DE4432986A1 - Flügelblattnabe eines Flügelrades in einer Windkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nabe für das oder die Flügel­ blätter eines Flügelrades einer Windkraftanlage, wobei in der Nabe wenigstens ein Flügelblatt um seine Längsachse über insbesondere eine Wälzlagerung drehbar gelagert ist.

Es ist bekannt, bei Windkraftanlagen mit Flügelrädern die einzelnen Flügelblätter in der Radnabe um ihre Längsachse verdrehbar zu lagern, damit zu der sich ändernden Windrich­ tung jeweils eine Schrägstellung der Flügelblätter möglich ist. Die Drehverbindung zwischen Nabe und Flügelblatt ist dabei mit einer einschnittigen Wälzlagerung realisiert. Der Nachteil besteht darin, daß sich aufgrund der einschnitti­ gen Wälzlagerung das Bauvolumen und der Materialaufwand für die Wälzlagerung vergrößert. Dies führt insbesondere zu einem unerwünscht großen Durchmesser der Drehverbindung zwischen Flügelblatt und Nabe.

Mithin wird das der Erfindung zugrundeliegende Problem aufgeworfen, unter Vermeidung der genannten Nachteile den Materialaufwand und das Gewicht für die Drehverbindung des Flügelrades zur Blattnabe einzusparen sowie gleichzeitig eine kompakte, in den Abmessungen verminderte Bauform zu erzielen. Zur Lösung wird bei einer Nabe mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Wälzlagerung des Flügelblattes in der Nabe zweifach bzw. zweischnittig ausgeführt ist. Zweischnittige Lagerung heißt, daß für das Flügelblatt zwei separate Lager, beispielsweise Wälzlager, koaxial zueinander angeordnet sind. Durch diese Maßnahme, nämlich zwei Lagersätze vorzusehen, läßt sich die Drehanordnung für das Flügelblatt äußerst platzsparend mit der Fähigkeit bauen, höchste Kräfte und Momente einschließlich Kippmomente zu übertra­ gen.

Die bisher an sich bekannte einschnittige Lagerung wird erfindungsgemäß räumlich zu einer zweischnittigen Lagerung auseinandergezogen, wobei sich die zweischnittige Lagerung leicht in das Gehäuse der Drehverbindung bzw. des Verbindungsstückes für das Flügelblatt zur Blattnabe inte­ grieren läßt: Im Falle der Verwendung von Wälzlagern lassen sich nämlich die Einlagen für jedes der beiden Wälzlager (Innenring und Außenring) einerseits in das Außengehäuse der Drehverbindung und andererseits in das beispielsweise sich drehende Innenteil hineinbauen, an die die Radflügel anmontiert sind.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Drehverbindung nicht nur mit Innen- und Außenteil, sondern noch mit einem dritten Teil versehen, das als Deckel- oder Bodenteil zur Anlage am Innen- oder Außenteil der Drehverbindung gestaltet ist. Dann lassen sich beson­ ders zweckmäßig Wälzlager einsetzen, wobei einer der beiden Innen- oder Außenringe auch mit dem Deckel- oder Bodenteil verbunden, baulich integriert oder einstückig ausgeführt sind.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das Flügelblatt mit einem Antriebsaggregat gekoppelt ist, das beispielsweise über ein Gestänge das Flügelblatt zum Drehen bringt. Als Angriffspunkt für den Drehantrieb kann bei der oben ge­ nannten Ausbildung der Drehverbindung mit Innen- oder Außenteil eines dieser beiden Teile dienen. Der Drehantrieb muß dann andererseits gegen das andere Teil, das mit der Nabe starr verbunden ist, oder gegen die Nabe selbst abgestützt sein.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Kopplung mit dem Drehantrieb nach Art eines Schneckengetriebes ausgebildet: Innen- oder Außenteil der Drehverbindung sind als Schneckenrad zum Beispiel außen verzahnt, und das An­ triebsaggregat bringt eine Schnecke zum Rotieren, die mit der Verzahnung des Innen- oder Außenteiles in Eingriff steht. Eine Ausführungsalternative der Erfindung kann darin bestehen, die beiden getrennten Lager, insbesondere Wälzlager an beiden Stirnseiten des Innen- oder Außenteiles der Drehverbindung anzuordnen, um eine symmetrisch über­ sichtliche Bauweise bei gleichmäßiger Verteilung der zu übertragenden Kräfte und Momente herbeizuführen.

Dem erfindungsgemäßen Grundkonzept, die Lagerung des durch Windkräfte hoch belasteten Flügelblattes räumlich gleichsam auseinanderzuziehen, entspricht eine Weiterbildung der Erfindung, nach der das Flügelblatt über zwei getrennte Schräg-Wälzlager drehgelagert ist, bei denen die Wälzkörper von den Einlagen bzw. vom Innen- und Außenring jeweils mit einem Umfangsabschnitt zwischen 60° und 120°, vorzugsweise 90° umfaßt sind. Über die beiden Schrägkugellager können Radial-Axial-Lasten und Kippmomente in vorteilhafter Weise aufgenommen werden.

Zur Erzielung einer konstruktiv einfachen Ankopplung des zu drehenden Flügelblattes an den Drehantrieb oder die etwaige Getriebeanordnung wird nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß wenigstens eine Stirnseite oder nicht verzahnte Seitenwandung des Innen- oder Außen­ teiles zum Anschluß an das zu drehende Flügelblatt spezi­ fisch ausgebildet ist, sei es durch einen Kranz von Bohrun­ gen zum Anschrauben, sei es durch beispielsweise hakenför­ mige Einrastelemente oder Einschnappeinrichtungen. Auch eine einstückige Verbindung zwischen Schneckenrad und zu drehendem Teil ist im Rahmen der Erfindung denkbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Stirnansicht auf eine an sich bekannte Windkraftanlage,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Blattnabe des Flügelrades der Windkraftanlage,

Fig. 3 einen teilweisen Axialschnitt durch eine abge­ wandelte Ausführung der Blattnabe nach der Erfindung,

Fig. 4 die Einzelheit IV in Fig. 3 in vergrößerter Darstellung, und

Fig. 5 die Einzelheit V in Fig. 3 in vergrößerter Darstellung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Windkraftanlage aus einem Mast 1, einem darauf gesetzten Maschinenhaus 2 und einem daran drehbar gelagerten Flügelrad 3. Dessen Nabe 4 trägt sternartig bzw. radial abstehende Flügelblätter 5, die um ihre Längsachse 6 in Drehrichtung 7 schräg zur Windrichtung verstellbar gelagert sind.

Gemäß Fig. 2 ist das Flügelblatt 5 auf einer Halteplatte 8 befestigt, die ihrerseits auf einem Verbindungskragen 9 fixiert ist. Dieser ist auf die dem Flügelblatt 5 nächstliegende Stirnseite eines Außenteils 10 aufgesetzt, welches konzentrisch zur Längs- bzw. Drehachse des Flügel­ blattes 5 ein Innenteil 11 umgibt. Dieses ist an seiner dem Flügelblatt 5 abgewandten Stirnseite mit einem starr fi­ xierten Nabenanschlußelement 12 versehen, welches nach Fig. 1 am Umfang der Nabe 4 tangential befestig ist.

Gemäß Fig. 2 ist das Außenteil 10 als Außenrotor bzw. Außenläufer ausgebildet, indem es gegenüber dem an der Nabe 4 fest angebrachten Innenteil 11 über zwei dazwischen ange­ ordnete Kugellagersätze 13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b in Drehrichtung 7 bewegbar ist. Die jeweiligen Außenringe 13a, 13b sind in die Innenwandung des beispielsweise hohlzylin­ drischen Außenteils bzw. -rotors 10 versenkt eingelassen. Die bezüglich der jeweiligen Lagerkugel 14a, 14b diametral gegenüberliegenden und im Durchmesser kleineren Innenringe 15a, 15b sind auf jeweils zur Stirnseite gerichtete Schul­ tern des an der Nabe 4 festen Innenteils 11 angebracht, die von einer radialen Erweiterung 16 der Außenwandung des im Beispiel etwa hohlzylindrischen Innenteils 11 gebildet wer­ den. Indem also die Lagerung des mit dem Flügelblatt 5 starr verbundenen Außenteils 10 durch die Aufteilung der Lagerung in je einen separaten Kugellagersatz 13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b räumlich auseinandergezogen ist, können Radiallasten, Axiallasten und Kippmomente in größerem Um­ fang als bei einer an sich bekannten einschnittigen Lagerung aufgenommen werden.

Gemäß Fig. 2 kann ein Antriebsaggregat bzw. Drehantrieb 17 vorgesehen sein, der über geeignete Kopplungsmittel, zum Beispiel Gestänge, Schnecken usw. an der Halteplatte 8 so angreift, daß eine Drehung 7 des Flügelblattes 5 um dessen Längsachse 6 gegenüber dem Innenteil 11 und der Nabe 4 aus­ gelöst wird.

Gemäß Fig. 3 ist nicht das Außenteil 10, sondern das Innen­ teil 11 in flanschartiger Bauform zum Tragen eines Flügel­ blattes ausgebildet, wozu gemäß Fig. 4 Montagelöcher 18 im auskragenden Randbereich 19 des stirnseitigen Endes des In­ nenflansches bzw. -teiles 11 dienen. An dessen der Montage­ bohrung 18 entgegengesetzten Stirnseite ist eine Boden­ platte 20 über in das Innenteil achsparallel eindringende Schraubmittel 21 angeschraubt. Die Bodenplatte 20 ist im Durchmesser so bemessen, daß sie über die Wandung des In­ nenteils 11 mit etwa hohlzylindrischer Grundform nach außen radial übersteht. Dabei wird mit der achsparallelen Außen­ wandung des Innenteiles 11 und dem unmittelbar dazu benach­ barten und überstehenden Abschnitt 22 der Bodenplatte 20 ein rechter Winkel gebildet, in den der Innenring 15b (vgl. auch Fig. 5) des näher zum stirnseitigen Ende des Innen­ teiles 11 liegenden Kugel- bzw. Wälzlagersatzes 13b, 14b, 15b eingelegt ist. Gemäß Fig. 5 ist das Einlegen des Innen­ ringes 15b so vorgenommen, daß er sowohl an der Außenwan­ dung des Innenteiles 11 als auch an dem überstehenden Ab­ schnitt 22 der Bodenplatte 20 anliegt. Der Innenring 15a des anderen Lagersatzes mit Lagerkugel 14a und Außenring 13a ist ebenfalls in eine rechtwinklige, aber entgegenge­ setzt gerichtete Ecke eingelegt, die an der Außenwandung des Innenteiles 11 einstückig gebildet ist. Die jeweiligen Außenringe 13a, 13b der beiden Lagersätze sind in recht­ winklige, komplementäre Ecken eingelegt, die in der dem In­ nenteil gegenüberliegenden Innenwandung des Außenteiles 10 ausgebildet sind. Dieses läßt sich über Kupplungsbohrungen 23 mit etwaigen Nabenanschlußelementen für die Nabe eines Flügelrades verbinden. Ferner sind Schmierkanäle 24 vorge­ sehen, über welche Schmiermittel zu den Wälzlagern gebracht werden können.

Durch die von unten angeschraubte Bodenplatte 20 ergibt sich eine Verbindung und Verspannung der Drehanordnung zu einer Einheit: Indem das sich drehende Innenteil 11 und die Bodenplatte 20 miteinander verschraubt sind und gleichzeitig einen Innenring 15b eines der Lager anliegend tragen bzw. dagegen drücken, wird das gesamte Wälzlager 13b, 14b, 15b am unteren, stirnseitigen Ende des Innen­ teiles 11 zusätzlich verspannt.

Zur Montage der Drehanordnung nach Fig. 3 sind folgende Schritte zweckmäßig: Zunächst wird an das Innenteil 11 die erste, außenliegende Wälzlagerung 13a, 14a, 15a angelegt. Zur Befestigung des Außenringes 13a wird das Außenteil 10 gehäuseartig draufgesetzt. Daraufhin wird an die Innenwan­ dung des Gehäuses bzw. Außenteiles 10 der Außenring 13b der zweiten, äußeren Wälzlagerung 13b, 14b, 15b eingelegt. Dann wird die zugehörige Lagerkugel 14b in die Wölbung des Außenringes 13b gesetzt. Die Inneneinlage bzw. der Innen­ ring 15b wird zunächst auf die entsprechende Wandung des überstehenden Abschnitts 22 der Bodenplatte 20 angelegt. Schließlich wird dann die Bodenplatte über Schraubmittel 21 an die zugeordnete Stirnseite des drehbaren Innenteiles 11 angeschraubt.

Claims (12)

1. Nabe (4) für das oder die Flügelblätter (5) eines Flügelrades (3) einer Windkraftanlage (Fig. 1), wobei in der Nabe (4) wenigstens ein Flügelblatt (5) um seine Längsachse (6) insbesondere über eine Wälz­ lagerung (13, 14, 15) drehbar (7) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlagerung des Flügelblattes (5) in der Nabe (4) zweifach beziehungsweise zwei­ schnittig (13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b) ausgeführt ist.

2. Nabe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Drehverbindung mit Innenteil (11) und dieses konzen­ trisch umgebenden Außenteil (10), die über die Lagerung, insbesondere Wälzlagerung (13, 14, 15), gegeneinander verdrehbar (7) sind, wobei das Innen- oder Außenteil (11, 10) mit dem einen oder den mehreren Flügelblättern (5), und das Außen- oder Innenteil (10, 11) mit der Nabe (4) starr verbunden sind.

3. Nabe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Wälzlagern (13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b) die Innenringe (15a, 15b) mit dem Innenteil (11), und die Außenringe (13a, 13b) mit dem Außenteil (10) verbunden, baulich integriert oder einstückig ausgeführt sind.

4. Nabe nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Deckel- oder Bodenteil (20), das zur Anlage am Innen- oder Außenteil (11, 10) der Drehverbindung ausgebildet ist, und mit dem wenigstens einer der Innen- oder Außenringe (15a, 15b; 13a, 13b) der beiden Wälzlager (13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b) verbunden, baulich inte­ griert oder einstückig ausgeführt sind.

5. Nabe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckel- oder Bodenteil (20) mit dem Innen- oder Außen­ teil (11, 10) verspannbar, insbesondere verschraubbar ist.

6. Nabe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen- oder Außenring (15a, 15b; 13a, 13b) wenigstens eines Wälzlagers (13b, 14b, 15b) an den beiden miteinan­ der verspannten Teilen (20, 11) gleichzeitig anliegt oder mit diesen einstückig verbunden ist.

7. Nabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelblatt (5) mit einem Drehantrieb (17) gekoppelt ist.

8. Nabe nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (7) am mit dem Flügelblatt (5) verbundenen Innen- oder Außenteil (11, 10) der Drehverbindung in Angriff bringbar und gegen das jeweils andere Teil (10, 11) oder die Nabe (4) abgestützt ist.

9. Nabe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innen- oder Außenteil (11, 10) der Drehverbindung als Schneckenrad ausgebildet ist, mit dem eine Schnecke in Eingriff steht, die von dem Drehantrieb (17) in Drehung (7) versetzbar ist.

10. Nabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung des Flügelblattes (5) mittels zweier Schräg-Wälzlager (13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b) realisiert ist, bei denen die Wälzkörper (14a, 14b) von den Einlagen beziehungsweise vom Innen- und Außenring (13a, 15a; 13b, 15b) jeweils mit einem Um­ fangsabschnitt zwischen 60 und 120 Grad, vorzugsweise von 90 Grad, umfaßt sind.

11. Nabe nach Anspruch 2 und einem der sonst vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stirnseite oder nicht verzahnte Seitenwandung des Innen- oder Außenteiles (11, 10) zum Anschluß an das zu drehende Flügelblatt (5) ausgebildet ist.

12. Nabe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung des Flügelblattes (5) zwei Wälzlager (13a, 14a, 15a; 13b, 14b, 15b) angeordnet sind, bei denen der Innenring (15a, 15b) einen gegenüber dem Außenring (13a, 13b) unterschiedlichen, insbesondere kleineren Durchmesser als der Außenring (13a, 13b), aufweist.