DE102005039434A1

DE102005039434A1 - Windenergieanlage

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Publication number: DE102005039434A1
Application number: DE102005039434A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Klinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2007-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turmkopf, der auf dem Turm um die vertikale Turmachse drehbar gelagert ist, wobei am Turmkopf Gleitlagerelemente vorgesehen sind, die mit Hilfe elektromotorischer Antriebe gegen einen am Turm befestigten Lagerring gepresst werden können. Als Gondelantrieb wird ein elektromagnetisch betätigtes Wellengetriebe mit großer Übersetzung vorgeschlagen. DOLLAR A Damit wird Verschleiß durch kleine Relativbewegungen am Lager und in den zur Drehung des Turmkopfes in die Windrichtung angebrachten Getriebemotoren durch dynamische Windkräfte wirksam vermieden, ohne dazu gesonderte Bremssysteme parallel zum Lager oder in den Antriebsmotoren verwenden zu müssen. Die Kosten der Windrichtungsnachführung können damit erheblich reduziert werden. Das erfindungsgemäße System ist nahezu wartungsfrei und hat sehr wenig Teile.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turmkopf als Teil der Maschinengondel, die auf dem Turm um die vertikale Turmachse drehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Turm und dem Turmkopf Motoren, insbesondere Getriebemotoren, zur windrichtungsabhängigen Drehung der Gondel und des Rotors angebracht sind. Weiterhin ist ein Drehlager zur Aufnahme aller Kräfte und Momente aus der Wirkung des Windes und der Massen der Gondel vorhanden entsprechend dem Hauptpatent, das unter dem amtlichen Aktenzeichen 10 2005 001 344.9 beim Deutschen Patent- und Markenamt geführt wird.

Das im allgemeinen als Azimutlager bezeichnete Drehlager erlaubt zusammen mit den Getriebemotoren ein Nachführen des Rotors in die Windrichtung, um einen größtmöglichen Energieertrag zu erzielen. Diese Lager sind sehr hohen Belastungen sowohl beim Nachführen als auch beim Stillstand der Nachführantriebe oder des Rotors ausgesetzt.

Üblicherweise besteht das Drehlager aus einer sogenannten Kugeldrehverbindung ( DE 198 14 629 A1 , DE 196 29 168 C1 ) oder es werden Gleitlagerelemente verwendet ( DE 199 62 978 C1 ).

Auch vorgespannte Gleitlager, die mit Hilfe von hydrostatischem Druck in der Gleitfuge arbeiten, wurden vorgeschlagen ( DE 102 463 25 A1 ).

In der überwiegenden Zahl aller Windrichtungsnachführungen wird dem Drehlager eine hydraulisch betätigte Scheibenbremse parallel geschaltet, was die Zahl der Teile, die Ausfallwahrscheinlichkeit, den Wartungsaufwand und die Herstellkosten erhöht.

Der Einsatz von Windenergieanlagen im Meer macht robustere Maschinenelemente notwendig, da die Wartung und Reparatur gegenüber dem Landeinsatz wesentlich aufwändiger wird und in Schlechtwetterperioden über Wochen überhaupt nicht möglich ist.

Das heute ausschließlich verwendete Antriebskonzept zur Drehung der Gondel ist daher hinsichtlich Wartungsaufwand, Ausfallwahrscheinlichkeit und der Ertragsausfälle bei Betriebsunterbrechungen ebenfalls kritisch zu betrachten. Das Antriebskonzept benutzt bis zu acht Getriebemotoren mit drei oder vier Übersetzungsstufen und besteht aus weit über tausend Einzelteilen. Dazu kommen Wartungsschwierigkeiten durch eine große Zahl von Baugruppen von unterschiedlichen Herstellern wie Hydraulikaggregate, Getriebe oder Großwälzlager, die unterschiedliche Wartungsintervalle, unterschiedliche Schmierstoff und Betriebsmittelanforderungen haben.

Die Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen, indem das Azimutlager- und Antriebssystem so vereinfacht wird, dass es nur noch aus drei bis vier Baugruppen mit etwa zehn verschiedenen Teilen besteht, deren Wartung in einheitlich großen Zeitabständen möglich ist.

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turmkopf, der auf dem Turm um die vertikale Turmachse drehbar gelagert ist, wobei am Turmkopf Gleitlagerelemente vorgesehen sind, die mit Hilfe elektromotorischer Antriebe gegen einen am Turm befestigten Lagerring gepresst werden können.

Damit wird Verschleiß durch kleine Relativbewegungen am Lager und in den zur Drehung des Turmkopfes in die Windrichtung angebrachten Getriebemotoren durch dynamische Windkräfte wirksam vermieden, ohne dazu gesonderte Bremssysteme parallel zum Lager oder in den Antriebsmotoren verwenden zu müssen. Die Kosten der Windrichtungsnachführung können damit erheblich reduziert werden. Das erfindungsgemäße System ist nahezu wartungsfrei.

Besonders vorteilhaft zeigt sich also bei der vorliegenden Erfindung, dass Gleitlagerelemente verwendet werden, die mit großer Flächenpressung gegen einen Lagerring gedrückt werden können. Das Lagersystem erleidet dann keinen Verschleiß durch Rüttelbewegungen. Eine zusätzliche z. B. hydraulisch angetriebene Bremse mit einer gesonderten Bremsscheibe und vielen Bremsbacken erübrigt sich.

Wie nachfolgend näher ausgeführt bestehen vergleichsweise einfache konstruktive Ausgestaltungen darin, die Anpressung und das Lösen der Anpressung mit Hilfe von elektromotorisch angetriebenen Spindeleinheiten zu realisieren.

Die Gleitlagerelemente arbeiten ohne Schmierung, so dass Wartungsarbeiten im Zusammenhang mit Nachschmierung und Beseitigen von verbrauchtem Schmiermittel entfallen und eine Verschmutzung und Umweltbelastung durch unsachgemäßen Umgang mit Fett und Öl entfällt.

Bei einzelnen Ausführungsformen der Erfindung können die Kräfte, die vom Turmkopf auf den Turm übertragen werden müssen, zum Teil auch auf die Spindelantriebe wirken, so dass diese entsprechende Kräfte aufbringen und weiterleiten müssen.

Vorteilhafter ist in dieser Hinsicht die Verwendung von Keilen, die von den Spindelantrieben mit geringeren Kräften verschoben werden können, ohne dass die Lagerkräfte auf die Spindelantriebe zurückwirken.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die erforderlichen Reibkräfte unter Ausnutzung der Klemmwirkung einer Schelle oder eines geschlitzten Ringes mit kleineren Kräften an den Spindelantrieben erzeugt. Schließlich werden konische Gleitflächen am Lagerring verwendet, die zusammen mit der Umschlingung durch einen geschlitzten Ring die kleinsten Verstellkräfte an den elektromotorisch angetriebenen Spindelantriebe ergeben.

Eine erhebliche Vereinfachung des Antriebs wird durch die Ausgestaltung der Erfindung mit einer neuartigen Variante eines Getriebekonzepts, das unter dem Handelsnamen Harmonic Drive bekannt ist. Es wurde am 21. März 1955 von C. Walton Musser als US Patent 2,906,143 als Strain Wave Gearing angemeldet und wird heute als spielarme Kleingetriebe für Roboter verwendet.

Im einzelnen betrifft die Erfindung gemäß Anspruch 1 des Hauptpatentes eine Windenergieanlage mit einem Turmkopf, mit einer über Motoren, insbesondere Getriebemotoren, antreibbaren Windrichtungsnachführung auf einem Turm, mit Gleitlagerelementen, die auf einem Lagerring gleiten, wobei wenigstens ein Teil der Gleitlagerelemente als Bremsbeläge benutzbar ist, indem diese Gleitlagerelemente anpressbar sind und wobei diese Gleitlagerelemente zur Bewegung des Turmkopfes als Gleitlager benutzbar sind, indem die Anpressung der Gleitlagerelemente lösbar ist.

Anspruch 2 des Hauptpatentes beschreibt als Weiterbildung die konstruktive Ausgestaltung, nach der die Gleitlagerelemente über Spindeleinheiten an den Lagerring anpressbar sowie lösbar sind.

Gemäß Anspruch 3 des Hauptpatentes sind die Spindeleinheiten motorisch antreibbar.

Der motorische Antrieb ist vorteilhaft ein Elektromotor.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 des Hauptpatentes sind die motorisch angetriebenen Spindeleinheiten zum Anpressen und Lösen der Gleitlagerelemente als elektromechanische Antriebe ausgeführt, die bei Energiezufuhr in einer Drehrichtung die Gleitlagerelemente anpressen und in der anderen Drehrichtung die Anpressung der Gleitlagerelemente lösen, wobei der jeweilige Zustand auch ohne Energiezufuhr sicher gehalten wird.

Vorteilhaft schalten bei dieser Ausgestaltung interne Begrenzer den Bewegungsvorgang der Spindeleinheiten ab und melden dies an eine Steuereinheit zurück.

Die elektromechanische Ausgestaltung hat Vorteile gegenüber einer hydraulischen Lösung, bei der es bei Druckverlusten zu Problemen kommen kann mit der Anpressung bzw. Lösung der Gleitlagerelemente. Bei einem Stromausfall wird der jeweilige Zustand stabil gehalten. Wenn wieder Strom zur Verfügung steht, ist die normale Funktion wieder sicher gestellt.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 des Hauptpatentes ist ein als Feder bzw. Federpaket ausgebildeter Umgriff vorhanden, der über Schrauben vorgespannt ist, wodurch die Gleitlagerelemente im Sinne einer geschlossenen Bremse für die Lagerung der Windrichtungsnachführung auf den Lagerring gepresst werden, wobei die Anpressung der Gleitlagerelemente über die Spindeleinheit gelöst werden kann.

Die Feder bzw. das Federpaket kann beispielsweise als Tellerfeder ausgebildet sein.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 des Hauptpatentes sind keilförmige Gleitlagerelemente vorhanden, die über Spindelantriebe anpressbar sind und lösbar sind.

Vorteilhaft sind die keilförmigen Gleitlagerelemente unterhalb des Lagerrings angeordnet, so dass die Gewichtskraft des Turmkopfes auf dem anderen Gleitlagerelement aufliegt. Bei einer Bewegung des keilförmigen Gleitlagerelementes im Sinne einer Anpressung muss das Gleitlagerelement dann nicht gegen die Gewichtskraft des Turmkopfes bewegt werden.

Vorteilhaft werden bei dieser Anordnung die Spindelantriebe nicht durch dynamische Windkräfte zwischen Turm und Turmkopf belastet.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 des Hauptpatentes sind konische Gleitflächen am Lagerring so angebracht, dass sich die Flächennormalen der Gleitflächen in einem Punkt schneiden, der auf einer Linie mit der Seitenwand, des Turmes liegt.

Die Wirkungslinien der äußeren Kräfte im Flächenschwerpunkt der befestigten Ringquerschnitte sind in 5 dargestellt. Es ist zu sehen, dass der Schnittpunkt der Flächennormalen vorteilhaft in vertikaler Richtung in der Mitte des Lagerrings 6 liegt.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8 des Hauptpatentes ist der Turmkopf geschlitzt oder geteilt und die Reibkraft zur Arretierung des Turmkopfes wird durch Umschlingungsreibung aufgebracht, indem über Spindelantriebe, die an den Klemmlaschen angebracht sind, der Schlitz zugezogen wird.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 9 des Hauptpatentes ist der Umgriff einstückig mit dem Turmkopf hergestellt und der Einbau des Lagerrings erfolgt durch Aufweiten des Turmkopfes im Bereich des Schlitzes.

Dadurch ergibt sich eine fertigungstechnisch einfache Herstellung.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 10 des Hauptpatentes sind Spindeleinheiten mit Rechts- und Linksgewinde in die Klemmlaschen eingebaut. Die Spindeleinheiten werden über Hebel betätigt, die im Schlitz zwischen den Klemmlaschen angeordnet sind.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 11 des Hauptpatentes weist der Lagerring konische Gleitflächen auf.

Vorteilhaft wird dadurch beim Zuziehen des Schlitzes eine erheblich größere Reibkraft erzeugt.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 12 des Hauptpatentes weisen der Turmkopf und der Lagerring zusammenpassende Rillen oder Gewinde auf, wobei zwischen die Rillen bzw. Gewinde Streifen eines Gleitprismas eingebracht werden.

Die Streifen können beispielsweise verklebt werden.

Dabei kann ein entsprechender mit Gewinde oder Rillen versehener Pressdorn zum Einpressen verwendet werden. Vorteilhaft ist dieser Pressdorn der Lagerring.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 13 des Hauptpatentes weist der Turmkopf eine entsprechende Ausdrehung auf, durch die das Einlegen des Lagerrings auch ohne ein Aufweiten des Schlitzes möglich wird, wobei die Gleitelemente unterhalb des Lagerrings in dessen montierter Position über den Innenradius des Turmkopfes hinaus nach innen ragen, wobei diese Gleitelemente nachträglich montierbar sind.

Vorteilhaft sind dadurch die unteren Gleitelemente herausnehmbar, indem die Schraube, mit der das entsprechende Gleitelement befestigt ist, gelöst wird und das Gleitelement zum Turm hin verschoben wird. Der Turmkopf weist eine entsprechende Ausdrehung auf, die das Einlegen des Lagerrings auch ohne Aufweiten des Schlitzes erlaubt, wenn die Gleitelemente erst nachträglich eingelegt werden.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 14 des Hauptpatentes wird der Umgriff einstückig mit dem Turmkopf z. B. durch Gießen hergestellt, fertig bearbeitet und anschließend durch Absprengen vom Turmkopf an einer Sollbruchstelle wie beispielsweise eingekerbten Rillen getrennt.

Vorteilhaft werden die Trennflächen nach dem Einbau des Lagerrings formschlüssig zusammengepasst, so dass Reibmomente vom Umgriff sicher auf den Turmkopf übertragen werden können.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 1 der ersten Zusatzpatentanmeldung zu der Hauptpatentanmeldung wird zur Gondeldrehung ein flexibles Wellengetriebe mit großer Untersetzung in einer Getriebestufe eingesetzt, das im wesentlichen aus drei Teilen besteht.

Nach Anspruch 2 der ersten Zusatzpatentanmeldung zu der Hauptpatentanmeldung wird der flexible Ring des Wellengetriebes durch ein Magnetsystem berührungsfrei angetrieben.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 der ersten Zusatzpatentanmeldung zu der Hauptpatentanmeldung erlaubt einen vorgespannten Zahneingriff durch umlaufende Ovalisierung des flexiblen Ringes unter radial nach innen gerichteten magnetischen Anziehungskräften.

Bei der Lösung nach der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 dieser Zusatzpatentanmeldung wird zur Lagerung als auch zur Übertragung des Antriebsmoments zwischen dem Turm und dem Turmkopf eine gewindeähnliche Verbindung mit keilförmigen Rillen als Kontaktfläche genutzt.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 dieser Zusatzpatentanmeldung wird das Antriebsdrehmoment durch ein Wellengetriebe erzeugt wird, indem der elastische Lagerring durch umlaufende Magnetkräfte ovalisierbar ist, wobei sich der ovalisierte Lagerring im Turmkopf abwälzt und durch Haftreibung das Antriebsmoment überträgt.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 dieser Zusatzpatentanmeldung ist das Übersetzungsverhältnis des Wellengetriebes durch Verändern der Schlitzbreite am Turmkopf variierbar.

Indem also der in der ersten Zusatzpatentanmeldung beschriebene formschlüssige vorgespannte Zahneingriff nach der Bauart des Harmonic Drive durch einen vorgespannten Reibradantrieb ersetzt wird, wird der flexible Ring 22 eingespart sowie die zwei Verzahnungen.

Gemäß den Ansprüchen 4 bis 10 dieser Zusatzpatentanmeldung werden verschiedene Details beschrieben, die eine Ausgestaltung betreffen, bei der der Turmkopf mittels eines Klemmringes fixierbar und auch verstellbar ist.

Die Erfindung wird anhand der 1 bis 23 näher erläutert:
1 zeigt einen Längsschnitt durch die Gondel (12) einer Windenergieanlage, die drehbar auf dem Turm (1) befestigt ist und einen Vielpolgenerator (3) sowie einen Rotor (4) trägt, die zur Erzeugung von elektrischer Energie um die horizontale Achse drehen.
Zum Nachführen der Gondel in die jeweilige Windrichtung dienen Getriebemotoren (5), die am Turmkopf (2) befestigt sind und mit ihren Ritzeln in einen Lagerring (6) eingreifen, der seinerseits fest mit dem Turm (1) verschraubt ist.
Die Lagerung des Turmkopfes (2) wird, wie in 2 vergrößert dargestellt ist, durch Gleitlagerelemente (9), (10), und (11) gebildet, die am Turmkopf (2) und an den Umgriffelementen (8) befestigt sind.
In 2a sind die unteren Gleitlagerelemente (10) in einem scheibenförmigen Flansch (8) eingelassen, der über Spindelantriebe (7) motorisch gegen die Gleitlagerelemente (9) im Turmkopf (2) gepresst und gelöst werden kann.
Die Spindeleinheiten (7) können auch direkt auf die unteren Gleitlagerelemente (10) wirken, wie in 2b gezeigt ist.
3 stellt eine weitere Ausführungsart der Lagerung des Turmkopfes (2) dar, wobei seine radiale Führung durch die konisch ausgebildeten unteren Gleitlagerelemente (10) übernommen wird. Außerdem werden die Gleitlagerelemente (9) und (10) über den als Tellerfeder (13) ausgebildeten Umgriff und die Schrauben (14) derart gegen den Lagerring (6) gepresst, dass die Lagerung als geschlossene Bremse wirkt, die zum Nachführen des Turmkopfes (2) in die Windrichtung über die Spindelantriebe (7) ganz oder teilweise gelöst werden kann. Es handelt sich also um eine Sicherheitsbremse, die bei Energieausfall zwangsläufig schließt, wenn die Spindelantriebe nicht selbsthemmend ausgeführt sind.
In 3 wird gezeigt, dass das obere Gleitlagerelement (9) auch keilförmig ausgebildet sein kann, so dass bei Verschleiß der Gleitlagerelemente eine Nachstellung der Vorspannung der Tellerfeder (13) erfolgen kann, in dem das Gleitlagerelement (9) weiter eingeschoben wird. Statt der Tellerfeder können auch andere Anordnungen von Federn Verwendung finden.
4 zeigt eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zum Aufbringen der Anpresskräfte über keilförmige Gleitlagerelemente (15), die motorisch über Spindelantriebe (7) horizontal verschoben werden.
Die notwendigen Verschiebekräfte liegen bei dieser Anordnung je nach Keilwinkel und Reibungszahl an den beiden Keilflächen bei 20% bis 60% der vertikalen Anpresskraft. Außerdem sind die vertikalen Kräfte, die über längere Betriebszeiten bei geschlossener Bremse aufgrund turbulenter Windströmung auf die Gleitlagerelemente wirken, stark wechselnd und sie wirken dabei nicht auf die Spindelantriebe (7).
Es gibt eine größere Zahl von Varianten des Keilkonzeptes, je nachdem ob die motorisch verstellbaren keilförmigen Gleitbeläge oben oder unten, innen oder außen, im Turmkopf (2) der im Lagering (6) angebracht sind und ob sie gezogen oder gedrückt werden.
Die in 4 gezeigte Anordnung der Keile (15), die an einer konischen Fläche auf der Unterseite des Lagerrings (6) anliegen erübrigen die Gleitlagerelemente (11) aus 2 zur radialen Führung.
Die Verstellkraft F_U beträgt FU = FV[tan (α+/–arctan μG) + μK]mit

F_V: = Vertikalkraft
α: = Keilwinkel
μ_G: = Reibzahl an der Keilfläche (Gewinde)
μ_K: = Reibzahl an der horizontalen Fläche (Kopf),
+: gilt beim Einschieben oder Spannen
–: gilt beim Herausziehen oder Lösen

Vorteilhaft ist die Anordnung des Keils (15) auf der Unterseite des Lagerrings (6), weil die höheren Flächenpressungen durch die Vertikalkraft F_V am oberen Gleitlagerelement (9) durch das Eigengewicht der Gondel (12) entstehen.
5 zeigt eine optimierte Form des Lagerrings (6) mit konisch ausgebildeten Gleitflächen. Durch die Wahl der Konuswinkel und Querschnittsabmessungen wird erreicht, dass sich der Lagerring unter der Wirkung der Flächenpressungen F₂ und F₃ unter den Gleitlagerelementen (9) und (10) bei jeder äußeren Vertikalkraft F₁ und jeder Vorspannkraft F₄ nicht verdreht, weil die Wirkungslinien der äußeren Kräfte F₁, F₂ und F₃ durch den Schwerpunkt P₁ der Querschnittsfläche des Lagerrings (6) gehen. Im Lagerring entstehen tangentiale Druckspannungen, die durch die Horizontalkraft F5 dargestellt sind. Im Lagerring (6) entstehen keine Krempelmomente, d. h. er verdreht sich nicht und erzeugt damit auch keine Biegespannungen im Anschlussflansch zum Turm (1). In ähnlicher Weise ist der ringförmige Umgriff (8) mit dem Schwerpunkt P₃ in der Querschnittsfläche gestaltet. Die äußeren Kräfte F₄ und F₃ schneiden sich in P₃ und werden durch Ringspannungen F₆ aufgenommen, ohne dass sich der Querschnitt verdreht. Auch der untere ringförmige Teil des Turmkopfes (2) mit dem Schwerpunkt P₃ ist nach diesem Konzept gestaltet, was die Spannungen in vorteilhafter Weise stark reduziert.
6 zeigt eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zum Festbremsen des Turmkopfes (2) auf dem Turm (1) über eine schellenartige Klemmvorrichtung. Der Turmkopf (2) ist geschlitzt und dort mit Klemmlaschen (16) versehen. Nach dem Verdrehen des Turmkopfes in die neue Windrichtung über die hier nicht gezeigten Getriebemotore (5), die in die Innenverzahnung des Lagerrings (6) eingreifen, wird der Schlitz mittels Spindelantrieben (7) zugefahren, so dass am Zylinderansatz des Lagerrings eine hohe Reibkraft F_R entsteht, die zunächst linear mit der Klemmkraft F_K der Spindelantriebe (7) zunimmt FR = 2πμFK.
Durch Vergrößern der Hebelverhältnisse L₂/L₁ lässt sich die Reibkraft noch steigern: FR = L2/L1πμFK
In der Schnittdarstellung der 7 erkennt man, dass hier der Umgriff (8) einstückig mit dem Turmkopf (2) hergestellt ist. Der Einbau des Lagerrings (6) erfolgt durch Aufbiegen des Turmkopfes (2) am hinteren geschlitzten Ende. Dazu muss die Wandstärke des Turmkopfes im unteren Bereich gering gehalten werden. Entsprechende Rippen versteifen das Gussstück für vertikale Belastung, ohne dass die Steifigkeit des Ringes stark zunimmt. Die Bohrungen (17) dienen zur Aufnahme der Getriebemotoren (5).
8 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Spindelantriebe (7), die mit beidseitigen Kugelgewindespindeln und Muttern aufgebaut sind und durch einen Hebel (18) betätigt werden. Zum Schließen der Bremse wird der Schlitz über die Klemmlaschen (19) mit den Spindelantrieben zugezogen. In vorteilhafter Weise sind in 7 und 8 eine oder zwei Laufbahnen für die Gleitlagerelemente (9) und (10) konisch ausgeführt, wodurch die Reibkraft sich gegenüber der Ausführung in 6 weiter erhöht: FR = (L2/L1)πμFK/sinβ/2wobei β der Keilwinkel an dem Lagerring (6) ist.
Eine besonders leicht bauende Turmkopfvariante ist in 9 dargestellt. Sowohl der Turmkopf (2) als auch der Lagering (6) sind in einem Gewinde oder parallelen Rillen (19) ausgeführt. Der Turmkopf ist wie in den 7, 8 und 9 geschlitzt, so dass das Innengewinde im Turmkopf (2) auf den Gewindeteil (19) des Lagerrings gepresst werden kann. Durch die geringen Gewinde- bzw. Rillentiefe ist eine axiale Montage möglich; wenn der Turmkopf um etwas mehr als ΔR im Radius aufgeweitet wird; in dem der Turmkopf an den Klemmlaschen (16) auseinander gedrückt wird.
Als Gleitlagerelemente werden Streifen eines Gleitprismas (20) in die Nuten des Turmkopfes eingelegt, verklebt und mit Hilfe eines Gewindedorns oder mit dem Lagerring (6) verpresst, in dem der Schlitz im Turmkopf (2) zugezogen wird, bis die Verklebung ausgehärtet ist.
10 zeigt eine weitere Ausführung, bei der der Lagerring (6) ohne Aufweitung des geschlitzten Turmkopfes (2) axial eingebaut werden kann. Die Gleitlagerelemente (10) sind doppelt keilförmig und lassen sich einzeln ein- und ausbauen und mit Hilfe von Schrauben (21) so fixieren, dass sie beim Bremsen am Turmkopf nicht rutschen. Durch Bewegen senkrecht zur Schraubenachse lässt sich Spiel nachstellen.
Die notwendigen Reibungskräfte entstehen auch hier durch Zuziehen des Schlitzes über die Spindelantriebe (7), die hier nicht gezeigt sind.
11 zeigt schematisch das Antriebssystem zur Drehung des Turmkopfes (2) auf dem Turm (1), wobei die Getriebemotoren (5) durch ein Wellengetriebe (25) ersetzt sind. Dieses besteht aus dem Lagerring (6) mit einer Innenverzahnung (27), in die die Außenverzahnung (28) des flexiblen Rings (22) eingreift und einem Magnetsystem (26), das den flexiblen Ring (22) ovalisiert. Sowohl das Magnetsystem (26) als auch der flexible Ring (22) sind am Turmkopf (2) befestigt. Als Lagerung des Turmkopfes können Rillen oder Gewinde entsprechend 9 eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist dieses Konzept, da es eine große Zahl von Baugruppen und Einzelteilen ersetzt und dabei wenig Platz beansprucht. Das Gewicht, die Kosten und insbesondere die Wartung sind gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert.
12 zeigt einen horizontalen Schnitt durch das Wellengetriebe (25) mit dem Magnetsystem (26). Der Lagerring (6) mit der Innenverzahnung (27) hat z. B. eine Zähnezahl Z₁ = 500. Der darin angeordnete flexible Ring (22) mit der Außenverzahnung (28) hat z. B. Z₂ = 498 Zähne. Die Magnetspulen (24) erzeugen einen magnetischen Fluß in den Eisenkernen (23), die den flexiblen Ring (22) ovalisieren, wenn mehrere gegenüberliegende Spulen bestromt werden. Damit wird der flexible Ring (22) mit einer großen Zahl der Zähne (28) an den gegenüberliegenden Stellen (29) in die Verzahnung (27) des Lagerrings (6) gedrückt, verbindet also den Turm mit dem Turmkopf spielfrei um die vertikale Drehachse.
Dreht sich nun die Achse der Magnetisierung, in dem zum Beispiel Magnetspulen rechtsdrehend zu- und abgeschaltet werden, so wandern auch die Eingriffsstellen (29) linksdrehend bis nach einer Umdrehung des Magnetfeldes der flexible Ring (22) in der Art des Harmonic Drive Getriebes um 2 Zähne gedreht ist. Bei dem gewählten Beispiel ist die Übersetzung i = (500 – 498)/500 = 2/500 = 1/250
13 zeigt die Belastung des flexiblen Rings (22) durch magnetische Kräfte und durch die Gegenkräfte an der Zahneingriffstelle (29). Die Wandstärke s des flexiblen Rings (22) ist dabei so gewählt, dass der Ring wie ein Hebelsystem die Magnetkräfte in radiale Zahneingriffskräfte an den Stellen (29) überträgt, wobei der Ring mit radialen Flächenlasten von außen nach innen belastet wird ohne zu knicken.
14 zeigt zwei verschiedene Möglichkeiten zur Ausbildung der Eisenkerne (23). Links sind die Eisenkerne zusammen mit einem Ring hergestellt und die Spulen (24) lassen sich von außen aufschieben. Rechts sind Polschuhe (23) am Ring aufgeschraubt, nachdem die Magnetspulen (24) auf die Polschuhe gewickelt wurden.
15 und 16 zeigen einen vergrößerten Ausschnitt des Azimutsystems mit der Spindeleinheit (7) zum Schließen der als Klemmring ausgebildeten unteren Lagerstelle des Turmkopfes (2), der den Lagerring (6) an den Rillenprofilen (19) umgreift. Das Wellengetriebe (25), bestehend aus den beiden Ringen (6) und (22) sowie dem Magnetsystem (26) ist platzsparend und konzentrisch zur Lagerung angeordnet und stützt sich am Turmkopf (2) sowie am Turm (1) ab.
17 zeigt ein neuartiges, reibschlüssiges Wellengetriebe, das anstelle der bisher genutzten formschlüssigen Kraftübertragung über zwei ineinandergreifende Verzahnungen mit geringem Zähnezahlunterschied jetzt eine kraftschlüssige Übertragung der Umfangskräfte direkt in den keilförmigen Rillen der Lagerstelle vorsieht. Hierzu wird ein in radialer Richtung flexibler Lagerring (30) eingesetzt, der direkt mit dem ebenfalls flexiblen Turm (1) verschraubt ist und den Lagerring (6) ersetzt. Der flexible Ring (22) aus 15 und die beiden Verzahnungen (27) und (28) entfallen vollständig, so dass in hohem Maße Fertigungskosten entfallen.
Das Magnetsystem (26) in 18 ovalisiert den Lagerring (30) sobald eine Anzahl von Spulen (24) auf dem Eisenkern (23) aktiviert werden. Der Turmkopf (2) ist wie bisher geschlitzt und kann durch den Spindelantrieb (7) fest auf dem Lagerring (30) verklemmt werden.
Um eine Nachführbewegung des Turmkopfes (2) einzuleiten, wird dieser durch Spindelantrieb (7) so weit im Schlitz geöffnet, dass eine Ovalisierung des Lagerrings (30) über die dann umlaufend bestromten Magnetspule (24) erfolgen kann. An den umlaufenden Kontaktstellen (29) entsteht durch die Magnetkräfte eine radiale Anpresskraft F_r, die sich entsprechend 19 in die beiden Normalkräfte F_N zerlegen lassen. FN = Fr/(2sinβ/2)
Am Reibdurchmesser D_Reib kann dann durch Haftreibung ein Drehmoment MReib = 2μFNDReib = 2μDReibFr/(2sinβ/2)übertragen werden.
Die durch das Magnetsystem (26) hervorgerufene umlaufende Ovalisierung des Lagerrings (30) und die dadurch entstehende umlaufende radiale Anpresskraft F_r führen zu einer Abwälzung des Lagerrings (30) in den Rillen des Turmkopfs (2) und damit zu einer langsamen Dehnung des Turmkopfes mit der Übersetzung i = (DTurmkopf – DLagerring)/DTurmkopf
Dabei bleibt die sichere formschlüssige Übertragung von Kippmomenten und Axialkräften über die ineinandergreifenden Rillen von Turmkopf (2) und Lagerring (30) erhalten. Die Drehmomente um die Turmachse werden durch Reibkräfte an den Kontaktstellen (29) übernommen, so dass es sich um ein Reibradgetriebe handelt.
Die Drehbewegung des Turmkopfes erfolgt nicht durch Gleitreibung sondern durch Abwälzen ähnlich wie bei einem Keilriemengetriebe.
Die Gleitreibungszahl μ zwischen Turmkopf (2) und Lagerring (30) spielt also für das Antriebsmoment keine entscheidende Rolle. Sie sollte ähnlich wie bei Reibbelägen hoch sein, damit die erforderliche Anpresskraft F_r und damit das Magnetsystem und dessen Antriebsleistung klein gehalten werden kann.
20 zeigt eine weitere vorteilhafte Antriebsvariante zum Nachführen des Turmkopfes (2) in die jeweilige Windrichtung. Die Lagerung wird weiterhin durch Lagerring (30) bewerkstelligt, der mit Rillen versehen ist, die in entsprechende Rillen des Turmkopfes (2) eingreifen. Ein weiterer geschlitzter Klemmring (31) unterhalb des Turmkopfes greift ebenfalls in die Rillen des Lagerrings (30) ein und kann auf diesen über einen Spindelantrieb (35) festgeklemmt werden, der ähnlich aufgebaut ist wie der Spindelantrieb (7). Über einen elektrisch oder hydraulisch betätigten Hubzylinder (32) kann die Nachführungsbewegung schrittweise erfolgen, wobei zum Verdrehen der Gondel die Klemmung am Turmkopf (2) über die Spindel (7) gelöst und vorher der Ring (31) über Antrieb (35) am Lagerring (30) geklemmt wird.
Die Gestänge (33) und (34) sorgen für einen größeren wirksamen Hebelarm des hier außenliegenden robusten Stellantriebs (32), der zum Beispiel in einer gekapselten Ausführung mit Kugelrollspindeln über Jahre wartungs- und verschleißfrei arbeiten kann.
In 21 wird die schrittweise Nachführbewegung mittels zweier Stellantriebe (40) und (41) gezeigt, wobei die in 20 dargestellten Spindelantriebe (7) und (35) zum Schließen der Klemmung am Turmkopf (2) und dem Klemmring (31) entfallen können. Durch vorteilhafte Wahl der Krafteinleitungspunkte an den beiden Klemmungen kommt die Umschlingungsreibung zum Einsatz, die dafür sorgt, dass sich jeweils ein Klemmring beim Betätigen des Stellantriebs schließt und der andere öffnet. Eine Zugfeder (42) spannt den Klemmring (31) so vor, dass er etwa die Hälfte des zum Drehen der Gondel erforderlichen Moments durch Reibung hält.
Der Stellantrieb (40) dreht, wie in 22 dargestellt, den Turmkopf (2) in Richtung des Pfeils (43), wenn die Spindel oder Kolbenstange (44) Druck erzeugt und damit die Anpressung des Turmkopfes (2) auf dem Lagerring (30) an dieser Stelle verringert. Andererseits wird die Klemmung am Klemmring (31) durch die Stangenkraft (44) erhöht, wobei das Eytelwein'sche Gesetz für Umschlingungsreibung F₂ < = F₁e^μα wirksam wird. Es besagt, dass die Zugkraft F₂ am Ende eines Bandes, das eine Scheibe mit dem Winkel α umschlingt, durch zunehmende Anpressung und bei einem Reibungskoeffizienten μ zwischen dem Band und der Scheibe maximal um den Wert e^μα größer sein kann als die Kraft F₁ am anderen Ende des Bandes.
Der radial flexible Klemmring (31) kann als ein Band angesehen werden, dessen Ende mit F₂ aus Kolbenstangenkraft (44) und Federkraft (42) auf den Lagerring (30) gezogen wird. Am anderen Ende des Bandes wirkt die Summe aus Federkraft und Stangenkraft der Stange (45) des Stellantriebs (41).
Entsprechend 22 dreht sich der Turmkopf (2) unter der Wirkung der Druckkraft der Stange (44) deshalb in Pfeilrichtung (43), weil die Reibung an diesem verringert wird, während sich die Reibung am Klemmring (31) durch Bandumschlingung stark erhöht. Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, dass durch die Rillen mit dem Keilwinkel von β eine starke Erhöhung des wirksamen Rillenreibfaktors μ_r bewirkt wird: μr = μ/sinβ/2z. B. um den Faktor 5 bei β = 20°.
In 23 wird gezeigt, wie sich unter der Wirkung einer Zugkraft in der Stange (44) der Klemmring (31) in Pfeilrichtung (43) dreht, weil jetzt der Turmkopf (2) durch die Zugkraft eine erhöhte Bandreibung am Lagerring (30) erfährt, während der Klemmring (31) gelöst wird.
Der Stellantrieb (41) bewirkt entsprechend eine Drehung entgegen der Pfeilrichtung (43). Die schrittweise Verstellung kann schnell erfolgen, da die Reibungsvorgänge verzögerungsfrei einsetzen.
Nach Abschluss des Nachführungsvorgangs soll der Turmkopf (2) fest und spielfrei mit dem Lagerring (30) verklemmt werden. Das kann entsprechend 15 mit einem zusätzlichen Spindelantrieb (7) erfolgen. Vorteilhaft können die Stellantriebe (40) und (41) die Aufgabe übernehmen, indem sie beide eine gleich große Zugkraft erzeugen, wobei sie sich am Klemmring (31) abstützen und gegen die Federkraft der Feder (42) wirken. Es genügt hier eine Zugkraft unterhalb der Verstellkräfte, da eine Ringklemmung entsprechend 8 wirksam wird.

Claims

Windenergieanlage mit einem Turmkopf, mit einer über Motoren (5), insbesondere Getriebemotoren, antreibbaren Windrichtungsnachführung auf einem Turm (1), mit Gleitlagerelementen (9), (10) und (11), die auf einem Lagerring (6) gleiten, wobei wenigstens ein Teil der Gleitlagerelemente (9, 10) als Bremsbeläge benutzbar ist, indem diese Gleitlagerelemente (9, 10) anpressbar sind und wobei diese Gleitlagerelemente (9, 10) zur Bewegung des Turmkopfes als Gleitlager benutzbar sind, indem die Anpressung der Gleitlagerelemente (9, 10) lösbar ist, entsprechend dem Anspruch 1 des Hauptpatentes mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2005 001 344.9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl zur Lagerung als auch zur Übertragung des Antriebsmoments zwischen dem Turm (1) und dem Turmkopf (2) eine gewindeähnliche Verbindung mit keilförmigen Rillen als Kontaktfläche genutzt wird.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsdrehmoment durch ein Wellengetriebe erzeugt wird, indem der elastische Lagerring (30) durch umlaufende Magnetkräfte ovalisierbar ist, wobei sich der ovalisierte Lagerring (30) im Turmkopf (2) abwälzt und durch Haftreibung das Antriebsmoment überträgt.
Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis des Wellengetriebes durch Verändern der Schlitzbreite am Turmkopf (2) variierbar ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher geschlitzter Klemmring (31) mit keilförmigen Rillen vorgesehen ist, der auf dem Lagerring (30) mittels zusätzlichem Spindelantrieb (35) festsetzbar ist, und dass mittels eines außenliegenden Stellantriebes (32) eine Relativdrehung zwischen Turmkopf (2) und Klemmring (31) möglich wird.
Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass, eine Steuerung vorgesehen ist, mittels der der Turmkopf (2) schrittweise gegen den festgeklemmten Klemmring (31) mittels eines Stellantriebes (32) verdrehbar ist, oder durch die der Klemmring (31) nachführbar ist, wenn der Turmkopf (2) geklemmt ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Turmkopf (2) zwei außenliegende Stellantriebe (40) und (41) angebracht sind, die sich jeweils am geschlitzten Ende des Klemmrings (31) abstützen, wobei der Klemmring (31) federelastisch auf dem Lagerring (30) anliegt.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, durch gekennzeichnet, dass mittels des Stellantriebes (40) durch eine Druckkraft in der Stange (44) der Klemmring (31) durch Ausnutzen der Umschlingungsreibung von selbst auf dem Lagerring (30) festsetzbar ist, so dass der Turmkopf (2) in einer Richtung (43) drehbar ist und umgekehrt durch eine Zugkraft in der Stange (44) Umschlingungsreibung im Turmkopf erzeugbar ist, wodurch der Klemmring in der gleichen Richtung nachführgeführt wird.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Turmkopf (2) spielfrei auf dem Lagerring (30) festklemmbar ist, indem die beiden Stellantriebe (40) und (41) eine gleich große Zugkraft erzeugen.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stellantriebes (41) durch eine Druckkraft (45) der Klemmring (31) festsetzbar ist und der Turmkopf entgegen der Richtung (43) drehbar ist und umgekehrt durch eine Zugkraft der Klemmring (31) nachführbar ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Nachführung der Gondel notwendige Drehmoment von den beiden Stellantrieben (40) und (41) gemeinsam aufgebracht wird, in dem zur Drehung in Pfeilrichtung (43) eine Druckkraft von dem ersten Stellantrieb (40) aufgebracht wird, die gleich oder höher als die Zugkraft der federelastischen Klemmung des Klemmrings (31) auf dem Lagerring (30) ist und vom zweiten Stellantrieb (41) eine Zugkraft, die geringer ist als die Kraft der federelastischen Klemmung.