WO2012175204A1 - Blattlager für eine windkraftanlage sowie verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Blattlager für eine windkraftanlage sowie verfahren zur herstellung desselben Download PDF

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Definitions

  • the invention is directed to a slewing bearing as a blade bearing for a wind turbine and to a wind turbine with a about an axis of rotation rotatable hub in the wind direction and a plurality of radially projecting from the hub rotor blades, which in each case designed as a large rolling bearing blade bearing about its longitudinal axis relative to the Hub mounted rotatably and thereby adjustable in their angle of attack, wherein the blade bearing comprises two annular, mutually concentric, mutually rotatable about a rotation axis connecting elements made of steel with at least one flat pad for connection to the hub of the wind turbine on the one hand and to a rotor blade on the other hand, which each of a plurality of annularly distributed around the axis of rotation arranged mounting holes for passing or screwing through fastening screws are interspersed, and with an annular gap between the two connecting elements, wherein one or more rows v Rolling on rolling elements on each of a rotationally symmetrical track of each connecting element along, and to a
  • Wind turbines as a supplier of alternative energies have become increasingly important in recent years.
  • the said plants are designed ever larger and their performance is optimized to gain as much energy as possible from wind and, for example, to make available to the electricity market.
  • the thus increased bearing load can ultimately lead to a desired service life of the bearing due to abrasion and possibly corrosion is not achieved.
  • At least one surface area of at least one track has a nitrogen content N> 0.1% by weight, based on the nitrided area, and has been surface-hardened.
  • the nitrogen as an alloying additive, gives the steel special properties;
  • the affected area receives an increased hardness. This hardening of the raceways is due to the fact that there is an increased nitrogen content at least in a respective surface area.
  • these regions are well suited for (partial) curing of surface layers and can also be applied to large-sized workpieces, and in the optimal case represent a time and cost advantage over the process known from the prior art.
  • the slewing bearings should be provided with rotationally symmetrical raceways, which are hardened surface, and finds in this form application in wind turbines, especially in the context of blade bearings, which are subject to particular mechanical requirements for the reasons already outlined above and must be corrosion resistant.
  • a large rolling bearing in a ring-shaped distributed around its axis of rotation arranged mounting holes in the mutually rotatable rings wear.
  • the nitrogen content N in the nitrided region is> 0.2 wt .-%, preferably N of the nitrided range> 0.3 wt .-%, in particular N> 0.4 wt .-% of the nitrided range.
  • N of the nitrided range> 0.3 wt .-%, in particular N> 0.4 wt .-% of the nitrided range In combination with a curing of this range, a good abrasion resistance can be achieved in combination with excellent corrosion resistance. This increased corrosion resistance is particularly important when installing said wind power plant in the offshore area, among other things, it is excluded, for example, that comes under seals that start at such a part, for sub-rusting.
  • any combination with other alloying species such as Cr and / or one or more of the following: Mo, V, Al, Cu, Ni, Nb, Ta, Ti, W, Pb, nitrogen can be the hardness increase the steel and at the same time its corrosion resistance considerably.
  • a hardness> 58 HRC can be achieved in nitriding steels, such as X20CrMoN 15 1 or X20CrMoVN 15 1.
  • a significantly higher hardness (about 65 HRC) is known only from Japanese knife steels, but at the same time are not sufficiently corrosion resistant, which in primarily due to the absence of chromium as an alloying additive.
  • Carbon is one of the most influential alloying elements in steel. As the carbon content increases, the strength and hardenability of the steel increase. However, the corrosion resistance to water, acids and hot gases etc. is only slightly affected by the carbon.
  • a steel used for the invention has at least a carbon content C of 0.1% by weight or more, preferably 0.2% by weight or more, especially 0.3% by weight or more.
  • the invention favors that the nitrogen content N of the nitrided region is equal to or greater than the carbon content of the steel region concerned:
  • the steel used should have, at least in the nitrided and hardened region according to the invention, a chromium content Cr of 0.5% by weight or more, for example of 1% by weight or more, preferably of 2% by weight or more, in particular of 5% by weight or more. Without the addition of chrome could Although the steel used obtained high hardness, as known from Japanese knife steels, the corrosion resistance would in no way be sufficient for off-shore applications. In addition, each percent of the chromium content increases the tensile strength of the steel by about 80-100 N / mm 2 .
  • the steel - at least in the invention nitrided and hardened area - has a molybdenum content Mo of more than 0.1 wt .-%, preferably of more than 0.2 wt. -%, in particular more than 0.3 wt .-%.
  • Molybdenum Mo can have a beneficial effect on hardenability by reducing the critical cooling rate. Further advantages are that molybdenum Mo reduces the temper brittleness, promotes fine grain formation, increases strength and yield strength. These properties are particularly noticeable in the context of leaf bearings.
  • the nitrogen N can be evenly distributed in the steel to be used for the construction of the work piece according to the invention.
  • an already (high) nitrogen-alloyed steel is used for the production of the workpiece.
  • these steels are pressure-embossed, corrosion-resistant, martensitic steels that have been produced, for example, by the so-called DESU process (pressure-electric-slag remelting). These steels are fine and homogeneous and can under Retaining the nitrogen content can be post-processed in various ways.
  • Common general post-processing techniques include soft annealing, stress relieving, hardening, cooling, tempering.
  • the hardening process can be carried out in a complex process in a vacuum. Care should be taken to the set partial pressures, in particular of nitrogen, since otherwise it comes to an unwanted nitriding or denitrification of the edge areas, which can lead to a reduction in corrosion resistance and hardness. Furthermore, this standard hardening process is unsuitable for large workpieces. For rings of several meters in diameter, as used in large rolling bearings for wind turbines, vacuum chambers of large scale would be necessary, which would be additionally difficult to control.
  • Other hardening methods include austenitizing the material between 1000 ° C and 1030 ° C with possible additional compensation between 750 ° C - 780 ° C. These standard methods always relate to the entire workpiece and are associated with a high design and cost, especially for large-sized workpieces with dimensions of several meters.
  • a second erfmdungstreer way to increase the hardness and corrosion resistance of the workpiece is to use a conventional in the application material, which is not or only slightly alloyed with nitrogen, such as 42CrMo4, in areas on his To provide surface with increased nitrogen contents and to harden these enriched surface areas simultaneously and / or subsequently, so that there especially a higher hardness and corrosion resistance is obtained.
  • a method for producing a large-diameter rolling bearing or a wind turbine according to the invention with at least one such large-diameter rolling bearing is characterized in that the nitrogen N is added to the steel prior to its shaping.
  • the nitrogen content in the entire workpiece before curing is about the same because the nitrogen is already added during the production of the steel (for example in the DESU process), with the aim of making the steel harder and more corrosion resistant.
  • suitable conditions of molding e.g., temperature control, partial pressure, etc.
  • the original nitrogen content is maintained.
  • a subsequent (partial) curing is possible.
  • the nitrogen N can also be added to a steel after it has been formed, with accumulation of nitrogen being achieved by conventional nitration methods in this case, essentially in surface regions.
  • the introduction of the nitrogen N can be achieved by bath nitriding, in particular salt bath nitriding, or by gas nitriding or plasma nitriding or sputtering.
  • At least one nitrided region is cured, wherein preferably the inductive curing has been found to be particularly suitable for large-sized workpieces.
  • An alternative variant would be that after the (inductive) hardening of, for example, a 42CrMo4 ring, the nitrogen is introduced into the surface-hardened area by a separate process. The nitrogen can be subsequently introduced both only in the hardened area, as well as in the entire workpiece.
  • At least one (nitrided) area is heated to at least 500 ° C, preferably at least 700 ° C, in particular at least 900 ° C and thus a desired (partial) curing is achieved.
  • Fig. 1 is a schematic end view of a wind turbine; such as
  • FIG. 2 shows a section through a rotor blade bearing unit according to the invention in the installed state, partially broken away.
  • Fig. 3 is a corresponding to FIG. 2 representation of a modified
  • the wind turbine consists of a mast 1, a nacelle 2 carried by this and the actual windmill 3 rotatably mounted thereon.
  • Its hub 4 carries star-like or equidistant distributions over the hub circumference, radially projecting from the hub 4 , elongated rotor blades 5, which are each adjustable in a rotational direction 7 about its longitudinal axis 6 relative to the wind direction.
  • a blade bearing comprises two mutually rotatable, each annular shaped connection elements 24, 25 for non-rotatable connection to the hub 4 on the one hand and on the respective rotor blade 25 on the other.
  • a hub connection element 10 which can be fixed rigidly to the hub 4 is provided.
  • cylinder 4 or sleeve-shaped fastening elements 9 can be inserted into bores 8, for example. Inserted into the respective bore 8 and possibly fixed with adhesive, which are provided with an internal thread for screwing a threaded element.
  • the above-mentioned blade bearing 11 serves the rotatable connection of a rotor blade 5 to the rotor hub 4, and its structure is shown in detail in Fig. 2.
  • the rotor blade 5 consists of a fiber composite material and is designed in the manner of a wing. To save weight, the rotor blade 5 is formed as a peripheral surface surrounding an inner cavity 16, which can often assume a diameter of 2-3 m at its thickest point.
  • the flat rear connection surface 17 has an annular outline. In this connection surface 17 are arranged in a ring-shaped blind holes 18, which each have up to one in the rotor blade. 5 used anchoring body 19 lead from a hard material, for example. Of iron.
  • the blind holes 18 continue in the anchoring bodies 19 as internally threaded holes.
  • the rotor hub 4 has a rigid bulge 20, each with a flat, annular connection surface 21 for each rotor blade 5, which surrounds a circular opening 22.
  • connection surface 21 In the connection surface 21 are arranged in a ring-shaped blind holes 22, which are provided with an internal thread.
  • connection elements 17, 21 Between the two connection surfaces 17, 21 is the bearing unit 23, the two annular, mutually concentric and mutually rotatable connection elements 24, 25 has. Depending on one of two facing away from each other end faces 26, 27 of these connection elements 24, 25 are each fully on each of a connection surface 17, 21 at. These end faces 26, 27 formed as connecting surfaces can be made of particularly hardened and corrosion-resistant steel.
  • annularly arranged through holes 28, 29 are provided in the two connecting elements 24, 25.
  • the through holes 28 of the inner connection element 24 agree with respect to number, diameter and orientation with the blind holes 29 in the connection surface 17 of the rotor blade 5 such that each one through hole 29 is aligned with a blind hole 9 and allows the insertion of a bolt 30.
  • the inner ring 24 is fixedly connected to the rear end 31 of the rotor blade 5, and preferably so that the central axis of the inner ring 24 is aligned with the longitudinal axis of the rotor blade 5.
  • the through-holes 29 of the outer connection element 25 correspond in terms of number, diameter and arrangement or alignment of the blind holes 8 in the connection surface 21 of the rotor hub 4 such that each through hole 29 is aligned with a blind hole 8 aligned and the passing through a bolt 32 allows , Are all nuts 33 tightened on the bolt 32, the outer ring 25 is fixedly connected to the bulge 21 of the rotor hub 4.
  • particular areas of the blade bearings 11, which are exposed to high mechanical loads and / or particularly easily corrode are made of high nitrogen alloy steel, which should be partially hardened in areas of highest load by, for example, induction.
  • the rolling elements 12, 13 and / or the raceways bearing their rings 35 - 37 of the connecting elements 24, 25 are made of a nitrogen-alloyed steel, which is hardened in its raceways forming edge zones 14 and 15 so it shows particularly stable properties against abrasion and corrosion in the areas where the greatest mechanical load is expected during operation.
  • connection element 24, 25 - in this case the outer connection element 25 - as a so-called.
  • "Nose ring" 35 is formed, ie, he
  • This collar 34 has an approximately rectangular cross-section, and it is surrounded by a recess of the other, approximately C-shaped cross-section connecting element 24 - in this case the inner connecting element 24 - embraced.
  • this encompassing assembly of the bearing 11 is only possible by the C-shaped connecting element 24 along a plane which is perpendicularly penetrated by the axis of rotation 6 of the blade bearing 11 and is at the level of the cross-sectionally tapered central region of the "C" divided is in two superimposed rings 36, 37th
  • raceways 14 for rolling elements 12, 13 rolling thereon, in particular roller-shaped rolling bodies 12, 13.
  • These raceways 14 have an increased nitrogen content N and are also surface-hardened.
  • the hardened surface regions 14 are connected to each other at the edges of the nose 34, so hardened together.
  • the surfaces 15 of the cross-sectionally C-shaped connecting element 24 facing the rolling bodies 12, 13 are likewise provided with an increased nitrogen content and, moreover, are also surface-hardened.
  • the various career areas 15 treated according to the invention are not interconnected.
  • the bearing 11 'according to FIG. 3 differs from the bearing 1 1 according to FIG. 2, in particular with respect to the geometry of the rolling elements 12'; 13 '. While the rolling elements 12, 13 are formed in the embodiment of FIG. 2 as rollers, the bearing 11 'of FIG. 3 instead of spherical rolling elements 12' on.
  • the cross-sectional geometry of the raceways 14, 14 ', 15, 15' is adapted to the cross-section of the rolling elements 12, 12 ', 13, 13' - in roller-shaped rolling elements 12, 13, 13 ', these are approximately straight, at about In any case, the raceways 14 ', 15' are nitrided and surface-hardened here as well.
  • roller and spherical rolling elements 12, 12 ', 13, 13' also needle, conical or barrel-shaped rolling elements are possible.

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Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Großwälzlager als Blattlager für eine Windkraftanlage sowie auf eine Windkraftanlage mit einer um eine Drehachse etwa in Windrichtung drehbaren Nabe und mehreren, von der Nabe etwa radial auskragenden Rotorblättern, welche in je einem als Großwälzlager ausgebildeten Blattlager gelagert und dadurch in ihrem Anstellwinkel verstellbar sind, wobei das Blattlager zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse verdrehbare Anschlusselemente aus Stahl umfasst mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlussfläche zum Anschluss an die Nabe des Windrades einerseits sowie an ein Rotorblatt andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen zum Hindurchstecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlusselementen, worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn jedes Anschlusselements entlang rollen, wobei zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn einen Stickstoffgehalt N ≥ 0,1 Gew.-%, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist; sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Großwälzlagers.

Description

Blattlager für eine Windkraftanlage
sowie Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung richtet sich auf ein Großwälzlager als Blattlager für eine Windkraftanlage sowie auf eine Windkraftanlage mit einer um eine Drehachse etwa in Windrichtung drehbaren Nabe und mehreren, von der Nabe etwa radial auskragenden Rotorblättern, welche in je einem als Großwälzlager ausgebildeten Blattlager um ihre Längsachse gegenüber der Nabe verdrehbar gelagert und dadurch in ihrem Anstellwinkel verstellbar sind, wobei das Blattlager zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse verdrehbare Anschlusselemente aus Stahl umfasst mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlussfläche zum Anschluss an die Nabe des Windrades einerseits sowie an ein Rotorblatt andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen zum Hindurchstecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlusselementen, worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn jedes Anschlusselements entlang rollen, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Großwälzlagers.
Windkraftanlagen als Lieferant alternativer Energien gewinnen im Laufe der letzten Jahre immer mehr an Bedeutung. Die besagten Anlagen werden immer größer konzipiert und ihre Leistungsfähigkeit wird optimiert, um so viel Energie als möglich aus Wind zu gewinnen und beispielsweise dem Strommarkt zur Verfügung zu stellen.
Ein entscheidender Beitrag zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen kommt dabei aus der verbesserten Konstruktion und Steuerung der Blattlager.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Nicht nur, dass die Maßstabsvergrößerung der Windkraftanlagen zu erhöhten Belastungen infolge größerer Windlasten führt, auch die Erhöhung der sogenannten Pitchzyklen als auch das Ausregeln von Böen und des Saugdruckes durch den„Turmschatten" führt zu einer großen mechanischen Belastung, insbesondere der Blattlager.
Darüber hinaus geht man verstärkt dazu über, Windkraftanlagen in Küstennähe oder gar im Off-Shore-Bereich einer Küste aufzustellen, weil dort optimale Windverhältnisse anzutreffen sind.
Die solchermaßen gesteigerte Lagerbelastung kann letztendlich dazu führen, dass eine angestrebte Lebensdauer des Lagers wegen Abrieb und ggf. Korrosion nicht erreicht wird.
Daraus resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein gattungsgemäßes Großwälzlager als Blattlager für eine Windkraftanlage derart weiterzubilden, dass es eine erhöhte Lebensdauer und Korrosionsbeständigkeit aufweist, insbesondere ohne nennenswerte Gewichtserhöhung des Großwälzlagers.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn einen Stickstoffgehalt N > 0,1 Gew.-%, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist. Im Rahmen einer derartigen Aufstickung verleiht der Stickstoff als Legierungszusatz dem Stahl besondere Eigenschaften; insbesondere erhält der davon betroffene Bereich eine gesteigerte Härte. Dabei ist diese Härtung der Laufbahnen darauf zurückzuführen, dass zumindest in einem jeweiligen Oberflächenbereich ein erhöhter Stickstoffgehalt vorliegt.
Gleichzeitig sind diese Bereiche zur (partiellen) Härtung von Randschichten gut geeignet und können auch auf großformatige Werkstücke angewendet werden, und stellen im optimalen Fall einen Zeit- und Kostenvorteil gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Prozess dar. Insbesondere soll das Großwälzlager mit rotationssymmetrischen Laufbahnen versehen sein, welche oberflächig gehärtet sind, und findet in dieser Form Anwendung in Windkraftanlagen, insbesondere im Rahmen von Blattlagern, welche aus den oben bereits aufgezeigten Gründen besonderen mechanischen Ansprüchen unterliegen und korrosionsbeständig sein müssen. Dabei kann ein solches Großwälzlager kranzförmig um seine Rotationsachse verteilt angeordnete Befestigungsbohrungen in den gegeneinander verdrehbaren Ringen tragen.
Für die Anwendung eines nitrierten Stahls als Bauteil in einem Großwälzlager, insbesondere in einem Großwälzlager für Windkraftanlagen, hat es sich als günstig erwiesen, dass der Stickstoffgehalt N in dem nitrierten Bereich > 0,2 Gew.-% ist, vorzugsweise N des nitrierten Bereichs > 0,3 Gew.-%, insbesondere N > 0,4 Gew.-% des nitrierten Bereichs beträgt. In Kombination mit einer Härtung dieses Bereiches kann somit eine gute Abriebbeständigkeit in Kombination mit exzellenter Korrosionsbeständigkeit erreicht werden. Besonders bei Installation der besagten Windkraftanlage im Off-Shore-Bereich ist diese erhöhte Korrosionsbeständigkeit wichtig, unter anderem wird zum Beispiel ausgeschlossen, dass es unter Dichtungen, die an einem derartigen Werkteil anlaufen, zum Unterrosten kommt.
In derartigen Konzentrationen hinzulegiert und in eventueller Kombination mit anderen Legierungsstoffen, wie zum Beispiel Cr und/oder einem oder mehreren der folgenden Elemente: Mo, V, AI, Cu, Ni, Nb, Ta, Ti, W, Pb, kann Stickstoff die Härte des Stahls und gleichzeitig auch dessen Korrosionsbeständigkeit beträchtlich steigern. Nach heutigem Stand der Technik kann in Nitrierstählen, wie beispielsweise X20CrMoN 15 1 oder X20CrMoVN 15 1 eine Härte > 58 HRC erreicht werden. Eine deutlich höhere Härte (ca. 65 HRC) kennt man nur von japanischen Messerstählen, die aber gleichzeitig nicht im ausreichenden Maße korrosionsbeständig sind, was in erster Linie auf das Fehlen von Chrom als Legierungszusatz zurückzuführen ist.
Kohlenstoff ist eines der einflussreichsten Legierungselemente im Stahl. Mit zunehmendem Kohlenstoff-Gehalt steigen die Festigkeit und Härtbarkeit des Stahles. Der Korrosionswiderstand gegenüber Wasser, Säuren und heißen Gasen usw. wird durch den Kohlenstoff allerdings nur wenig beeinflusst.
Daher ist es notwendig, dass ein für die Erfindung verwendeter Stahl zumindest einen Kohlenstoffgehalt C von 0,1 Gew.-% oder mehr aufweist, vorzugsweise von 0,2 Gew.-% oder mehr, insbesondere von 0,3 Gew.-% oder mehr.
Besondere Eigenschaften in Bezug auf Härte und Festigkeit erhält der Stahl bei einem Kohlenstoffgehalt C von 1 ,5 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise von 1 ,0 Gew.-% oder weniger, insbesondere von 0,5 Gew.-% oder weniger.
Die Erfindung bevorzugt darüber hinaus, dass der Stickstoffgehalt N des nitrierten Bereichs gleich oder größer ist als der Kohlenstoffgehalt des betreffenden Stahlbereichs:
N > C.
Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass die auf dem Stickstoff N basierenden, vorteilhaften Härtungseigenschaften die vom Kohlenstoff C resultierende Sprödigkeit übersteigen und insgesamt also ein zwar harter, gleichzeitig aber auch zäher Werkstoff gebildet wird.
Der verwendete Stahl sollte - zumindest in dem erfindungsgemäß nitrierten und gehärteten Bereich - einen Chromgehalt Cr von 0,5 Gew.-% oder mehr aufweisen, bspw. von 1 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise von 2 Gew.-% oder mehr, insbesondere von 5 Gew.-% oder mehr. Ohne Zusatz von Chrom könnte der verwendete Stahl zwar hohe Härten erhalten, wie von japanischen Messerstählen bekannt, allerdings würde die Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen im Off-Shore-Bereich in keiner Weise ausreichen. Außerdem erhöht jedes Prozent des Chromgehaltes die Zugfestigkeit des Stahls um etwa 80-100 N/mm2.
Es ist denkbar, Chrom ganz oder anteilsmäßig durch andere korrosionsreduzierende Legierungszusätze zu ersetzen. Beispielsweise ist bekannt, dass Mo, Ti, Ni, Nb und Ta positiven Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit von Stählen haben. W kann zusätzlich noch die Verschleißfähigkeit erhöhen.
Dabei hat sich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Werkteils als günstig erwiesen, dass der Stahl - zumindest in dem erfindungsgemäß nitrierten und gehärteten Bereich - einen Molybdängehalt Mo von mehr als 0,1 Gew.-% aufweist, vorzugsweise von mehr als 0,2 Gew.-%, insbesondere von mehr als 0,3 Gew.-%. Molybdän Mo kann sich durch eine Herabsetzung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit förderlich auf die Härtbarkeit auswirken. Weitere Vorteile sind, dass Molybdän Mo die Anlassprödigkeit verringert, die Feinkornbildung fördert, Festigkeit und Streckgrenze erhöht. Diese Eigenschaften machen sich insbesondere auch im Rahmen von Blattlagern positiv bemerkbar.
Der Stickstoff N kann in dem Stahl, der zur Konstruktion des erfindungsgemäßen Werkteils herangezogen werden soll, gleichmäßig verteilt sein. Dazu wird zur Herstellung des Werkstückes ein bereits (hoch) stickstofflegierter Stahl herangezogen. In der Regel handelt es sich nach heutigem Stand der Technik bei diesen Stählen um druckaufgestickte, korrosionsbeständige, martensitische Stähle, die beispielsweise nach dem sogenannten DESU-Verfahren (Druck-Elektro-Schlacke-Umschmelzung) hergestellt worden sind. Diese Stähle sind fein und homogen und können unter Beibehaltung des Stickstoffgehaltes in verschiedener Weise nachbearbeitet werden.
Gängige, allgemeine Nachbearbeitungsverfahren sind Weichglühen, Spannungsarmglühen, Härten, Abkühlen, Anlassen.
Der Härteprozeß kann in einem aufwendigen Prozess im Vakuum durchgeführt werden. Dabei sollte auf die eingestellten Partialdrücke, insbesondere von Stickstoff, geachtet werden, da es sonst zu einer ungewollten Aufstickung oder Entstickung der Randbereiche kommt, was zu einer Minderung der Korrosionsbeständigkeit und Härte führen kann. Desweiteren ist dieser Standardhärteprozess ungeeignet für große Werkstücke. Bei Ringen von mehreren Metern Durchmessern, wie sie Anwendung in Großwälzlagern für Windkraftanlagen finden, wären Vakuumkammern von großem Ausmaß notwendig, die zusätzlich noch schwierig zu steuern wären.
Andere Methoden zur Härtung sind die Austenitisierung des Werkstoffes zwischen 1000 °C und 1030 °C, mit eventuellem zusätzlichem Ausgleich zwischen 750 °C - 780 °C. Auch diese Standardmethoden beziehen sich stets auf das gesamte Werkstück und sind insbesondere bei großformatigen Werkstücken mit Ausmaßen von mehreren Metern mit einem hohen Konstruktions- und Kostenaufwand verbunden.
Daher ist es Inhalt der Erfindung, zusätzlich eine Methode zu entwickeln, bei der bereits mit Sickstoff durchlegierte Stähle nur in partiellen Bereichen gehärtet werden, in denen es zu besonderen Anforderungen in Bezug auf Abrieb, Reibung und Korrosion kommt.
Ein zweiter erfmdungsgemäßer Weg zur Erhöhung der Härte und Korrosionsbeständigkeit des Werkstückes besteht darin, einen in der Anwendung üblichen Werkstoff, der ursprünglich nicht oder nur gering mit Stickstoff legiert ist, wie beispielsweise 42CrMo4, in Bereichen an seiner Oberfläche mit erhöhten Stickstoffgehalten zu versehen und diese angereicherten Oberflächenbereiche gleichzeitig und/oder nachträglich zu härten, so dass besonders dort eine höhere Härte und Korrosionsbeständigkeit erhalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Großwälzlagers oder einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage mit wenigstens einem derartigen Großwälzlager zeichnet sich dadurch aus, dass der Stickstoff N dem Stahl vor dessen Formgebung hinzugefügt wird. Üblicherweise ist in diesem Falle der Stickstoffgehalt im gesamten Werkstück vor der Härtung ungefähr gleich hoch, da der Stickstoff bereits während der Herstellung des Stahls (beispielsweise im DESU-Verfahren) hinzugefügt wird, mit dem Ziel, den Stahl härter und korrosionsbeständiger zu machen. Bei geeigneten Bedingungen der Formgebung (z.B. Temperaturführung, Partialdruck usw.), wird der ursprüngliche Stickstoffgehalt beibehalten. Somit ist eine nachträgliche (partielle) Härtung möglich.
Der Stickstoff N kann einem Stahl andererseits auch nach dessen Formgebung hinzugefügt werden, wobei durch gängige Nitrierungsmethoden in diesem Fall im Wesentlichen in Oberflächenbereichen eine Anreicherung mit Stickstoff erreicht wird. Die Einbringung des Stickstoffes N kann durch Badnitrieren, insbesondere Salzbadnitrieren, oder durch Gasnitrieren oder Plasmanitrieren oder Sputtern erreicht werden.
Es ist Inhalt der Erfindung, dass zumindest ein nitrierter Bereich gehärtet wird, wobei sich vorzugsweise das induktive Härten als für großformatige Werkstücke besonders geeignet gezeigt hat.
Weitere geeignete Verfahren zur Härtung von bereits nitrierten Bereichen sind z. B. Konduktionshärten, Flammenhärten, Laserstrahlhärten und Elektronenstrahlhärten. Insbesondere beim Induktionshärten, aber auch bei den anderen genannten Härtemöglichkeiten besteht die Möglichkeit, einen nicht stickstoffhaltigen Werkstoff gleichzeitig zu nitrieren und zu härten. Dazu wird ein üblicher Werkstoff wie beispielsweise 42CrMo4 während des Induktivhärteprozesses im Bereich der erwärmten Härtezone mit einem speziellen Gas (z.B. N2, NH3, auch in Kombination mit C02 usw.) mit atmosphärischem Druck oder Überdruck beaufschlagt, um über Diffusion eine (partielle) oberflächige Stickstoffeinbringung in die erhitzte Zone des Werkstückes (bspw. Ringes) einzubringen.
Eine alternative Variante dazu wäre, dass der Stickstoff nach dem (Induktiv-) Härten von beispielsweise eines 42CrMo4-Ringes durch einen separaten Prozess in den oberflächengehärteten Bereich eingebracht wird. Dabei kann der Stickstoff nachträglich sowohl nur in den gehärteten Bereich eingebracht werden, als auch in das gesamte Werkstück.
Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass wenigstens ein (nitrierter) Bereich auf wenigstens 500 °C erhitzt wird, vorzugsweise auf wenigstens 700 °C, insbesondere auf wenigstens 900 °C und somit eine gewünschte (partielle) Härtung erzielt wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Stirnansicht auf eine Windkraftanlage; sowie
Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Rotorblattlagereinheit in eingebautem Zustand, teilweise abgebrochen;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer abgewandelten
Ausführungsform einer Rotorblattlagereinheit. Gemäß Fig. 1 besteht die Windkraftanlage aus einem Mast 1 , einem von diesem getragenen Maschinenhaus 2 und dem eigentlichen, daran drehbar gelagerten Windrad 3. Dessen Nabe 4 trägt sternartig bzw. äquidistant über den Nabenumfang verteilt angeordnete, jeweils radial von der Nabe 4 weg ragende, langgestreckte Rotorblätter 5, die jeweils in einer Drehrichtung 7 um ihre Längsachse 6 gegenüber der Windrichtung verstellbar sind.
Diese Verstellbarkeit leisten Blattlager 11 zwischen je einem Rotorblatt 5 und der Nabe 4. Ein Blattlager umfasst zwei gegeneinander verdrehbare, jeweils ringförmig gestaltete Anschlusselemente 24, 25 zum unverdrehbaren Anschluss an der Nabe 4 einerseits und an dem betreffenden Rotorblatt 25 andererseits.
An der dem Flügelblatt 5 abgewandten Stirnseite ist ein an der Nabe 4 starr fixierbares Nabenanschlusselement 10 vorgesehen. Zu dessen Festlegung an der Nabe 4 können in Bohrungen 8 der Nabe 4 jeweils zylinder- oder hülsenförmige Befestigungselemente 9 eingelassen, bspw. in die betreffende Bohrung 8 eingesteckt und ggf. mit Klebstoff fixiert sein, welche mit einem Innengewinde zum Einschrauben eines Gewindeelements versehen sind.
Das bereits oben erwähnte erfindungsgemäße Blattlager 11 dient dem verdrehbaren Anschluß eines Rotorblattes 5 an der Rotornabe 4, und sein Aufbau ist in Fig. 2 detailliert dargestellt.
Das Rotorblatt 5 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff und ist nach Art eines Flügels gestaltet. Zur Gewichtsersparnis ist das Rotorblatt 5 als einen inneren Hohlraum umgebende Mantelfläche 16 ausgebildet, die häufig einen Durchmesser von 2 - 3 m an ihrer dicksten Stelle einnehmen kann. Die ebene rückwärtige Anschlussfläche 17 hat einen kreisringförmigen Umriß. In dieser Anschlussfläche 17 befinden sich kranzförmig angeordnete Sacklochbohrungen 18, welche jeweils bis zu einem in das Rotorblatt 5 eingesetzten Verankerungskörper 19 aus einem harten Material führen, bspw. aus Eisen. Die Sacklochbohrungen 18 setzen sich in den Verankerungskörpern 19 als Innengewindebohrungen fort.
Die Rotornabe 4 verfügt über eine steife Ausbuchtung 20 mit je einer ebenen, kreisringförmigen Anschlussfläche 21 für jedes Rotorblatt 5, welche eine kreisförmige Öffnung 22 umgibt.
In der Anschlussfläche 21 befinden sich kranzförmig angeordnete Sacklochbohrungen 22, die mit einem Innengewinde versehen sind.
Zwischen den beiden Anschlussflächen 17, 21 befindet sich die Lagereinheit 23, die zwei ringförmige, zueinander konzentrische und gegeneinander verdrehbare Anschlusselemente 24, 25 aufweist. Je eine von zwei voneinander abgewandten Stirnseiten 26, 27 dieser Anschlusselemente 24, 25 liegen jeweils vollflächig an je einer Anschlussfläche 17, 21 an. Diese, als Anschlussflächen ausgebildeten Stirnseiten 26, 27 können aus besonders gehärtetem und korrosionsbeständigem Stahl hergestellt sein.
Zur festen Verbindung der Anschlusselemente 24, 25 mit dem Rotorblatt 5 einerseits und der Rotornabe 4 andererseits sind in den beiden Anschlusselementen 24, 25 jeweils kranzförmig angeordnete Durchgangsbohrungen 28, 29 vorgesehen. Die Durchgangsbohrungen 28 des innenliegenden Anschlusselements 24 stimmen hinsichtlich Anzahl, Durchmesser und Ausrichtung mit den Sacklochbohrungen 29 in der Anschlussfläche 17 des Rotorblattes 5 derart überein, dass je eine Durchgangsbohrung 29 mit je einer Sacklochbohrung 9 fluchtet und das Einstecken eines Bolzens 30 erlaubt. Sind alle Muttern auf dem Bolzen 30 fest angezogen, so ist der Innenring 24 fest mit dem rückwärtigen Ende 31 des Rotorblattes 5 verbunden, und zwar vorzugsweise so, dass die Mittelachse des Innenrings 24 mit der Längsachse des Rotorblattes 5 fluchtet. Die Durchgangsbohrungen 29 des äußeren Anschlusselements 25 entsprechen hinsichtlich Anzahl, Durchmesser und Anordnung bzw. Ausrichtung den Sacklochbohrungen 8 in der Anschlussfläche 21 der Rotornabe 4 derart überein, dass je eine Durchgangsbohrung 29 mit je einer Sacklochbohrung 8 fluchtend ausgerichtet ist und das Hindurchstecken eines Bolzens 32 ermöglicht. Sind alle Muttern 33 auf den Bolzen 32 fest angezogen, so ist der Außenring 25 fest mit der Ausbuchtung 21 der Rotornabe 4 verbunden.
Die große Anzahl der sogenannten Pitchzyklen als auch das Ausregeln von Böen und der Saugdruck durch den „Turmschatten" führt zu einer hohen mechanischen Belastung unter anderem der Blattlager 11 und daher sind hohe Anforderungen an Abrieb und Korrosion in besonders diesem Bereich gestellt. Die Anforderung an hohe Korrosionsbeständigkeit ist insbesondere dann gefordert, wenn die Windkraftanlage in aggressiver Seeluft aufgestellt und betrieben wird.
Somit ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass besondere Bereiche der Blattlager 11 , welche hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind und/oder besonders leicht korrodieren, aus hochstickstofflegiertem Stahl hergestellt sind, welcher in Bereichen der höchsten Belastung noch partiell durch beispielsweise Induktionsverfahren gehärtet sein sollte.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Wälzkörper 12, 13 und/oder die deren Laufbahnen tragenden Ringe 35 - 37 der Anschlusselemente 24, 25 aus einem stickstofflegiertem Stahl hergestellt sind, der in seinen die Laufbahnen bildenden Randzonen 14 und 15 gehärtet ist, damit er in den Bereichen, in denen die größte mechanische Belastung während der Betriebes zu erwarten ist, besonders stabile Eigenschaften gegenüber Abrieb und Korrosion zeigt.
Wie man erkennt, ist ein Anschlusselement 24, 25 - in diesem Falle das äußere Anschlusselement 25 - als sog.„Nasenring" 35 ausgebildet, d.h., er weist einen rundum laufenden Bund auf, die sog. Nase 34. Dieser Bund 34 hat einen etwa rechteckigen Querschnitt, und er wird von einer Ausnehmung des anderen, querschnittlich etwa C-förmig gestalteten Anschlusselements 24 - in diesem Falle des inneren Anschlusselements 24 - umgriffen. Infolge dieser Umgreifung ist ein Zusammenbau des Lagers 11 nur deshalb möglich, indem das C-förmige Anschlusselement 24 entlang einer Ebene, die von der Rotationsachse 6 des Blattlagers 11 rechtwinklig durchsetzt wird und sich auf Höhe des querschnittlich verjüngten Mittenbereichs des„C" befindet, unterteilt ist in zwei aufeinander liegende Ringe 36, 37.
Drei Seiten des Querschnitts durch die Nase 34 dienen beispielsweise als Laufbahnen 14 für daran entlang rollende Wälzkörper 12, 13, insbesondere rollenförmige Wälzkörper 12, 13. Diese Laufbahnen 14 weisen einen erhöhten Stickstoffgehalt N auf und sind außerdem oberflächengehärtet. Vorzugsweise sind die gehärteten Oberflächenbereiche 14 an den Kanten der Nase 34 miteinander verbunden, also gemeinsam gehärtet.
In ähnlicher Form sind die den Wälzkörpern 12, 13 zugewandten Oberflächen 15 des querschnittlich C-förmigen Anschlusselements 24 ebenfalls mit einem erhöhten Stickstoffanteil ausgestattet und darüber hinaus auch oberflächengehärtet. In diesem Falle sind die verschiedenen, erfindungsgemäß behandelten Laufbahnbereiche 15 nicht miteinander verbunden.
Das Lager 11 ' gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem Lager 1 1 gemäß Fig. 2 vor allem hinsichtlich der Geometrie der Wälzkörper 12'; 13'. Während die Wälzkörper 12, 13 bei der Ausführungsform nach Fig. 2 als Rollen ausgebildet sind, weist das Lager 11' nach Fig. 3 statt dessen kugelförmige Wälzkörper 12' auf. Die Querschnittsgeometrie der Laufbahnen 14, 14', 15, 15' ist an den Querschnitt der Wälzkörper 12, 12', 13, 13' angepasst - bei rollenförmigen Wälzkörpern 12, 13, 13' sind diese querschnittlich etwa gerade, bei kugelförmigen Wälzkörpern 12' bspw. konkav gewölbt, etc. In jedem Fall sind auch hier die Laufbahnen 14', 15' nitriert und oberflächengehärtet.
Neben rollen- und kugelförmigen Wälzkörpern 12, 12', 13, 13' sind auch noch nadel-, kegel- oder tonnenförmige Wälzkörper möglich.
Bezugszeichenliste
Mast 26 Stirnseite
Maschinenhaus 27 Stirnseite
Windrad 28 Durchgangsbohrung
Nabe 29 Durchgangsbohrung
Flügelblatt 30 Bolzen
Längsachse 31 Rückwärtiges Ende
Drehrichtung 32 Bolzen
Bohrung 33 Mutter
Anschluß 34 Bund
Nabenanschlusselement 35 Ring
Blattlager 36 Ring
Wälzkörper 37 Ring
Wälzkörper
Gehärtete Schicht
Gehärtete Schicht
Mantelfläche
Anschlussfläche
Sacklochbohrung
Verankerungskörper
Ausbuchtung
Anschlussfläche
Öffnung
Lagereinheit
Anschlusselement
Anschlusselement

Claims

Patentansprüche
1. Großwälzlager für die Anwendung in einer Windkraftanlage als Blattlager (11 ), umfassend zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse verdrehbare Anschlusselemente (24,25) aus Stahl mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlussfläche (26,27) zum Anschluss an die Rotornabe (4) einerseits und an ein Rotorblatt (5) andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen (8,18,28,29) zum Hindurchstecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben oder -bolzen (30,32) durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlusselementen (24,25), worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern (12,13) an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn (14,15) jedes Anschlusselements (24,25) entlang rollen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn (14,15) einen Stickstoffgehalt N > 0,1 Gew.-%, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist.
2. Windkraftanlage (1 ) mit einer um eine Drehachse etwa in Windrichtung drehbaren Nabe (4) und mehreren, von der Nabe (4) etwa radial auskragenden Rotorblättern (5), welche in je einem als Großwälzlager ausgebildeten Blattlager (11 ) gelagert und dadurch in ihrem Anstellwinkel verstellbar sind, wobei das Blattlager (11) zwei ringförmige, zueinander konzentrische, gegeneinander um eine Drehachse (6) verdrehbare Anschlusselemente (24,25) aus Stahl umfaßt mit jeweils wenigstens einer ebenen Anschlussfläche (26,27) zum Anschluss an die Nabe (4) des Windrades (3) einerseits sowie an ein Rotorblatt (5) andererseits, welche jeweils von mehreren, kranzförmig um die Drehachse verteilt angeordneten Befestigungsbohrungen (8,18,28,29) zum Hindurchstecken oder Hineinschrauben von Befestigungsschrauben oder -bolzen (30,32) durchsetzt sind, sowie mit einem Ringspalt zwischen beiden Anschlusselementen (24,25), worin ein oder mehrere Reihen von Wälzkörpern (12,13) an je einer rotationssymmetrischen Laufbahn (14,15) jedes Anschlusselements (24,25) entlang rollen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens einer Laufbahn (14,15) einen Stickstoffgehalt N > 0,1 Gew.- %, bezogen auf den nitrierten Bereich, aufweist und oberflächig gehärtet ist.
3. Großwälzlager nach Anspruch 1 oder damit ausgerüstete Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt N des nitrierten Bereichs > 0,2 Gew.-% ist, vorzugsweise N > 0,3 Gew.-% des nitrierten Bereichs, insbesondere N > 0,4 Gew.-% des nitrierten Bereichs.
4. Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffgehalt C von 0,1 Gew.-% oder mehr aufweist, vorzugsweise von 0,2 Gew.-% oder mehr, insbesondere von 0,3 Gew.-% oder mehr.
5. Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffgehalt C von 1 ,5 Gew.-% oder weniger aufweist, vorzugsweise von 1 ,0 Gew.-% oder weniger, insbesondere von 0,5 Gew.-% oder weniger.
6. Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt N des nitrierten Bereichs gleich oder größer ist als der Kohlenstoffgehalt des Stahls:
N > C.
7. Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Chromgehalt Cr von mehr als 0,5 Gew.-% aufweist, vorzugsweise von mehr als 0,8 Gew.-%, insbesondere von mehr als 5 Gew.-%.
8. Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Molybdängehalt Mo von mehr als 0,1 Gew.-% aufweist, vorzugsweise von mehr als 0,2 Gew.-%, insbesondere von mehr als 0,3 Gew.-%.
9. Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N in dem Stahl gleichmäßig verteilt ist.
10. Großwälzlager oder Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N nur in einem Oberflächenbereich des Stahls erhöht ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N dem Stahl vor dessen Formgebung hinzugefügt wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff N dem Stahl nach dessen Formgebung hinzugefügt wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff durch Badnitrieren, insbesondere Salzbadnitrieren, oder durch Gasnitrieren oder Plasmanitrieren oder Sputtern hinzugefügt wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein nitrierter Bereich induktiv gehärtet wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Großwälzlagers oder einer Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein nitrierter Bereich auf wenigstens 500 °C erhitzt wird, vorzugsweise auf wenigstens 700 °C, insbesondere auf wenigstens 900 "C.
***
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