DE102004023773B3

DE102004023773B3 - Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102004023773B3
Application number: DE102004023773A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schubert
Original assignee: Repower Systems SE
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: ES2557770T3; DK1596064T3; US7470111B2; EP1596064B1; EP1596064A3; US20050254949A1; EP1596064A2

Abstract

Windenergieanlage mit einem Turm, einer auf dem Turm drehbar angeordneten Gondel, einem an der Gondel um eine Rotordrehachse drehbaren Rotor, der eine Rotornabe und mindestens ein Rotorblatt umfasst, das über ein Blattlager um eine Blattverstellachse drehbar mit der Rotornabe gekoppelt ist, wobei das Blattlager einen Innenring aufweist, der fest mit der Rotornabe verbunden ist, sowie einen eine Außenverzahnung aufweisenden Außenring, der fest mit dem Rotorblatt verbunden ist, und das Rotorblatt über ein Blattverstellantrieb drehbar ist, der einen Antriebsmotor aufweist, der ein mit der Außenverzahnung des Außenrings in Eingriff stehendes Antriebsritzel antreibt, wobei das Antriebsritzel auf der gondelabgewandten Seite der Rotornabe in einem um die Blattverstellachse gemessenen Winkel von 10 DEG -30 DEG zu einer durch die Rotordrehachse und die Blattverstellachse aufgespannten Ebene angeordnet ist, und dass der Antriebsmotor in einem Abstand zu der Rotordrehachse angeordnet ist, der kleiner als der Abstand zwischen dem Antriebsritzel und der Rotordrehachse.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit mindestens einem Blattverstellsystem.

Bei gattungsgemäßen Windenergieanlagen wird ein Rotorblatt mit einem Blattlager drehbar an einer Rotornabe befestigt. Das Blattverstellsystem verfügt über mindestens einen Blattverstellantrieb mit einem Antriebsritzel, einer Getriebeeinheit und einem elektrischen oder hydraulischen Antriebsmotor. Das Antriebsritzel kämmt mit dem innen- oder außenverzahnten Blattlager.

Bei diesen Systemen stellen sich einige technisch nur schwer miteinander in Einklang zu bringende Anforderungen:
Um die Belastungen auf die nachfolgende Struktur zu minimieren, sollen Rotornabe und Blattverstellung ein minimales Gewicht und geringen Herstellungsaufwand aufweisen.

Im Widerspruch hierzu erfordert das Blattlager eine sehr steife Anschlusskonstruktion, da Verformungen der Anschlussflansche zu einer Reduzierung der Lagerlebensdauer führen.

Zusätzlich soll das Blattverstellsystem mit möglichst wenig Aufwand ein möglichst großes Blattverstellmoment zur Verfügung stellen, was dafür spricht, die Antriebsritzel möglichst weit außen (von der Blattachse weg) zu positionieren (langer Hebelarm).

Weiterhin handelt es sich bei dem Blattverstellsystem um komplizierte Antriebstechnik, die in der Vergangenheit bevorzugt geschützt innerhalb der Rotornabe untergebracht wird.

Daher ist eine weitverbreitete Lösung, den Außenring des Blattlagers mit der Rotornabe zu verschrauben und den Innenring mit einer Innenverzahnung zu versehen und mit dem Rotorblatt zu koppeln. Die Verstellantriebe befinden sich dann innerhalb der Nabe. Sehr nachteilig ist jedoch, dass die Rotornabe durch den großen Flanschdurchmesser des Lageraußenrings schwer und wenig steif ist, sowie dass die Verstellantriebe durch den geringeren Hebelarm weniger Verstellmoment als bei einer Außenverzahnung aufbringen können.

Durch Umkehrung der Blattlagerverbindung (Innenring mit der Nabe, Außenring mit dem Blatt verschraubt) ist es im Stand der Technik gelungen, kompaktere und somit steifere Naben zu bauen, die allerdings ihrerseits dann wieder räumliche Probleme bezüglich der Anordnung der Blattverstellantriebe aufwerfen. Im Nabeninneren steht kein ausreichender Platz mehr zur Verfügung, und auch außerhalb der Nabe sind die räumlichen Gegebenheiten derart begrenzt, dass die Antriebe in der Regel so montiert werden, dass sie entweder bezogen auf das Antriebsritzel nach außen zeigen (wie die Rotorblätter), oder dass die Antriebsritzel mittig auf der der Gondel abgewandten Seite der Nabe (mittig vor den Blattflanschen der Nabe) angeordnet sind.

Aus Platzgründen werden dort dann Winkelantriebe eingesetzt, d.h. die Drehachsen von Antriebsritzel und Antriebsmotor liegen in einem Winkel größer 45°, in der Regel 90° zueinander. Ein derartiges System wird z.B. in der DE 10141667 A1 beschrieben. Die räumlichen Verhältnisse sind dann jedoch so beengt, das der zu Wartungszwecken erforderliche Zugang zum Inneren der Rotornabe und den Rotorblättern über sogenannte Blattextender (rohrförmige Bauteile mit einer Zugangsöffnung) erfolgen muss. Blattextender verursachen jedoch erhebliche Zusatzmasse und Kosten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und eine besonders wirtschaftliche Anordnung von Rotornabe, Blattlager, Rotorblatt und Verstellantrieb zu ersinnen, welche mit minimalem Materialaufwand eine gleichzeitig steife und kompakte Konstruktion mit großem Blattverstellmoment ermöglicht. Insbesondere soll die räumliche Anordnung so gewählt werden, dass der direkte Zugang zur Nabe ermöglicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die erfindungsgemäße Anordnung gemäß Anspruch 1. Kernpunkt der Erfindung ist hierbei die Erkenntnis, dass es durch eine Modifikation des vorderen Teils der Nabenkontur möglich ist, die Blattverstellantriebe etwa 10° bis 30°, besonders vorteilhaft 14°–22° aus der üblichen gondelabgewandten Mittelposition heraus zu drehen, d. h. dass das Antriebsritzel auf der gondelabgewandten Seite der Rotornabe in einem, um die Blattverstellachse gemessenen Winkel von 10°–30° zu einer durch die Rotordrehachse und die Blattverstellachse aufgespannten Ebene angeordnet ist.

Weiterhin zeigen die Verstellantriebe nach innen, d.h. dass der Antriebsmotor in einem Abstand zu der Rotordrehachse angeordnet ist, der kleiner als der Abstand zwischen dem Antriebsritzel und der Rotordrehachse ist. Dies vermeidet den Hauptnachteil der erhöhten Blitzeinschlaggefährdung von nach außen zeigenden Verstellantrieben durch die erfindungsgemäße Anordnung direkt vor der (metallischen) Rotornabe.

Die hierzu erforderliche Nabengeometrie kann im vorderen Bereich sogar beulenförmige Einbuchtungen aufweisen. Es hat sich jedoch entgegen aller Konstruktionserfahrungen gezeigt, dass diese strukturell ungünstige Formgebung nur zu einem vernachlässigbaren Mehrgewicht führt, welches durch die vorteilhafte Anordnung der Antriebe vollkommen aufgewogen wird.

Durch das Herausdrehen aus der Mittelposition wird es im günstigsten Fall möglich, sogar koaxiale Blattverstellantriebe einzusetzen, d.h. Antriebsritzel, Getriebeeinheit und Antriebsmotor haben im wesentlichen eine gemeinsame Symmetrieachse. Bei engen Raumverhältnissen ist es jedoch weiterhin erforderlich, Winkelantriebe zu verwenden, die aber so angeordnet werden können, dass zu Wartungszwecken ein einfacher Zugang zum Nabeninneren durch die vordere (gondelabgewandte) Zugangsöffnung ermöglicht wird. Insbesondere kann so auf zusätzliche, schwere und teure Blattextender verzichtet werden. Die für die Blattlager günstige, versteifende Wirkung der Blattextender kann durch eine geeignete Nabengeometrie, besonders vorteilhaft durch eine Blattflanschversteifung, übernommen werden. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung im Fall der gebräuchlichen Windrotoren mit drei Rotorblättern, die Antriebe in Form eines gleichseitigen Dreiecks anzuordnen, ohne dass der Zugang durch die Zugangsöffnung beschränkt wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand nachstehender Zeichnungen erläutert:
1: Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Blattverstellsystems,
2: Vorderansicht des Systems aus 1,
3: Vorderansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Blattverstellsystems,
4: Draufsicht des Systems aus 3.
1 zeigt die Seitenansicht einer Rotornabe (10) mit (insgesamt drei) Blattverstellsystemen mit je einem Blattverstellantrieb (30) einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage. Der Wellenflansch (12) dient zum Anschluss an eine in der Gondel gelagerten Rotorwelle. Auf dem Blattflansch (14) ist ein Blattlager (20) montiert. Der von einer an die Nabe angegossenen Konsole (18) getragene Blattverstellantrieb (30) weist ein Antriebsritzel (32) auf, welches in der nicht dargestellten Außenverzahnung des Blattlagers (20) kämmt. Weiterhin weist der gezeigte Blattverstellantrieb eine zum Antriebsritzel koaxiale Planetengetriebeeinheit (34) sowie ein Winkelgetriebe (36) und einen Antriebsmotor (38) auf. In dem unteren Teil der Nabe (10) ist eine Blattflanschversteifung (16) mit einem hier elliptisch ausgeführten Mannloch (40) dargestellt. Letzteres ermöglicht dem Wartungspersonal den Zugang von dem Inneren der Rotornabe (10) in das (nicht dargestellte) Rotorblatt. Die Blattflanschversteifung (16) ist in der dargestellten Ausführungsform einstückig mit der Rotornabe gefertigt, es sind aber auch zweistückige Ausführungen möglich. Diese Versteifung ist von entscheidender Wichtigkeit, um bei einer erfindungsgemäßen Nabe ausreichende Steifigkeit bei minimalem Gewicht zu ermöglichen.
Weiterhin ist mit (80) am unteren Blattflansch eine Ritzelabdeckung bezeichnet. In der gezeigten, vorteilhaften Ausführungsform ist das Antriebsritzel um etwa 15° aus der gondelabgewandten Mittelposition herausgedreht.
2 zeigt die mit gleichen Bezeichnungen versehene Vorderansicht des Systems aus 1. Mittig in der Nabe befindet sich die Zugangsöffnung (50), um die herum die drei Blattverstellantriebe (30) in Form eines gleichseitigen Dreiecks positioniert sind. Weiterhin ist neben dem oberen Antriebsritzel (32) ein Winkelgeber (60) zu erkennen, der zur genauen Erfassung des aktuellen Blattwinkels dient. Antriebsritzel (32) und Winkelgeber (60) befinden sich in einer vorteilhaften Ausführungsform unter einer gemeinsamen Abdeckung (80), um sie vor Fremdeinwirkung und Verschmutzung zu schützen.
3 zeigt die Vorderansicht einer Rotornabe (10) einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage Abweichend zur Ausführungsform der 1 u. 2 kann in dieser Ausführungsform auf vorteilhafte Weise auf ein Winkelgetriebe in den Blattverstellantrieben (30) verzichtet werden, indem die Verstellantriebe in koaxialer Bauweise ausgeführt sind, d.h. Antriebsritzel, Planetengetriebeeinheit (34) und Antriebsmotor (38) sind axial fluchtend angeordnet. Dies wird durch eine besondere, vorne eingebeult erscheinende Nabengeometrie ermöglicht, welche es gestattet, die Antriebsritzel um 20° aus der gondelabgewandten Mittelposition herausgedreht zu positionieren. Der eingebeult erscheinende, in zweidimensionalen Zeichnungen nur schwer darstellbare Bereich ist mit (A) gekennzeichnet, und schafft den erforderlichen Einbauraum für den Verstellantrieb (30). Diese Geometrie findet sich entsprechend bei jedem der drei Verstellantriebe wieder. Somit kommt es zu der charakteristischen Anordnung der Verstellantriebe in Form eines gleichschenkligen Dreiecks um die Zugangsöffnung (50) herum.
Weiterhin ist mit 90 ein geerdeter Tragring bezeichnet, welcher räumlich vor den Blattverstellantrieben befestigt ist, und einerseits die Antriebe vor mechanischen Belastungen und Blitzschlag schützt, andererseits auch zur Befestigung der nicht dargestellten Nabenverkleidung (Spinner) dient.
4 zeigt die Draufsicht der Ausführung nach 3.
Hier ist das Blattlager (20) mit dem nabenfest verschraubten Innenring (22) sowie dem blattfest verschraubten Außenring (24) gezeigt. Weiterhin ist die gegenüber der gondelabgewandten Mittelposition um 20° herausgedrehte Position des Antriebsritzels (32) dargestellt. Neben dem Antriebsritzel (32) befindet sich ein zur kontinuierlichen Auftragung von Schmierstoff geeignetes Schmierritzel (70) sowie ein Winkelgeber (60). In einer vorteilhaften Ausführungsform befinden sich Antriebsritzel (32), Schmierritzel (70) und Winkelgeber (60) unter einer gemeinsamen Abdeckung (80), deren Deckel hier durchsichtig dargestellt ist. Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform sieht es auch vor, nur das Schmierritzel (70) und das Antriebsritzel (32) unter einer gemeinsamen Abdeckung anzuordnen. Dies bietet den Vorteil, dass der empfindliche Winkelgeber (60) nicht überschüssigem Schmierstoff ausgesetzt wird.
Dargestellt ist ebenfalls die umlaufende flanschförmige Versteifung des Blattflansches (16) mit dem hier kreisförmig ausgeführten Mannloch (40).
Im oberen Teil der Nabe (10) ist weiterhin durch Weglassen des dort vorgesehenen Verstellantriebs (30) eine vorteilhafte Ausführungsform der an die Nabe (10) angegossenen Konsole (18) gezeigt, welche aus einer Flanschfläche (17) zur Verschraubung des Verstellantriebs (30) mit einem umlaufenden Steg (19) besteht.

Claims

Windenergieanlage mit einem Turm, einer auf dem Turm drehbar angeordneten Gondel, einem an der Gondel um eine Rotordrehachse drehbaren Rotor, der eine Rotornabe (10) und mindestens ein Rotorblatt umfasst, das über ein Blattlager (20) um eine Blattverstellachse drehbar mit der Rotornabe (10) gekoppelt ist, wobei das Blattlager (20) einen Innenring (22) aufweist, der fest mit der Rotornabe (10) verbunden ist sowie einen, eine Außenverzahnung aufweisenden Außenring (24), der fest mit dem Rotorblatt verbunden ist, und das Rotorblatt über einen Blattverstellantrieb (30) drehbar ist, der einen Antriebsmotor (38) aufweist, der ein mit der Außenverzahnung des Außenrings (24) in Eingriff stehendes Antriebsritzel (32) antreibt, dadurch gekennzeichnet; dass das Antriebsritzel (32) auf der gondelabgewandten Seite der Rotornabe (10) in einem, um die Blattverstellachse gemessenen Winkel von 10°–30° zu einer durch die Rotordrehachse und die Blattverstellachse aufgespannten Ebene angeordnet ist, und dass der Antriebsmotor (38) in einem Abstand zu der Rotordrehachse angeordnet ist, der kleiner ist als der Abstand zwischen dem Antriebsritzel (32) und der Rotordrehachse.
Windenergieanlage nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage über mindestens zwei, vorzugsweise drei Blattverstellantriebe (30) verfügt, welche so angeordnet sind, dass zwischen den Blattverstellantrieben (30) eine Zugangsöffnung (50) zur Rotornabe (10) verbleibt.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage über drei Blattverstellantriebe (30) verfügt, die in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei -der Blattverstellantrieb (30) mit einer Planetengetriebeeinheit (34) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen von Planetengetriebeeinheit (34) und Antriebsritzel (32) koaxial angeordnet sind.
Windenergieanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Drehachse des Antriebsmotors (38) im wesentlichen parallel oder koaxial zur Drehachse des Antriebsritzels (32) befindet.