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Hintergrund der Erfindung:
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Windkraftanlagen sind zu einen der wichtigsten Stützpfeiler der regenerativen Energieversorgung geworden. Für Windkraftanlagen wurde eine Betriebsdauer von mindesten 20 Jahre konstruktiv vorgesehen und nach der aktuellen Entwicklung werden Zeiträume von bis zu 30 Jahren angestrebt. Dennoch hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass insbesondere Windkraftanalgen der Leistungsklasse >1,5MW diese 20-Jahre-Anforderungen nicht immer für alle Komponenten erfüllen und es zu frühzeitigen Schäden beispielhaft bei der Hauptlagerungsanordnung kommt. Bisher wird dann der ganze Triebstrang mit einem Kran von der Gondel gehoben und durch einen neuen bzw. überarbeiteten Triebstrang ersetzt bzw. am Boden wieder instandgesetzt. Aufgrund der Rotormassen von 30-90t, und Nabenhöhen von bis zu 160m sind hierfür sehr teure und oftmals schlecht verfügbare Spezialkräne erforderlich. Die hiermit verbundenen hohen Kosten führen zu einer deutlichen Ertragsreduzierung bis hin zur Unwirtschaftlichkeit der Instandsetzung des Hauptlagers und somit der ganzen Windkraftanlage. Diese Problematik nimmt deutlich an Bedeutung zu, verdeutlicht man sich die Kosten und logistischen Aspekte die mit einer Rotordemontage bei einer Offshore Windkraftanlage verbunden sind.
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Es ist somit erforderlich hier einen neue Instandhaltungs- bzw. Instandsetzungsansatz zu entwickeln, um die Instandhaltungskosten und somit die Stromentstehungskosten vertretbar zu halten und letztendlich die Wettbewerbsfähigkeit dieser Zukunftstechnologie zu sichern.
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Aufgabe der Erfindung:
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein technisch neuartiges und gleichzeitig wirtschaftliches Instandhaltungsverfahren zum Weiterbetrieb geschädigter Hauptlagerungsanordnung von Windkraftanlagen zu entwickeln.
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Lösung der Aufgabe:
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Lageranordnung ein systematisches Schadensbild vorliegt, welches sich von den bisher anerkannten wissenschaftlichen Auslegungs- und Berechnungsgrundlagen unterscheidet. Bei der Auslegung von 20 oder 30 Jahre Lebensdauer der Windkraftanlage wird bisher eine Dimensionierung der Lagerung anhand der Lebensdauer und statischen Sicherheit vorgenommen. Basis hierfür ist die Hertz'sche Ermüdungstheorie und die Bewertung der Pressung im Wälzkontakt. Auf Basis dieser Auslegung errechnet sich eine Gesamtlebensdauer des Wälzlagers und die Annahme, dass der umlaufende Lagerring als Erster ermüdet. Der Erfindung liegt nun die neuartige Erkenntnis zugrunde, dass diese Lebensdauertheorie nicht vollständig auf diese Anwendung zu übertragen ist und ein andersartiger Schädigungsprozess diese überlagert oder vollständig verdrängt. Aus dieser Überlegung ergibt sich eine vorzugsweiser Ausfall des feststehenden Lagerringes des Wälzlagers bevor es zu funktionsreduzierenden Schädigungen des umlaufenden Lagerringes und der Wälzkörper kommt.
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Diese neue Erkenntnis macht sich die Erfindung zu Nutze, um ein neue Instandhaltungsverfahren für Hauptlageranordnungen anzugeben.
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Erfindungsgemäß ist nach Anspruch 1 vorgesehen, dass der ortsfeste Lagerring um die Dreh- und Rotationsachse der Rotorwelle und damit der Hauptlageranordnung um einen bestimmten Drehwinkel gedreht wird. D.h. es wird insbesondere zunächst eine Fixierung des ortsfesten Lagerrings aufgehoben, anschließend wird dieser verdreht und nachher vor der erneuten Inbetriebnahme des Anlage wird er wieder fixiert, so dass er im Betrieb ortsfest ist.
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Die Drehung wird dabei nach einer bestimmten Betriebsdauer von typischerweise mehreren Jahren vorgenommen, wenn also erste Verschleißerscheinungen erkennbar sind. Durch die Drehung wird eine bis dahin weniger belastete Zone des feststehenden Lagerrings in einen Bereich hineingedreht, bei der höhere Belastungen im Betrieb auftreten. Die Drehung erfolgt vorzugsweise um zumindest 45°, um zumindest 90° und bevorzugt in einem Winkelbereich von 160° bis 200°, speziell um 180°. Maximal erfolgt eine Drehung um 270°.
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Bevorzugt werden dabei keine anderen (wesentlichen) Lagerkomponenten, insbesondere der umlaufender Lagerring und / oder der Käfig ausgetauscht. Bevorzug werden auch die Wälzkörper nicht getauscht, zumindest ein Teil der Wälzkörper wird nicht getauscht. Es wird bevorzugt lediglich der beschädigte ortsfeste Lagerring ausgetauscht. Auch bei der ersten Variante, bei der der ortsfeste Lagerring gedreht wird, betrifft die Maßnahme lediglich den ortsfesten Lagerring.
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Allgemein ist vorgesehen, dass die hier vorgestellten Maßnahmen ohne Demontage der Rotorwelle erfolgen. Hierunter wird verstanden, dass die Rotorwelle zumindest im Wesentlichen - bis auf ein evtl. Abstützen - an ihrer Position verbleibt, die sie im Betrieb einnimmt. Es ist daher kein aufwändiges Abnehmen der Nabe und / oder der Rotorwelle erforderlich und vorgesehen.
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Bei einem mehrreihigen Lager, bei dem also in Richtung der Drehachse mehrere axiale Lagerringsegmente hintereinander angeordnet sind, die beispielsweise auch als voneinander getrennte oder zerstörungsfrei trennbare Lagerringsegmente ausgebildet sind, wird vorzugsweise lediglich eines (das höher belastete bzw. meist geschädigte) axiale Lagerringsegment gedreht. Alternativ erfolgt die Drehung mehrerer oder aller axialer Lagerringsegmente.
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Bei dem Lager handelt es sich insbesondere um eine vorgespannte Lagereinheit, speziell um eine sogenannte MBU (Main Bearing Unit) wie sie aus der
EP 1 947 339 B1 oder auch der
EP2710271 B1 zu entnehmen ist. Bei dieser sind insbesondere zwei in Axialrichtung voneinander beabstandete Einzellager ausgebildet, welche bevorzugt über ein gemeinsames Lagergehäuse und die zu lagernde Welle quasi miteinander verbunden sind und dadurch einen Vorspannkreis ausbilden. Ein Vorteil des Drehens des Lagerghäuses bei einer solchen Ausführungsvariante mit zwei voneinander beabstandeten Lagern ist darin zu sehen, dass beide ortsfesten Lagerringe gemeinsam mit dem Gehäuse gedreht werden.
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Das hier beschriebene Konzept ist grundsätzlich jedoch unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der Lagereinheit.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird zur Gebrauchsdauerverlängerung das gesamte Gehäuse zusammen mit den darin angeordneten Lagerringen, also insbesondere mit dem feststehenden Lagerring, welcher typischerweise der äußere Lagerring ist, gedreht.
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Bei dieser Ausgestaltung wird der besondere Vorteil erzielt, dass das Gehäuse nicht von dem Lagerring getrennt werden muss. Häufig ist zwischen dem Lagerring und dem Gehäuse ein Presssitz oder eine sonstige Verbindung ausgebildet. Diese wird daher vorzugsweise nicht gelöst. Auch sind üblicherweise Dichtungsbauteile sowie Abdeckungen für das jeweilige Lager vorgesehen. Auch diese werden vorzugsweise nicht gelöst oder demontiert. Dadurch ist insgesamt der Montageaufwand gering gehalten.
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Für die Drehung wird dabei das Gehäuse insgesamt zunächst von seiner Fixierung gelöst, so dass es drehbar ist. Anschließend erfolgt die gewünschte Drehung, bevor das Gehäuse nachfolgend wieder fixiert wird, bevor der eigentliche Betrieb wieder aufgenommen wird.
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Eine solche Drehung um den gewünschten Winkelbereich erfolgt vorzugsweise in dem Fall, wenn zumindest ein Gehäuseteil oder auch das Gehäuse insgesamt (ggf. bis auf kleine Gehäusebereiche) bezüglich des vorgegebenen Winkelbereichs drehsymmetrisch und insbesondere rotationssymmetrisch ist.
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Durch diese Ausgestaltung ist die gewünschte Drehung des Gehäuses zumindest um den gewünschten Winkelbereich ermöglicht. Bevorzugt ist das Gehäuseteil oder auch das Gehäuse insgesamt roationssymmetrisch, so dass das Gehäuse um beliebige Winkel drehbar ist und nach der Drehung wieder befestigt werden kann.
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Das Gehäuse ist regelmäßig über eine Haltevorrichtung speziell am erwähnten Grundrahmen befestigt. Bei der Haltevorrichtung handelt es sich beispielsweise um eine typischerweise schalenartige (Halbschale oder auch umlaufende Schale) Tragstruktur, auf / in der das Gehäuse einliegt und über das das Gehäuse befestigt ist. Bei dieser Tragstruktur kann es sich um eine eigenständige Baueinheit handeln, welcher selbst am Grundrahmen befestigt ist. Alternativ handelt es sich um einen Teil des Grundrahmens. Die Haltevorrichtung dient dabei insbesondere zur radialen Zentrierung des Gehäuses und / oder zur axialen Fixierung des Gehäuses.
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Das Gehäuse ist zumindest im Bereich dieser Haltevorrichtung dreh- oder rotationssymmetrisch ausgebildet. Andere Gehäuseabschnitte brauchen nicht zwingend eine solche Dreh- oder Rotationssymmetrie aufzuweisen.
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In der Regel ist auch eine axiale Sicherung für das Gehäuse und / oder die Lagerringe vorgesehen. Eine solche wird ebenfalls bevorzugt vor dem Drehen zunächst gelöst und anschließend wieder fixiert.
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Zur Unterstützung und Vereinfachung der Drehung ist in bevorzugter Ausgestaltung ein zwischen dem Gehäuse und der Haltevorrichtung wirksamer Öldruckverband ausgebildet. Während des Drehens wird dieser daher mit einem Öldruck beaufschlagt, so dass die Reibung zwischen dem Gehäuse und der Haltevorrichtung reduziert ist. Zur Ausbildung des Öldruckverbandes sind zwischen dem Gehäuse und der Haltevorrichtung Ölkammern ausgebildet, beispielsweise durch einzelne, lokale Taschen oder auch insbesondere umlaufenden Nuten, in die über ein Versorgungssystem speziell über Versorgungskanäle Öl eingepresst wird. Die Nuten / Taschen sind dabei im Gehäuse und / oder der Haltevorrichtung ausgebildet.
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Die hier beschriebenen Maßnahmen werden insbesondere bei einem ortsfesten Außenring angewandt. Grundsätzlich können sie jedoch auch bei einer Lagervariante eingesetzt werden, bei der der Außenring im Betrieb umlaufend ist und der Innenring ortsfest und nicht drehend. Bei dieser Variante steht daher die „Rotorwelle“ und bildet quasi einen Achszapfen. Der Rotor der Windkraftanlage ist mit dem Außenring z.B. über das dann ebenfalls umlaufende/ rotierende Gehäuse verbunden. Diese Ausführung findet sich oftmals in direkt getrieben Windkraftanlagen.
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Die Ausführungen, die sich auf das Gehäuse beziehen, sind bei einer solchen Ausgestaltung sinngemäß auch auf die feststehende Welle bei dieser Variante zu übertragen. D.h. insbesondere ist vorgesehen, dass der feststehende (innere) Lagerring gemeinsam mit dem Achszapfen gedreht wird. Die Welle ist üblicherweise an einer Haltevorrichtung befestigt. Zum Drehen der Welle / des Achszapfen wird daher - ähnlich wie beim Gehäuse - die Haltevorrichtung zunächst zumindest teilweise gelöst, dann wird die Welle zusammen mit dem daran befestigten Lagerring gedreht und anschließend wird die Welle wieder an der Haltevorrichtung fixiert. Auch hier ist vorzugsweise eine Unterstützung durch einen Öldruckverband vorgesehen. Auch eine Vorrichtung zum Drehen ist vorgesehen und bevorzugt auch eine temporäre Sicherung / Fixierung der Lageranordnung während des Drehens.
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Die Maßnahme zur Gebrauchsdauerverlängerung wird gemäß einer ersten Variante nach eine definierten Betriebsdauer von typischerweise mehreren Jahren z.B. nach 8 bis 15 Jahren nach der Erstinbetriebnahme (erstmalig und insbesondere auch einmalig) durchgeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Maßnahme bedarfsabhängig durchgeführt, wenn das Lager vorgegeben Verschleißerscheinungen zeigt bzw. Verschleißgrenzen erreichen. Hierzu ist insbesondere ein Condition Monitoring für das Lager vorgesehen. Sobald ein relevanter Schaden detektiert wird, wird die Maßnahme veranlasst. Zur Detektion, ob ein Schaden aufgetreten ist, wird im Rahmen der Lagerüberwachung z.B. eine Schwingungsüberwachung eine Lastüberwachung, eine Lagerspielüberwachung etc. durchgeführt.
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Die hier beschriebenen Maßnahmen werden allgemein bevorzugt nur einmalig während der Lebensdauer einer Windkraftanlage durchgeführt.
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Für Drehung des ortsfesten Lagerrings, insbesondere gemeinsam mit dem Gehäuse um einen vorgegebenen Drehwinkel ist in zweckdienlicher Ausgestaltung eine Drehvorrichtung vorgesehen, welche bevorzugt lediglich temporär angebracht wird, und welche die Drehung des Lagerrings ausführt oder unterstützt.
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Hierbei wird insbesondere das Lager zunächst entlastet, z.B. indem die Gewichtskraft beispielsweise über den Rotor und die bereits erwähnte Fixture abgefangen wird.
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Die Drehvorrichtung stützt sich allgemein an einem ersten Strukturbauteil ab, z.B. am Grundträger und greift form- und / oder kraftschlüssig am ortsfesten Lagerring / Gehäuse an, um diesen / dieses zu drehen.
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Um das Drehen zu erleichtern ist weiterhin in bevorzugter Ausgestaltung eine Temperaturbehandlung, z.B. Kälte- oder Wärmebehandlung der relevanten Bauteile vorgesehen.
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Bei der Lageranordnung handelt es sich insbesondere um ein Drei-Punkt-Lager oder um ein Momententenlager.
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Weiterhin handelt es sich bevorzugt oder um ein einreihiges oder mehrreihiges (Kegelrollen) Lager etc..
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Das Drehen eines ortsfesten Lagerrings wird nachfolgend Anhand der Figuren näher erläutert:
- 1, 2 zeigen eine Ausführungsvaiante einer MBU mit zwei axial voneinander beabstandeten Lager (angestellte Kegelrollenlager), die jeweils einen drehenden Innenring und einen feststehenden Außenrring aufweisen. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung mit einem aufgeschnittenen Teilbereich und die 2 zeigt eine Schnittansicht.
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Die beiden Lager lagern eine hohle Rotorwelle. Die beiden Außenringe sind jeweils mit einem Lagergehäuse verbunden. Das Lagergehäuse ist insgesamt zumindest weitgehend rotationssymmetrisch ausgebildet. Das Gehäuse und damit die ganze Lageranordnung ist auf eine nach Art von Füßen ausgebildeten Haltevorrichtung angeordnet. Die beiden Füße sind nach Art von Halbschalen ausgebildet und fixieren das Gehäuse im Bereich des jeweiligen Lagers.
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Neben der Ausbildung von Halbschalen können diese auch das Gehäuse vollumfänglich umfassen. Dies ist in den Figuren am vorderen (rotorseitigem) Lager skizziert. Speziell ist vorgesehen, dass der vordere Fuß durch ein unteres Basisteil gebildet ist, mit dem beispielsweise die Befestigung am Maschinenträger erfolgt. Auf diesem ist beispielsweise eine zweite, obere Halbschale nach Art einer Fixierung /Fixture befestigt. Diese wird vorzugsweise nur temporär während des Drehens des Gehäuses am Basisteil befestigt, um die Lageranordung beim Drehen gegen ein Abheben zu sichern. Eine solche Sicherung ist vorzugsweise nur an einem der beiden Lager, insbesondere am vorderen Lager vorgesehen.
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Die 3 bis 6 zeigen eine typischen bei Windkraftanlagen eingesetzte Drei-Punkt-Lagerung. Diese oft anzufindende Hauptlagerlösung nutzt ein zweireihiges Pendelrollenlager als rotorseitiges Festlager und die erste Getriebestufenlagerung als getriebeseitiges Loslager. Dabei ist der durch das Hauptlagergehäuse ortsfeste Lagerring (7) der Außenring des Pendelrollenlagers. Die durch den Windlasten bevorzugten Lastzonen dieser ortsfesten Lagerringe sind allgemein zwischen 9 bis 3 Uhr, also insbesondere bei der nabenseitigen Lagerreihe und bei der getriebeseitigen Lagerreihe.
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Gemäß dem Stand der Technik stützt sich die Lebensdauertheorie und Tragzahlberechnung auf die Wechselschubspannungshypothese. Hierfür werden auf Grundlage der Hertz'schen Pressung und empirisch ermittelten Materialkennwerte Abschätzung zur Lebensdauer getroffen. Gemäß dieser Theorie ist in der Regel der Innenring das zuerst versagende Bauteil, da dieser wegen der größeren Krümmung in Rollrichtung in der Regel die höchste Beanspruchung/Pressung sieht.
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Anwendungsspezifische Erfahrungen zeigen jedoch, dass diese Annahmen hier nur teilweise zutreffen und andere Effekte diese Hypothese überlagern. Kinematische und schmierungstechnische Besonderheiten bei der Hauptlagerung führen zu einen abweichenden Ausfallfolge der einzelnen Wälzlagerbauteile. Diese neue Erkenntnis ist der Ausgangspunkt für die Erfindung und ermöglicht einen neuen Instandhaltungsansatz. Erfahrungen zeigen, dass der ortsfeste Lagerring (7) auf der getriebeseitigen Lagerreihe entgehen der bisherigen Ermüdungstheorie der ursprünglichen Lagerauslegung zuerst ausfällt. Der umlaufende Lagerring (8) weist zu diesem Zeitpunkt ebenfalls schon leichte Verschleißspuren auf. Ist jedoch noch voll funktionsfähig, gleiches gilt für die Wälzkörper (9) und Käfig (10).
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Somit ist es vorteilhaft den Schaden am ortsfesten Lagerring (Außenring)(7) frühestmöglich mit einem Überwachungssystem (Schwingungsüberwachung, Axialspielüberwachung) zu detektieren um größere Ausbrüche der Außenringlaufbahn zu vermeiden, welche wiederum den umlaufenden Lagerring (8) und die Wälzkörper (9) schädigen könnten.
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Vielmehr haben die Erfahrungen gezeigt, dass der frühe Außenringschaden meist lokal auf den Bereich von 3 bis 9 Uhr begrenzt ist. Was wiederum bedeutet, dass die verbleibenden 180° des Außenringes noch fast neuwertig sind.
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Die Erfindung macht sich nun diesen Zusammenhang zu Nutze und hat ein Verfahren entwickelte diesen ortsfesten Lagerring (7) (Außenring) auf der Windkraftanlage bei montierten Rotor um 180° um die Hauptwellendrehachse (13) zu drehen. Somit wird erreicht, dass der ungeschädigte Laufbahnbereich des ortsfesten Lagerringes (7) genutzt werden kann und somit die Gesamtgebrauchsdauer des Hauptlageranordnung (1) verlängert wird ohne das gesamte Lager tauschen zu müssen. Um diesen ortsfesten Lagerring (7) zu drehen wird der Lagerring beispielsweise zunächst aus seiner ortsfesten Position entfernt.
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Das Drehen erfolgt bei der rotationssymmetrischen Ausgestaltung gemäß den 1, 2 insbesondere gemeinsam mit dem Lagergehäuse. Das Lagergehäuse ist hierbei - anders als das in den 3-4 dargestellte Lagergehäuse - rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Mit der Haltestruktur mit den beiden Fuß- oder Basisteilen ist das Gehäuse 5 an der Gondelstruktur / an einem Grundrahmen befestigt. Die Verbindung / Fixierung zwischen Haltestruktur und Gehäuse wird zunächst gelöst, so dass das Gehäuse - in der Haltestruktur verbleibend - gedreht werden kann und wird. Unterstützt wird dies durch einen Öldruckverband, welcher zwischen der Haltestruktur und dem Gehäuse wirksam ist.
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Bei der in den 3-4 dargestellten Variante des Lagergehäuses ist dieses zunächst zu entfernen, bzw. der Lagerring wird innerhalb des Gehäuses gedreht.
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Sofern vorliegend von Rotor gesprochen wird, so wird hierunter der rotierende Teil einer Windkraftanlage verstanden, der insbesondere die Nabe mit den daran befestigten Rotorblättern umfasst. Typischerweise zählt zum Rotor auch die Rotorwelle, die durch die Hauptlageranordnung gelagert ist. Die Rotorwelle ist typischerweise das Hauptlager hindurchgeführt und erstreckt sich von der Nabe bis zu einem Getriebe bzw. bis zum Generator bei direkt getrieben Windkraftanlagen
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Sofern vorliegend von Hauptlageranordnung gesprochen wird, so wird hierunter allgemein die Lagerung der Rotorwelle einer Windkraftanlage verstanden, an deren vorderen Ende die Nabe mit den Rotorblättern befestigt ist.
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Unter Fixture wird allgemein eine Haltevorrichtung verstanden, welche temporär an einem Strukturbauteil, wie beispielsweise dem Grundrahmen oder einem Maschinenträger befestigt wird und die insbesondere zum temporären Abstützen und Halten der Rotorwelle oder des Gehäuses während der Durchführung der hier beschriebenen Maßnahme dient.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1947339 B1 [0012]
- EP 2710271 B1 [0012]