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Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Rotornabe für eine Windkraftanlage nach den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs.
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Eine Windkraftanlage beinhaltet einen Turm, eine Kanzel, die auf dem Turm drehbar angebracht ist, und einen Rotor der drehbar an der Kanzel montiert ist. Der Rotor besteht aus einer Rotornabe und einem oder mehreren Rotorblättern, die an der Rotornabe angebracht sind. Die Kanzel der Windkraftanlage beinhaltet den Antriebsstrang der Windkraftanlage. Der Rotor wird bei der Montage mit dem Antriebsstrang verbunden.
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Als Antriebsstrang einer Windkraftanlage wird die Abfolge von Maschinenelementen bezeichnet die die Rotationsenergie des Rotors der Windkraftanlage zum Rotor des elektrischen Generators übertragen. Teil eines Antriebsstrangs kann z. B. eine Welle sein, ein Getriebe, oder ein Lager, das die Rotornabe oder die Welle stützt.
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Beim Montagevorgang der Windkraftanlage wird die Kanzel auf dem Turm moniert. Die Rotornabe und die Rotorblätter werden an der Kanzel angebracht. Hierzu gibt es zwei mögliche Vorgehensweisen. Die erste ist, zuerst die Rotornabe an der Kanzel anzubringen. In einem weiteren Schritt werden die Rotorblätter an der Rotornabe befestigt.
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Die zweite Möglichkeit besteht darin die Rotorblätter an die Rotornabe zu montieren und den fertigen Rotor danach an der Kanzel der Windkraftanlage zu montieren.
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Werden die Rotorblätter nach der Montage der Rotornabe montiert, wird erst die Rotornabe mit Hilfe eines Krans an die Kanzel der Windkraftanlage gehoben und dort befestigt. Die Rotorblätter werden danach einzeln mit Hilfe des Krans an die Rotornabe gehoben und montiert. Dies hat den Nachteil, dass die Rotornabe, mit den gegebenenfalls bereits montierten Flügeln, zur Montage der weiteren Rotorblätter gedreht werden muss.
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Es ist auch möglich, einen Teil der Rotorblätter in Bodennähe an die Rotornabe zu montieren, die Rotornabe dann an die Kanzel anzubringen und die verbleibenden Rotorblätter danach an die Rotornabe zu montieren.
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Zur Montage des komplett oder teilweise vormontierten Rotors wird dieser an einem Aufnahmepunkt mit dem Kran verbunden.
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Die Rotornabe mit den montierten Rotorblättern wird dann mit Hilfe des Krans angehoben und an der Kanzel der Windkraftanlage montiert.
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Während des Montagevorgangs des Rotors verformt sich die Rotornabe des Rotors aufgrund der Krafteinwirkung der Rotorblätter, des Eigengewichts der Rotornabe und der Befestigung des Krans mit dem Aufnahmepunkt. Dies führt zu einer Verformung des Flansches der am Antriebsstrang der Windkraftanlage befestigt wird, bzw. von weiteren Komponenten die an diesem Flansch befestigt sind, wie z. B. ein Lager.
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Diese Verformung führt dazu, dass die Bolzen und zugehörigen Bohrungen, die zur Befestigung der Rotornabe am Antriebsstrang der Windkraftanlage vorgesehen sind, in ihrer Lage nicht mehr passend zueinander ausgerichtet sind. Damit ist eine Befestigung der Rotornabe am Antriebsstrang der Windkraftanlage nur mit Schwierigkeiten oder gar nicht mehr möglich.
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Um diese Verformung zu verringern, werden stärkere Flansche eingesetzt. Bei kleineren Windkraftanlagen, die typischerweise Ausgangsleistungen von kleiner 3 MW aufweisen, kann damit die Verformung des Flansches auf ein akzeptables Maß reduziert werden.
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Bei größeren Windkraftanlagen ist diese Lösung nicht praktikabel, da für die Rotornabe wesentlich mehr Material eingesetzt werden muss. Dadurch steigen die Materialkosten für die Rotornabe und auch das Gewicht der Rotornabe. Durch die Gewichtserhöhung steigen dann auch Materialeinsatz und Materialkosten für die Kanzel und den Turm der Windkraftanlage.
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Im Gegensatz dazu steht das Bestreben, Material in der Rotornabe einzusparen, was zu geringeren Materialkosten und einem geringeren Gewicht der Rotornabe führt. Durch die Einsparung von Material im Bereich des Flansches der Rotornabe besteht die Gefahr, dass sich der Flansch nicht nur während des Montagevorgangs sondern bereits bei Lagerung und Transport durch das Eigengewicht verformt.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine verbesserte Rotornabe zur Verfügung zu stellen, die eine deutlich verringerte Tendenz zur Verformung aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Beschrieben wird eine Rotornabe für eine Windkraftanlage, wobei an der Rotornabe eine Aufnahme zur Befestigung mindestens eines Rotorblatts vorgesehen ist. Wobei an der Rotornabe ein Flansch vorgesehen ist und der Flansch für eine Verbindung mit dem Antriebsstrang der Windkraftanlage ausgebildet ist. Wobei eine Versteifung in Bereich des Flansches vorgesehen ist, und wobei die Versteifung derart ausgebildet ist, dass eine Verformung des Flansches, aufgrund von Krafteinwirkungen an der Rotornabe oder aufgrund des Eigengewichts der Ratornabe, minimiert wird.
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An der Rotornabe der Windkraftanlage ist eine Aufnahme zur Befestigung mindestens eines Rotorblatts vorgesehen. Meist werden an der Rotornabe zwei oder öfter drei Rotorblätter angebracht. Zur Befestigung der Rotorblätter sind Aufnahmen vorgesehen, an denen die Rotorblätter befestigt werden können.
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An der Rotornabe ist ein Flansch vorgesehen für eine Verbindung der Rotornabe mit dem Antriebsstrang der Windkraftanlage. Eine Drehung der Rotornabe, die durch die Einwirkung des Winds auf die Rotorblätter der Rotornabe erzielt wird, kann so über die Verbindung an den Antriebsstrang bis zum Generator der Windkraftanlage weitergegeben werden. Die Rotation der Rotornabe wird im Generator in elektrische Energie umgesetzt.
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Der Flansch zur Befestigung der Rotornabe am Antriebsstrang der Windkraftanlage wird durch die Krafteinwirkung während der Montage der Rotornabe verformt. Dadurch passen Bohrungen oder Bolzen, die im Flansch zur Verbindung mit der Rotornabe vorgesehen sind, nicht mehr zu ihren entsprechenden Gegenstücken im Antriebsstrang. Damit führt die Verformung dazu, dass die Verbindung der Rotornabe mit dem Antriebsstrang erschwert oder unmöglich gemacht wird.
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Die Versteifung, die während der Montage den Flansch stützt, wirkt der Verformung entgegengewirkt. Eine Verformung wird damit minimiert, und die Montage der Rotornabe mit ihrem Gegenstück am Antriebsstrang erleichtert bzw. ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung derart ausgebildet, dass die Kräfte, die während des Montagevorgangs der Rotornabe an der Windkraftanlage auf die Rotornabe wirken, zumindest teilweise kompensiert werden um einer Verformung des Flansches entgegenzuwirken.
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Die Versteifung wird dazu in Durchmesser, Steifigkeit und Materialauswahl so ausgelegt, dass sie den auftretenden Kräften entgegenwirken kann. Die Kräfte werden so zumindest teilweise kompensiert.
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Damit wird einer Verformung des Flansches entgegengewirkt und eine störungsfreie Montage des Flansches am Antriebsstrang gewährleistet.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung derart ausgebildet, dass die Kräfte, die während Lagerung und Transport der Rotornabe auf die Rotornabe wirken, zumindest teilweise kompensiert werden, um einer Verformung des Flansches entgegenzuwirken.
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Bei Lagerung und Transport der Rotornabe wirkt die Schwerkraft des Eigengewichts auf die Rotornabe und bewirkt eine Verformung der Rotornabe und damit des Flansches.
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Nach längerer Lagerdauer kann es so zu einer dauerhaften Verformung des Flansches kommen. Die Bohrungen oder Bolzen des Flansches der Rotornabe passen dann in Ihrer Lage nicht mehr zu den entsprechenden Gegenstücken am Antriebsstrang, so dass eine Montage am Antriebsstrang nicht mehr störungsfrei möglich ist.
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Durch die Versteifung, die in der Lage ist die Wirkung der Kräfte die während Lagerung und Transport auf die Rotornabe wirken zu kompensieren, kann eine Verformung der Rotornabe minimiert werden. Damit kann eine störungsfreie Montage der Rotornabe am Antriebsstrang gewährleistet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung während des Montagevorgangs fester Bestandteil der Rotornabe.
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Die Versteifung ist während des Montagevorgangs der Rotornabe am Antriebsstrang mit der Rotornabe verbunden. Damit werden die Kräfte die zur Verformung des Flansches führen würden von der Versteifung aufgenommen und können so kompensiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verbleibt die Versteifung nach dem Montagevorgang als fester Bestandteil in der Rotornabe.
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Die Versteifung kann nach der Montage der Rotornabe am Antriebsstrang der Windkraftanlage in der Rotornabe verbleiben. Dies hat den Vorteil, dass die Versteifung nicht demontiert und aus der Windkraftanlage entfernt werden muss. Die Versteifung bleibt dann ein festes Element der Windkraftanlage.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung fest aber lösbar mit der Rotornabe verbunden, so dass diese nach dem Montagevorgang aus der Rotornabe entfernbar ist.
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Die Versteifung verhindert eine Verformung des Flansches der Rotornabe während Lagerung und Transport der Rotornabe oder während des Montagevorgangs der Rotornabe an der Windkraftanlage. Nachdem die Rotornabe am Antriebsstrang der Windkraftanlage montiert ist, wird eine Verformung des Flansches der Rotornabe durch die Verbindung des Flansches mit dem Antriebsstrang unterbunden. Damit ist die Versteifung nach Abschluss der Montage nicht mehr notwendig und kann entfernt werden. Die Versteifung ist dazu fest aber lösbar mit der Rotornabe verbunden.
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Die Versteifung kann von der Rotornabe gelöst werden, an einer weiteren Rotornabe befestigt und während der Lagerung, des Transports oder des Montagevorgangs zur Vermeidung einer Verformung des Flansches eingesetzt werden. Eine feste aber lösbare Verbindung kann z. B. durch eine Verschraubung erzielt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung für eine mehrfache Verwendung ausgebildet.
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Die Versteifung ist so ausgelegt, dass sie mehrfach nacheinander während Lagerung, Transport oder Montage an mehreren Rotornaben eingesetzt werden kann. Damit wird nicht für jede Rotornabe eine eigene Versteifung benötigt. Es wird damit Material gespart und es werden die Herstellungskosten für die Versteifungen minimiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Flansch eine im Wesentlichen kreisförmige Form auf und die Versteifung ist im Wesentlichen entlang des Durchmessers des Flansches angeordnet.
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Der Flansch ist dazu ausgebildet mit dem rotierenden Antriebsstrang der Windkaftanlage verbunden zu werden. Dabei weist der Flansch eine im Wesentlichen kreisförmige Form auf, die mit dem Antriebsstrang verbunden wird. Diese kreisförmige Form ist meist im Innenbereich nicht ausgefüllt, um im montierten Zustand einen Durchgang von der Kanzel in die Rotornabe zu ermöglichen. Der Flansch weist somit eine im Wesentlichen ringförmige Verbindungsfläche zum Antriebsstrang auf.
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Die Verformung des Flansches ist ohne Versteifung entlang des Durchmessers des Flansches gemessen am größten. Um eine Verformung des Flansches bei Transport, Lagerung oder beim Montagevorgang der Rotornabe zu minimieren ist eine Anordnung der Versteifung entlang des Durchmessers des kreisförmigen Flansches am effektivsten. Eine Versteifung, die entlang des Durchmessers des Flansches angebracht ist, ist in der Lage die Verformung an besten zu minimieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung ein Träger, der zur Aufnahme von Zugkräften und/oder Druckkräften ausgebildet ist.
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Als Ausführungsform der Versteifung sind mehrere Formen geeignet. Besonders geeignet ist ein Träger, der durch seine räumliche Struktur in der Lage ist bei geringem Gewicht hohe Druck- und Zugkräfte aufzunehmen. Eine Möglichkeit ist hier ein sog. Doppel-T-Träger. Ein solcher Träger weist, bei geringen Abmessungen im Querschnitt und geringem Gewicht, die Fähigkeit auf hohe Zug- und Druckkräfte bei geringer Verformung aufzunehmen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung mittels einer Schraubverbindung mit der Rotornabe verbunden.
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Mittels einer Schraubverbindung kann die Verbindung schnell und sicher hergestellt werden. Die Verbindung ist jederzeit wieder lösbar und ebenso wieder herstellbar. Damit ist die Versteifung mehrfach in unterschiedlichen Windkraftanlagen einsetzbar und kann wiederverwendet werden.
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Für die Verbindung können Bolzenlöcher verwendet werden die bereits am Flansch vorgesehen sind und später zur Befestigung der Rotornabe am Antriebsstrang dienen.
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Für die Verbindung können auch Bohrungen verwendet werden, die speziell zur Befestigung der Versteifung in die Rotornabe eingebracht wurden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versteifung der Rotornabe im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft, die auf die Rotornabe einwirkt, im Flanschbereich angeordnet.
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Bei Lagerung und Transport der Rotornabe wird die Rotornabe im Bereich des Flansches durch die Einwirkung des Eigengewichts in Richtung der Schwerkraft zusammengedrückt. Der Flansch wird dabei im Wesentlichen horizontal länglich auseinandergedrückt. Bei Anordnung der Versteifung im Wesentlichen in Richtung Schwerkraft nimmt die Versteifung die Kräfte, die auf den Flansch einwirken, auf. Sie wirken als Druckkräfte in der Versteifung, der Flansch wird durch die Versteifung gestützt und einer Verformung wird entgegengewirkt.
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Beim Montagevorgang der Rotornabe an der Kanzel der Windkraftanlage wirken sowohl das Eigengewicht der Rotornabe, als auch das Gewicht der ggf. bereits montierten Rotorblätter gegen die Kraft, die durch eine Befestigung der Rotornabe an einem Kran einwirkt. Diese Kräfte wirken im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft und bewirken unter anderem eine Verformung des Flansches in im Wesentlichen vertikaler Richtung. Bei einer Anordnung der Versteifung im Wesentlichen in Richtung der Einwirkung der Schwerkraft werden die einwirkenden Kräfte als Zugkräfte in der Versteifung aufgenommen. Die Versteifung wirkt der Verformung des Flansches entgegen.
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Die Details der Erfindung werden nun beispielhaft anhand einer Zeichnung dargestellt. Diese Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und beschränkt daher nicht den Erfindungsgedanken.
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1 zeigt eine Rotornabe 5 einer Windkraftanlage. Diese Rotornabe beinhaltet eine Aufnahme 4 zur Befestigung eines Rotorblatts. Die Rotornabe beinhaltet außerdem einen Flansch 3, der mit dem Hauptlager der Windkraftanlage verbunden werden kann.
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Die Verbindung zwischen dem Flansch 3 und dem Hauptlager kann mittels Bolzen oder Schraubverbindungen hergestellt werden.
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Die Rotornabe 5 zeigt ferner einen Aufnahmepunkt 1. An diesem Aufnahmepunkt 1 wird eine Hebevorrichtung, wie z. B. ein Kran, befestigt, um die Rotornabe anzuheben und an der Kanzel der Windkraftanlage zu montieren.
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Zur Vermeidung einer Verformung des Flansches 3 während der Montage der Rotornabe an der Kanzel der Windkraftanlage ist eine Versteifung 2 angebracht, die im Bereich des Flansches 3 an der Rotornabe 5 angebracht ist. Die Versteifung 2 kann lösbar mit der Rotornabe 5 verbunden sein.
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Die Versteifung 2 kann vor der Montage der Rotornabe 5 am Flansch 3 montiert werden und nach der Montage der Rotornabe 5 an der Kanzel der Windkraftanlage wieder demontiert werden. Die Versteifung kann so nacheinander bei mehreren Rotornaben verwendet werden.
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Die Versteifung 2 überspannt während der Montage der Rotornabe im Wesentlichen eine vertikale Ausdehnung. Sie überträgt die Zugkräfte, die über den Kran und den Aufnahmepunkt 1 in die Rotornabe eingebracht werden, vom oberen Bereich des Flansches 3 in den unteren Bereich des Flansches 3. So wird eine Verformung, z. B. eine Verformung des Flansches 3 minimiert.
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Die Versteifung 2 ist ein Träger, vorzugsweise aus Metall, der in der Lage ist, die auftretenden Zug- und Druckkräfte aufzunehmen.
