendeltilger als solche, welche zusätzliche Dämpfungseinrichtungen zur Verminderung oder Reduzierung von Torsionsschwingungen des Pendels aufweisen, welche beim Schwingen des Pendels beispielsweise in der Windkraftanlageauftreten auftreten können, insbesondere dann, wenn das Pendel anschlägt.

Die Aufhängung von Pendeltilgern in Windkraftanlagen erfolgt nach dem Stand der Technik zumeist durch den Einsatz von Schäkeln, die selbst außer den Reibungskräften keinen Beitrag zur Dämpfung der Pendelbewegung liefern. Derartige Schäkel, die in ihrer

einfachsten Ausführungsform U-förmige, mit einem Schraub- oder Steckbolzen

verschließbare Bügel sind, unterliegen jedoch einem starken Verschleiß, so dass sie einer ständigen Überwachung unterzogen werden müssen, da die Gefahr des Abfallens des Pendelseils zusammen mit der Tilgermasse mit zunehmender Betriebszeit gegeben ist.

Alternativ zu der genannten einfachen Aufhängung kommen im Stand der Technik auch zuweilen Kardangelenke zum Einsatz, welche jedoch den Nachteil haben, das sie relativ aufwendig und kostspielig sind auch wegen ihres erhöhten Verschleißes im Bereich der verwendeten Gleit- oder Wälzlager.

Vereinzelt werden im Stand der Technik auch elastische Pendelgelenke vorgeschlagen, welche in ihren bekannten Konstruktionsvorschlägen jedoch eine für den Einsatz in

Windkraftanlagen prinzipiell unerwünschte große Steifigkeit in das Schwingungssystem einbringen, so dass durch die bekannte relativ starke Temperaturabhängigkeit der

elastischen Materialen die Eigenfrequenz des Tilgersystems in Abhängigkeit von der

Temperatur in nicht vorhersehbarer Weise beeinflusst und verändert wird. Dies wiederum erfordert vermehrt eine aufwendige Anpassung des Schwingungssystems. Es bestand somit die Aufgabe einen Pendeltilger insbesondere für den Einsatz in

Windkraftanlagen mit einer Aufhängung bzw. einem Gelenklager bereitzustellen, welcher in der genannten Hinsicht verbesserte Eigenschaften gegenüber den bekannten Lösungen des Standes der Technik aufweist., wobei insbesondere Wert gelegt werden sollte auf eine hohe axiale Festigkeit, ein geringes Rückstellmoment, und einen möglichst unbedeutenden

BESTÄTIGUNGSKOPIE Einfluss auf die System-Eigenfrequenz und damit auf weitgehende

Temperaturunabhängigkeit.

Die gestellte Aufgabe wurde durch die im Folgenden und in den Ansprüchen spezifizierten und beschriebenen Erfindungsgegenstände gelöst. Gegenstand der Erfindung ist somit eine Windkraftanlage umfassend mindestens ein elastisches Lager, welches ein Kugelpendellager ist, das wiederum ein Kugelgelenk (5) mit einem inneren Gelenkkopf (5.4) und einer Gelenkpfanne (5.5) umfasst, wobei der Gelenkkopf mindestens Halbkugelform aufweist und in der entsprechenden dimensionierten und geformten Gelenkpfanne gelagert ist, und zwischen Gelenkkopf und Gelenkpfanne

mindestens eine, vorzugsweise zwei oder drei Elastomerschichten (5.1) in der Weise angeordnet sind, dass mindestens 80%, vorzugsweise 90 - 100% der Fläche der

Elastomerschicht mit den sphärischen Flächen des Gelenkkopfes und der Gelenkpfanne festverbunden ist, und die Elastomerschicht eine Dicke von 5 mm - 20 mm aufweist, wobei bei Vorliegen mehrerer Elastomerschichten, diese vollständig oder teilweise durch

Zwischenbleche (5.3) voneinander getrennt sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das genannte Kugel-Pendelgelenk bzw. -Lager zwei Elastomerschichten auf, die durch ein Blech voneinander getrennt sind, welches vorzugsweise im mittleren Bereich der Elastomerschicht unterbrochen ist (Fig. 4d)

Es hat sich gezeigt, dass vorteilhafterweise solche Gelenkköpfe und entsprechende

Gelenkpfannen eingesetzt werden sollten, welche mindestens eine Halbkugelform aufweisen, vorzugsweise jedoch eine Teilkugelform mit einem Kreisradius bzw. Umschlingungswinkel von 180° bis 325°, vorzugsweise 180° bis 245°, bzw. 220° bis 245°, wobei möglichst die gesamten sphärische Flächen von einer Elastomerschicht bedeckt sind. Nur unter dieser konstruktiven Maßnahme gelingt es, dass der Pendeltilger auf kleinem Raum große Winkel unter Aufnahme von großen Kräften durchlaufen kann, ohne das die Eigenfrequenz des Systems, bzw. der Windkraftanlage, nennenswert beeinflusst wird.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Elastomerschicht (5.1 ) zwischen dem sphärischen Gelenkkopf (5.4) und der sphärischen Gelenkpfanne (5.5) unterschiedlich steif sein, insbesondere in Bezug auf die axiale und hierzu senkrechte horizontale Ausrichtung des Pendels, oder anders ausgedrückt, in Bezug auf die Mitte der jeweiligen Sphäre im Vergleich zu den Rändern. Die kann erfindungsgemäß durch zwei Maßnahmen erreicht werden. Zum einen kann das Elastomermaterial an der betreffenden Stelle, bzw. der betreffenden Bereiche von unterschiedlicher Steifigkeit sein, so dass die Auslenkeigenschaften des Pendels dadurch beeinflusst werden können, ohne dass sich dabei nennenswert die Dämpfungseigenschaften des Pendeltilgers ändern. Unterschiedliche Steifigkeiten können z.B. durch Einsatz von Elastomermaterial mit unterschiedliche

Shorehärte erzielt werden. Zum anderen kann vorgesehen werden, dass das Elastomermaterial speziell platzierte (z.B. am Scheitelpunkt der Gelenkkopf-Sphäre) Kammern enthält, welche über ein Ventil von außen mit einem Fluid unter Druck gefüllt werden können (Fig. 4b, c). Das Fluid dient dazu, dass ein Hohlraum entsteht und das Element dadurch in kardanischer Richtung weicher wird. Das Schub belastete Element wird durch höheren Druck nicht steifer. Die Kammern können auch prinzipiell durch das Einpressen von Fluid in einem Bereich entstehen, bei dem Elastomerschicht und Metall des Gelenklagers nicht fest miteinander verbunden sind, oder in mit einem Bereich innerhalb der Elastomerschicht, in dem

Elastomermaterial nur aufeinander liegt und unter Druck zu einer Kammer gedehnt werden kann. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine entsprechende Windkraftanlage bei der das

Kugelpendellager Teil eines Pendel-Schwingungstilgers ist, welcher eine Pendelstange (2) und eine Tilgermasse (1) umfasst, wobei sich der Pendeltilger in alle Richtungen frei um das elastische Kugelpendellager bewegen kann, und vorzugsweise eine Vorrichtung im Bereich des Kugelpendellagers aufweist, welche Torsionsschwingungen des Tilgers vermindert oder verhindert.

In einer ersten derartigen Ausführungsform (Fig. 1 - 3) umfasst die besagte Vorrichtung mindestens einen Torsionshebel (2.1), welcher im Wesentlichen senkrecht zur Pendelstange (2) angebracht ist und ein elastisches Torsionslager für Nickbewegungen (6) und ein elastisches Torsionslager für Drehbewegungen (7) des Pendels (1 , 2) aufweist. Zur besseren Lastverteilung können auch mehrere derartige Torsionshebel, vorzugsweise drei, vorgesehen werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens drei Federelemente (8), welche im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die Pendelstange (2) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale Bewegungen des Pendels (2) gedämpft oder vermieden werden können (Fig. 5). Die Federelemente können dabei übliche Spiralfedern sein oder elastische Federn aus Schichten von

Elastomermaterial und Zwischenblechen. Ferner sind auch hydraulische Dämpfer

verwendbar. Vorzugsweise werden drei solche Elemente mit Federrichtung senkrecht zur Achse des Pendeltigers im Bereich des Pendelgelenks, vorzugsweise um dieses herum, oder oberhalb oder unterhalb davon angeordnet, vorzugsweise so, dass sie einen 120° Winkel zueinander bilden. Auf diese Weise können durch die wirkenden Federkräfte Verdrehungen des Pendeltilgers durch Anschlagen desselben an die Turmwand oder an eine hierfür vorgesehene Anschlagvorrichtung verhindert oder reduziert werden.

Die im Wesentlichen gleiche Wirkung wird durch die erfindungsgemäße ähnlich angeordnete weitere Ausführungsform der Fig. 6 erreicht. Hierbei wird eine diesbezügliche Vorrichtung eingesetzt, die mindestens drei Lenker (9) mit elastischen sphärischen Lagern (9.1)(9.2) aufweist, welche im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die Pendelstange (2) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale Bewegungen des Pendels (2) gedämpft oder vermieden werden. Die Lenker (9) können beispielsweise, wie in Fig. 6 dargestellt, durch Rollenelemente realisiert werden.

In einer ganz speziellen einfachen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Dämpfung von Torsionsbewegungen des Pendels ein Pendeljoch (2.2)(2.3) mit elastischen Anschlagelementen (10) im Bereich des Pendelgelenks (5) aufweist, wie beispielsweise in Fig. 7 dargestellt.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die genannten Vorrichtungen zur Dämpfung der torsionalen Bewegung des Pendels durch Kombinationen der genannten Ausführungen gebildet werden. Insbesondere kann die Verwendung eines Pendeljochs mit einer Federeinrichtung oder einer Lenkereinrichtung kombiniert werden.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Pendelgelenke eigenen sich auch vorzüglich für den Einsatz in Off-Schore-Plattformen unterschiedlicher Nutzung, beispielsweise

Windkraftanlagen oder Ölförderungsanlagen zur beweglichen Befestigung der Plattform mit dem Meeresgrund. Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine Off-Shore Plattform (18), insbesondere für Windkraftanlagen, welche über Seile (15) mit dem Meeres- oder Seegrund (12) über Fundamente (11) verankert ist, wobei jedes Seil (15) mittels Seilbefestigungen (14) über ein besagtes erfindungsgemäßes oberes Kugelgelenk (17) an der Plattform und ein besagtes unteres erfindungsgemäße Kugelgelenk (16) am Fundament befestigt ist. Eine solche Anwendung ist in Fig. 8 dargestellt. Die Erfindung betrifft auch einen entsprechenden Pendel-Schwingungstilger, umfassend eine Pendelstange (2) oder ein Pendelseil, mindestens eine Tilgermasse (1) und ein elastisches Kugelgelenk (5) am oberen Ende der Pendelstange/Pendelseil, wobei

(i) das Kugelgelenk (5) mit einem inneren Gelenkkopf (5.4) und einer Gelenkpfanne (5.5) ausgestattet ist,

(ii) der Gelenkkopf mindestens Halbkugelform aufweist und in der entsprechenden dimensionierten und geformten Gelenkpfanne gelagert ist,

(iii) zwischen Gelenkkopf und Gelenkpfanne mindesten eine, vorzugsweise zwei durch eine Blechgetrennte Elastomerschichten (5.1) angeordnet ist/sind, so dass sich das Pendel in alle Richtungen frei um das elastische Kugelpendellager bewegen kann ,

(iv) der mit der Elastomerschicht verbundene Gelenkkopf (5.4) und die entsprechende Gelenkpfanne (5.5) eine Teilkugelform mit einem Kreisradius oder Umschlingungswinkel von 180° bis 325°, vorzugsweise größer als 220°, insbesondere größer als 245°, aber nicht größer als 325° aufweist, und

(v) im Bereich des Kugelgelenks (5) eine Vorrichtung angebracht ist, welche axiale

Torsionsschwingungen des Pendels vermindert oder verhindert, wobei die Vorrichtung zusätzlich

(i) mindestens einen Torsionshebel (2.1) umfasst, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Pendelstange (2) angebracht ist und ein elastisches Torsionslager für

Nickbewegungen (6) und ein elastisches Torsionslager für axiale Drehbewegungen (7) des Pendels (1 , 2) aufweist, oder

(ii) mindestens drei Federelemente (8) aufweist, welche im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die Pendelstange (2) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale Bewegungen des Pendels (2) gedämpft oder vermieden werden, oder

(iii) mindestens drei Lenker (9) mit elastischen sphärischen Lagern (9.1 , 9.2) aufweist, welche im Bereich des Pendelgelenks (5) im Wesentlichen gleichmäßig um die

Pendelstange (2) herum verteilt und so angeordnet sind, dass torsionale

Bewegungen des Pendels (2) gedämpft oder vermieden werden, oder

(iv) ein Pendeljoch (2.2)(2.3) mit elastischen Anschlagelementen (10) im Bereich des

Pendelgelenks (5) aufweist und so angeordnet ist, dass torsionale

Pendelbewegungen gedämpft oder vermieden werden, oder

(v) Kombinationen der Vorrichtungselemente aus (ii) bis (iv), insbesondere (ii) und (iv), oder (iii) und (iv) umfasst.

Letztlich betrifft die Erfindung auch solche Windkraftanlagen und Pendel-Schwingungstilger, die außer den beschriebenen Torsionsdämpfungselementen zusätzlich Dämpfungselemente aufweisen, welche die in der Anlage auftretende unterschiedlichen Schwingungen zu dämpfen vermögen. Dies können im Stand der Technik bekannte Wirbelstromdämpfer, Hydraulikdämpfer oder andere temperaturunabhängige Dämpfer sein (z.B. WO 2013/023728, WO 2014/102016, WO 2016/023628) .

Im Folgenden werden die in den Abbildungen, im Text und in den Ansprüchen verwendeten Bezugsgrößen kurz beschrieben:

1 Tilgermasse

2 Pendelstange

2.1 Torsions-Hebel

2.2 Pendeljoch

2.3 obere Befestigung

2.4 Pendelstangen Anschluss

3 Befestigungskonstruktion

4 Pendelelement mit Drehhemmung

5 Halb-Kugel-Gelenk

5.1 innere Elastomerschicht

5.2 äußere Elastomerschicht

5.3 Zwischenblech

5.4 innere Kugel

5.5 Äußere Kugel

5,6 Fluid

5.7 Dichtwulst

5.8 Füllventil

6 Nick- Torsionslager

7 Dreh Torsionslager

8 Torsions- Federelemente

9 Lenker

9.1 Sphärolager in Lenker

9.1.1 kugelförmige Elastomerspur

10 Anschlagpuffer

11 Fundament Anker

12 Meeresgrund

13 Wasser

14 Seilbefestigung

15 Seil

16 Gelenk unten

17 Gelenk oben

18 Off-Shore Plattform

19 bewegliches Joch

20 eingespanntes Joch

Im Folgenden werden weitere Details der Erfindung insbesondere anhand der

Abbildungen 1 - 10 beschrieben:

Das beschriebene Tilger-System hat bei hoher axialer Festigkeit ein geringes

Rückstellmoment, so dass der Einfluss des Elastomers auf die Eigenfrequenz nur einen sehr unbedeutenden Einfluss auf die Eigenfrequenz des Systems hat und damit auch die

Temperaturabhängigkeit vernachlässigbar klein wird. Diese Eigenschaft wird durch eine oder mehrere übereinandergestapelte halbkugelförmige Elastomerschichten erreicht. Hiermit werden aufgrund der großen Kugel-Mantelfläche und der besonders dünnen Schichten hohe axiale Steifigkeiten erreicht, was die Übertragung entsprechend großer Axialkräfte ermöglicht.

Das Verhältnis der axialen Steifigkeit zur Torsionssteifigkeit vergrößert sich mit

zunehmendem Umschlingungswinkel, weshalb sich Umschlingungswinkel der Kugelelemente größer 220°, insbesondere zwischen 220° und 325°, bzw. 220° und 245° besonders eignen. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt. Kugelelemente mit einem Winkel bis etwa 225° können noch als einziges Teil hergestellt werden. Bei größeren

Umschlingungswinkeln sind sie in der Regel aus zwei oder mehr Teilen zusammenzusetzen. Die Elastomer Schicht wird möglichst weit um den Kugelradius herumgezogen, um das Verhältnis freie Gummioberfläche zu der am Metall angebundenen Gummioberfläche möglichst klein zu halten. Je nach Anforderungen an den möglichen Drehwinkel können beliebig viele Elastomerschichten hintereinander geschaltet werden.

Die kardanische Steifigkeit des Tilgers kann durch Einbringen eines Fluides (5.6) weiter reduziert werden, da im Bereich des Fluides keine Elastomerverformung erfolgt. Die

Elastomerverformung erfolgt lediglich im Bereich außerhalb des Fluides, so dass nur ein kleinerer Elastomerbereich verformt wird, was geringere Schubkräfte und damit geringere kardanische Kräfte erwirkt. Wie in Fig. 4b dargestellt, verhindert ein Dichtwulst (5.7), das Eindringen der Fluides in den Raum zwischen Metall und Elastomer. Wie allgemein bekannt, neigt Flüssigkeit dazu, sich in Form von kleinsten Tropfen bei Entlastung in die

Gummimetallbindung einzulagern und sich bei der nächsten Belastung tiefer in die Bindung eingraben, so dass bei häufigem Belasten die Flüssigkeit austreten kann. Dies kann beispielsweise dadurch verhindert werden, dass anstatt Wasser eine zähflüssige Flüssigkeit zum Beispiel dickflüssiges Silikon eingesetzt wird.

Ein üblicher Pendeltilger hat gewöhnlich eine Tilgermasse, welche über ein Anschlagsystem an die Wandung des Turmes der Windkraftanlage anstößt. Dabei kann es passieren, dass der Tilger tangential an die Rundung anschlägt und somit ein verhältnismäßig großes Torsionsmoment erfährt. Dieses Torsionsmoments wird über die Pendelstange auf das Kugelgelenk übertragen. Das Kugelgelenk hat jedoch nur eine geringe torsionale Steifigkeit, so dass es erforderlich ist, dieses mit einer weiteren Konstruktion aufzunehmen. Dabei darf der Verdrehungswinkel des Tilgers nicht groß sein, um die Anbindung an die Dämpfer nicht zu belasten. Die erfindungsgemäße Lösung ist in Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Pendeltilger bestehend aus der Tilgermasse (1), der Pendelstange (2), einer Befestigungskonstruktion (3) und dem Pendelelement mit Drehhemmung (4). Das Moment wird über den Torsionshebel (2.1) übertragen. Dabei ist der Torsionshebel gelenkig an das Pendeljoch (2.2) angebunden. Der Drehpunkt dieser Anbindung liegt vorteilhafterweise in der gleichen Höhe wie der Drehpunkt des Kugel-Pendellagers. Diese Anbindung kann z.B. in Form von Gleitlagern hergestellt werden. Vorzugsweise werden hier Elastomerbuchsen (6) verwendet. Das Ende des Torsionshebels mündet in ein Drehtorsionslager (7), welches senkrecht zu den Nick- Torsionslagern (6) angeordnet ist. Dieses Lager ist als Elastomerlager ausgeführt, damit es sowohl eine Torsionsbelastung als auch eine kardanische Belastung übertragen kann. Es ist möglich, das System, wie dargestellt, mit einem Torsionshebel (2.1), auszuführen. Um eine bessere Lastverteilung zu ermöglichen, können auch zwei oder mehrere, vorzugsweise drei solcher Hebel, am Umfang ausgeführt werden.

Alternativ zu einem oder mehreren Torsionshebeln, wie beschrieben, ist es auch möglich Federelemente oder elastische Elemente einzusetzen, wie in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt.

Das Halb-Kugelgelenk (5) von Fig. 5 ist dabei aufgebaut, wie oben beschrieben. Zur

Aufnahme der torsionalen Stöße sind mehrere tangential angeordnete mehrschichtige Torsion-Federelemente (8) im Bereich des Gelenkes angebracht. Diese verbinden das Pendeljoch (2.2) mit der oberen Befestigung (2.3). Detonation-Federelemente (8) stellen somit eine elastische Verbindung den Elementen (2.2) und (2.3) her. Diese Verbindung ist in Pendelrichtung aufgrund der geringen Schubsteifigkeit solcher mehrschichtige Elemente weich. Auf Grund der relativ hohen axialen Steifigkeit der mehrschichtigen Torsion- Federelemente besteht eine hohe Steifigkeit in Torsionsrichtung zwischen (2.2) und (2.3). Das System von Fig. 6 ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsform gemäß Fig. 5. Jedoch ist die obere Befestigung (2.3) mit dem Pendeljoch (2.2) durch Lenker (9) verbunden. Daraus ergibt sich ebenfalls eine torsional steife und kardanisch weiche Verbindung zwischen

Pendeljoch (2.2) und der oberen Befestigung (2.3). Die Lenker (9) bestehen beispielsweise aus zwei Elastomer-Sphärolagern (9.1) oder Rollenelementen, welche im Stand der Technik als solche bekannt sind. Diese haben die Eigenschaft, dass sie radial steif und in

kardanischer Richtung relativ weich sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 besteht im Wesentlichen aus dem Halbkugel-Gelenk (5), dem Pendeljoch (2.2) mit der oberen Befestigung (2.3) Die auftretenden Torsionskräfte bedingt durch das tangentiale Anschlagen des Tilgers werden über Anschlagpuffer (10) übertragen.

Ein ganz anderer Anwendungsfall für die elastischen Kugel-Pendellager ist die Anbindung und Befestigung von Off-Shore Plattformen insbesondere in Zusammenhang mit

Windkraftanlagen oder ggf. anderen schwimmenden Anlagen (Fig. 8, Fig. 9). Das Lager kann also sowohl für Off-Shore Plattformen als solche, als für Off-Shore Plattformen mit Windkraftanlagen im Besonderen eingesetzt werden. Beim Befestigen der Seile von Off- Shore Gründungen besteht das Problem, dass die Seile aufgrund der kardanischen

Bewegung an der Einspannstelle knicken. Abhilfe kann durch den Einsatz von

handelsüblichen Schäkeln erfolgen. Diese unterliegen jedoch aufgrund der entstehenden Reibung zwischen den einzelnen Gliedern einem erheblichen Verschleiß, so dass diese nur für einen begrenzten Zeitraum einsatzfähig sind. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Elastomer-Kugel-Pendellager erfolgt der Übergang reibungsfrei. Die Elemente sind über einen langen Zeitraum wartungsfrei. Verwendet wird auch hier ein Elastomer-Kugel- Pendellager (5) mit einer oder mehreren halb kugelförmigen Elastomerschichten. Diese werden zwischen dem beweglichen Joch (19) und dem fest eingespannten Joch (20) platziert. An dem jeweils beweglichen Joch (20) ist die Seilbefestigung (14) (Fig. 9) angebracht. Das Seil ist aufgrund der geringen kardanischen Steifigkeit der

Elastomerelemente nur geringen Biegemomenten ausgesetzt. Die Knickbelastung auf das Seil ist gering. Derartige Elemente gemäß der Erfindung können bereits im Durchmesser von ca. 200 mm Lasten von mehr als 1000 kN bei gleichzeitig geringer kardanischer Steifigkeit übertragen. Dabei kann die kardanische Steifigkeit weiter durch den Einsatz eines Fluides (56) gemäß einer Anordnung nach Fig. 4b, c reduziert werden. Bei Einsatz von zwei

Elastomerschichten kann auch an der Innenkugel ein Fluidpolster eingebaut werden, so dass die kardanische Steifigkeit zum einen durch mehrere Schichten und gleichzeitig durch den Einsatz des Fluidpolsters weiter reduziert werden kann. Um noch größere Winkel bei geringerer Rückstellkraft zu ermöglichen, können mehrere Gelenke hintereinander geschaltet werden. Dazu ist es sinnvoll, die Elemente in Richtung des Seils, welche vom Fundament bzw. von der Plattform weiter entfernt sind, weicher auszuführen als die Elemente der Einspannstelle. Bei entsprechend weichen Anbindungsstellen kann auf die Seiltechnik gänzlich verzichtet werden. Die Seile können durch eine Aneinanderreihung mehrerer Gelenke mit dazwischen geschalteten starren Elementen ersetzt werden.

Die Elastomerschichten in den erfindungsgemäßen Kugel-Pendellagern können

unterschiedliche Dicke aufweisen, die jedoch vorwiegend zwischen 5 mm und 20 mm variiert. Bei Verwendung von zwei Schichten weist die Innenschicht vorteilhafterweise nur etwa 50 - 70% der Dicke der Außenschicht auf, die an die Gelenkpfanne vulkanisiert ist. Eine elastische Innenschicht ist zwischen 4.5 und 9 mm dick während eine elastische

Außenschicht zwischen 6 und 12 mm dick sein kann. Die Shore-Härten der Elastomeren, die in den erfindungsgemäßen Kugel-Pendellagern zum Einsatz kommen belaufen sich zwischen 50 und 100 Shore A.




 
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