Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlagen-Drehverbindung, insbesondere eine Blattlager- oder Azimut-Drehverbindung. Ferner betrifft die Erfindung ein Windenergieanlagen-Rotorblatt und eine Windenergieanlage.

Windenergieanlagen sind allgemein bekannt. Sie weisen an verschiedenen Funktionsstellen Drehverbindungen auf, um beispielsweise am Azimutlager die Gondel relativ zum Turm der Windenergieanlage verschwenken zu können, oder um den Anstellwinkel des Rotorblatts zum Wind relativ zur Rotornabe mit einem Pitchantrieb feststellen zu können. Die jeweiligen Komponenten der Windenergieanlage sind zu diesem Zweck mit Drehverbindungen aneinander drehbar gelagert. Aufgrund der hohen Lasten hat man im Stand der Technik üblicherweise auf Wälzlagerungen zurückgegriffen, die jeweils als einreihige oder mehrreihige Lagerung oder als Kombination aus axialen und radialen Lagern, aus Kegellagern oder Momentenlagern bestanden. Ungeachtet der allgemein zufriedenstellenden mechanischen Leistung dieser Lagerarten erfordern Wälzlager eine gewisse Baugröße und haben durchweg vergleichsweise hohe Gewichte, sodass an den bekannten Windenergieanlagen, ihren Drehverbindungen und den die Drehverbindungen aufweisenden Komponenten wie beispielsweise den Gondeln oder Rotorblättern der Windenergieanlagen, Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Baugröße und des Gewichts bestand. Eine Drehverbindung wird erfindungsgemäß verstanden als jegliche drehbewegliche Lagerung zweier Teile zueinander, umfassend aber nicht ausschließlich bestehend aus Stützlager, Fest-Loslager, Momentenlager etc.. Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlagen-Drehverbindung der eingangs bezeichneten Art hinsichtlich der vorstehend bezeichneten Probleme möglichst weitgehend zu verbessern. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die eingangs bezeichnete Windenergieanlagen-Drehverbindung hinsichtlich ihres Gewichts und Bauraums zu verbessern, und hierbei die Belastbarkeit möglichst wenig zu beeinträchti- gen.

Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe, indem sie eine Windenergieanlagen-Drehverbindung nach Anspruch 1 vorschlägt. Die Windenergieanlagen- Drehverbindung, die insbesondere eine Blattlager- oder Azimut-Drehverbindung ist, ist als Gleitlagerung ausgebildet, mit einem Innenring mit einer Anzahl erster Gleitflächen, einem Außenring mit einer Anzahl zweiter Gleitflächen, die jeweils einer der ersten Gleitflächen als Gleichpartner zugeordnet sind, wobei die Gleitlagerung als eine trockenlaufende Gleitlagerung ausgebildet ist. Die Erfindung folgt dem Ansatz, dass eine Gleitlagerung ein deutlich geringeren Bauraum und eine deutlich gewichtssparendere Bauweise erlaubt, als konventionelle Welslagerung. Es hat sich überraschenderweise herausge- stellt, dass trockenlaufende Gleitlagerungen als Windenergieanlagen-Drehverbindung gut geeignet sind, insbesondere als Blattlager- oder Azimut-Drehverbindung.

Die Erfindung wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass bei einem der Ringe, vorzugsweise dem Innenring, eine, oder mehrere sämtliche der Gleitflächen als metallische Gleitflächen ausgebildet sind. Die metallische Oberfläche weist hierzu vorzugsweise eine Rauigkeit R _a von weniger als 1 ,0 μιτι auf, vorzugsweise 0,8 μιτι oder weniger.

Als metallischer Werkstoff wird vorzugsweise jeweils Messing, eine Messinglegierung, Weißmetall, etwa Blei, Zinn, Antimon, Wismut, Kupfer, eine Kupferlegierung, insbesondere eine Kupfer-Blei-Gusslegierung, eine Bronze-Gusslegierung, insbesondere Bleibronze, eine Bleibronze-Gusslegierung, eine Blei-Zinn-Gusslegierung, Aluminium, eine Alumini- umlegierung, insbesondere eine Aluminium-Zinn-Gusslegierung, eine Aluminium-Zink- Gusslegierung, Stahl, eine Stahllegierung, ein Sintermetall, oder eine Kombination aus mehreren davor genannten metallischen Werkstoffen verwendet. Alternativ zu einem rein metallischen Werkstoff wird vorzugsweise ein Metall- Verbundwerkstoff verwendet, etwa ein keramisch-metallischer Verbundwerkstoff (Cermet), oder ein Metall-Kunststoffverbundmaterial.

Alternativ wird vorzugsweise für die Gleitflächen ein, insbesondere nichtmetallischer, Werkstoff wie beispielsweise Sinterkeramik (die als Bestandteil bspw. Metalloxide aufweisen können), ein Hochleistungskunststoff wie etwa ein thermoplastisches Hochleistungspolymer, insbesondere ein amorphes thermoplastisches Hochleistungspolymer, zum Beispiel Polyamidimid (PAI), gegebenenfalls mit Graphit- und/oder PTFE-Zusatz, verwendet. Weiter vorzugsweise ist bzw. sind bei dem jeweils anderen Ring, vorzugswei- se dem Außenring, eine, mehrere oder sämtliche der Anzahl von Gleitflächen aus einem Faserverbundwerkstoff teilweise oder vollständig ausgebildet. Die Gleitfläche aus oder mit Faserverbundwerkstoff hat eine überraschend gute Trockenlauffähigkeit und ist daher überraschend verschleißbeständig. Zudem wird eine hohe Schlag- und Stoßverträglichkeit erreicht, zusammen mit einer geringen Empfindlichkeit gegenüber Kantenbelastun- gen. Aufgrund der guten Trockenlaufeigenschaften kann auf die Verwendung von Schmiermedium, wie beispielsweise Fett oder Öl, verzichtet werden. Die Gleitlagerung ist aufgrund der Verwendung des Faserverbundwerkstoffes sehr beständig gegenüber korrosiven Medien und weist gegenüber rein metallischen Drehverbindungen verbesserte Schwingungsdämpfungswerte auf. Gerade die Reduktion von Schwingungen ist ein immer wichtiger werdender Aspekt in der Konstruktion von Windenergieanlagen, da weltweit immer strengere Schallemissionsrichtlinien Bedeutung erlangen.

Die Gleitflächen, insbesondere die Gleitflächen desjenigen Rings, dessen Gleitflächen teilweise oder vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet sind, sind vorzugsweise segmentiert ausgeführt, sodass eine einfachere und schnellere Wartung der Drehverbindung in der Gondel erfolgen kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Drehverbindung ist auf einer, mehreren oder sämtlichen Gleitflächen eine Anzahl von Gleitschichten aus jeweils einem der folgenden Materialien aufgetragen: Polytetrafluorethylen, expandiertes Polytetrafluorethylen, Molybdaendisulfid, Graphit, Graphen, oder einer Kombination aus mehreren dieser Materialien. Werden nichtmetallische Werkstoffe für die Gleitflächen verwendet, ist vorzugsweise eine Anzahl der gleitschichten aus einem aufgedampften metallischen Werkstoff ausgebildet. Sofern im Rahmen der Erfindung von einer„Anzahl" gesprochen wird, so wird hierunter die Zahl 1 und ein ganzzeiliges Vielfaches davon verstanden. Als Fasermaterial für den Faserverbundwerkstoff wird in bevorzugten Ausführungsformen ein Material, ausgewählt aus der Liste bestehend aus: Kohlenstofffasern, Glasfasern, Stahlfasern, Bambusfasern, oder eine Kombination aus mehreren dieser Werkstoffe verwendet.

Vorzugsweise liegt der Faserverbundwerkstoff in verwobener Form vor und ist in ein Matrixmaterial eingebettet, wobei das Matrixmaterial insbesondere ein Thermoplast Duroplast, insbesondere Epoxidharz ist. Der Innenring und der Außenring weisen in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Drehverbindung jeweils eine radiale Lagerfläche und zwei axiale Lagerflächen auf. Die radialen Lagerflächen des Außen- und Innenrings sind zum Ausbilden eines Radiallagers aufeinander ausgerichtet, während die jeweils eine axiale Lagerfläche des Innenrings auf eine korrespondierende axiale Fläche des Außenrings zum Bilden eines Axiallagers ausgerichtet ist.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der den Grundbelag aus Faserverbundwerkstoff aufweisende Ring, vorzugsweise der Außenring, zwei- oder mehrteilig ausgebildet, indem an einem ersten Teilkörper die radiale Gleitfläche und eine erste axiale Gleitfläche ausgebildet ist, und an einem zweiten Teilkörper bzw. einem oder mehreren weiteren Teilkörpern die zweite axiale bzw. eine oder mehrere weitere Gleitflä- che(n) ausgebildet ist bzw. sind. Vorzugsweise ist dann der zweite Teilkörper bzw. der oder die weiteren Teilkörper als ein- oder mehrteilige Flanschscheibe ausgebildet, wobei der erste und zweite Teilkörper bzw. der oder die weiteren Teilkörper an zueinander korrespondierenden Stirnseiten miteinander koppelbar sind, vorzugsweise reversibel lösbar. Als reversibel lösbare Verbindungen haben sich beispielsweise Schraubverbindungen in der Praxis bewährt. Zum Verschrauben weist vorzugsweise einer der Teilkörper, etwa der erste Teilkörper, metallische Einsätze zum Aufnehmen von Schraubgewinden auf, damit der Faserverbundwerkstoff durch die scharfkantigen Schraubengänge nicht verletzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen der Innenring und der Außenring jeweils eine oder mehrere miteinander korrespondierende angestellte Lagerflächen auf, vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen angestellte Lagerflächen. Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines ersten Aspektes betreffend isoliert die Drehverbindung beschrieben. Die Erfindung spielt ihre Vorteile insbesondere auch bei einem Windenergieanlagen-Rotorblatt aus. Erfindungsgemäß wird ein Windenergieanlagen-Rotorblatt vorgeschlagen, welches mittels einer Drehverbindung mit einer Nabe der Windenergieanlage verbindbar ist, wobei die Drehverbindung nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ausgebildet ist. Hinsichtlich der technischen Wirkung und Vorteile wird diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Besonders bevorzugt ist ein Rotorblatt, bei dem der Außenring der Drehverbindung eine, mehrere oder sämtliche der Anzahl von Gleitflächen aus Faserverbundwerkstoff aufweist, und zweiteilig ausgebildet ist, indem an einem ersten Teilkörper die radiale Gleitfläche und eine erste Gleitfläche ausgebildet sind, und an einem zweiten Teilkörper die zweite axiale Gleitfläche ausgebildet ist, wobei der erste Teilkörper integral an dem Rotorblatt ausgebildet ist. Dies wird vorzugsweise erreicht, indem der erste Teilkörper und mit ihm die erste axiale Gleitfläche und eine radiale Gleitfläche an dem Rotorblatt bei dessen Herstellung ausbildet werden. Insbesondere, wenn das Rotorblatt ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff besteht, werden die entsprechenden Gelegematten für den ersten Teilkörper des Außenrings vorzugsweise mit ausgelegt, und gemeinsam mit den Gelegematten des Rotorblatts in Matrixmaterial eingebettet, sodass ein „monolithisch" wirkendes Gesamtgebilde entsteht, an dem die Gleitflächen des ersten Teilkörper des Außenrings ausgebildet sind.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Drehverbindung eine Azimutlagerung. Vorzugsweise ist die Azimutlagerung in einer segmentierten Form ausgeführt, wobei die einzelnen Gleitflächen in Form eigener Segmente ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind die Segmente aus einem beschichteten Faserverbundwerkstoff, etwa glasfaserverstärktem Kunststoff, ausgebildet. Die Segmente sind vorzugsweise auf einem metallischen Ring montiert, und ein Gegenpart hierzu ist als metallischer Lagerring ausgebildet oder als Lagerfläche an einem metallischen Turmkopfflansch ausgebildet, so dass die Segmente auf dem Lagerring gleiten, beispielsweise während der Windrichtungsnachführung. Alternativ sind vorzugsweise die Segmente auf einem metallischen Ring oder direkt auf dem Turmkopfflansch montiert, und der metallische Lagerring ist an dem Maschinenträger montiert und gleitet auf den Segmenten.

Die Erfindung betrifft ferner eine Windenergieanlage, wie eingangs bezeichnet. Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegenden Aufgabe bei einer solchen Windenergieanlage, indem sie eine Windenergieanlage vorschlägt, die einen Turm aufweist, auf dem eine Gondel mittels einer ersten Drehverbindung gelagert ist, wobei an der Gondel eine Rotornabe vorgesehen ist mit einem oder mehreren Rotorblättern, die zum Antrieb eines Generators an einer Rotornabe befestigt sind, wobei die Rotorblätter, insbesondere mittels eines Pitchantriebs, in ihrem Anstellwinkel verstellbar sind und mittels einer Drehverbindung an der Rotornabe gelagert sind. Insbesondere wird vorgeschlagen, die Drehverbindung nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszubilden. Besonders bevorzugt sind bei einer solchen Windenergieanlage das oder die Rotorblätter nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische räumliche Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2a eine schematische Detailansicht zu der Windenergieanlage gemäß Fig. 1 ,

Fig. 2b eine weitere Detailansicht der Darstellung gemäß Fig. 2a,

Fig. 3 eine weitere schematische Detailansicht zu der Windenergieanlage gemäß

Fig. 1 , und

Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung zu der Ausführungsform gemäß Fig.3.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage 100 durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der Generator ist vorzugsweise ein langsam drehender Synchrongenerator. Der Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Die Pitchwinkel der Rotorblätter 108 können durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden. Zur Lagerung der Rotorblätter 108 relativ zur an der Gondel 104 vorgesehenen Rotornabe ist eine Drehverbindung 1 vorgesehen. Die Drehverbindung 1 ist mit ihren funktionalen und strukturellen Einzelheiten in den Figuren 2a, b näher gezeigt.

Die Drehverbindung 1 weist einen Innenring 3 auf und einen Außenring 5. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Innenring 3 fest an der Gondel 104 angeordnet, und der Außenring 5 an dem Rotorblatt 108. Optional wird der Außenring 5 als separates Bauteil bereitgestellt und an dem Rotorblatt 108 an einer korrespondierenden Stirnseite befestigt, siehe Trennlinie 7. Gemäß einer anderen, bevorzugten Option wird der Außenring 5 zweiteilig hergestellt. Ein erster Teilkörper 5a des Außenrings 5 wird integral an dem Rotorblatt 108 ausgebildet, besonders bevorzugt bereits während der Herstellung des Rotorblatts 108.

Ein zweiter Teil 5b ist als flanschartige Scheibe, optional segmentartig, ausgebildet und wird lösbar an dem ersten Teilkörper 5a des Außenrings 5 befestigt. Zwischen dem Teilkörper 5a, b des Außenrings 5 ist ein Ringspalt definiert, in dem ein flanschartiger Vorsprung 9 des Innenrings 3 sitzt. An dem flanschartigen Vorsprung 9 des Innenrings 3 sind eine erste und zweite axiale Gleitfläche 1 1a, b ausgebildet sowie eine, zwischen den ersten beiden axialen Gleitflächen 1 1 a, b angeordnete dritte Gleitfläche 1 1 c, die eine radiale Gleitfläche ist.

Jeweils gegenüberliegend weist der Außenring 5 eine erste und zweite axiale Gleitfläche 13a, b auf sowie eine radiale Gleitfläche 13c, die jeweils mit der korrespondierenden, gegenüberliegenden Gleitfläche 1 1 a, b, c eine Gleitlagerung ausbilden. Erfindungsgemäß ist die Gleitlagerung der Drehverbindung 1 eine trockenlaufende Lagerung. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass kein Schmiermittel, wie beispielsweise Fett oder Öl, im Gleitspalt vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße trockenlaufende Gleitlagerung spielt ihren Vorteil insbesondere bei kleinen Schwenkamplituden und geringen Rotationsgeschwindigkeiten aus. In diesem Bewegungsbereich sind die Trockenlaufeigenschaften und damit einhergehend die Verschleißbeständigkeit der Drehverbindung 1 überraschend gut.

Der Außenring ist vorzugsweise teilweise oder vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff, wie beispielsweise glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet. Als Kunststoff wird ein duroplastisches Epoxidharz besonders bevorzugt. An der Oberfläche der Gleitflächen 13a, b, c und/oder an den Oberflächen der Gleitflächen 1 1 a, b, c, sind vorzugsweise eine oder mehrere Schichten eines haftmindernden Materials aufgebracht, beispielsweise (expandiertes) Polytetrafluorethylen ((e)PTFE). Der Innenring 3 ist vorzugsweise zumindest im Bereich des flanschartigen Vorsprungs 9, vorzugsweise aber vollständig, aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Die Oberflächenrauheit beträgt vorzugsweise weniger als 1 ,9 μιτι R _a , besonders bevorzugt weniger als 0,8 μιτι R _a .

Das Konzept der erfindungsgemäßen Drehverbindung wurde in den vorliegenden Figuren 2a, b anhand einer Drehverbindung für ein Pitchlager eines Rotorblattes 108 an der Gondel 104 dargestellt. Das Konzept lässt sich aber erfindungsgemäß auch auf eine Drehverbindung in Form eines Azimutlagers zwischen dem Turm 102 und der Gondel 104 realisieren. Auch bei einem solchen (nicht dargestellten) Turm ist vorzugsweise einer der Lagerringe aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, während der jeweils andere Lagerring aus einem ein- oder mehrteiligen Ring bestehend teilweise oder vollständig aus Faserverbundwerkstoff ausgebildet ist. Insoweit wird auf die obige Figurenbeschreibung und die weiter oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen vollumfänglich Bezug genommen.

Unter Bezugnahme auf die vorstehenden Figuren 1 und 2a, b wurde die Erfindung primär anhand einer Blattlagerung erörtert. Wie eingangs erwähnt betrifft die Erfindung allerdings auch andere Drehverbindungen wie beispielsweise die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Azimutlagerungen. In Figur 3 ist ein Ausschnitt einer Gondel 104 der Wind- energieanlage 100 (Figur 1 ) abgebildet. Die Windenergieanlage 100 weist in der Gondel 104 einen Maschinenträger 1 12 auf. An dem Maschinenträger 1 12 ist ein Antriebsmotor 1 13 zum Verstellen der Winkelausrichtung der Gondel 104 relativ zu dem Turm 102 ausgebildet. Der Antriebsmotor weist ein Antriebsritzel 1 15 auf, welches mit einer Verzahnung 15 und einer Drehverbindung V verzahnt ist. Die Verzahnung 15 ist an einem Lagerring 3', der vorzugsweise ein Innenring ist, ausgebildet. Der erste Lagerring 3' ist vorzugsweise, teilweise oder vollständig aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, oder aus einem der bevorzugten oben beschriebenen Werkstoffe. Der erste Lagerring 3' weist drei Gleitflächen 1 V a, b, c auf.

Die Drehverbindung V weist ferner einen zweiten Lagerring 5' auf. Im Unterschied zu dem Lagerring 5 gemäß den Figuren 2 a, b ist der zweite Lagerring 5' hinsichtlich seiner Grundstruktur aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet und weist zwei axiale Gleitflächen 13' a, c und eine radiale Gleitfläche 13' b auf, die vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen und optional eine oder mehrere Schichten eines haftmindernden Materials aufweisen. Alternativ oder zusätzlich sind auch an den Oberflächenab- schnitten der Gleitflächen 1 1 ' a, b, c ein oder mehrere Schichten eines haftmindernden Materials gemäß den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen aufgebracht. Die Gleitflächen 1 1 ' a, b, c und 13' a, b, c bilden jeweils Gleitlager miteinander aus. In Figur 4 ist eine leicht abweichende alternative Ausgestaltung einer Azimutlagerung als Drehverbindung 1 " abgebildet. Die Drehverbindung 1 " dient wie bereits die Drehverbindung V gemäß Figur 3 zu einer Rotation des Maschinenträgers 1 12 bzw. der Gondel 104 relativ zu dem Turm 102 der Windenergieanlage 100 (Figur 1 ). Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 3 weist ein erster Lagerring 3", der vorzugsweise ein innerer Lagerring ist, nicht drei, sondern lediglich zwei Gleitflächen 1 1 " a, b auf, die nicht streng radial oder axial ausgerichtet sind, sondern jeweils angestellt sind. Je nachdem, ob die abgebildete Konfiguration den ersten Lagerring 3" als Innen- oder Außenring zeigt, wäre die gezeigte Gleitlageranordnung eine X- oder O-Lagerung.

Die in Figur 4 gezeigte Drehverbindung 1 " weist zusätzlich zu dem ersten Lagerring 3" einen zweiten Lagerring 5" auf, an dem korrespondierend zu dem ersten Lagerring 3" zwei Gleitflächen 13" a, b angeordnet sind. Vorzugsweise ist der zweite Lagerring 5" aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, während die Gleitflächen 13" a, b in Form von, vorzugsweise segmentierten, Elementen aus einem Faserverbundwerkstoff wie beispielsweise glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet sind. Zu Oberflächenbeschaf- fenheit und Beschichtung gilt vorzugsweise dasselbe wie für die vorstehenden Ausführungsbeispiele und bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde.

In den Figuren 3 und 4 ist in identischer Weise eine Motorbremse 1 17 dargestellt, die in bekannter Weise dazu eingesetzt wird, eine Rotationsbewegung der Gondel 104 relativ zum Turm 102 zu bremsen oder zu stoppen. Sowohl das Ausführungsbeispiel der Figur 3 als auch das Ausführungsbeispiel der Figur 4 kann eine relativ zum Turm 102 innenliegende Drehverbindung 1 ', 1 " oder außenliegende Drehverbindung 1 ', 1 " zeigen. Die Terminologie des Innen- bzw. Außenrings ist dann jeweils entsprechend vertauscht.