DE102006057055B3 - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe - Google Patents
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Abstract
Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe zur Übertragung eines von einer Rotornabe (1) erzeugten Drehmoments auf eine relativ hierzu schnellerdrehende Abtriebsritzel (12) zum Antrieb eines elektrischen Generators, wobei mindestens zwei parallelgeschaltete Planetenstufen (10a, 10b) zur getriebeintern leistungsverzweigten Übersetzung vorgesehen sind, wobei ferner die Ankopplung der Rotornabe (1) mittels eines getriebeeingangsseitigen Verbindungsringelements (2) erfolgt, das über ein Großwälzlager (5) drehbar an einem drehfesten Getriebegehäuse (3) gelagert ist, und das über hieran ausgebildete kardanische Entkopplungsmittel den Kraftfluss leistungsverzweigend auf die Hohlräder (6a, 6b) der parallelgeschalteten Planetenstufen (10a, 10b) weiterleitet.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe zur Übertragung eines von einer Rotornabe erzeugten Drehmoments auf eine relativ hierzu schneller drehende Abtriebswelle zum Antrieb eines elektrischen Generators, wobei mindestens zwei parallel geschaltete Planetenstufen zur getriebeinternen leistungsverzweigten Übersetzung vorgesehen sind.
- Bei einer Windkraftanlage der hier interessierenden Art ist im Leistungsfluss zwischen einem die Windenergie in eine Drehbewegung umsetzenden Rotor und einem die Drehbewegung in elektrische Energie umwandelnden Generator ein Getriebe mit einer Übersetzung ins Schnelle angeordnet. Da die Baugruppen der Windkraftanlage meist innerhalb einer Kapsel an der Spitze eines Turmes platziert werden, sind möglichst kompakte Getriebe mit geringer Masse wünschenswert. Diese Forderung steht allerdings im Zielkonflikt mit dem Trend nach immer größeren Windkraftanlagen höherer Leistung, was unter anderem auch leistungsfähigere Getriebe bedarf. Um deren Masse in Grenzen zu halten, werden in jüngster Zeit die hier interessierenden leistungsverzweigten Windkraftgetriebe eingesetzt.
- Aus der
EP 1 240 443 B1 geht ein gattungsgemäßes leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe hervor. Dieses besteht im Wesentlichen aus einer antriebsseitig symmetrisch aufgebauten Planetengetriebeeinheit, welche aus mindestens zwei gleich dimensionierten parallel geschalteten leistungsverzweigenden Planetenstufen besteht. Zum abtriebsseitigen Zusammenführen des durch die Planetenstufen geteilten Momentenflusses ist eine lastausgleichende Differenzialgetriebestufe nachgeschaltet, welche entweder nach Art eines passiven Differenzials oder auch als aktives Differenzial in Form eines Ausgleichsplanetengetriebes ausgebildet sein kann. Daneben kann das aktive Differenzial auch eine axial weich gelagerte und entgegengesetzt schrägverzahnte Ausgleichsstirnradpaarung sein. - Bei allen Ausführungsformen ist eingangsseitig dieses leistungsverzweigten Windkraftgetriebes eine normale Antriebswelle vorgesehen, woran per Welle-Nabe-Verbindung entweder direkt der Rotor der Windkraftanlage oder eine distanzüberbrückende Rotorwelle anschließbar ist. Getriebeinnenseitig ist die Antriebswelle an den gemeinsamen Planetenträger der parallel geschalteten Planetenstufen angekoppelt. Die Festlegung dieser Konstruktion auf eine normale Welle als getriebeeingangsseitige Antriebswelle führt jedoch – falls der Rotor direkt am Windkraftgetriebe angebracht werden soll – zu dem Problem, den relativ großen Durchmesser einer Rotornabe auf den kleinen Durchmesser der Antriebswelle zu führen. Der Kraftfluss müsste von der Rotornabe kommend, also zunächst von außen nach innen auf die Antriebswelle geleitet werden. Der Rotor einer Windkraftanlage liefert jedoch nicht allein ein reines Drehmoment. Wegen eigener Gewichtskräfte und durch den Wind verursachte Wechselkräfte und -momente am Rotorblatt und dergleichen ist die Antriebswelle insbesondere auch störenden Biegemomenten und Querkräften ausgesetzt. Diese können neben extremen Lagerbelastungen bei der Antriebswelle auch zu Störungen im Zahneingriff im Getriebe führen und damit zu erhöhtem Verschleiß.
- Aus der
WO 02/14690 A1 - Zwar werden bei dieser technischen Lösung konstruktionsbedingt wegen der Krafteinleitung auf einen großen Durchmesser die störenden Biegemomente und Querkräfte abgeschwächt, allerdings nicht gänzlich eliminiert, so dass sich die störenden Verformungen der Bauelemente, die im Kraftfluss liegen, über den Planetenträger auf die Verzahnung zwischen Planetenrädern und Hohl- sowie Sonnenrad auswirken.
- Aus der
WO 2006/000214A1 geht ein gattungsgemäßes leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe hervor, bei welchem zur Ankopplung der Rotornabe ein getriebeeingangsseitiges Verbindungsringelement vorgesehen ist. Das Verbindungsringelement ist über ein Großwälzlager drehbar am Getriebegehäuse gelagert. Zu diesem Zwecke ist der Lagerinnenring des Großwälzlagers am Verbindungsringelement angebracht. Der Lageraußenring des Großwälzlagers ist dagegen fest mit dem Getriebegehäuse verschraubt. Durch dieses Konstruktionsprinzip lässt sich der Rotor direkt am Windkraftgetriebe ankoppeln. Die Krafteinleitung in das Getriebe erfolgt hier über den Planetenträger. Nachteilig hierbei ist, dass lastbedingte Verkippungsmomente vom Rotor aus an das Getriebe weitergeleitet werden, was im Laufe der Zeit zu einem ungleichmäßigen Zahneingriff der Zahnräder der Planetenstufe führt. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches zur direkten Ankopplung an einen Rotor geeignet ist, und sich durch eine robuste Konstruktion und dennoch minimale Baugröße auszeichnet.
- Die Aufgabe wird ausgehend von einem leistungsverzweigten Windkraftgetriebe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
- Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
- Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Ankopplung der Rotornabe mittels eines getriebeeingangsseitigen Verbindungsringelements erfolgt, das über ein Großwälzlager drehbar an einem drehfesten Getriebegehäuse gelagert ist, indem der Lagerinnenring des Großwälzlagers am Verbindungsringelement angebracht ist, wogegen der Lageraußenring des Großwälzlagers an dem drehfesten Getriebegehäuse angebracht ist.
- Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass hierdurch eine verschleißarme Windkraftanlage mit direkt am Windkraftgetriebe angekoppelten Rotor eine höhere Leistungsklasse darstellbar ist. Das Konstruktionsprinzip mit integriertem Großwälzlager auf Niveau des Rotornabendurchmessers gestattet eine kompakte Bauform.
- Zudem kann im Sinne einer Funktionsintegration das Verbindungsringelement neben der Funktion in Bezug auf die Rotorlagerung auch das von der Rotornabe erzeugte Drehmoment an angeschlossene Hohlräder der parallelgeschalteten Planetenstufen verteilen, womit die Leistungsverzweigung eingeleitet wird.
- Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass der Anschluss mindestens einer der Hohlräder am Verbindungsringelement über biegeweiche Anschlussmittel zum Ausgleich von Verkippungen und Verschiebungen aufgrund rotorseitiger Getriebebelastung erfolgt. Durch diese speziellen getriebeeingangsseitigen Anschlussmittel werden störende äußere Kräfte und Momente von dem zu übertragenden Drehmoment getrennt und in das Getriebegehäuse eingeleitet.
- Vorzugsweise sind die biegeweichen Anschlussmittel nach Art einer kardanischen Entkopplungseinheit ausgebildet. Durch eine vorzugsweise doppelkardanische Anbindung der beiden Hohlräder der parallelgeschalteten Planetenstufen können Wälzlagerverformungen am Großwälzlager aufgrund der störenden äußeren Kräfte und Momente nicht zur Verzahnung der beiden Planetenstufen gelangen, welche somit verschleißminimal mit optimalem Zahneingriff das wirksame Antriebsdrehmoment umsetzen können.
- Die kardanische Entkopplungseinheit kann durch eine Innenverzahnung des Verbindungsringelementes mit einer korrespondierenden Hohlradaußenverzahnung gebildet sein, indem diese Verzahnungen nach Art einer Bogenzahnkupplung zusammenwirken. Diese Bogenzahnkupplung toleriert Verkippungen und Verschiebungen aufgrund der rotorseitigen Getriebebelastung. Durch die hierdurch geschaffene doppelkardanische Anbindung der Hohlräder wird allein das zu übertragende Drehmomentgetriebe eingangsseitig weitergegeben. Es ist jedoch auch denkbar, die Wirkung einer kardanischen Entkopplung durch andere Konstruktionselemente, wie beispielsweise flexible Lamellenelemente oder nachgiebige Hülsenfedern und dergleichen zu erzielen.
- Zur Gewährleistung eines günstigen Kraftflusses sollte der Außendurchmesser der Rotornabe in etwa dem Außendurchmesser des Verbindungsringelementes entsprechen. Unter dieser Voraussetzung kann die Verbindungsstelle zwischen beiden Bauteilen nach Art einer Flanschverbindung ausgebildet werden, so dass der Rotor über die Rotornabe mit dem die Eingangswelle des Getriebes bildenden Verbindungsringelement verschraubbar ist.
- Ebenfalls vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Großwälzlager nach Art eines Momentenlagers ausgebildet; speziell eignet sich hierfür ein Doppel-Kegelrollenlager. Anstelle eines einzigen Großwälzlagers ist es natürlich auch denkbar, mehrere Einzellager in Reihe anzuordnen. Im Falle eines einzigen Großwälzlagers ist der Lagerinnenring vorzugsweise zur Anbringung am Verbindungsringelement vorgesehen. Insoweit ist das Großwälzlager über den Lagerinnenring auf das Verbindungselement aufgeschoben. Der Lageraußenring des Großwälzlagers ist an dem gegenüber ortsfesten Getriebegehäuse angebracht. Die Anbringung des Lageraußenrings am Getriebegehäuse erfolgt vorzugsweise durch eine flanschartige Verschraubung, so dass das Großwälzlager erforderlichenfalls auf einfache Weise ausgetauscht werden kann. Durch die gewählte Art der Anbindung mit stehendem Lageraußenring und drehendem Lagerinnenring wird im Gegensatz zum eingangs angeführten Stand der Technik das gesamte Werkstoffvolumen des Lagerinnenringes durch die im Großwälzlager auftretende Umfangslast beansprucht und nicht nur ein Teil hiervon, da der in herkömmlicher Weise stehende Lagerinnenring eine Punktlast erhält.
- Erfindungsgemäß wird der getriebeeingangsseitige Drehmomentenfluss zwecks Leistungsverzweigung über mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei Planetenstufen geleitet, indem die beiden Hohlräder der beiden Planetenstufe angetrieben werden, wobei die beiden Planetenstufen über die Sonnenradwelle der ausgangsseitigen Planetenstufe mit dem Planetensteg der eingangsseitigen Planetenstufe gekoppelt sind. Der Planetenträger der einen Planetenstufe wird hierbei über das Sonnenrad der anderen Planetenstufe angetrieben. Der Planetenträger der zweiten Planetenstufe ist dem gegenüber ortsfest angeordnet. Damit das abtriebsseitig der zweiten Planetenstufe angeordnete Sonnenrad das Drehmoment zum Planetenträger der ersten Planetenstufe übertragen kann, wird vorgeschlagen, dieses als Hohlwelle auszubilden, wobei vom Sonnenrad der ersten Planentenstufe eine Sonnenradwelle ausgeht, die sich durch diese Hohlwelle hindurch erstreckt. Hierdurch wird eine insgesamt kompakte Bauform erzielt.
- Um eine möglichst kompakte Bauform zu erhalten wird vorgeschlagen, das Hohlrad der einen Planetenstufe innerhalb des vom Verbindungsringelement gebildeten Ringraumes angeordnet ist, wogegen das Hohlrad der anderen Planetenstufe in Axialrichtung dem Großwälzlager nachgeordnet ist.
- Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass der zentralen Sonnenradwelle eine abtriebsseitige Stirnradstufe nachgeschaltet ist, welche eine weitere Übersetzungsstufe darstellt. An einem gegenüber der zentralen Sonnenwelle achsversetzten Abtriebsritzel dieser Stirnradstufe wird der elektrische Generator angeschlossen.
- Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher dargestellt. Die
1 und2 zeigen einen schematischen Teilschnitt durch ein leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe. - Gemäß
1 wird eine Rotornabe1 eines – nicht weiter dargestellten – Rotors an einem getriebeeingangsseitiges Verbindungsringelement2 angebracht. Der Außendurchmesser der Rotornabe1 entspricht hier in etwa dem Außendurchmesser des Verbindungsringelementes2 , welcher wiederum in etwa dem Außendurchmesser bzw. den äußeren Abmessungen eines die Getriebebauteile enthaltenen Getriebegehäuses3 entspricht. Das Getriebegehäuse3 ist ortsfest mit – einer nicht weiter dargestellten – Trägerstruktur der Kabine an der Spitze eines Turms einer Windkraftanlage verbunden. - Das getriebeeingangsseitige Verbindungsringelement
2 ist über ein Großwälzlager5 drehbar am drehfesten Getriebegehäuse3 gelagert, und zwar über dessen Lageraußenring. Der Lagerinnenring des Großwälzlagers5 nimmt dagegen das Verbindungsringelement2 auf. - Das Großwälzlager
5 erfüllt die Funktion eines Momentenlagers, wobei das antriebsseitige Drehmoment über das hierin eingesetzte Verbindungsringelement2 an Hohlräder6a und6b zweier parallel geschalteter leistungsverzweigender Planetenstufen10a bzw.10b weiterleitet. Neben dem Hohlrad6a der ersten Planetenstufe10a ist ebenfalls der Planetenträger der ersten Planetenstufe10a angetrieben – und zwar über die zweite Planetenstufe10b – so dass ein abtriebsseitiges Sonnenrad8a den Kraftfluss weiterleitet. Diese Weiterleitung erfolgt über eine vom Sonnenrad8a ausgehende zentrale Sonnenradwelle9 . - Die Planetenräder
14a am Planetenträger7a der ersten Planetenstufe10a werden über ein abtriebsseitiges Innenrad8b der zweiten Planetenstufe10b angetrieben. Im Rahmen der zweiten Planetenstufe10b ist der die Planetenräder14b aufweisende Planetenträger7b ortsfest mit dem Gehäuse3 ausgebildet. Das Sonnenrad8b der zweiten Planetenstufe10b ist als Hohlwelle ausgebildet, so dass sich die Sonnenradwelle9 koaxial hindurch erstrecken kann. - Der zentralen Sonnenradwelle
9 ist eine abtriebsseitige Stirnradstufe10c nachgeschaltet. Die Stirnradstufe10c besteht aus einem drehfest mit der Sonnenradwelle9 verbundenen Abtriebszahnrad11 , das mit einem achsversetzt zur Sonnenwelle9 angeordneten Abtriebsritzel12 kämmt. Das Abtriebsritzel12 geht antriebsseitig dem – nicht weiter dargestellten – elektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischem Wechselstrom zu. - Zum Entkoppeln der vorstehend beschriebenen Getriebeteile von störenden, vom Rotor eingebrachten Biegemomenten und dergleichen sind kardanische Entkopplungsmittel zwischen dem Verbindungsringelement
2 und den beiden hierüber angetriebenen Hohlrädern6a und6b der parallel geschalteten Planetenstufen10a und10b vorgesehen. - Nach
2 sind die kardanischen Entkopplungsmittel nach Art einer Bogenzahnkupplung15a ,15b ausgebildet. Zu diesem Zwecke besitzt das Verbindungsringelement2 zwei zueinander axial beabstandet angebrachte Innenverzahnungen13a und13b , welche mit korrespondierenden Außenverzahnungen an den Hohlrädern6a bzw.6b kämmen. Die Zahngeometrie entspricht hierbei der einer üblichen Bogenzahnkupplung. Hierdurch werden Verkippungen und Verschiebungen aufgrund der rotorseitigen Getriebebelastung ausgeglichen. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. - Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die kardanischen Entkopplungsmittel zur Neutralisierung der rotorseitigen Getriebebelastung auf andere Weise auszubilden, z. B. mittels Lammellenelementen oder dergleichen. Weiterhin ist es auch möglich, die über parallel geschaltete Planetenstufen umgesetzte Leistungsverzweigung durch eine andere, geeignete Verschaltung der Getriebeelemente umzusetzen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die nachgeschaltete Stirnradstufe bei Bedarf auch weggelassen werden kann.
-
- 1
- Rotornabe
- 2
- Verbindungsringelement
- 3
- Getriebegehäuse
- 4
- Trägerkonstruktion
- 5
- Großwälzlager
- 6
- Hohlrad
- 7
- Planetenträger
- 8
- Sonnenrad
- 9
- Sonnenradwelle
- 10a
- erste Planetenstufe
- 10b
- zweite Planetenstufe
- 10c
- Stirnradstufe
- 11
- Abtriebszahnrad
- 12
- Abtriebsritzel
- 13
- Innenverzahnung
- 14
- Planetenrad
- 15
- Bogenzahnkupplung
Claims (14)
- Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe zur Übertragung eines von einer Rotornabe (
1 ) erzeugten Drehmoments auf ein relativ hierzu schnellerdrehendes Abtriebsritzel (12 ) zum Antrieb eines elektrischen Generators, wobei mindestens zwei Planetenstufen (10a ,10b ) zur getriebeintern leistungsverzweigten Übersetzung vorgesehen sind, wobei ferner zur Ankopplung der Rotornabe (1 ) ein getriebeeingangsseitiges Verbindungsringelement (2 ) vorgesehen ist, das über ein Großwälzlager (5 ) drehbar gegenüber einem drehfesten Getriebegehäuse (3 ) gelagert ist, indem der Lagerinnenring des Großwälzlagers (5 ) am Verbindungsringelement (2 ) angebracht ist, wogegen der Lageraußenring des Großwälzlagers (5 ) an dem drehfesten Getriebegehäuse (3 ) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsringelement (2 ) das von der Rotornabe (1 ) erzeugte Drehmoment an jeweils am Verbindungsringelement (2 ) angeschlossene Hohlräder (6a ,6b ) parallel angeordneter Planetenstufen (10a ,10b ) verteilt. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss mindestens einer der Hohlräder (
6a ,6b ) am Verbindungsringelement (2 ) über biegeweiche Anschlussmittel zum Ausgleich von Verkippungen und Verschiebungen aufgrund rotorseitiger Getriebebelastung erfolgt. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die biegeweichen Anschlussmittel nach Art einer kardanischen Entkopplungseinheit ausgebildet sind.
- Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kardanische Entkopplungseinheit durch Eingriff nach Art einer Bogenzahnkupplung (
15a ,15b ) mindestens einer Innenverzahnung (13a ,13b ) am Verbindungsringelement (2 ) mit korrespondierenden Außenverzahnungen an den Hohlrädern (6a ,6b ) gebildet ist. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Rotornabe (
1 ) dem Außendurchmesser des Verbindungsringelements (2 ) entspricht. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsringelement (
2 ) über eine Flanschverbindung mit der Rotornabe (1 ) verschraubbar ist. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Großwälzlager (
5 ) nach Art eines Momentenlagers ausgebildet ist. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das als Momentenlager ausgebildete Großwälzlager (
5 ) ein Doppel-Kegelrollenlager ist. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der neben dem Hohlrad (
6a ) der ersten Planetenstufe (10a ) ebenfalls angetriebene Planetenträger (7a ) den Kraftfluss an ein abtriebsseitiges Sonnenrad (8a ) weiterleitet. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das abtriebsseitige Sonnenrad (
8a ) der ersten Planetenstufe (10a ) den Kraftfluss an eine zentrale Sonnenradwelle (9 ) weiterleitet, welche sich zur Abtriebsseite des Getriebegehäuses (3 ) erstreckt. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenträger (
7b ) der zweiten Planetenstufe (10b ) ortsfest angeordnet ist, wobei ein abtriebsseitiges Sonnenrad (8b ) den Planetenträger (7a ) der ersten Planetenstufe (10a ) antreibt. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (
8b ) der zweiten Planetenstufe (10b ) als Hohlwelle ausgebildet ist, die koaxial zu der sich hindurcherstreckenden Sonnenradwelle (9 ) der ersten Planetenstufe (10a ) angeordnet ist. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zentralen Sonnenradwelle (
9 ) eine abtriebsseitige Stirnradstufe (10c ) nachgeschaltet ist, deren gegenüber der zentralen Sonnenradwelle (9 ) achsversetztes Abtriebsritzel (12 ) zum Antrieb des elektrischen Generators vorgesehen ist. - Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Hohlrad (
6a ) zumindest größtenteils innerhalb des vom Verbindungsringelement (2 ) gebildeten Ringraumes angeordnet ist, wogegen das andere Hohlrad (6b ) in Axialrichtung dem Großwälzlager (5 ) nachgeordnet ist.
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