DE102024108257A1

DE102024108257A1 - Hauptlagerung einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102024108257A1
Application number: DE102024108257.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph König; Franz Hauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-03-22
Filing date: 2024-03-22
Publication date: 2025-09-25
Anticipated expiration: 2044-03-23
Also published as: WO2025195549A1; DE102024108257B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hauptlagerung (1) einer Windkraftanlage, wobei die Hauptlagerung (1) als Gleitlager ausgebildet ist, wobei der Lageraußenring (2) des Gleitlagers aus einer Anzahl Lagersegmenten (3, 4) besteht, die über den Umfang des Lageraußenrings (2) angeordnet sind, und wobei die Lagersegmente (3, 4) eine Lagerfläche (5, 6) aufweisen, die auf eine definierte radiale Lage (r₁, r₂) eingestellt oder einstellbar sind. Um eine als Gleitlager ausgebildete Hauptlagerung einer Windkraftanlage so fortzubilden, dass Reibung und somit Verschleiß bei Start- und Stoppvorgängen vermindert werden können, sieht die Erfindung vor, dass die Lagersegmente (3, 4) aus einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe bestehen, wobei die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe auf eine erste radiale Lage (r₁) eingestellt oder einstellbar sind und wobei die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe in radiale Richtung (r) eine erste Federelastizität aufweisen und wobei die Lagersegmente (4) der zweiten Gruppe auf eine zweite radiale Lage (r₂) eingestellt oder einstellbar sind, die von der ersten radialen Lage (r₁) verschieden ist, und wobei die Lagersegmente (4) der zweiten Gruppe in radiale Richtung (r) eine zweite Federelastizität aufweisen, die von der ersten Federelastizität verschieden ist, wobei die erste radiale Lage (r₁) größer ist als die zweite radiale Lage (r₂) und wobei die erste Federelastizität größer ist als die zweite Federelastizität.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Hauptlagerung einer Windkraftanlage, wobei die Hauptlagerung als Gleitlager ausgebildet ist, wobei der Lageraußenring des Gleitlagers aus einer Anzahl Lagersegmenten besteht, die über den Umfang des Lageraußenrings angeordnet sind, und wobei die Lagersegmente eine Lagerfläche aufweisen, die auf eine definierte radiale Lage eingestellt oder einstellbar sind.
Eine gattungsgemäße Hauptlagerung für eine Windkraftanlage ist aus der US 2020/0173425 A1 bekannt.
Bei der Lagerung des Rotors einer Windkraftanlage sind hydrodynamische Gleitlager eine interessante Alternative zu Wälzlagern, die häufig hierfür eingesetzt werden. Solche Gleitlager erlauben einen Lagertausch auf dem Turm ohne Demontage des Rotors, was wirtschaftlich sehr interessant ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Segmentierung des Lageraußenrings besteht insbesondere bei sehr großen Windkraftanlagen darin, dass solche Gleitlager keine sehr großen Schmiede- und Härteanlagen benötigen und weiterhin auch die Segmente leichter zu transportieren sind.
Bei der genannten vorbekannten Lösung werden die einzelnen Lagersegmente des Außenrings hinsichtlich der zu erwartenden auftretenden Maximalbelastung ausgelegt und in der konstruktionsbedingt geforderten Position fixiert.
Eine spezielle Berücksichtigung geringer Lastzustände erfolgt nicht.
Problematisch ist, dass bei Start- und Stoppvorgängen bei hydrodynamischen Gleitlagern Mischreibung vorliegt, wodurch ein gewisser Verschleiß der Gleitbeläge der Gleitlagersegmente verursacht wird. Ferner werden hierdurch relativ hohe Reibmomente in die Struktur eingeleitet. Bei geringen Windgeschwindigkeiten kann ein entsprechend hohes Reibmoment des Gleitlagers ein Starten des Windrades verhindern.
Aufgrund einer stark variablen Lastrichtung sind die einzelnen Segmente des Gleitlagers unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt und werden teilweise in gewissen Belastungsrichtungen gar nicht benötigt.
Verschiedene Lösungen für die Gestaltung eines Gleitlagers sind aus der DE 10 2017 223 370 A1 , der US 2011/0188988 A1 , der US 2019/0195204 A1 und der WO 2019/120870 A1 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Gleitlager ausgebildete Hauptlagerung einer Windkraftanlage so fortzubilden, dass Reibung und somit Verschleiß bei Start- und Stoppvorgängen vermindert werden können. Dadurch soll eine größere Gebrauchsdauer bei einer gattungsgemäßen Lagerung erreicht werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung sieht vor, dass die Lagersegmente aus einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe bestehen, wobei die Lagersegmente der ersten Gruppe auf eine erste radiale Lage eingestellt oder einstellbar sind und wobei die Lagersegmente der ersten Gruppe in radiale Richtung eine erste Federelastizität aufweisen und wobei die Lagersegmente der zweiten Gruppe auf eine zweite radiale Lage eingestellt oder einstellbar sind, die von der ersten radialen Lage verschieden ist, und wobei die Lagersegmente der zweiten Gruppe in radiale Richtung eine zweite Federelastizität aufweisen, die von der ersten Federelastizität verschieden ist, wobei die erste radiale Lage größer ist als die zweite radiale Lage und wobei die erste Federelastizität größer ist als die zweite Federelastizität.
Unter den genannten radialen Lagen ist zu verstehen, in welcher radialen Position die Lagerflächen der Lagersegmente positioniert sind, um das zu lagernde Teil, insbesondere also den Rotor der Windenergieanlage, aufzunehmen. Unter einer größeren radialen Lage ist zu verstehen, dass die Lagerfläche des Lagersegments näher am zu lagernden Teil, insbesondere also am Rotor der Windenergieanlage, angeordnet ist. Insoweit ist also der radiale Abstand der Lagerfläche des Lagersegments ausgehend vom Gehäuseteil gemeint, welches den Lageraußenring aufnimmt.
Bezüglich der Federelastizitäten sei angemerkt, dass bei einem hohen Wert der Federelastizität bei Aufbringung einer Kraft (vom Rotor) ein größerer Federweg (in radiale Richtung) erfolgt. Größere Federelastizität bedeutet also, dass die Federkonstante bzw. Federsteifigkeit (gemessen in N/m) einen kleineren Wert hat als im Falle einer kleineren Federelastizität.
Die Differenz zwischen der ersten radialen Lage und der zweiten radialen Lage beträgt bevorzugt zwischen 0,1 mm und 5,0 mm.
Die erste Federelastizität ist bevorzugt mindestens um den Faktor 3, vorzugsweise mindestens um den Faktor 5, größer als die zweite Federelastizität. Entsprechend ist die Federkonstante im Falle der ersten Federelastizität mindestens um den Faktor 3, vorzugsweise mindestens um den Faktor 5, kleiner als die Federkonstante im Falle der zweiten Federelastizität.
Die Lagersegmente der ersten Gruppe und die Lagersegmente der zweiten Gruppe sind bevorzugt axial nebeneinander angeordnet. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass die Lagersegmente der ersten Gruppe und die Lagersegmente der zweiten Gruppe in Umfangsrichtung alternierend aufeinander folgen. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung auf ein Lagersegment der ersten Gruppe mehr als ein Lagersegment der zweiten Gruppe (oder umgekehrt) folgt.
Zumindest die Lagersegmente einer Gruppe bestehen bevorzugt jeweils aus einem Auflagerelement, welches auf einem Bauteil aus Elastomermaterial angeordnet ist, wobei das Bauteil aus Elastomermaterial an einem Gehäuseteil festgelegt ist. Durch das Bauteil aus Elastomermaterial wird in diesem Falle die genannte Elastizität zumindest einer Gruppe der Lagersegmente hergestellt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Lagersegmente der ersten Gruppe mit einem Fluidzufluss auf die Lagerfläche versehen sind, um eine hydrostatische Lagerfunktion herzustellen. Demgemäß wird hier eine hydrostatische Lagerfunktion erzeugt, welche vom Stillstand des Rotors ausgehend für eine praktisch reibungsfreie Lagerung sorgt, wodurch Verschleiß verhindert wird.
Die Reibung und somit der auftretende Verschleiß bei Start- und Stoppvorgängen können also durch hydrostatische Schmiertaschen in Gleitlagersegmenten wesentlich minimiert werden. Gleitlagersegmente mit hydrostatischen Schmiertaschen haben im Normalbetrieb von Windkraftanlagen eine geringere Tragfähigkeit als Gleitlagersegmente ohne hydrostatische Schmiertaschen. Dies wird sehr vorteilhaft durch die Kombination von hydrostatischen und hydrodynamischen Schmiertaschen bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung genutzt.
Die Lagersegmente der ersten Gruppe können mit Einstellmitteln versehen sein, mit denen die erste radiale Lage verändert werden kann. Die Einstellmittel können dabei ein hydraulisches Kolben-Zylinder-System aufweisen, welches für die Einstellung der ersten radialen Lage verwendet wird. Als mögliche Alternative kann auch vorgesehen werden, dass die Einstellmittel ein mechanisches Stellsystem, insbesondere umfassend einen Tassenstößel, aufweisen, welches für die Einstellung der ersten radialen Lage verwendet wird. Mit dieser Ausgestaltung kann erreicht werden, dass die Lagersegmente der ersten Gruppe in ihrer radialen Zustellung auf den Rotor zurückgenommen werden, wenn der Anlauf des Motors stattgefunden hat; dies gilt insbesondere besonders vorteilhaft dann, wenn die Lagersegmente der ersten Gruppe als hydrostatische Elemente ausgebildet sind.
Das vorgeschlagene hydrodynamische Gleitlager hat somit eine belastungsgesteuerte Gleitfläche. Es entsteht eine wachsende Gleitfläche bei steigender Belastung, während die Gleitlagersegmente mit hydrostatischen Schmiertaschen - zusätzliche zu den Gleitlagersegmenten ohne hydrostatische Schmiertaschen - beim Anlauf und beim Auslauf des Rotors für Verschleißarmut sorgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 schematisch in der geschnittenen Seitenansicht ein Hauptlager einer Windkraftanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei von dem zur Lagerung eingesetzten Gleitlager nur ein Teil dargestellt ist, und
2 schematisch in der geschnittenen Vorderansicht das Hauptlager gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei wiederum von dem zur Lagerung eingesetzten Gleitlager nur ein Teil dargestellt ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist die Hauptlagerung 1 einer Windkraftanlage skizziert, die als Gleitlager ausgebildet ist. In einem Gehäuseteil 11 sind Lagersegmente 3, 4 angeordnet, welche den Lageraußenring 2 bilden und jeweils eine Lagerfläche 5, 6 aufweisen. Die Lagerflächen 5, 6 liegen dem Rotor der Windkraftanlage und namentlich dem Wellenteil 13 desselben gegenüber und lagern diesen. Die Lagersegmente 3, 4 erstrecken sich (was in 1 nicht dargestellt ist) um den gesamten Umfang des Wellenteils 13 herum, so dass letzteres vollständig abgestützt ist.
Aus 1 ist ersichtlich, dass die Lagersegmente 3, 4 aus zwei Gruppen bestehen. Die Lagersegmente 3 bilden eine erste eine Gruppe, die Lagersegmente 4 bilden eine zweite Gruppe. Im Ausführungsbeispiel nach 1 sind die beiden Gruppen 3, 4 in axiale Richtung a nebeneinander angeordnet und im Gehäuseteil 11 befestigt.
Weiterhin ist zu erkennen, dass die Oberfläche der Lagerfläche 5, 6 bei den beiden Gruppen 3 und 4 auf unterschiedlichen radialen Lagen angeordnet ist. Insoweit wird zunächst auf die radiale Richtung r hingewiesen, die in 1 eingetragen ist. Im Falle der Lagersegmente 3, d. h. im Falle der ersten Gruppe, liegt eine erste radiale Lage r₁ vor, während im Falle der Lagersegmente 4, d. h. im Falle der zweiten Gruppe, eine zweite radiale Lage r₂ gegeben ist. Die beiden radialen Lagen r₁, r₂ sind dabei quasi aus Sicht des Gehäuseteils 11 zu verstehen, wie sich aus der eingetragenen Bezeichnung der beiden radialen Lagen ergibt.
Dabei ist die erste radiale Lage r₁ größer ist als die zweite radiale Lage r₂. Demgemäß liegt die Oberfläche der Lagerfläche 5 näher am Wellenteil 13 als die Oberfläche der Lagerfläche 6, welche etwas weiter weg vom Wellenteil 13 liegt.
Ferner ist zu erkennen, dass die Lagersegmente 3, 4 jeweils aus einem Auflagerelement 7 bzw. 8 bestehen, welches in an sich bekannter Weise mit einer Gleitschicht im Bereich der Lagerfläche 5, 6 versehen sein kann. Das Auflagerelement 7, 8 ist mit einem Bauteil 9 bzw. 10 verbunden, welches aus Elastomermaterial besteht und demgemäß federelastische Eigenschaften hat. Durch eine entsprechend gewählte unterschiedliche radiale Höhe des Bauteils 9, 10 wird erreicht, dass die Federelastizität des Lagersegments 3 und diejenige des Lagersegments 4 unterschiedlich groß sind, wobei hierunter die Elastizität in radiale Richtung r zu verstehen ist.
Nachdem für das Lagersegment 3 ein Bauteil 9 vorgesehen ist, welches in radiale Richtung r eine größere Ausdehnung hat als im Falle des Lagesegments 4, hat das Lagersegment 3 eine erste Federelastizität, welche größer ist als die zweite Federelastizität (zu diesbezüglichen Definition wird auf die obigen Ausführungen zur Federkonstante verwiesen).
Somit bildet die Hauptlagerung im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 1 ein axial geteiltes radiales Gleitlager. Dieses besteht aus den beiden Gruppen von Lagersegmenten 3, 4 (auch als Pads bezeichnet), welche in ihrer radialen Höhe unterschiedlich eingestellt sind und unterschiedlich steif gelagert sind.
Das Lagersegment 3 ist (aus Sicht des Gehäuseteils 11) höher eingestellt, es nimmt also zuerst die Last auf, wenn das Wellenteil 13 auf den Lageraußenring 2 Kräfte ausübt. Das Lagersegment 3 ist im Vergleich zum Lagersegmente 4 deutlich elastischer gelagert. Steigt die Windgeschwindigkeit und mit ihr die Belastung, federt das Lagersegmente 3 folglich ein, bis das Lagersegmente 4 zum Eingriff kommt. Dieses ist weniger hoch, aber steifer gelagert und übernimmt dann den Hauptteil der Last.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 illustriert, dass statt eines axialen Versatzes der Lagersegmente 3, 4 auch ein Versatz in Umfangsrichtung U vorgesehen werden kann. In 2 sind nur insgesamt drei Lagersegmente eingezeichnet, nämlich ein Lagersegment 3 und zwei Lagersegmente 4, wenngleich natürlich Lagersegmente 3, 4 über den gesamten Umfang des Wellenteils 13 angeordnet werden.
In 2 ist auch (durch einen Doppelpfeil) angedeutet, dass Einstellmittel 12 für die erste radiale Lage r₁ vorgesehen werden können. Dies bietet die Möglichkeit, nach Anlauf des Rotors die Lagersegmente 3 in ihrer radialen Lage zurückzufahren, so dass die Lagerbelastung überwiegend durch die Lagersegmente 4 aufgenommen wird. Die Art und Weise, wie eine Verstellung der Lagersegmente 3 in radiale Richtung r erfolgt, ist grundsätzlich beliebig. Es können hierzu beispielsweise Tassenstößel eingesetzt werden. Auch hierdurch lässt sich die Steifigkeit beeinflussen.
Dies ist insbesondere dann von besonderem Vorteil, wenn für die Lagersegmente 4 klassische hydrodynamische Segmente verwendet werden, indes für die Gleitlagersegmente 3 hydrostatische Gleitlagersegmente zum Einsatz kommen.
In diesem Falle sind also vorteilhaft Gleitlagersegmente 3 mit hydrostatischen Schmiertaschen mit größerer Höhe (erste radiale Lage r₁) und einer elastischeren Lagerung zusammen mit Gleitlagersegmenten 4 ohne hydrostatische Schmiertaschen geringerer Höhe (zweite radiale Lage r₂) und weniger elastischer Lagerung verbaut. Bei Startvorgängen bei geringen Windlasten sind im Wesentlichen die hydrostatischen Gleitlagersegmente 3 im Kontakt. Bei hohen Windlasten federn die elastisch gelagerten Gleitlagersegmente 3 mit hydrostatischen Schmiertaschen ein und es kommen die tragfähigeren Gleitlagersegmente 4 ohne hydrostatische Schmiertaschen in Kontakt.
Die Gleitlagersegmente 3 mit hydrostatischen Schmiertaschen können, wie erläutert, beispielsweise auf hydraulischen Tassenstößeln oder Hydraulikzylindern montiert werden, so dass sie für Start- und Stoppvorgänge ausgefahren werden können.
Bezugszeichenliste

1: Hauptlagerung der Windkraftanlage
2: Lageraußenring
3: Lagersegment
4: Lagersegment
5: Lagerfläche
6: Lagerfläche
7: Auflagerelement
8: Auflagerelement
9: Bauteil
10: Bauteil
11: Gehäuseteil
12: Einstellmittel für die erste radiale Lage
13: Wellenteil
a: axiale Richtung
r: radiale Richtung
U: Umfangsrichtung
r1: erste radiale Lage
r2: zweite radiale Lage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2020/0173425 A1 [0002]
DE 10 2017 223 370 A1 [0008]
US 2011/0188988 A1 [0008]
US 2019/0195204 A1 [0008]
WO 2019/120870 A1 [0008]

Claims

Hauptlagerung (1) einer Windkraftanlage, wobei die Hauptlagerung (1) als Gleitlager ausgebildet ist, wobei der Lageraußenring (2) des Gleitlagers aus einer Anzahl Lagersegmenten (3, 4) besteht, die über den Umfang des Lageraußenrings (2) angeordnet sind, und wobei die Lagersegmente (3, 4) eine Lagerfläche (5, 6) aufweisen, die auf eine definierte radiale Lage (r₁, r₂) eingestellt oder einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagersegmente (3, 4) aus einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe bestehen, wobei die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe auf eine erste radiale Lage (r₁) eingestellt oder einstellbar sind und wobei die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe in radiale Richtung (r) eine erste Federelastizität aufweisen und wobei die Lagersegmente (4) der zweiten Gruppe auf eine zweite radiale Lage (r₂) eingestellt oder einstellbar sind, die von der ersten radialen Lage (r₁) verschieden ist, und wobei die Lagersegmente (4) der zweiten Gruppe in radiale Richtung (r) eine zweite Federelastizität aufweisen, die von der ersten Federelastizität verschieden ist, wobei die erste radiale Lage (r₁) größer ist als die zweite radiale Lage (r₂) und wobei die erste Federelastizität größer ist als die zweite Federelastizität.
Hauptlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der ersten radialen Lage (r₁) und der zweiten radialen Lage (r₂) zwischen 0,1 mm und 5,0 mm beträgt.
Hauptlagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Federelastizität mindestens um den Faktor 3, vorzugsweise mindestens um den Faktor 5, größer ist als die zweite Federelastizität.
Hauptlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe und die Lagersegmente (4) der zweiten Gruppe axial (a) nebeneinander angeordnet sind.
Hauptlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe und die Lagersegmente (4) der zweiten Gruppe in Umfangsrichtung (U) alternierend aufeinander folgen.
Hauptlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Lagersegmente (3, 4) einer Gruppe jeweils aus einem Auflagerelement (7, 8) bestehen, welches auf einem Bauteil (9, 10) aus Elastomermaterial angeordnet ist, wobei das Bauteil (9, 10) aus Elastomermaterial an einem Gehäuseteil (11) festgelegt ist.
Hauptlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe mit einem Fluidzufluss auf die Lagerfläche (5) versehen sind, um eine hydrostatische Lagerfunktion herzustellen.
Hauptlagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagersegmente (3) der ersten Gruppe mit Einstellmitteln (12) versehen sind, mit denen die erste radiale Lage (r₁) verändert werden kann.
Hauptlagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel ein hydraulisches Kolben-Zylinder-System aufweisen, welches für die Einstellung der ersten radialen Lage (r₁) verwendet wird.
Hauptlagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellmittel ein mechanisches Stellsystem, insbesondere umfassend einen Tassenstößel, aufweisen, welches für die Einstellung der ersten radialen Lage (r₁) verwendet wird.