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Die
Erfindung betrifft ein Windenergieanlagengetriebe mit einer ersten Ölfördereinrichtung,
die Öl aus einem Ölsumpf fördert und über
eine Ölverteilungseinrichtung an mit Öl zu versorgende
Getriebeteile verteilt, sowie ein Verfahren zur Ölversorgung
eines derartigen Windenergieanlagengetriebes.
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Windenergieanlagengetriebe
sind im Betriebsstrang von Windenergieanlagen angeordnete Getriebe,
die eine Drehbewegung eines vom Wind angetriebenen Rotors auf einen
Generator übertragen. Sie weisen eine mit dem Rotor verbundene
Antriebswelle und eine mit dem Generator verbundene Abtriebswelle
auf. In der Regel wird der Generator, der die elektrische Energie
erzeugt, mit einer höheren Drehzahl betrieben als der Rotor
der Windenergieanlage. Wegen der hohen Übersetzungsverhältnisse
ist in der Regel ein mehrstufiges Getriebe erforderlich.
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Häufig
werden in den Getrieben Stirnradstufen und Planetenstufen zu einem
zwei- oder dreistufigen Getriebe kombiniert.
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Um
die hoch belasteten Getriebekomponenten stets ausreichend mit Schmiermittel
zu versorgen, werden zumeist elektrisch angetriebene Ölpumpen
verwendet, die Öl aus einem Ölsumpf fördern und
mit Hilfe einer geeigneten Verteilungseinrichtung an die mit Schmiermittel
zu versorgenden Komponenten verteilen. Bei dieser Form der Ölversorgung eines
Windenergieanlagengetriebes ist elektrische Energie für
den Betrieb der Ölpumpe erforderlich. Dies ist insbesondere
bei abgeschalteten Windenergieanlagen von Nachteil, wenn keine elektrische
Energie für den Betrieb der Ölpumpe zur Verfügung steht.
Auch bei diesen Betriebszuständen, beispielsweise im sogenannten
Trudelbetrieb, in dem die Windenergieanlage vom Netz getrennt ist
und sich der Rotor frei im Wind drehen kann, ist eine Versorgung
des Getriebes mit Schmiermittel notwendig.
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Als
Alternative zu einer elektrisch angetriebenen Ölpumpe kommt
eine direkt angetriebene Ölpumpe in Betracht. Direkt angetriebene Ölpumpen sind
mechanisch mit einer Triebstrangkomponente gekoppelt und dadurch
unabhängig von einer elektrischen Energieversorgung. Derartige
direkt angetriebene Ölpumpen sind jedoch mit einem hohen
konstruktiven Aufwand verbunden und können den Wirkungsgrad
der gesamten Windenergieanlage reduzieren.
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In
dieser Situation schlägt die Offenlegungsschrift
DE 37 02 008 A1 eine
Getriebeschmierung für Windenergieanlagen vor, bei der
die Schmierung des Getriebes im Normalbetrieb von einer elektrisch
angetriebenen Ölpumpe bewirkt wird. Kommt die Windenergieanlage
bei geringen Windgeschwindigkeiten zum Stillstand, wird von einer Überwachungseinrichtung
ein Ventil geöffnet, wodurch Öl aus einem Vorratsbehälter
in das Getriebe geleitet wird. Infolge des zugeführten Öls
erhöht sich der Ölstand im Getriebe, so daß die
zu schmierenden Komponenten der Windenergieanlage durch eine Tauchschmierung
mit Öl versorgt werden.
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Es
ist daher für das Getriebe unschädlich, wenn die Ölpumpe
zum Stillstand kommt.
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Windenergieanlagengetriebe
und ein Verfahren zu dessen Ölversorgung zur Verfügung
zu stellen, das eine verbesserte Ölversorgung aufweist bzw.
ermöglicht und das mit geringeren Wirkungsgradverlusten
behaftet ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch das Windenergieanlagengetriebe
mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den sich anschließenden Unteransprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Windenergieanlagengetriebe hat
eine erste Ölfördereinrichtung, die Öl aus
einem Ölsumpf fördert und über eine Ölverteilungseinrichtung
an mit Öl zu versorgende Getriebeteile verteilt, wobei
das Getriebe mindestens eine Stirnradstufe mit zwei miteinander
kämmenden Stirnzahnrädern aufweist, die mindestens
teilweise derart in ein Gehäuse eingeschlossen sind, daß sie
eine Zahnradpumpe als zweite Ölfördereinrichtung
zur Ölversorgung des Getriebes bilden. Bevorzugt weisen die
Stirnzahnräder eine Evolventenverzahnung auf.
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Die
erste Ölfördereinrichtung kann eine Ölpumpe
beliebiger Bauart sein, beispielsweise mit einem elektrischen Antrieb.
Bei dem Öl kann es sich um einen beliebigen Schmierstoff
handeln, beispielsweise um pflanzliches, mineralisches, teil- oder
vollsynthetisches Öl. Der Ölsumpf ist ein beliebiger Ölvorrat,
der mit der ersten Ölfördereinrichtung in Verbindung
steht. Beispielsweise kann es sich um eine Ölwanne handeln,
die in einem unteren Bereich des Windenergieanlagengetriebes angeordnet
ist und in der sich aus dem Getriebe zurücklaufendes Öl
ansammelt. Die beiden miteinander kämmenden Stirnzahnräder
bilden eine Stirnradstufe des Getriebes. Diese können die
einzige Getriebestufe bilden oder mit einer beliebigen Anzahl weiterer
Getriebestufen, z. B. weiterer Stirnrad- oder Planetenstufen, kombiniert
sein.
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Zahnradpumpen
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese können als
Außenzahnradpumpen mit Evolventenverzahnung ausgeführt
sein. Die beiden Stirnzahnräder werden von einem geeigneten
Gehäuse in mindestens einem Abschnitt relativ eng umschlossen.
Das fördernde Medium wird in den Räumen zwischen
Zähnen und Gehäuse transportiert und aus der Zahnradpumpe
heraus gefördert. Gleichzeitig strömt in einem
anderen Bereich der Zahnradpumpe eine entsprechende Menge des zu fördernden
Mediums in die Zahnradpumpe ein. Bei der Erfindung wird die Zahnradpumpe
dadurch in das Windenergieanlagengetriebe integriert, daß zwei Stirnzahnräder
einer Stirnradstufe mindestens teilweise in ein Gehäuse
eingeschlossen werden. Das Gehäuse kann ein Teil des Getriebegehäuses
sein oder eine separate Einheit bilden, die im Bereich der Stirnzahnräder
angeordnet ist. Das Gehäuse kann die Stirnzahnräder
mehr oder weniger vollständig umschließen, wie
es von gewöhnlichen Zahnradpumpen bekannt ist.
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Alternativ
kann das Gehäuse nur einen Teil der ineinander greifenden
Stirnzahnräder umschließen, wie es beispielsweise
aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 87 14 166 U1 bekannt ist. In dieser Ausführung
wird das Gehäuse von einem Einkapselungsorgan gebildet,
das einen Teil beider seitlichen Flächen beider Stirnzahnräder
umschließt. Weitere, zylindermantelsegmentförmige
Flächen des Einkapselungsorgans verlaufen dicht entlang
der von den sich bewegenden Zahnaußenkanten beschriebenen
Flächen. In einer den kämmenden Zähnen
der beiden Stirnzahnräder zugewandten Fläche weist das
Einkapselungsorgan zudem eine Leitung auf, durch die das verdrängte
Medium hinausgefördert wird.
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Die
Verzahnung der miteinander kämmenden Stirnzahnräder
kann gerade, d. h. achsparallel, oder im Falle einer Schrägverzahnung
schräg verlaufen.
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Bei
der Erfindung dient die von den Stirnzahnrädern mit Gehäuse
gebildete Zahnradpumpe als zweite Ölfördereinrichtung
zur Ölversorgung des Getriebes. Dadurch wird erreicht,
daß das Windenergieanlagengetriebe eine zweite Ölfördereinrichtung aufweist,
die zur Ölversorgung des Getriebes beiträgt. Die
Zahnradpumpe kann die Ölversorgung ergänzen oder
insbesondere die Ölversorgung des Getriebes übernehmen,
wenn die erste Ölfördereinrichtung nicht aktiv
ist. Dadurch kann eine ausreichende Ölversorgung des Getriebes
auch dann sichergestellt werden, wenn die erste Ölfördereinrichtung
abgeschaltet ist. Die Zahnradpumpe arbeitet dabei mit einem höheren
Wirkungsgrad als die aus dem Stand der Technik bekannte Tauchschmierung.
Insbesondere verringern sich die Planschverluste. Zudem kann sie
mit geringem konstruktiven Aufwand in ein Getriebe integriert werden.
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Im
Gegensatz zu der bekannten Tauchschmierung bildet die Zahnradpumpe
eine vollwertige zweite Ölfördereinrichtung, die
eine gezielte Förderung und Verteilung des Öls
ermöglicht. Dadurch wird die Ölversorgung verbessert
und ein abermals verbesserter Wirkungsgrad erzielt. Weiterhin kann die
Lebensdauer des Windenergieanlagengetriebes verlängert
werden.
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In
einer Ausgestaltung ist eine Druckseite der Zahnradpumpe mit der Ölverteilungseinrichtung über
ein Ventil verbindbar. Somit kann die Ölverteilungseinrichtung,
die der ersten Ölfördereinrichtung zugeordnet
ist, auch für die Verteilung des von der Zahnradpumpe geförderten Öls
eingesetzt werden. Es wird auf einfache Weise eine optimale Verteilung des
von der Zahnradpumpe geförderten Öls erreicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist eine Saugseite der Zahnradpumpe
mit einer Saugleitung verbunden, die oberhalb eines Bodens des Ölsumpfs endet
und in Abhängigkeit vom Füllstand des Ölsumpfs
in das Öl eintaucht oder oberhalb des Öls endet.
Diese Anordnung erlaubt zunächst eine Förderung
des Öls aus dem Ölsumpf, aus dem auch die erste Ölfördereinrichtung
versorgt wird. Zudem wird durch das füllstandsabhängige
Eintauchen der Saugleitung in den Ölsumpf erreicht, daß die
Zahnradpumpe bei einem ersten Füllstand des Ölsumpfs,
bei dem die Saugleitung nicht in das Öl eintaucht, kein Öl
fördert. Dieser erste Füllstand kann dem normalen
Betrieb des Windenergieanlagengetriebes entsprechen, bei dem die
erste Ölfördereinrichtung die Ölversorgung
des Getriebes sicherstellt. Bei einem zweiten, höheren
Füllstand des Ölsumpfs taucht die Saugleitung
hingegen in den Ölsumpf ein und die Zahnradpumpe nimmt
infolgedessen automatisch ihren Förderbetrieb auf. In diesem
Sinne wird die Zahnradpumpe ab einem bestimmten Füllstand
des Ölsumpfs automatisch zugeschaltet. Solange die Zahnradpumpe
infolge eines relativ niedrigen Füllstands kein Öl fördert,
verursacht sie auch keine Verluste. Steigt hingegen der Füllstand,
beispielsweise wenn die erste Ölfördereinrichtung
infolge einer Störung keine ausreichende Ölmenge
aus dem Ölsumpf mehr fördern kann, übernimmt
die Zahnradpumpe automatisch die Ölversorgung des Getriebes.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist die Ölmenge in dem Getriebe
so bemessen, daß die Saugleitung unterhalb einer ersten,
bestimmten Drehzahl des Getriebes in den Ölsumpf eintaucht und
oberhalb einer zweiten, bestimmten Drehzahl des Getriebes nicht
in den Ölsumpf eintaucht. Der Förderbetrieb der
Zahnradpumpe erfolgt somit in Abhängigkeit von der Drehzahl
des Getriebes. Unterhalb einer ersten, bestimmten Drehzahl taucht
die Saugleitung sicher in den Ölsumpf ein und die Zahnradpumpe
ist im Förderbetrieb. Oberhalb der zweiten, bestimmten
Drehzahl kann die Zahnradpumpe kein weiteres Öl ansaugen
und stellt ihren Förderbetrieb somit ein. Die erste und
die zweite bestimmte Drehzahl können unterschiedlich oder
gleich sein. Bevorzugt wird die Ölmenge so gewählt,
daß die erste, bestimmte Drehzahl eine sichere Drehzahluntergrenze
bildet, unterhalb der die Saugleitung unabhängig von der
weiteren Ölverteilung in dem Getriebe sicher in den Ölsumpf
eintaucht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist eine Steuerung vorhanden, die die
erste Ölfördereinrichtung steuert. Insbesondere
kann die Fördermenge der ersten Ölfördereinrichtung
dem bei einem gegebenen Betriebszustand vorliegenden Bedarf angepaßt
werden. Ebenfalls möglich ist, die erste Ölfördereinrichtung
komplett abzuschalten, wenn sie nicht benötigt wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung schaltet die Steuerung die erste Ölfördereinrichtung
ab, wenn die Zahnradpumpe ausreichend Öl zur Versorgung
des Getriebes fördert. Das Abschalten der in diesem Fall
nicht benötigten ersten Ölfördereinrichtung
ist besonders energiesparend.
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In
einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Steuerung bzw. Abschaltung
der ersten Ölfördereinrichtung in Abhängigkeit
einer Drehzahl des Getriebes. Diese Maßnahme dient der
Anpassung der Fördermenge der ersten Ölfördereinrichtung
an den Bedarf.
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In
einer Ausgestaltung erfolgt das Abschalten der ersten Ölfördereinrichtung
bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl. Die bestimmte Drehzahl kann
bevorzugt auf die erste, bestimmte Drehzahl abgestimmt werden, unterhalb
der die Saugleitung der Zahnradpumpe in den Ölsumpf eintaucht.
In diesem Fall ist die Ölversorgung des Getriebes bei Unterschreiten
dieser Drehzahl durch die Zahnradpumpe sichergestellt und die erste Ölfördereinrichtung wird
abgeschaltet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist in der Druckleitung der Zahnradpumpe
ein mit der Steuerung verbundener Sensor angeordnet, der den Öldruck
und/oder die Durchflußmenge erfaßt. Auf diese Weise
kann die Funktion der Zahnradpumpe von der Steuerung überwacht
und insbesondere zur Steuerung der ersten Ölfördereinrichtung
ausgewertet werden.
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Die
obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch das Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den sich anschließenden Unteransprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ölversorgung
eines Windenergieanlagengetriebes, wobei das Windenergieanlagengetriebe
eine erste Ölfördereinrichtung aufweist, die Öl
aus einem Ölsumpf fördert und über eine Ölverteilungseinrichtung an
mit Öl zu versorgende Getriebeteile verteilt, wobei das
Getriebe mindestens zwei miteinander kämmende Stirnzahnräder
aufweist, die mindestens teilweise derart in ein Gehäuse
eingeschlossen sind, daß sie eine Zahnradpumpe bilden,
wobei in einem Betriebsmodus die Zahnradpumpe als zweite Ölfördereinrichtung Öl
zur Ölversorgung des Getriebes fördert. Die Stirnzahnräder
können eine Evolventenverzahnung aufweisen.
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Der
Betriebsmodus kann ein Trudelbetrieb der Windenergieanlage sein,
in dem die Windenergieanlage keine elektrische Energie zur Verfügung stellt
und die erste Ölfördereinrichtung abgeschaltet ist.
Der Betriebsmodus kann auch einen anderen Betriebszustand des Windenergieanlagengetriebes
betreffen, in dem die erste Ölfördereinrichtung
für die Ölversorgung des Getriebes nicht ausreicht.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zahnradpumpe in dem
Betriebsmodus automatisch zugeschaltet. Somit wird die Förderleistung
der ersten Ölfördereinrichtung automatisch durch
die Zahnradpumpe ergänzt oder ersetzt. Bevorzugt wird die
automatische Zuschaltung der Zahnradpumpe dadurch erreicht, daß die
Zahnradpumpe das Öl über eine Saugleitung fördert,
die in dem Betriebsmodus in das Öl des Ölsumpfs
eintaucht, wie in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen
Windenergieanlagengetriebes in einer stark vereinfachten, schematischen
Darstellung.
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Das
dargestellte Windenergieanlagengetriebe weist eine Stirnradstufe
mit zwei miteinander kämmenden Stirnzahnrädern 10, 12 mit
Evolventenverzahnung auf. Die Stirnzahnräder 10, 12 sind
von einem Gehäuse 14 eingeschlossen, das die beiden Stirnzahnräder 10, 12 relativ
eng umschließt. Beim Betrieb des Getriebes in der durch
die Pfeile angedeuteten Drehrichtung wird das zu fördernde
Medium in den Räumen zwischen Zähnen und Gehäuse 14 transportiert.
Der Raum 18 zwischen den Stirnzahnrädern 10, 12 wird
durch die Berührung der Zahnflanken der Evolventenverzahnung
verschlossen. Das verdrängte Medium kann nur durch die
an der Druckseite der Zahnradpumpe angeordnete Druckleitung 20 entweichen.
Gleichzeitig wird durch die Saugleitung 22 eine entsprechende Ölmenge
aus dem Ölsumpf 24 angesaugt. Beim eingezeichneten
Füllstand 26 des Ölsumpf 24 taucht
das Ende 28 der Saugleitung 22 sicher in das Öl
ein.
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Das
von der Zahnradpumpe geförderte Öl gelangt durch
die Druckleitung 20 zur Ölverteilungseinrichtung 30,
die das Öl, wie durch den Pfeil 32 angedeutet,
zu allen zu schmierenden Komponenten des Getriebes weiterleitet.
Alternativ kann über die Ölverteilungseinrichtung 30 auch
eine Ölversorgung des Getriebes mit Hilfe der elektrisch
angetriebenen Ölpumpe 34 erfolgen. Diese Ölpumpe
ist über eine Leitung 36 mit einem unteren Bereich
des Ölsumpfs 24 verbunden und fördert
das dort angesaugte Öl über eine weitere Leitung 38 zu
der Ölverteilungseinrichtung 30.
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Die Ölpumpe 34 wird
von einer Steuerung 40 gesteuert, welche die Pumpe ein-
und ausschalten sowie die Fördermenge nach Bedarf regulieren
kann. Die Steuerung ist über eine Signalleitung 42 mit
einem Sensor 44 verbunden, der in der Druckleitung 20 angeordnet
ist und den Öldruck bzw. die Durchflußmenge in der Öldruckleitung 20 erfaßt. Über
einen Eingang 46 erhält die Steuerung Daten über
eine Drehzahl des Getriebes.
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Im
Normalbetrieb, in dem die Windenergieanlage mit dem Netz verbunden
ist und Energie einspeist, wird die Ölförderung
ausschließlich von der Ölpumpe 34 übernommen.
Durch diese Ölförderung und die mit diesem Betrieb
einhergehenden, relativ hohen Drehzahlen des Getriebes ist eine
relativ große Ölmenge in dem Getriebe verteilt.
Der Ölstand in dem Ölsumpf 24 sinkt daher
auf ein bei 48 angedeutetes, relativ niedriges Niveau ab.
Bei diesem Füllstand 48 des Ölsumpfs 24 befindet
sich das Ende 28 der Saugleitung 22 der Zahnradpumpe
oberhalb des Ölspiegels. Die Zahnradpumpe fördert
somit kein Öl und ist im wesentlichen mit Luft gefüllt.
Sie erzeugt daher keine nennenswerten Verluste.
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Bei
geringeren Drehzahlen, insbesondere im Trudelbetrieb, in dem die
Windenergieanlage vom Netz getrennt ist bzw. keine elektrische Energie
zur Verfügung stellt, schaltet die Steuerung 40 die
elektrische Ölpumpe 34 ab. Bei den niedrigen Drehzahlen
des Getriebes steigt der Ölstand in dem Ölsumpf auf
das bei 26 gezeigte Niveau an. Das Ende 28 der Saugleitung 22 taucht
somit in den Ölvorrat ein und die Zahnradpumpe nimmt ihren
Förderbetrieb auf. Es kommt somit auch bei abgeschalteter Ölpumpe 34 zu einer
wirksamen und sicheren Ölversorgung des Getriebes über
die Zahnradpumpe 50 und die Ölverteilungseinrichtung 30.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3702008
A1 [0006]
- - DE 8714166 U1 [0013]