DE102015112056A1

DE102015112056A1 - Wälzlageranordnung, insbesondere Großwälzlageranordnung, und Blattlager für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102015112056A1
Application number: DE102015112056.9A
Authority: DE
Inventors: Gunther Elfert
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde Germany GmbH
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, insbesondere Großwälzlageranordnung, aufweisend einen Innenring und einen relativ zum Innenring um eine Rotationsachse drehbaren und in radialer Richtung überlappenden Außenring, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring zwei in axialer Richtung zueinander versetzte Reihen von Wälzkörpern angeordnet sind, wobei die Wälzkörper jeweils in am Innenring und am Außenring ausgebildeten Laufbahnen laufen, wobei der Innenring und der Außenring einander mittels eines am Innenring oder am Außenring ausgebildeten zwischen die zwei Reihen von Wälzkörpern vorspringenden Radialvorsprungs in axialer Richtung überlappen, wobei die Wälzkörper als Toroidalrollen ausgebildet sind.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, insbesondere Großwälzlageranordnung, aufweisend einen Innenring und einen relativ zum Innenring um eine Rotationsachse drehbaren und den Innenring in radialer Richtung überlappenden Außenring, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring zwei in axialer Richtung zueinander versetzte Reihen von Wälzkörpern angeordnet sind, wobei die Wälzkörper jeweils in am Innenring und am Außenring ausgebildeten Laufbahnen laufen, wobei der Innenring und der Außenring einander mittels eines am Innenring oder am Außenring ausgebildeten, zwischen die zwei Reihen von Wälzkörpern vorspringenden Radialvorsprungs in axialer Richtung überlappen.
Solche Wälzlageranordnungen werden beispielsweise als Blattlager zur drehbaren Anbindung von Rotorblättern bei Windkraftanlagen verwendet, um durch die Einstellung des Blattwinkels eine Leistungsregelung der Windkraftanlage zu ermöglichen.
Aus der EP 2 087 249 B1 ist eine derartige Wälzlageranordnung mit zwei in axialer Richtung zueinander versetzten Reihen von Wälzkörpern bekannt. Die Wälzkörper dieser Wälzkörperanordnung sind kugelförmig ausgebildet, so dass Kräfte sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung aufgenommen werden können. Zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen bildet sich eine elliptische Kontaktfläche aus, wodurch die Tragfähigkeit dieser Wälzlageranordnung eingeschränkt ist.
Höhere Tragfähigkeiten können mit einer Wälzlageranordnung erreicht werden, die zylinderrollenförmige Wälzkörper aufweist, wie sie beispielsweise aus der EP 0 413 119 A2 bekannt ist. Bei dieser Wälzlageranordnung stehen die Zylinderrollen in einem Linienkontakt mit den Laufbahnen, wodurch sich eine erhöhte Tragfähigkeit ergibt. Allerdings können lastbedingte Verformungen des Innenrings und/oder des Außenrings durch die Zylinderrollen teilweise nicht ausgeglichen werden. Je nach Anschlusskonstruktion können derartige Verformungen zu erhöhtem Stillstandsverschleiß (engl. „false brinelling“) der Wälzlageranordnung führen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wälzlageranordnung mit erhöhter Tragfähigkeit bereitzustellen, die weniger anfällig für durch lastbedingte Verformungen hervorgerufenen Verschleiß ist.
Bei einer Wälzlageranordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wälzkörper als Toroidalrollen ausgebildet sind.
Bei erhöhter Last bildet sich eine linienförmige Kontaktzone zwischen den Toroidalrollen und den Laufbahnen aus, wodurch sich die Tragfähigkeit erhöht. Aufgrund der Geometrie der Toroidalrollen werden auch bei erhöhter Last Schiefstellungen zugelassen, so dass lastbedingte Verformungen ausgeglichen werden können. Insgesamt wird somit eine Wälzlageranordnung mit erhöhter Tragfähigkeit bereitgestellt, die besser lastbedingte Verformungen ausgleichen kann und daher weniger schnell verschleißt.
Toroidalrollen sind verhältnismäßig lange, leicht ballige Rollen. Das Verhältnis der Länge der Toroidalrollen zu dem Nenndurchmesser der Toroidalrollen kann größer als 1 sein, bevorzugt größer als 1,1, besonders bevorzugt größer als 1,2.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Laufbahnen, in welchen die Toroidalrollen laufen, sphärisch ausgestaltet, wodurch Schrägstellungen der Toroidalrollen innerhalb der Laufbahnen vereinfacht ermöglicht werden. Bevorzugt ist der Krümmungsradius der Laufbahnen größer als der Bombierungsradius der Toroidalrollen, so dass bei geringer Belastung ein Punktkontakt zwischen den Toroidalrollen und den entsprechenden Laufbahnen besteht. Die Laufbahnen können bordlos ausgebildet sein, so dass die Toroidalrollen in der Laufbahn nicht durch Borde geführt werden, sondern allein durch die zwischen den Toroidalrollen und der Laufbahn auftretenden Reibungskräfte.
Bevorzugt sind in radialer Richtung seitlich der Laufbahnen auf beiden Seiten Freiräume angeordnet, so dass eine radiale Verschiebung der Laufbahnen des Innenrings und der Laufbahnen des Außenrings gegeneinander ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher die Toroidalrollen jeweils eine Länge und einen Bombierungsradius aufweisen und das Verhältnis des Bombierungsradius zur Länge im Bereich von 1 bis 5, bevorzugt im Bereich von 3 bis 5, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 5, liegt.
Konstruktiv vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Außenring oder der Innenring eine umlaufende Nut aufweist, in welche der am Innenring oder am Außenring angeordnete Radialvorsprung entgegen der radialen Richtung vorsteht, so dass ein kompakter Aufbau der Wälzlageranordnung ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn an den Flanken des Radialvorsprungs Laufbahnen für die Wälzkörper ausgebildet sind. Eine derartige Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die Wälzkörper im Bereich zwischen den Flanken des Radialvorsprungs und einer Innenseite der Nut geführt werden können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass in axialer Richtung zwischen den beiden Reihen von Wälzkörpern ein radiales Zusatzlager angeordnet ist. Über das radiale Zusatzlager können in radialer Richtung wirkende Kräfte zwischen dem Innenring und dem Außenring übertragen werden. Besonders bevorzugt ist das radiale Zusatzlager an einer die Flanken verbindenden Stirnseite des Radialvorsprungs angeordnet. Dadurch wird der zwischen den Flanken vorhandene axiale Bauraum gut ausgenutzt und eine in axialer Richtung kompakte Bauweise erzielt. Über das radiale Zusatzlager können die als Toroidalrollen ausgebildeten Wälzkörper bei der Aufnahme von in radialer Richtung wirkenden Kräfte unterstützt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn das radiale Zusatzlager eine Reihe von Zusatzwälzkörpern in Form von Zylinderrollen aufweist, wobei die jeweiligen Drehachsen der Zylinderrollen im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Wälzlagers verlaufen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das radiale Zusatzlager eine Reihe von kugelförmigen Zusatzwälzkörpern aufweist.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Laufbahn für die Zusatzwälzkörper an einer Stirnseite des Radialvorsprungs ausgebildet ist und wobei eine andere Laufbahn für die Zusatzwälzkörper, insbesondere mittig, in der umlaufenden Nut ausgebildet ist. Die Laufbahnen für die Zusatzwälzkörper in Form von Zylinderrollen können eben ausgebildet sein und optional Borde aufweisen. Die Laufbahnen für kugelförmige Zusatzwälzkörper sind bevorzugt sphärisch ausgebildet, wobei bevorzugt der Krümmungsradius der Laufbahnen für die Zusatzwälzkörper größer ist als der Radius der kugelförmigen Zusatzwälzkörper.
Die Wälzlageranordnung weist bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 1 m bis 10 m, bevorzugt von 3 m bis 7 m, besonders bevorzugt von 4 m bis 6 m auf, so dass sie in einem Blattlager für eine Windkraftanlage Verwendung finden kann.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Blattlager für eine Windkraftanlage aufweisend eine vorstehend beschriebene Wälzlageranordnung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung in einer Frontalansicht.
Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer Schnittdarstellung.
Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer Schnittdarstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In der 1 ist eine Windkraftanlage 1 gezeigt, die einen auf einem Turm angeordneten Rotor 3 aufweist. Der Rotor 3 ist über ein Azimut-Lager gegenüber dem Turm in Azimut drehbar gelagert. An dem Rotor 3 sind mehrere Rotorblätter 2 vorgesehen, welche zur Einstellung des Blattwinkels der einzelnen Rotorblätter 2 über Blattlager 4 drehbar an dem Rotor 3 gelagert sind.
Das Azimut-Lager und die Blattlager 4 weisen jeweils eine Großwälzlageranordnung mit einem Durchmesser im Bereich von 1 m bis 10 m, bevorzugt von 3 m bis 7 m, besonders bevorzugt von 4 m bis 6 m, auf. Nachfolgend soll ein Blattlager 4 beschrieben werden, welches die Rotorblätter 2 mit dem Rotor 3 drehbar verbindet. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, ein Azimut-Lager der Windkraftanlage 1 wie nachfolgend beschrieben auszubilden.
Die nachfolgend beschriebenen Wälzlageranordnungen weisen jeweils zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete Reihen von Wälzkörpern auf, die als Toroidalrollen 13, 14 ausgebildet sind. Die Toroidalrollen 13, 14 sind verhältnismäßig lange, leicht ballige Rollen, wobei das Verhältnis der Länge der Toroidalrollen 13, 14 zu dem Nenndurchmesser der Toroidalrollen 13, 14 größer als 1 sein kann, bevorzugt größer als 1,1, besonders bevorzugt größer als 1,2.
Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Blattlagers 4 mit einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung. Die Wälzlageranordnung umfasst einen Innenring 5 sowie einen relativ zum Innenring 6 um eine Rotationsachse R drehbar angeordneten Außenring 6. Der mittlere Radius des Innenrings 5 ist kleiner als der mittlere Radius des Außenrings 6. Da der Außenradius des Innenrings 5 größer ist als der Innenradius des Außenrings 6 ergibt sich ein Bereich, in welchem sich der Innenring 5 und der Außenring 6 entlang der radialen Richtung überlappen. Diese Überlappung kommt dadurch zustande, dass die innere Mantelfläche 7 des Außenrings 6 eine Nut 8 und die äußere Mantelfläche 9 des Innenrings 6 einen in die Nut 8 eingreifenden Radialvorsprung 10 aufweist. Ferner überlappen sich der Innenring 5 und der Außenring 6 im Bereich des Radialvorsprungs 10 in axialer Richtung, d.h. in einer Richtung, die parallel zur Rotationsachse R der Wälzlageranordnung 4 verläuft.
Um das Einbringen der Toroidalrollen 13, 14 zu erleichtern, ist der Außenring 6 zweiteilig ausgebildet. Der Außenring weist ein erstes Ringelement 6.1 und ein zweites Ringelement 6.2 auf, welche lösbar aneinander festlegbar sind, beispielsweise über eine Schraubverbindung.
Am Außenring 6 sind zwei Laufbahnen 11, 12 für als Toroidalrollen 13, 14 ausgebildete Wälzkörper angeordnet. Die Laufbahnen 11, 12 des Außenrings 5 sind im Bereich der Nut 8, insbesondere an den Innenseiten der Nut 8, vorgesehen. Der Innenring 5 weist ebenfalls zwei Laufbahnen 15, 16 auf, in welchen die Toroidalrollen 13, 14 geführt sind. Die Laufbahnen 15, 16 des Innenrings 5 sind an den Flanken des Radialvorsprungs 10 ausgebildet. Die Laufbahnen 11, 12, 15, 16 weisen eine sphärische Innenkontur auf, d.h. dass der Querschnitt der Innenkontur kreislinienförmig ist. Der Radius der Innenkontur der Laufbahnen 11, 12, 15, 16 ist im Wesentlichen identisch, wobei der Radius geringfügig größer gewählt ist als der Bombierungsradius der Toroidalrollen 13, 14. Alternativ können die Radien der Laufbahnen 11, 12, 15, 16, an welchen eine Toroidalrolle 13, 14 anliegt, unterschiedlich sein.
Dadurch dass die Radien der Laufbahnen 11, 12, 15, 16 größer als die Bombierungsradien der Toroidalrollen 13, 14 gewählt sind, berühren die Toroidalrollen 13, 14 die entsprechenden Laufbahnen 11, 12, 15, 15 bei geringer Last in einem im Wesentlichen punktförmigen Kontaktbereich. Bei erhöhter Last bildet sich eine kreislinienförmige Kontaktzone zwischen den Toroidalrollen 13, 14 und den Laufbahnen 11, 12, 15, 16 aus, wodurch sich die Tragfähigkeit erhöht. Aufgrund der balligen Geometrie der Toroidalrollen 13, 14 sind auch bei erhöhter Last Schiefstellungen möglich, so dass lastbedingte Verformungen ausgeglichen werden können. Insgesamt wird somit eine Wälzlageranordnung mit erhöhter Tragfähigkeit bereitgestellt, die besser lastbedingte Verformungen ausgleichen kann und daher weniger schnell verschleißt.
Die Laufbahnen 11, 12, 15, 16 sind bordlos ausgestaltet. Ferner sind in einer Richtung senkrecht zur Rotationsachse R seitlich der Laufbahnen 11, 12, 15, 16 jeweils Freiräume angeordnet. Insofern ist es möglich, belastungsbedingte Verformungen auszugleichen, infolge derer sich der Innenring 5 zumindest bereichsweise gegenüber dem Außenring verkippt.
In der Schnittdarstellung in 2 ist eine Verformung der Wälzlageranordnung gezeigt, bei welcher der Innenring 5 gegenüber dem Außenring 6 im Bereich der Schnittebene infolge einer belastungsbedingten Verformung derart schräg steht, dass eine erhöhte Belastung auf die untere Toroidalrolle 14 wirkt, während die in axialer Richtung oberhalb der unteren Toroidalrolle 14 angeordnete obere Toroidalrolle 13 entlastet ist. Die äußere Mantelfläche 9 des Innenrings 5 liegt an einem unteren Bereich der inneren Mantelfläche 7 des Außenrings 6 an, während zwischen der äußeren Mantelfläche 9 des Innenrings 5 und einem in axialer Richtung beabstandeten, oberen Bereich der inneren Mantelfläche 7 des Außenrings 6 ein Spalt besteht. Die Toroidalrollen 14 der unteren Reihe stehen in einem kreislinienförmigen Kontakt mit den entsprechenden Laufbahnen 12, 16, so dass eine erhöhte Belastung aufnehmbar ist, ohne dass Schäden an den Toroidalrollen 14 oder den Laufbahnen 12, 16 zu befürchten sind.
In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer Schnittdarstellung gezeigt. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Nut 8 an der äußeren Mantelfläche 9 des Innenrings 6 angeordnet. Die innere Mantelfläche 7 des Außenrings 6 weist einen in die Nut 8 eingreifenden Radialvorsprung 10 auf. Ferner ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich ein radiales Zusatzlager 20 vorgesehen, welches in radialer Richtung, d.h. senkrecht zur Rotationsachse R wirkende Kräfte aufnehmen kann. Das radiale Zusatzlager 20 ist in axialer Richtung zwischen den beiden Reihen von als Toroidalrollen 13, 14 ausgebildeten Wälzkörpern angeordnet. Dadurch wird der in axialer Richtung zwischen den Toroidalrollen 13, 14 vorhandene Bauraum platzsparend ausgenutzt und eine in Axialrichtung kompakte Bauweise der Wälzlageranordnung erreicht.
Das radiale Zusatzlager 20 enthält eine Reihe von Zusatzwälzkörpern, die entweder als Zylinderrollen ausgebildet sind, deren Drehachsen im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse R verlaufen, oder als kugelförmige Wälzkörper. An einer Stirnseite des Radialvorsprungs 10 ist eine Laufbahn vorgesehen, in welcher die Zusatzwälzkörper laufen. Eine weitere Laufbahn für die Zusatzwälzkörper ist mittig in der umlaufenden Nut 8 ausgebildet.
Die vorstehend beschriebenen Wälzlageranordnungen, insbesondere Großwälzlageranordnungen, weisen jeweils einen Innenring 5 und einen relativ zum Innenring 5 um eine Rotationsachse R drehbaren und den Innenring in radialer Richtung überlappenden Außenring 6 auf, wobei zwischen dem Innenring 5 und dem Außenring 6 zwei in axialer Richtung zueinander versetzte Reihen von als Toroidalrollen 13, 14 ausgebildeten Wälzkörpern angeordnet sind, wobei die als Toroidalrollen 13, 14 ausgebildeten Wälzkörper jeweils in am Innenring 5 und am Außenring 6 ausgebildeten Laufbahnen 11, 12, 15, 16 laufen, wobei der Innenring 5 und der Außenring 6 einander mittels eines am Innenring 5 oder am Außenring 6 ausgebildeten, zwischen die zwei Reihen von Wälzkörpern 13, 14 vorspringenden Radialvorsprungs 10 in axialer Richtung überlappen. Durch die als Toroidalrollen 13, 14 ausgebildeten Wälzkörper 13, 14 kann eine erhöhte Tragfähigkeit bei reduzierter Anfälligkeit für durch lastbedingte Verformungen hervorgerufenen Verschleiß erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Rotorblatt
3: Rotor
4: Blattlager
5: Innenring
6: Außenring
7: Mantelfläche
8: Nut
9: Mantelfläche
10: Radialvorsprung
11: Laufbahn
12: Laufbahn
13: Wälzkörper
14: Wälzkörper
15: Laufbahn
16: Laufbahn
20: Zusatzlager
R: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2087249 B1 [0003]
EP 0413119 A2 [0004]

Claims

Wälzlageranordnung, insbesondere Großwälzlageranordnung, aufweisend einen Innenring (5) und einen relativ zum Innenring (5) um eine Rotationsachse (R) drehbaren und den Innenring (5) in radialer Richtung überlappenden Außenring (6), wobei zwischen dem Innenring (5) und dem Außenring (6) zwei in axialer Richtung zueinander versetzte Reihen von Wälzkörpern (13, 14) angeordnet sind, wobei die Wälzkörper (13, 14) jeweils in am Innenring (5) und am Außenring (6) ausgebildeten Laufbahnen (11, 12, 15, 16) laufen, wobei der Innenring (5) und der Außenring (6) einander mittels eines am Innenring (5) oder am Außenring (6) ausgebildeten, zwischen die zwei Reihen von Wälzkörpern (13, 14) vorspringenden Radialvorsprungs (10) in axialer Richtung überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (13, 14) als Toroidalrollen ausgebildet sind.
Wälzlageranordnung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Länge der Toroidalrollen zu dem Nenndurchmesser der Toroidalrollen größer ist als 1, bevorzugt größer ist als 1,1, besonders bevorzugt größer ist als 1,2.
Wälzlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laufbahnen (11, 12, 15, 16), in welchen die Toroidalrollen laufen, sphärisch ausgestaltet sind.
Wälzlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in radialer Richtung seitlich der Laufbahnen (11, 12, 15, 16) auf beiden Seiten Freiräume angeordnet sind.
Wälzlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Toroidalrollen jeweils eine Länge (L) und einen Bombierungsradius aufweisen und das Verhältnis des Bombierungsradius zur Länge im Bereich von 1 bis 5, bevorzugt im Bereich von 3 bis 5, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 5, liegt.
Wälzlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Außenring (6) oder der Innenring (5) eine umlaufende Nut (8) aufweist, in welche der am Innenring (5) oder am Außenring (6) angeordnete Radialvorsprung (10) entgegen der radialen Richtung vorsteht.
Wälzlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an Flanken des Radialvorsprungs (10) Laufbahnen (11, 12, 15, 16) für die Wälzkörper (13, 14) ausgebildet sind.
Wälzlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in axialer Richtung zwischen den beiden Reihen von Wälzkörpern (13, 14) ein radiales Zusatzlager (20) angeordnet ist.
Wälzlageranordnung nach Anspruch 8, wobei das radiale Zusatzlager (20) eine Reihe von Zusatzwälzkörpern in Form von Zylinderrollen aufweist, wobei die jeweiligen Drehachsen der Zylinderrollen im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse (R) verlaufen.
Wälzlageranordnung nach Anspruch 8, wobei das radiale Zusatzlager (20) eine Reihe von kugelförmigen Zusatzwälzkörpern aufweist.
Wälzlageranordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei eine Laufbahn für die Zusatzwälzkörper an einer Stirnseite des Radialvorsprungs (10) ausgebildet ist und wobei eine andere Laufbahn für die Zusatzwälzkörper mittig in der umlaufenden Nut (8) ausgebildet ist.
Blattlager für eine Windkraftanlage (1) aufweisend eine Wälzlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.