DE102007012408A1 - Windenergieanlagen mit lastübertragenden Bauteilen - Google Patents

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Abstract

Windenergieanlagen mit mindestens einem Rotorblatt (10), einer Nabe (12), einem ein Getriebe (32) aufnehmenden Getriebegehäuse (18), einem einen Generator (34) aufnehmenden Generatorgehäuse (20), einem Kopfträger (22), einem Turm (14) und einem den Kopfträger drehbar auf dem Turm (14) lagernden Azimutlager (42), wobei das Rotorlager (16), das Getriebegehäuse (18) und das Generatorgehäuse (20) zwischen der Nabe (12) und dem Kopfträger (22) angeordnet und als lastübertragende Bauteile ausgelegt und miteinander über Schraubverbindungen (54, 38) zusammengefügt sind.

Description

  • Die Patentanmeldung betrifft eine Windenergieanlage mit einem kompakt ausgebildeten Antriebsstrang.
  • Windenergieanlagen sind in den letzten Jahrzehnten stetig größer geworden, wobei der Trend zu immer kompakteren und leichteren Einheiten geht. Vielfach kommen dabei sogenannte Momentenlager zum Einsatz, die nicht nur die Schub- und Querkräfte aus dem Rotor aufnehmen, sondern auch die Biegemomente an nur einer Lagerstelle übertragen. Die Verwendung dieser Lager führt zu deutlich kompakteren Triebsträngen im Vergleich zu Konzepten mit einer doppelten Rotorlagerung. Allerdings sind in den meisten Fällen der bekannten Anlagen die Getriebe und auch die Generatoren hinter dem Lager als separate Komponenten auf einem Maschinenträger angeordnet. Der Maschinenträger hat dann die zusätzliche Funktion die Rotorlasten vom Rotorlager in den Turmkopf zu übertragen. Da diese Momentenlager relativ große Durchmesser aufweisen und eine flächige, steife Auflagefläche zum Verschrauben über den gesamten Umfang des Lagers benötigt wird, werden bevorzugt Maschinenträger in gegossener Ausführung eingesetzt. Von der Lageranschraubfläche müssen dann die Lasten über den Maschinenträger in den Turmkopf eingeleitet werden, ohne dass dabei die Struktur des Maschinenträgers mit dem Getriebe und dem Generator zu kollidieren. Dieses führt zu Gussstrukturen, die im rotorabgewandten Bereich große Öffnungen haben müssen um das Getriebe einbauen zu können. Diese offenen Strukturen haben vom Standpunkt der Festigkeits- und Verformungsbetrachtung erhebliche Nachteile, da die Komponenten dadurch große Zusatzbelastungen erfahren. Ferner haben diese Konstruktionen zu viele Bauteile, da die Funktion der Bauteile von der Lastübertragung getrennt ist. Ziel bei der Entwicklung von neuen Windenergieanlagen muss es daher sein die Anlagen kompakter, leichter und kostengünstiger zu gestalten.
  • Die WO 2005/033505 A1 zeigt eine schon sehr kompakte Ausführung des Triebstranges mit einem separaten Getriebe und Generator, bei der eine große Öffnung für die Montage des Getriebes vorgesehen ist. Zur Befestigung des Generators ist eine weitere Tragstruktur notwendig wird, eine Gondelverkleidung ist erforderlich, um die Komponenten vor Witterungseinflüssen zu schützen.
  • Die DE 103 51 524 A1 schlägt ebenfalls eine kompakte Lösung vor, bei der das Getriebe und die Nabe noch dichter zusammen positioniert werden konnten, die Formgebung der Gussstruktur des Maschinenträgers ist ungünstig, so dass hohe Spannungsspitzen und Verformungen zu erwarten sind. Auch hier ist eine Gondelverkleidung erforderlich.
  • Mit der WO 02/079644 A1 wird eine noch kompaktere Lösung vorgeschlagen, bei der ein Teil des Getriebes in die Rotorlagerung integriert wird. Aber auch hier gibt es ein zusätzliches Getriebe und den separaten Generator, der eine weitere Tragstruktur benötigt. Ferner ist die große Öffnung im Gussmaschinenträger zu erkennen, die strukturell erhebliche Nachteile hat.
  • Die DD 268741 A1 zeigt ebenfalls einen kompakten Gondelaufbau, wobei diese Ausführung nur für kleine Windenergieanlagen möglich ist, weil die Anlage als Leeläufer ausgelegt und ohne Windrichtungsnachführung und Vertikalbremseinrichtung ausgestattet ist. Ferner hat zwar die Integration von Getriebe und Generator in ein Gehäuse den Vorteil einer äußerst kompakten Bauweise aber auch den Nachteil, dass Reparaturen nur sehr aufwendig durchzuführen sind, weil die Zugriffsmöglichkeit auf die Bauteile stark eingeschränkt ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es einen Triebstrang zu schaffen, der eine sehr kompakte, leichte und damit kostengünstige Gesamtbauweise ermöglicht und die Hauptkomponenten wie Rotorlager, Getriebe, Generator und Windrichtungsnachführung in den Kraftfluss vom Rotor in den Turm mit einbindet. Dabei soll gewährleistet sein, dass die einzelnen Komponenten, insbesondere Getriebe und Generator, separat montiert und auch für Reparaturarbeiten einzeln gehandhabt werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung an.
  • Durch die Erfindung wird eine weitere Integration der Funktionselemente erreicht, Bauteile werden eingespart.
  • Die Komponenten Getriebe, Generator und Windrichtungsnachführung sind bei der Erfindung in separaten Gehäusen angeordnet, die mit einander verschraubt werden. Die jeweiligen Gehäuse sind als tragende Struktur zur Übertragung der maximalen statischen und dynamischen Rotorlasten ausgelegt. Das Rotorlager ist ebenfalls mit dem Getriebegehäuse verschraubt und überträgt die Rotorlasten in das Getriebegehäuse. Das Getriebegehäuse überträgt die Lasten in das Generatorgehäuse. Dieses Gehäuse überträgt die Lasten in das Generatorgehäuse. Das Generatorgehäuse wiederum überträgt die Lasten in den Kopfträger, der wiederum die Lasten über das Azimutlager in den Turm einleitet. Durch diesen Aufbau übernehmen die Gehäuse der Komponenten die doppelte Funktion als Lastübertragungselement und als Montageelement für die einzelnen Bauteile der Komponenten. Diese Auslegung ermöglicht es, dass die Maschine sehr leicht und damit kostengünstig wird und zusätzlich auf eine Gondelverkleidung verzichtet werden kann, da alle Komponenten so ausgeführt sind, dass sie der Bewitterung ausgesetzt werden können. Aus Montagegründen ist es sinnvoll das Getriebegehäuse und das Generatorgehäuse als zwei separate Gehäuse auszuführen, es kann aber auch in einem Stück ausgeführt werden.
  • Diese Anordnung ist ganz besonders vorteilhaft, wenn der Rotomabenanschluss, das Rotorlager, das Getriebe und der Generator vom Außendurchmesser ungefähr gleiche Abmessungen vorweisen. In diesem Fall ergibt sich ein besonders günstiger Kraftfluss ohne größere Lastumlenkungen. Dieses führt dazu, dass das Getriebe sinnvoller weise ein zweistufiges Planetengetriebe mit koaxialen An- und Abtriebsachsen ist und einer Übersetzung von ca. 15 bis 25 aufweist. Der Generator wird dahinter angeordnet und hat dann eine Nenndrehzahl von ca. 200 bis 400 min–1. Beide Komponenten sind in einem gemeinsamen oder zwei getrennte Gehäuse eingebaut, die so ausgelegt sind, dass sie die Lasten vom Rotor auf den Kopfträger übertragen können. Der Kopfträger leitet dann die Lasten in den Turm ein und hat ferner die Funktion die Windrichtungsnachführung, die Vertikalbremsen, die Getriebeschmierung und die Wärmetauscher zur Getriebe- und Generatorkühlung aufzunehmen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 eine Seitenansicht auf Nabe, Rotorlager, Generatorgehäuse und Kopfträger, wobei nur ein Rotorblatt geschnitten dargestellt ist, und
  • 2 einen 1 entsprechende, teilweise geschnittene Darstellung.
  • Der durch die Rotorblätter 10 und die Nabe 12 der Windenergieanlage gebildete Rotor wird durch das Rotorlager 16 gelagert und überträgt die Kräfte und Momente auf die nachfolgenden Bauteile. Das Getriebe ist im Getriebegehäuse 18 integriert. Der nachgeschaltete Generator ist im Generatorgehäuse 20 eingebaut. Beide Gehäuse 18, 20 haben in etwa den gleichen Durchmesser und sind miteinander verschraubt. Das Generatorgehäuse 20 ist wiederum mit einem Kopfträger 22 verschraubt, der die Lasten über ein Azimutlager 42 in einen Turm 14 einleitet. Alle erforderlichen Aggregate und Komponenten sind in diesen Elementen untergebracht. Eine zusätzliche Gondelverkleidung zum Witterungsschutz und zur Aufnahme von Nebenaggregaten ist nicht erforderlich. Zur teilweisen Abfuhr der Verlustwärme an die Außenluft sind beide Gehäuse außen mit Kühlrippen versehen.
  • Die Nabe 12 ist (2) über die Verschraubung 52 mit dem Hohlrad 24 der ersten Getriebestufe verbunden. Dieses Hohlrad 24 ist in den Innenring der Rotorlagers 16 eingepresst und fest verbunden. Der Außenring 30 des Rotorlagers 16 ist durch die Schrauben 54 mit dem Getriebegehäuse 18 und über dieses mit dem Generatorgehäuse 20 fest verbunden. Die Labyrinthdichtung 50 dichtet das Getriebe 36 nach außen ab. Die Planetenräder 56 der ersten Getriebestufe sind über sphärische Gleitlager 26 gelagert. Diese Gleitlager 26 werden über Lagerzapfen 28 an dem Getriebegehäuse 18 befestigt. Die Planetenräder 56 übertragen das Drehmoment an das Sonnenrad 58. Zentrisch im Sonnenrad ist eine Bogenverzahnung angebracht, die das Drehmoment auf die Zwischenwelle 60 überträgt. Diese Zwischenwelle 60 wiederum ist in den Planetenträger 62 der zweiten Planetenstufe eingesteckt. Die zweite Planetenstufe 32 ist ebenfalls in das Getriebegehäuse 18 integriert und treibt das Sonnenrad mit der Übertragungswelle 66 an. Diese Übertragungswelle 66 ist durch eine Bogenverzahnung mit dem Generatorantriebsflansch 68 drehmomentmäßig verbunden. Der Generator 34 ist als permanent erregter Synchrongenerator ausgeführt, der in das Generatorgehäuse 20 eingebaut und mit einem Wasserkühlmantel 36 versehen ist. Der Kühlkreislauf wird durch die Förderpumpe 64 betrieben und die Abwärme durch den Kühler 48 an die Außenluft abgeführt. Das Generatorgehäuse 20 ist mit den Verschraubungen 38 mit dem Kopfträger 22 verbunden. Der Kopfträger 22 beinhaltet die Verstellantriebe 44 für die Windrichtungsnachführung, die Vertikalbremsen 40, die Kühler 48 für das Getriebe und den Generator, den Getriebeölbehälter 46 mit Filtern und Umwälzpumpen sowie die Umwälzpumpe 64 für den Generatorkühlkreislauf. Durch die beiden Getriebestufen und den Generator ist ein zentrales Rohr 70 zentrisch durchgeführt, in dem die Energieversorgung für die Rotorblattverstellung verlegt ist. Über die Drehdurchführung bzw. den Schleifring 72 wird die erforderliche Energie vom still stehenden Teil des Kopfträgers 22 auf die drehende Nabe 12 übertragen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2005/033505 A1 [0003]
    • - DE 10351524 A1 [0004]
    • - WO 02/079644 A1 [0005]
    • - DD 268741 A1 [0006]

Claims (12)

  1. Windenergieanlagen mit mindestens einem Rotorblatt (10), einer Nabe (12), einem ein Getriebe (32) aufnehmenden Getriebegehäuse (18), einem einen Generator (34) aufnehmenden Generatorgehäuse (20), einem Kopfträger (32), einem Turm (14) und einem den Kopfträger drehbar auf dem Turm (14) lagernden Azimutlager (42), dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorlager (16), das Getriebegehäuse (18) und das Generatorgehäuse (20) zwischen der Nabe (12) und dem Kopfträger (22) angeordnet und als lastübertragende Bauteile ausgelegt und miteinander über Schraubverbindungen (54, 38) zusammengefügt sind.
  2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebegehäuse (18) und das Generatorgehäuse (20) separate Gehäuse sind.
  3. Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebegehäuse (18) und das Generatorgehäuse (20) etwa gleiche Außendurchmesser aufweisen.
  4. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorlager (16) ein direkt vor das Getriebegehäuse (18) geschraubtes Momentenlager ist.
  5. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (32) ein zweistufiges Planetengetriebe ist.
  6. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (34) ein permanent erregter Synchrongenerator ist.
  7. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebegehäuse (18) und/oder das Generatorgehäuse (20) mit nach außen weisenden Kühlrippen versehen sind.
  8. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Labyrinthdichtungen ausgebildete Getriebeabdichtungen vorgesehen sind.
  9. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (34) einen in das Generatorgehäuse (20) integrierten Wasserkühlmantel (36) aufweist.
  10. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kopfträger (22) eine Windrichtungsnachführung bestehend aus Azimutlager (42), Verstellantrieben (44) und Vertikalbremsen (40) sowie Getriebeölbehälter (46) und die Kühler (48) für Getriebe (32) und Generator (34) angeordnet sind.
  11. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein durch das Getriebe (32) und den Generator (34) zentrisch durchgeführtes, mit der Drehzahl des Rotors drehendes Rohr (72), das die Energieversorgungsleitungen für die Blattverstellung aufnimmt
  12. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorgehäuse (18), das Getriebegehäuse (20) und der Kopfträger (22) wetterfest ausgebildet sind.
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