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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung einer Windkraftanlage, die als Hauptlagerung für einen Rotor der Windkraftanlage ausgebildet ist.
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Windkraftanlagen weisen allgemein einen Turm auf, an dessen Kopfende eine drehbare Gondel angeordnet ist, die einen Maschinenträger bildet. An der Gondel ist eine Rotornabe um eine Rotationsachse drehbar gelagert, an der Rotorblätter befestigt sind. Bei Windkraftanlagen gibt es sowohl Direktantriebskonzepte, bei denen die Drehbewegung der Rotornabe direkt und unmittelbar auf einen Rotor eines Generators übertragen wird. Alternativ ist zwischen der Rotornabe und dem Generator ein Getriebe zwischengeschaltet.
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Eine technische Herausforderung bei derartigen Windkraftanlagen, die typischerweise für einen Leistungsbereich von mehreren MW elektrischer Leistung ausgelegt sind, ist die Bereitstellung einer Lagerung, die den hohen technischen Anforderungen genügt, wie beispielsweise eine hohe Biegesteifigkeit, eine spielfreie Lagerung, eine verschleißarme Kinematik sowie eine möglichst einfache Montage bei gleichzeitig hoher Wirtschaftlichkeit. Moderne Windkraftanlagen sind im Betrieb dabei einer Vielzahl von Belastungsschwankungen und Umgebungseinflüssen ausgesetzt, die erheblichen Einfluss auf die Beanspruchung und Funktion sämtlicher Komponenten haben. Diese Schwankungen können zu Überbelastungen und Schädigung der Komponenten und damit verbundenen hohen Folgekosten führen. Um diese zu vermeiden werden die einzelnen Komponenten üblicherweise überdimensioniert, um alle möglichen Lastschwankungen abzusichern. Dieses Problem besteht ebenfalls bei der sogenannten Hauptlagerung der Windkraftanlage, die das Bindeglied zwischen dem drehenden System und dem stehenden System bildet. Sämtliche Lastschwankungen, die aus dem Standort der Anlage, aus Fehlfunktionen in sogenannten Pitch- oder Azimutsystemen oder aus Regelschwankungen von Netz, Generator und Umrichter resultieren, müssen von dieser Hauptlagerung aufgenommen werden. Dies führt zu einer konservativen und damit zu einer nicht besonders wirtschaftlichen Dimensionierung der Hauptlagerung. Neben diesen wirtschaftlichen Aspekten erhöht sich zudem bei einer solchen Überdimensionierung das Reibmoment im Vergleich zu einer normalen Auslegung, was wiederum zu geringeren Lebensdauern, einem erhöhten Losbrechmoment bei geringen Windgeschwindigkeiten und einer erhöhten Beanspruchung von Materialien und Konstruktionselementen führt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lageranordnung insbesondere für die Lagerung eines Rotors einer Windkraftanlage anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 17.
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Der Anspruch 1 geht dabei von einer Lageranordnung aus, wie sie in der zum Anmeldezeitpunkt noch nicht veröffentlichten internationalen Anmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Aktenzeichen
PCT/EP 2013/000245 (
WO 2013/113487 A1 ) beschrieben ist. Diese Lageranordnung weist eine Statoreinheit sowie eine Rotoreinheit auf, die über zwei beabstandete Lager aneinander gelagert sind, wobei über die zwei Lager sowie die beiden Einheiten ein geschlossener Vorspannkreis gebildet ist, über den bei der Montage der Lagereinheit eine Basis-Vorspannung eingestellt ist. Diese Basis-Vorspannung entspricht einer Auslegungs-Vorspannung, für die die Lageranordnung allgemein im Hinblick auf den zu erwartenden Einsatzfall ausgelegt ist. Dies wird bei herkömmlichen Lageranordnungen üblicherweise durch eine konstruktive Auslegung der einzelnen Komponenten, wie beispielsweise Fertigungsmaße, Spaltmaße etc. eingestellt.
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Demgegenüber ist erfindungsgemäß nunmehr eine Einstelleinrichtung ausgebildet, die einen Klemmring umfasst, wobei über diesen die Vorspannung gegenüber der Basis-Vorspannung veränderbar ist. Hierzu wirkt der Klemmring auf einen der Lagerringe eines der Lager, nachfolgend als Lagerspannring bezeichnet ein, so dass über diesen die Lager-Vorspannung insgesamt eingestellt wird. Aufgrund der speziellen Ausgestaltung mit dem Vorspannkreis wird daher über die nur auf den einen Lagerspannring einwirkende Vorspannung über den Vorspannkreis auf beide Lager übertragen, so dass eine besonders effiziente Einstellung und Variation der Gesamtlager-Vorspannung ermöglicht ist.
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Über die Einstelleinrichtung ist eine gezielte Einstellung bzw. auch eine Justierung der Hauptlagerung einer Windkraftanlage auf die unterschiedlichen konstruktiven Anforderungen und Laständerungen oder Belastungssituationen ermöglicht. Die Lagervorspannung kann daher in einfacher Weise ausgehend von der Basis-Vorspannung nachjustiert werden, so dass insgesamt die Lagervorspannung für die herrschenden Betriebsverhältnisse angepasst werden kann. Dadurch braucht die Lageranordnung insgesamt nicht mehr übermäßig überdimensioniert zu sein, so dass sie insgesamt kostengünstiger und damit wirtschaftlicher ausgebildet sein kann. Auch wirkt sich eine optimierte Lagervorspannung positiv auf die Gesamtlebensdauer sowie auf die Reibkräfte aus. Ein besonderer Vorteil der Einstellbarkeit ist auch darin zu sehen, dass die gesamte Lageranordnung dadurch in gewisser Weise auch fehlertolerant im Hinblick auf Auslegungsungenauigkeiten oder auch auf Toleranzungenauigkeiten ist. Die Lageranordnung ist damit zweckdienlicherweise für alle Anlagen eines gleichen Anlagentyps bzw. einer gleichen Leistungsklasse, beispielsweise mit einer Leistungsvariablität von lediglich 300 kW, für alle Standorte identisch und wird erst bei der Endmontage entsprechend den auftretenden Lasten (Windlasten am Standort) und / oder Gerätekonfigurationen eingestellt. Dies vereinfacht die Planung sowie Herstellung derartiger Anlagen entscheidend. Eine Entwicklung und separate Fertigung von unterschiedlichen Hauptlagerungen ist daher nicht erforderlich.
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Weiterhin bietet die Einstellbarkeit die Möglichkeit Verschleißerscheinungen, die beispielsweise zu einem Vorspannungsverlust führen, auszugleichen.
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Der Klemmring der Einstelleinrichtung umfasst vorzugsweise zwei Ringteile, nämlich ein Halteringteil und ein Spannringteil, welches vorzugsweise einen überstehenden Kragen aufweist. Das Halteringteil ist mittels Befestigungselementen, insbesondere Schrauben, gegen die Statoreinheit oder die Rotoreinheit verspannt. Das Spannringteil ist zur Übertragung einer Vorspannung auf das Lager mit dem Lagerspannring verbunden. Die Übertragung kann hierbei sowohl unmittelbar durch eine direkte Anlage als auch mittelbar über ein Spann- oder Einstellelement erfolgen. Über den Klemmring ist allgemein die Relativposition des Lagerspannrings in Relation zu den Lagereinheiten, also der Statoreinheit und der Rotoreinheit um einen Einstellweg versetzbar, vorzugsweise in Längsrichtung und / oder auch radial hierzu. Der Einstellweg in Längsrichtung liegt im Bereich von einigen zehntel Millimetern. Bei einer herkömmlichen Anlage definiert die Anlage des Halteringteils an der zugeordneten Stator- oder Rotoreinheit üblicherweise die herkömmliche Basis-Vorspannung.
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Zur Variation der Lagervorspannung ist gemäß einer ersten Ausführungsvariante zwischen dem Klemmring und dem Lagerspannring ein Distanzelement angeordnet, welches bei montierten Lagereinheiten auswechselbar angeordnet ist, wobei über die Dicke des Distanzelements die Vorspannung einstellbar ist. Für die Einstellung der Vorspannung werden daher lediglich unterschiedlich dicke Distanzelemente vorgehalten und diese bei Bedarf eingebaut. Von besonderer Bedeutung ist dabei auch die Tatsache, dass die Distanzelemente bei montierten Lagern auswechselbar angeordnet sind. Unter montierten Lagern wird hierbei insbesondere verstanden, dass der Klemmring in seiner montierten Position verbleibt, allenfalls geringfügig gelöst wird, so dass keine Gefahr besteht, dass die Lagerelemente verrutschen.
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Als Distanzelemente werden beispielsweise Distanzbleche, Blechfolien oder auch weitere austauschbare Zwischenstücke eingesetzt. Zweckdienlicherweise ist das Distanzelement als ein Distanzring ausgebildet, wobei dieser vorzugsweise in einzelne Segmente unterteilt ist, und zwar derart, dass diese in radialer Richtung entnehmbar sind. Durch die Segmentierung des umlaufenden Distanzrings und der Ausbildung von einzelnen separaten Ringsegmenten ist daher ein besonders einfacher Austausch ermöglicht. Auch wird dadurch die Montage und Demontage des Distanzrings vereinfacht. Zweckdienlicherweise wird hierbei derart vorgegangen, dass segmentweise jeweils ein Distanzelement durch ein anderes ersetzt wird. So bleibt in den übrigen Bereichen das Lager weiterhin gehalten. Für die Entnahme bzw. das Einsetzen des Austauschsegments wird dabei vorzugsweise lediglich die Vorspannung etwas gelöst, so dass die einzelnen Segmente entnehmbar sind.
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In bevorzugter Weiterbildung weisen dabei die Segmente zu einer Seite offene Ausnehmungen auf, durch die Befestigungselemente, wie beispielsweise die Befestigungsschrauben zum Befestigung des Klemmrings, durchgeführt sind bzw. durchführbar sind. Die Öffnung ist dabei derart gerichtet, dass die Segmente bei montierten Befestigungselementen in radialer Richtung entnommen werden können.
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In bevorzugter Ausbildung ist dabei das Distanzelement zwischen dem Lagerspannring und dem Klemmring angeordnet. Das Halteringteil liegt daher jederzeit in definierter Position, insbesondere an der Stirnseite einer der jeweiligen Lagereinheiten an. Dies hat den Vorteil, dass die Befestigungsschrauben zur Befestigung des Klemmrings an der Lagereinheit bei dem Austausch der Distanzelemente nicht gelöst werden müssen, wie dies bei einer Anordnung der Distanzelemente zwischen Halteringteil und Lagereinheit, die alternativ vorgesehen ist, erforderlich wäre. Bei der Anordnung der Distanzelemente zwischen dem Spannringteil und dem Lagerspannring braucht demgegenüber für die Montage / Demontage der Lagerspannring lediglich etwas vom Spannringteil weggedrückt zu werden.
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Um dies zu ermöglichen, sind in bevorzugter Weiterbildung im Spannringteil Gewindebohrungen für Abdrückschrauben ausgebildet. Zur Montage / Demontage werden daher in diese Gewindebohrungen Abdrückschrauben eingeschraubt, die den Lagerspannring in Längsrichtung versetzen, so dass die Spannung auf die Distanzelemente reduziert wird und diese damit entnommen werden können. Aufgrund der offenen Ausnehmungen lassen diese sich trotz der Abdrückschrauben in radialer Richtung herausnehmen.
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In einer alternativen Variante dienen die Gewindebohrungen für die Aufnahme von Spannschrauben, über die die Vorspannung im normalen Betrieb ausgeübt und aufrechterhalten wird. Über diese Spannschrauben wird daher die axiale Position des Lagerspannrings und damit die Vorspannung eingestellt. Zur Veränderung der Lagervorspannung brauchen daher lediglich die Spannschrauben entsprechend nachgezogen bzw. etwas gelöst zu werden.
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Zweckdienlicherweise sind allgemein am Spannringteil Spannelemente, wie beispielsweise die erwähnten Spannschrauben angeordnet, über die die Vorspannung auf den Lagerspannring im normalen Betrieb übertragen wird. Das Spannringteil bildet insofern ein Gegenlager für diese Spannelemente, die also zwischen dem Klemmring, insbesondere dem Spannringteil und dem Lagerspannring wirksam sind und diesen insbesondere in Axialrichtung und / oder in Radialrichtung versetzen. Neben den bereits erwähnten Spannschrauben werden als Spannelemente in bevorzugten Alternativen hydraulische Elemente, einstellbare Federelemente, elektrisch ansteuerbare Elemente, insbesondere Piezoelemente, oder auch Spannkeile eingesetzt. Bei den hydraulischen Elementen wird gemäß einer ersten Alternative um den Umfang des Klemmrings verteilt eine Vielzahl von Hydraulikzylindern angeordnet, die beispielsweise in entsprechende Bohrungen am Spannringteil eingesetzt werden. Die Hydraulikzylinder sind dabei in sich vollständig abgeschlossene Hydraulikeinheiten. Alternativ wird das jeweilige Hydraulikelement innerhalb des Spannringteils selbst ausgebildet, d.h. in Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen am Spannringteil wird dichtend ein Hydraulikkolben eingesetzt. Am Grund der beispielsweise als Sacklochbohrung ausgebildeten Ausnehmung ist ein Hydraulikfluid angeordnet, welches mit einem entsprechenden Hydraulik-System in Verbindung steht und über das der Hydraulikkolben versetzbar ist. Bei den Federelementen handelt es sich vorzugsweise um passive Federn, beispielsweise Federpakete, Schraubenfedern etc. Auch diese sind vorzugsweise in Ausnehmungen am Spannringteil eingesetzt. Ergänzend ist die Vorspannung der Federelemente zur Erzeugung unterschiedlicher Lager-Vorspannungen einstellbar. Dies erfolgt vorzugsweise durch die bereits erwähnten Spannschrauben, die in die als Gewindebohrungen ausgebildeten Ausnehmungen eingeschraubt und auf das jeweilige Federelement einwirken, so dass dieses dadurch komprimiert wird.
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Bei der Ausführungsvariante mit dem Piezoelementen werden vorzugsweise sogenannte Piezostacks eingesetzt, die elektrisch angesteuert eine Hubbewegung ausführen, die insbesondere in Längsrichtung auf den Lagerspannring übertragen wird. Die Hublänge wird dabei vorzugsweise über eine Hebelmechanik umgesetzt, um einen ausreichenden Verstellhub zu erzielen.
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Bei der Ausgestaltung der Spannelemente als Spannkeil werden vorzugsweise mehrere derartige Spannkeile zwischen Spannringteil und Lagerspannring eingetrieben. Grundsätzlich kann es sich auch um einen Keilring handeln, der vollständig umlaufend ausgebildet ist. Vorzugsweise wird der zumindest eine Spannkeil dabei mit Hilfe eines weiteren Spannelements, insbesondere der Spannschraube versetzt. Die Variante mit dem Spannkeil führt in vorteilhafter Weise gleichzeitig zu einer Veränderung der axialen sowie auch der radialen Vorspannung.
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Gemäß einer bevorzugten Alternative zur Einstellung der Vorspannung, die jedoch auch in Kombination mit den bisher beschriebenen Einstellmechanismen kombiniert werden kann, ist die Einstelleinrichtung zur Temperierung der Rotoreinheit und / oder der Statoreinheit ausgebildet. Die thermische Ausdehnung des Materials der Rotoreinheit bzw. der Statoreinheit wird zur Einstellung der Vorspannung ausgenutzt. Im Hinblick auf eine besonders genaue und effiziente Einstellung sind hierzu zweckdienlicherweise mehrere Temperierungszonen ausgebildet, welche sich in Axialrichtung erstrecken und sich vorzugsweise aneinander anschließen. In den unterschiedlichen Temperierungszonen können dabei unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden. Weiterhin ist die Einstellvorrichtung sowohl zur Erwärmung als auch zur Kühlung ausgebildet. Dadurch ist in Abhängigkeit des jeweiligen Anforderungsprofils eine gezielte Einstellung der Vorspannung ermöglicht. Dabei ist insbesondere auch vorgesehen, dass sowohl für die Statoreinheit als auch für die Rotoreinheit eine Temperierung vorgesehen ist, wobei die beiden Teile unterschiedlich temperiert werden, also beispielsweise das eine Teil erwärmt und das andere gekühlt wird. Durch die Temperierung werden vorzugsweise insbesondere auch unterschiedliche thermische Ausdehnungen der beiden Lagereinheiten aufgrund eines ungleichmäßigen Erwärmens beispielsweise bei einem Anfahren der Anlage ausgeglichen. Im normalen, stationären Betrieb, wenn also die einzelnen Lagereinheiten typischerweise auf gleichem oder ähnlichem Temperaturniveau liegen, erfolgt über die Temperierung die Anpassung der Lagervorspannung entsprechend den Anforderungen.
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Innerhalb der Temperierzonen einer Lagereinheit wird dabei vorzugsweise auch gegenläufig temperiert, so werden beispielsweise die randseitigen Bereiche geheizt und der mittlere Bereich gekühlt. Sind die äußeren Lagerringe mit der Lagereinheit verbunden, so führt dies insgesamt zu einer Erhöhung sowohl der radialen als auch der axialen Vorspannung, da der Abstand zwischen den zwei in Axialrichtung beabstandeten äußeren Lagerringen verkürzt und gleichzeitig durch das Heizen in den Randzonen der Radius der vorzugsweise inneren Lagereinheit vergrößert wird, so dass auch die radiale Vorspannung erhöht wird. Allgemein dient die Temperierung sowohl zur Einstellung der radialen als auch der axialen Vorspannung.
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Für die Temperierung wird zweckdienlicherweise auf vorhandene Kühl- oder Heizquellen der Anlage zurückgegriffen. So wird zur Kühlung vorzugsweise auf ein bestehendes Kühlsystem beispielsweise zur Generatorkühlung zurückgegriffen. Die Beheizung erfolgt vorzugsweise mithilfe von Abwärme aus dem Betrieb, beispielsweise Abwärme aus dem Generator. Als Kühlmedium wird hierbei gemäß einer ersten Ausführungsvariante Luft herangezogen, die über das jeweilige Bauteil geführt wird. Alternativ hierzu wird als Kühlmedium Flüssigkeit verwendet, welches beispielsweise über Wärmetauscher Wärme bzw. Kälte an die jeweilige Lagereinheit abgibt. Der Temperaturunterschied durch das Kühlen bzw. Beheizen liegt dabei typischerweise in einem Bereich zwischen 5°C und 10°C.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird zur Temperierung lediglich eine Erwärmung vorgesehen, insbesondere unter Ausnutzung einer sowieso vorhandenen Abwärme Dadurch ist keine zusätzliche Energie für die Temperierung erforderlich. Alternativ hierzu kann auch lediglich eine Kühlung vorgesehen sein.
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Im Falle einer gewünschten schnellen Beheizung ist in einer alternativen Ausführungsvariante eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet. Dies ermöglicht eine schnelle, kurzfristige Erwärmung beispielsweise beim Anlaufvorgang oder für sonstige kurzfristige Verstellungen.
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In einer weiteren Alternative ist an der Statoreinheit oder der Rotoreinheit ein Gewinde ausgebildet und der Klemmring ist als eine Art Wellenmutter ausgebildet und auf dieses Gewinde aufgeschraubt. Zur Einstellung der Vorspannung braucht der Klemmring daher lediglich gegenüber der Statoreinheit bzw. Rotoreinheit verdreht zu werden, was zu einem axialen Versatz und damit zu einer Variation der axialen Vorspannung führt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist ein verstellbarer Kegelverbund angeordnet, der ein erstes Kegelelement sowie ein zweites Kegelelement aufweist, die gegeneinander versetzbar sind, wobei das eine Kegelelement gegen den Lagerspannring verspannt wird. Die beiden Kegelelemente sind dabei üblicherweise mit einem Verstellelement, wie beispielsweise Schrauben gegeneinander versetzbar. Zweckdienlicherweise ist dabei das erste Kegelelement durch den Klemmring gebildet und das zweite Kegelelement ist unmittelbar durch die Statoreinheit oder Rotoreinheit ausgebildet. Die Kegelelemente weisen dabei jeweils Kegelflächen auf, an denen sie aneinander zum Anliegen kommen.
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Schließlich ist in einer weiteren Ausführungsvariante als Distanzelement zwischen dem Lagerspannring und dem Klemmring ein verdrehbarer Keilring mit in Umfangsrichtung ansteigenden Keilflächen angeordnet, die mit zugeordneten Keilflächen am Klemmring zusammenwirken. Durch eine Verdrehung des Keilrings stützen sich die zueinander korrespondierenden Keilflächen gegeneinander ab, so dass der Abstand zwischen Klemmring und Lagerspannring variiert wird.
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Die hier beschriebenen unterschiedlichen Einstelleinrichtung zur Einstellung der Lagervorspannung werden alternativ oder teilweise auch in Kombination vorzugsweise im Zusammenhang mit der speziellen, in der
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WO 2013/113487 A1 ) beschriebenen Lagereinheit eingesetzt. Sie sind jedoch nicht auf eine derartige spezielle Lageranordnung beschränkt, sondern lassen sich vielmehr grundsätzlich für alle großtechnischen Lageranordnungen, insbesondere bei Motoren oder Generatoren einsetzen, bei denen hohe Lagerkräfte wirken. Unter großtechnischen Anlagen werden hierbei insbesondere Motoren oder Generatoren verstanden mit einer elektrischen Leistung von mehreren 100 kW und insbesondere einer Leistung im MW-Bereich. Derartige Motoren oder Generatoren werden beispielsweise im maritimen Bereich als Schiffsmotoren oder -generatoren für Containerschiffe oder große Passagierschiffe eingesetzt. Allgemein ist dabei im montierten Zustand die Statoreinheit an einem feststehenden Teil und die Rotoreinheit an einem rotierenden Teil der großtechnischen Anlage befestigt.
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Die in den Ansprüchen 2 bis 15 enthaltene Merkmale lassen sich daher grundsätzlich unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der Lageranordnung mit dem Vorspannkreis, wie sie aus der
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Die Vorspannung einer derartigen Lageranordnung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante wird vorzugsweise eine statische Einstellung der Lagervorspannung beispielsweise mit Hilfe der austauschbaren Distanzelemente mit unterschiedlicher Breite vorgenommen. Die statische Einstellung dient insbesondere zur exakten Einstellung der gewünschten Vorspannung nach der Erstmontage oder auch nach einer Inbetriebnehmungs-Phase, nachdem sich die jeweiligen Toleranzen eingelaufen haben, oder nach einer gewissen Betriebszeit zum Ausgleich von Verschleißerscheinungen. Über diese statische Einstellung werden insbesondere Fertigungstoleranzen ausgeglichen oder unterschiedliche Standortfaktoren, wie beispielsweise typische Windbedingungen oder auch die Rückwirkung von weiteren Gerätekomponenten wie die Turbinenkonfiguration etc. berücksichtigt. Die statische Einstellung erfolgt bei ruhendem Betrieb.
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Demgegenüber wird in einer zweiten Variante eine dynamische Einstellung vorgenommen. Bei dieser ist eine Variation der Vorspannung in Abhängigkeit der jeweils aktuell herrschenden Betriebsbedingungen, wie beispielsweise aktuelle Windverhältnisse etc. vorgesehen. Hierbei können insbesondere auch Vorhersagen berücksichtigt werden, also zu erwartende künftige Betriebsbedingungen.
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In allen Fällen ist jedoch eine Variation der Vorspannung nach der Erstmontage ermöglicht. Insbesondere bei der dynamischen Einstellung erfolgt die Einstellung mit Hilfe eines Regelkreises in Abhängigkeit von aktuellen Messdaten. Hierzu ist eine entsprechende Sensorik angeordnet, welche beispielsweise neben den Umgebungsbedingungen auch die Beanspruchungen aus dem Betrieb der Anlage insgesamt ermittelt und eine Justierung oder Nachregelung der Vorspannung vornimmt. Insgesamt führt die Einstellbarkeit insbesondere zu einer erhöhten Lebensdauer, geringen Reibungswerten und einer geringeren Belastung, wodurch insgesamt der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht wird. Darüber hinaus ist durch die optimierte Anpassung der Vorspannung auch eine angepasste Auslegung für geringere Lasten und damit in gewisser Weise ein down-sizing ermöglicht, wodurch sich Gewichts- und Kostenreduzierungen ergeben. Durch die an die aktuellen Betriebsverhältnisse angepasste Vorspannung lässt sich insgesamt auch die Zuverlässigkeit des Betriebs der Anlage erhöhen. Stoßartige Beanspruchungen und Lastüberhöhungen, die aus Böen, Fehlfunktionen der Anlage sowie Pitch-Fehlern und Netz- und Generatorfehlern resultieren, können zumindest teilweise mit der dynamischen Regelung kompensiert werden und zum Schutz der einzelnen Komponente vor Überbeanspruchung im Antriebsstrang beitragen. Hierzu ist die dynamische Einstelleinrichtung in die Steuerung der Anlage eingebunden, so dass die Einstelleinrichtung und die Lageranordnung insgesamt als aktives Regelelement im Antriebsstrang dient. Vorzugsweise werden dabei kritische Eigenfrequenzen im Antriebsstrang durch aktive Regelung der Lagervorspannung vermieden, wodurch weitere Bauteile wie Getriebe und Generator vor Zerstörung geschützt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in teilweise vereinfachten Darstellungen:
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1 eine ausschnittsweise Aufrissdarstellung einer Windkraftanlage mit einer Lageranordnung und einem direkt angetriebenen Generator,
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2 eine vereinfachte Schnittansicht der Lageranordnung,
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3A eine ausschnittsweise Schnittansicht der Lageranordnung mit einer Einstelleinrichtung zur Einstellung der Vorspannung mittels eines austauschbaren Distanzrings gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
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3B eine alternative Ausführungsvariante zu der gemäß 3A,
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3C eine Aufsicht auf einen in den 3A und 3B eingesetzten Distanzring,
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4 eine ausschnittsweise Schnittansicht der Lageranordnung zur Illustration einer dritten Ausführungsvariante mit einer Temperierung der Lagereinheiten,
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5 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung zur Illustration einer vierten Ausführungsvariante mit einem als Wellenmutter ausgebildeten Klemmring,
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6 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsvariante mit Spannschrauben als Spannelemente zur Einstellung der Vorspannung,
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7 eine ausschnittsweise Schnittansicht einer sechsten Ausführungsvariante, bei der abweichend zu der der 6 noch ein Zwischenelement zwischen Spannschraube und Lagerspannring eingesetzt ist,
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8 eine ausschnittsweise Darstellung einer siebten Ausführungsvariante, bei der die Vorspannung mit Hilfe eines Hydraulikzylinders vorgenommen wird,
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9 eine ausschnittsweise Darstellung einer achten Ausführungsvariante, bei der die Einstellung mit Hilfe eines in den Klemmring integrierten Hydraulikkolbens vorgenommen wird,
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10 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer neunten Ausführungsvariante, bei der die Einstellung mit Hilfe eines Federelements vorgenommen wird,
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11 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer zehnten Ausführungsvariante, bei der die Einstellung mit Hilfe eines Piezoelements vorgenommen wird,
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12 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer elften Ausführungsvariante, bei der die Einstellung mit Hilfe eins Spannkeils vorgenommen wird,
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13 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer zwölften Ausführungsvariante, bei der die Einstellung über einen verstellbaren Kegelverbund vorgenommen wird sowie
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14 eine ausschnittsweise teilweise Schnittansicht einer dreizehnten Ausführungsvariante, bei der ein Keilring zwischen Klemmring und Lagerspannring angeordnet ist.
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung einer Windkraftanlage mit einer Lageranordnung 2, wie sie im Detail und in größerer Darstellung nochmals in 2 dargestellt ist. Bei der Windkraftanlage ist an einem oberen Kopfende eines Turms 4 eine drehbare und einen Maschinenträger 6 bildende Gondel befestigt. An dieser ist die Lageranordnung 2 mit einer Statoreinheit 8 über einen Statorflansch 10 befestigt. Bei diesem handelt es sich um einen stirnendseitig umlaufenden Ringflansch. Umlaufend um die Statoreinheit 8 ist eine Rotoreinheit 14 gelagert, an der gegenüberliegend zum Turm 4 über einen Rotorflansch 16 eine Rotornabe 18 befestigt ist. An dieser sind in hier nicht näher dargestellter Weise Rotorblätter befestigt. An der Umfangsseite der Rotoreinheit 14 ist zwischen den beiden Flanschen 10, 16 ein Generatorflansch 20 ausgebildet, über den ein Rotor 22 eines Generators 24 befestigt ist. Über den Statorflansch 10 ist ergänzend ein Stator 26 des Generators 24 befestigt. Die Rotoreinheit 14 ist an der Statoreinheit 8 über zwei Lager, nämlich ein rotorseitiges Lager 28A sowie ein turmseitiges Lager 28B gelagert. Die beiden Lager 28A, 28B sind dabei entlang einer Rotationsachse 29 die zugleich eine Längs- oder Axialrichtung definiert, voneinander beabstandet. Ein Abstand A zwischen den beiden Lagern 28A, 28B beträgt üblicherweise mindestens das 0,35-fache eines maximalen Lagerdurchmessers. Bei der in etwa kegelförmigen Ausgestaltung der als Lagerzapfen wirkenden Statoreinheit 8 ist dies definiert durch den Außendurchmesser des turmseitigen Lagers 28B. Dieser Durchmesser liegt typischerweise im Bereich von etwa 2 bis 3,5 m, die gesamte Lageranordnung (also die Lagereinheit ohne angeflanschte Bauteile) weist typischerweise einen Durchmesser von etwa 2, 5 bis 4 m bei einer Länge von insgesamt 2 bis 3,5 m zwischen den beiden gegenüberliegenden Stirnenden auf. Der Abstand A liegt daher mindestens – je nach Größe – zwischen 0,7 bis 1,2 m.
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Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung gemäß 2 zu entnehmen ist, sind die beiden Lager 28A, 28B im Ausführungsbeispiel als Kegelrollenlager in O-Anordnung ausgebildet. Grundsätzlich können auch andere Lagerausgestaltungen, insbesondere eine X-Anordnung vorgesehen sein. Die Lager 28A, 28B weisen jeweils einen Innenring 30, einen Außenring 32 sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper 34 auf. Während das turmseitige Lager 28B zwischen festen, an der Statoreinheit 8 bzw. der Rotoreinheit 14 ausgebildeten Lagersitzen eingespannt ist, ist beim rotorseitigen Lager 28A lediglich ein feststehender Lagersitz, im Ausführungsbeispiel für den Außenring 32 an der Rotoreinheit 14 ausgebildet. Der Innenring 30 ist demgegenüber versetzbar angeordnet und dient als Lagerspannring 36. Der Lagerspannring 36 ist dabei mit Hilfe eines Klemmrings 38 gehalten und gegen den Außenring 32 verspannt. Der Klemmring 38 ist hierbei mittels Befestigungsschrauben 40 stirnendseitig an der Statoreinheit 8 befestigt.
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Über die beiden Lager 28A, 28B, über die Statoreinheit 8 sowie über die Rotoreinheit 14 ist ein Vorspannkreis 42 gebildet, welcher in 2 durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Die über den Klemmring 38 aufgebrachte Vorspannung wird daher über diesen Vorspannkreis 42 auf die gesamte Lageranordnung übertragen, so dass in besonders einfacher Weise das gesamte Lager vorgespannt ist. Die Lageranordnung 2 ist vorzugsweise als vorgefertigte Baueinheit ausgebildet, die in dem in 2 dargestellten Zustand vormontiert und anschließend beispielsweise auf die Baustelle gebracht wird bzw. in einfacher Weise vor Ort auf der Baustelle vormontierbar ist.
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Um die Lagervorspannung auf einen gewünschten definierten Wert einzustellen oder auch nachzujustieren ist eine Einstelleinrichtung ausgebildet, die anhand von unterschiedlichen Ausführungsvarianten nachfolgend anhand der 3 bis 14 näher erläutert wird. Teil der Einstellvorrichtung ist in allen Ausführungsvarianten der Klemmring 38. Allen Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass die Lagervorspannung ausgehend von einer Basis-Vorspannung, für die die Lageranordnung 2 konstruktiv ausgelegt ist, veränderbar ist, indem der Lagerspannring 36 in seiner Relativposition gegenüber der Statoreinheit 8 und entsprechend auch gleichzeitig gegenüber der Rotoreinheit 14 versetzt wird. Bei einigen Ausführungsvarianten wird dabei der Abstand zwischen dem Klemmring 38 und dem Lagerspannring 36 verändert, indem ein zwischen diesen beiden Teilen wirksames Spannelement eingebracht wird. In den meisten Ausführungsbeispielen ist die Basis- oder Grundeinstellung (Basis-Vorspannung) durch die Position des Klemmrings 38 festgelegt, der über die Befestigungsschrauben 40 in fester Position bezüglich der Statoreinheit 8 stirnseitig an dieser befestigt ist.
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Der Klemmring 38 ist dabei üblicherweise gebildet durch zwei Ringteile, nämlich durch einen äußeren Spannringteil 38A sowie durch ein Halteteil 38B. Über den Spannringteil 38A wird die Spannkraft auf den Lagerspannring 36 übertragen.
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Bei den Ausführungsvarianten gemäß 3A und 3B ist zur Einstellung der Lagervorspannung ein Distanzring 44 angeordnet, welcher bei der Ausführungsvariante gemäß der 3A zwischen dem Halteringteil 38B und der Statoreinheit 8 eingespannt ist. Bei der Ausführungsvariante gemäß der 3B ist der Distanzring 44 demgegenüber zwischen dem Spannringteil 38A und dem Lagerspannring 36 eingelegt. Der Distanzring 44 selbst ist in 3C näher dargestellt. Er ist unterteilt in mehrere Ringsegmente 46 und weist jeweils Ausnehmungen 48 auf, welche u-förmig ausgebildet sind, so dass sie zu einer Radialseite, in der Ausführungsvariante der 3C zur Außenseite, offen sind. Über die Dicke d des Distanzrings 44 lässt sich die Lagervorspannung einstellen. Es werden daher verschiedene Distanzringe 44 mit unterschiedlichen Dicken d vorgehalten und bei Bedarf in die Lageranordnung 2 eingesetzt. Der Austausch des Distanzrings 44 erfolgt dabei bei montierten Lagern 28A, 28B. Der Klemmring 40 bleibt dabei an der Statoreinheit 8 montiert und braucht nicht abgenommen zu werden. Dies ermöglicht eine einfache, auch nachträgliche Einstellung der Vorspannung nach einer Erstmontage beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten nach einer ersten Inbetriebnahme oder um von einem Sommer- auf Winterbetrieb umzustellen oder auch um im Laufe der Betriebszeit Verschleißerscheinungen zu kompensieren oder gegebenenfalls auch auf neue Belastungssituationen einzustellen.
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Der Austausch des Distanzrings 44 erfolgt dabei insbesondere Segmentweise, das heißt es werden sukzessive die einzelnen Ringsegmente 46 entnommen und durch ein neues Ringsegment ersetzt bevor das nächste Ringsegment entnommen wird etc., so dass also der Lagerspannring 36 zu jeder Zeit über zumindest einen großen Umfang vom Distanzring 44 abgestützt ist. Bei der Ausführungsvariante gemäß der 3A werden zunächst die Befestigungselemente 40 etwas gelöst, so dass die bestehende Spannung aufgelöst und die einzelnen Ringsegmente 46 sukzessive entnommen werden können.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß der 3B werden die Befestigungsschrauben 40 nicht gelöst. Zur Aufhebung der Spannung ist in dem Spannringteil 38A eine Gewindebohrung 50 eingebracht, in die dann zu Montagezwecken eine hier nicht näher dargestellte Abdrückschraube eingeschraubt wird. Mit deren Hilfe wird der Lagerspannring 36 vom Klemmring 38 weggepresst, so dass die einzelnen Ringsegmente 46 entnommen werden können.
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Bei der Ausführungsvariante der 4 ist zur Einstellung der Lagervorspannung nunmehr eine Temperierung sowohl der Rotoreinheit 14 als auch der Statoreinheit 8 vorgesehen. Hierbei sind unterschiedliche Temperierzonen 52A bis 52C jeweils an der Rotoreinheit 14 als auch an der Statoreinheit 8 ausgebildet. Und zwar sind eine turmseitige Zone 52A, eine Zwischenzone 52B sowie eine rotorseitige Temperierzone 52C ausgebildet. Über diese Temperierzonen 52A bis 52C werden allgemein die Statoreinheit 8 sowie die Rotoreinheit 14 gezielt temperiert, also entweder erwärmt oder gekühlt. Die Temperiereinrichtung ist insgesamt sowohl zur Kühlung als auch zur Erwärmung ausgelegt. Alternativ ist sie bevorzugt lediglich zur Erwärmung unter Ausnutzung von Abwärme ausgebildet. Grundsätzlich wäre auch lediglich eine Kühlung unter Ausnutzung eines bestehenden Kühlsystems möglich. Die unterschiedlichen Temperierzonen 52A bis 52C können dabei unterschiedlich temperiert werden. Gleiches gilt auch für Statoreinheit 8 und Rotoreinheit 14. Die Zwischenzone B erstreckt sich zwischen den beiden Lagern 28A, 28B. Durch eine Kühlung der Zwischenzone 52B der Statoreinheit 8 lässt sich bei der Ausführungsvariante gemäß der 4 beispielsweise die axiale Lagervorspannung erhöhen. Dies kann gleichzeitig durch eine Erwärmung der Zwischenzone 52B der Rotoreinheit 14 unterstützt werden. Gleichzeitig können die Endzonen 52A, C jeweils unabhängig von der Zwischenzone 52B temperiert werden. Beispielsweise werden die Zonen 52A, 52C der Statoreinheit 8 erwärmt werden. Hierdurch wird gleichzeitig eine radiale Vorspannung auf die Lager 28A, 28B ausgeübt.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß der 5 ist zur Einstellung der Vorspannung der Klemmring 38 als eine Wellenmutter mit Innengewinde ausgebildet, die auf ein Gewinde 54 aufgeschraubt ist, welches stirnendseitig an der Statoreinheit 8 ausgebildet ist. Durch Verdrehen des Klemmrings 38 wird daher dessen axiale Position und damit die axiale Position des Lagerspannrings 36 versetzt. Zur Betätigung des Klemmrings 38 sind vorzugsweise hier nicht näher dargestellte Betätigungseinrichtungen wie beispielsweise eine Hebeleinrichtung oder auch ein ansteuerbarer beispielsweise elektromotorischer Antrieb vorgesehen. Über diesen ist eine dynamische Einstellung auch während des laufenden Betriebs problemlos möglich. Eine dynamische Einstellung ist auch bei der Ausführungsvariante gemäß 4 ermöglicht.
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Bei den Ausführungsvarianten der 6 bis 12 ist der Klemmring 38 wieder ähnlich zu dem der Ausführungsvarianten gemäß den 3A und 3B ausgebildet. Bei der 6 ist anstelle eines Distanzrings 44 eine Spannschraube 56 in die Gewindebohrung 50 eingeschraubt und drückt direkt (6) oder auch indirekt unter Vermittlung eines Zwischenrings 58 (7) gegen den Lagerspannring 36.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß der 7 ist alternativ zu der Spannschraube 56 als Spannelement ein Hydraulikzylinder 60 angeordnet, welcher über einen Hydraulikstempel, im Ausführungsbeispiel ebenfalls unter Vermittlung eines Zwischenrings 58, eine Klemmkraft auf den Lagerspannring 36 ausübt.
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Bei der Ausführungsvariante der 9 ist eine hierzu alternative hydraulische Einstellvariante gezeigt, bei der im Spannringteil 38A unmittelbar ein Hydraulikstempel oder -kolben 62 gleitverschieblich gelagert ist, wobei am Grund einer Sacklochbohrung, in der der Hydraulikkolben gelagert ist, ein Fluidreservoir 64 für eine Hydraulikflüssigkeit ausgebildet ist. Diese steht in hier nicht näher dargestellter Weise mit einer Hydraulik-Versorgung in strömungstechnischer Verbindung, so dass über den Druck der Hydraulik Flüssigkeit der Hydraulikkolben 62 versetzbar ist, um eine gewünschte Vorspannung auf den Lagerspannring 36 auszuüben.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß 10 ist zur Einstellung der Vorspannung ein Federelement 66 angeordnet, welches zwischen der Spannschraube 56 und einem Zwischenring 58 eingespannt ist. Über die Verstellung der Spannschraube 56 wird die Federvorspannung verändert und damit die Lagervorspannung.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß der 11 ist als Spannelement nunmehr ein Piezoelement 67, insbesondere ein Piezostapel aus einer Vielzahl von einzelnen Piezoelementen eingesetzt, welcher wiederum zwischen dem Spannringteil 38A und dem Lagerspannring 36 unter Vermittlung des Zwischenrings 58 wirksam ist.
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Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der 10 ist auch beim Ausführungsbeispiel der 12 eine zweiteilige Ausbildung der Spannelemente vorgesehen, wobei neben der Spannschraube 56 noch ein zusätzliches Spannelement, im Ausführungsbeispiel der 12 ein Spannkeil 68 angeordnet ist. Dieser ist an der Statoreinheit 8 in Längsrichtung verschieblich zwischen der Umfangsseite der Statoreinheit 8 und dem Lagerspannring 36 angeordnet. Dieser weist an seiner Innenringfläche eine zum Spannkeil 68 korrespondierende Keilfläche 70 auf. Über die Spannschraube 56 wird der Spannkeil 68 in Axialrichtung versetzt. Dadurch werden gleichzeitig sowohl die axiale als auch die radiale Lagervorspannung erhöht.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß der 13 ist eine abgewandelte Ausführungsvariante einer Keilverstellung dargestellt, bei der der Klemmring 38 und die Statoreinheit 8 selbst einen Keilverbund bilden. Hierzu weißt die Statoreinheit 8 endseitig eine Keilfläche 70 und korrespondierend hierzu der Klemmring an seiner Innenringfläche eine korrespondierende Keilfläche 70 auf. Der Klemmring 38 ist entlang der Keilflächen 70 verschieblich und zwar mit Hilfe der Befestigungsschrauben 40 und übt auf den Lagerspannring 36 die gewünschte Vorspannung aus. Um die Belastung des Schraubenkopfes zu verringern ist in bevorzugter Weiterbildung zwischen dem Schraubenkopf und dem Klemmring 38 eine Distanzhülse angeordnet.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß 14 ist schließlich wieder ein Distanzelement zwischen dem Klemmring 38 und dem Lagerspannring 36 eingespannt, über das der Abstand zwischen diesen beiden Teilen zur Einstellung der Vorspannung variierbar ist. Das Distanzelement ist hierbei als Keilring 72 ausgebildet, welcher umfangsseitig an seiner zum Klemmring 38 orientierten Stirnfläche eine Vielzahl von sägezahnartig ausgebildeten Keilflächen 70 aufweist. Korrespondierend hierzu ist auch am Klemmring 38 eine Vielzahl von Sägezähnen mit derartigen Keilflächen 70 ausgebildet. Zum Einstellen der Vorspannung wird der Keilring 52 verdreht, so dass die einander zugeordneten Keilflächen 70 aneinander gleiten und dadurch den Abstand vergrößern bzw. verkleinern. Die Verdrehung des Keilrings 72 erfolgt wiederum – ähnlich wie bei der Ausführungsvariante der 5 mit dem als Wellenmutter ausgebildeten Klemmring 38 – über einen manuell betätigbaren Hebemechanismus oder -antrieb, vorzugsweise durch einen steuerbaren (elektromotorischen) Antrieb.
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Die einzelnen Ausführungsvarianten für die Einstellvorrichtung wurden jeweils anhand des bevorzugten Ausführungsbeispieles gemäß der 1 bzw. 2 erläutert. Die Ausführungsvarianten lassen sich jedoch grundsätzlich auch auf andere Lageranordnungen und Lagertypen übertragen. Ihre Anwendung ist daher nicht auf eine spezielle Lageranordnung gemäß 1 beschränkt. Insbesondere können auch Rotor- und Statoreinheiten 8, 14 getauscht sein, das heißt je nach Ausführungsvariante kann innenliegend die Rotoreinheit 14 und außenliegend die Statoreinheit 8 ausgebildet sein.
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In den Schnittdarstellungen der 2 bis 14 ist jeweils lediglich nur eine einzige Befestigungsschraube 40 bzw. Spannschraube 56 sowie weitere Spannelemente 58, 60, 62, 66, 67 dargestellt. Aufgrund der großen Dimensionen sind über den Umfang verteilt eine Vielzahl derartiger Verstell- oder Spannelemente angeordnet, beispielsweise unter einem Winkelabstand von 10 bis 20°. Bei den weiteren typischerweise ringförmigen Einstellelementen wie beispielsweise Distanzring 44, Spannkeil 68 oder auch Keilring 72 handelt es sich demgegenüber vorzugsweise um umlaufende ringförmige Elemente. Diese können jedoch auch aus einzelnen Teilen zusammen gesetzt sein. Insbesondere bei den Spannkeilen 68 können diese als Einzelstücke einer jeweiligen Spannschraube 56 zugeordnet sein. Vorzugsweise ist jedoch der Spannkeil 68 als umlaufender Spannkeil-Ring ausgebildet.
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Die Ausführungsvarianten gemäß den 4, 5, 8, 9, 11 sowie 14 sind über entsprechende Ansteuerelemente in einfacher Weise auch während des Betriebes verstellbar. Insbesondere diese Varianten werden für eine dynamische Einstellung der Lagervorspannung in Abhängigkeit der aktuellen Betriebszustände beispielsweise eingestellt und nachjustiert. Hierzu ist eine entsprechende Steuer- und Regeleinheit ausgebildet, welche vorzugsweise in die normale Steuerung der Windkraftanlage integriert ist. Zur Regelung sind dabei vorzugsweise mehrere Messwertgeber angeordnet, die beispielsweise die aktuelle Windstärke, aktuelle Belastungswerte des Lagers erfassen und in Abhängigkeit dieser gemessenen Werte über die Einstellvorrichtung die Lagervorspannung nachjustieren. Hierüber ist auch eine vorausschauende Anpassung der Lagervorspannung für eine zu erwartende sich verändernde Lastbedingungen ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Lageranordnung
- 4
- Turm
- 6
- Maschinenträger
- 8
- Statoreinheit
- 10
- Statorflansch
- 12
- Rotornabe
- 14
- Rotoreinheit
- 16
- Rotorflansch
- 18
- Rotornabe (!! Vgl. 12)
- 20
- Generatorflansch
- 22
- Rotor
- 24
- Generator
- 26
- Stator
- 28A
- rotorseitiges Lager
- 28B
- turmseitiges Lager
- 29
- Rotationsachse
- 30
- Innenring
- 32
- Außenring
- 34
- Wälzkörper
- 36
- Lagerspannring
- 38
- Klemmring
- 38A
- Spannringteil
- 38B
- Halteringteil
- 40
- Befestigungsschraube
- 42
- Vorspannkreis
- 44
- Distanzring
- 46
- Segment
- 48
- Ausnehmung
- 50
- Gewindebohrung
- 52A
- turmseitige Temperierzone
- 52B
- Zwischenzone
- 52C
- rotorseitige Temperierzone
- 54
- Gewinde
- 56
- Spannschraube
- 58
- Zwischenring
- 60
- Hydraulikzylinder
- 62
- Hydraulikkolben
- 64
- Fluidreservoir
- 66
- Federelement
- 67
- Piezoelement
- 68
- Spannkeil
- 70
- Keilfläche
- 72
- Keilring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2013/000245 [0006, 0028, 0029]
- WO 2013/113487 A1 [0006, 0028, 0029]