DE102008046210A1

DE102008046210A1 - Tragrahmen für einen Generator einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102008046210A1
Application number: DE102008046210A
Authority: DE
Inventors: Rainer Schlangen
Original assignee: Powerwind GmbH
Current assignee: POWERWIND LTD., IN
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: DE102008046210B4

Abstract

Bei einem Tragrahmen für einen Generator einer Windenergieanlage sind die Verbindungen zwischen den Längs- und Querträgern (2, 3, 4, 5) des Tragrahmens (1) biegeweich ausgebildet, wobei die erforderliche Seitensteifigkeit durch eine Diagonalstrebe (6) hergestellt wird. Dadurch werden Spannungsüberhöhungen an den Verbindungsstellen und die Gefahr, daß dort Risse auftreten, vermieden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tragrahmen für einen Generator einer Windenergieanlage, deren Maschinenträger einen auf ihrem Turm abgestützten Grundrahmen aufweist, auf dem ihr Rotor gelagert und an dem der Tragrahmen befestigbar ist.
Bei bekannten Windenergieanlagen besteht der gesamte Maschinenträger aus zwei Teilen. Den einen Teil bildet der Grundrahmen, der den Rotor mit seiner Nabe und seinen Rotorblättern sowie einen davon angetriebenen Triebstrang, der ein Getriebe aufweist, trägt. Dieser Grundrahmen ist am oberen Ende des Turms der Windenergieanlage um die vertikale Achse des Turms drehbar gelagert. An dem dem Rotor abgewandten Ende des Grundrahmens ist der Tragrahmen befestigt, auf dem insbesondere der Generator der Windenergieanlage abgestützt ist. Der Grundrahmen ist aus Gußstahl hergestellt, der Tragrahmen aus Walzstahlprofilen als Schweißkonstruktion ausgeführt.
Diese unterschiedliche Materialwahl ist durch die unterschiedliche Beanspruchungsart des Grundrahmens und des Tragrahmens bedingt. Der Grundrahmen, der die Hauptwelle mit dem daran angeflanschten Rotor, das Hauptlager und das Getriebe trägt, ist mit den vom Rotor ausgehenden Hauptkräften und Biegemomenten belastet und leitet sie in den Turm ein. Das Gußmaterial ist besonders dafür geeignet, den Kraftverlauf zwischen den Schnittstellen der Triebstranglagerung und dem Turmlager nachzuformen und zu lenken, also das Material gezielt dort einzusetzen, wo es benötigt wird. Hierdurch wird eine optimale Spannungsverteilung in der Geometrie des Grundrahmens erreicht. Als Gußmaterial verwendet man einen Kugelgraphitguß mit hoher Festigkeit und insbesondere hoher Zähigkeit.
Der Tragrahmen ist konsolenartig an den Grundrahmen angeschraubt. Er ist hauptsächlich durch Vertikalkräfte belastet. Die Hauptlast entsteht durch das Gewicht und das Drehmoment des Generators.
Zusätzlich treten infolge der Bewegungen des auf dem Turm abgestützten Maschinenträgers Nick- und Seitenbeschleunigungen auf, welche eine Rißgefährdung der Schweißnähte des Tragrahmens verursachen. Dies beruht darauf, daß an den Schweißverbindungen zwischen den den Tragrahmen bildenden Walzstahlprofilen infolge dieser Beschleunigungen sehr starke Spannungen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Tragrahmen der eingangs genannten Art die Betriebsfestigkeit zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Tragrahmen vier an vier Verbindungsstellen miteinander verbundene, langgestreckte Träger aufweist, deren sich zwischen den Verbindungsstellen erstreckende Abschnitte ein in einer Rahmenebene liegendes Viereck begrenzen, von denen zwei in dem Viereck einander gegenüberliegende Abschnitte bildende Träger als Hauptträger mit einem zur Befestigung des Tragrahmens an dem Grundrahmen dienenden Anschlußende ausgebildet sind und von denen die zwei anderen Träger als Querträger angeordnet sind, daß eine mit den beiden Hauptträgern durch zwei in der Längsrichtung der Hauptträger gegeneinander versetzte Verbindungsstellen verbundene Diagonalstrebe vorgesehen ist, und daß mindestens eine der Verbindungsstellen als Gelenk mit zu der Rahmenebene orthogonaler Gelenkachse ausgebildet ist.
Vorzugsweise sind alle vier die Hauptträger (2, 3) und die Querträger (4, 5) miteinander verbindenden Verbindungsstellen als Gelenk ausgebildet, höchst vorzugsweise sind auch die die Diagonalstrebe (6) mit den Hauptträgern (2, 3) verbindenden Verbindungsstellen als Gelenk ausgebildet.
Da das Gelenk biegeweich ist, treten an der betreffenden Verbindungsstelle im Gegensatz zu einer starren Schweißkonstruktion keine schädlichen Spannungsüberhöhungen auf. Insbesondere wenn alle Verbindungsstellen Gelenke sind, bildet der Tragrahmen ein Gelenkviereck, bei dem es sich vorzugsweise um ein Rechteck handelt. An allen diesen Gelenken wird im Gegensatz zu einer starren Schweißkonstruktion das Auftreten hoher Spannungen an den Verbindungsstellen der Hauptträger mit den Querträgern unterdrückt. Trotzdem wird dank der in ihrer Längsrichtung zug-druck-steifen Diagonalstrebe die notwendige Seitensteifigkeit des Tragrahmens in der zur Rahmenebene parallelen Richtung sichergestellt. Die Hauptträger übernehmen die in der zur Rahmenebene orthogonalen Richtung wirkende Hauptbelastung durch das Gewicht des Generators und sind derart ausgebildet, daß sie in dieser Richtung eine entsprechend hohe Biegesteifigkeit aufweisen. In der zu ihrer Längsrichtung orthogonalen und zur Rahmenebene parallelen Seitenrichtung kann ihre Steifigkeit geringer sein, weil die Diagonalstrebe für die erforderliche Seitenstabilität sorgt. Insbesondere kann dies durch die Verwendung standardmäßiger l-Profile erreicht werden, deren Steg orthogonal zur Rahmenebene ausgerichtet ist. Der erfindungsgemäße Tragrahmen kann daher in Leichtbauweise hergestellt werden.
Die der Verbindung zwischen den Hauptträgern und den Querträgern oder der Diagonalstrebe dienenden Gelenke sind im Idealfall als Drehgelenke ausgebildet, bei denen zwei Gelenkschenkel durch einen sich in der Richtung der Gelenkachse erstreckenden Drehzapfen scharnierartig miteinander verbunden sind. Für die praktische Anwendung ist es jedoch aus Gründen eines verringerten Bauaufwands zweckmäßig, die Gelenke als Biegegelenke auszubilden, in denen ein um die Gelenkachse biegsames Element zwei in Bezug auf die Gelenkachse einander diametral gegenüberliegende Endbereiche aufweist, deren einer an dem Hauptträger und deren anderer an dem damit zu verbindenden Querträger oder der damit zu verbindenden Diagonalstrebe festgelegt ist. In allen Fällen erfolgt die Verbindung der Gelenke mit den betreffenden Trägern bzw. der Diagonalstrebe durch Verschweißen.
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. Hierin zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Tragrahmens für einen Generator einer Windenergieanlage,
2 eine schematische Darstellung von auf den Tragrahmen einwirkenden Kräften und Momenten,
3 eine detailliertere Ansicht von Verbindungen zwischen Teilen des Tragrahmens von 1,
4 den Tragrahmen von 1 mit einem darauf abgestützten Zwischenrahmen, und
5 die Anordnung von 4 mit einem auf dem Zwischenrahmen abgestützten Generator.
Gemäß 1 ist ein Tragrahmen 1 aus zwei unter einem gegenseitigen Abstand im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Hauptträgern 2, 3, zwei sich dazu im wesentlichen orthogonal erstreckenden Querträgern 4, 5, die in einem gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet sind, und einer die Hauptträger 2, 3 miteinander verbindenden Diagonalstrebe 6 zusammengesetzt. Die beiden in 1 vorderen Enden der Hauptträger 2, 3 sind mit zu deren Längsrichtung orthogonalen stirnseitigen Anschlußplatten 7, 8 versehen, mit denen sie an einem Grundrahmen eines Maschinenträgers einer Windenergieanlage befestigbar sind. Diese Befestigung erfolgt mittels Schraubbolzen, welche die in 1 erkennbaren Befestigungslöcher der Anschlußplatten 7, 8 durchsetzen. Der nicht dargestellte Grundrahmen ist auf dem Turm der Windenergieanlage um die Achse des Turms drehbar abgestützt. Dieser Grundrahmen trägt den Rotor nebst einem davon angetriebenen Triebstrang der Windenergieanlage. Die Anschlußstellen für den Tragrahmen befinden sich an dem dem Rotor in der Richtung seiner Achse entgegengesetzten Ende des Grundrahmens.
Diese Anschlußstellen 9, 10 sind in 2 links schematisch dargestellt. Von dort aus erstrecken sich die ebenfalls nur schematisch angedeuteten Hauptträger 2, 3 mit den dazwischen verlaufenden Querträgern 4, 5. Über letztere ist der Generator 11 auf den Hauptträgern 2, 3 abgestützt.
In 2 ist in perspektivischer Darstellung durch den Pfeil G die durch die Masse m_Gen des Generators hervorgerufene Gewichtskraft angegeben, die den Tragrahmen in vertika ler Richtung belastet. Zusätzlich entstehen Belastungen durch die Beschleunigungen des Maschinenträgers (Turmkopfbeschleunigungen) der Windenergieanlage. Diese Beschleunigungen entstehen durch die Böigkeit des Windes und die darauf ansprechende Regelung der Stellung der Rotorblätter (Pitch-Verstellung). Hierdurch entstehen Schubänderungen am Rotor, die Längsbeschleunigungen hervorrufen, und Drehmomentänderungen, die (leichte) Seitenbeschleunigungen verursachen. Diese Längs- und Seitenbeschleunigungen sind in 2 durch die Doppelpfeile a_längs und a_quer veranschaulicht. Ihre Richtungen sind zueinander orthogonal und orthogonal zur Gewichtskraftrichtung G.
Hinzu kommen weitere Seitenbeschleunigungen durch unsymmetrische Windverteilungen am Rotor und durch Unwuchten. Bei letzteren ist zwischen aerodynamischen Unwuchten, die durch unterschiedliche Rotorblattwinkel (Pitch) verursacht sind, und Massenunwuchten zu unterscheiden, die durch eine unzureichende Vorwuchtung und/oder eine Wasseraufnahme der Rotorblätter bedingt sind. Die Massenunwuchten erweisen sich als weniger problematisch, sofern sie in zulässigen Grenzen gehalten werden. Dagegen sind Aerounwuchten schnell schädigend und sollten soweit wie möglich vermieden werden. Hierzu kann eine möglichst genaue Referenzierung der Rotorblätter und eine meßtechnische Überprüfung vorgesehen werden. Soweit diese zusätzlichen Belastungen nicht vermieden werden können, müssen auch sie durch den Tragrahmen aufgenommen werden.
Schließlich ist in 2 durch den Doppelpfeil M_Gen die Momentenbelastung des Tragrahmens durch das auf den Generator 11 übertragene Drehmoment dargestellt.
Aus den 1 und 3 ist ersichtlich, daß die Hauptträger 2, 3 und die Querträger 4, 5 in ihrem zu ihrer Längsrichtung orthogonalen Querschnitt l-förmig ausgebildet sind. An den Enden der Querträger 4, 5 sind zu deren Längsrichtung orthogonale Stirnplatten befestigt. Durch letztere sind die Querträger 4, 5 an plattenförmigen Elementen 14, 15 festgelegt, die sich orthogonal zu einer zu den Hauptträgern 2, 3 und den Querträgern 4, 5 parallelen Rahmenebene erstrecken und mit ihrem der Stirnplatte 12, 13 entgegengesetzten Rand 16, 16' an dem zu der Rahmenebene orthogonalen l-Steg 17 des jeweiligen Hauptträgers 2, 3 festgelegt sind. Die Festlegung der Stirnplatten 12, 13 an den Querträgern 4, 5 und die Festlegung der plattenförmigen Elemente 14, 15 einerseits an den Stirnplatten 12 bzw. 13 und andererseits an dem l-Steg 17 des Hauptträgers 2, 3 erfolgt durch Verschweißen. Die plattenförmigen Elemente 14, 15 sind jeweils um eine zur Rahmenebene orthogonale Gelenkachse biegeweich. Somit begrenzen die Abschnitte der vier Träger 2, 3, 4, 5, die sich zwischen den vier Gelenkachsen dieser vier plattenförmigen Elemente 14, 15 erstrecken, von denen zwei an dem einen Hauptträger 2 und zwei an dem anderen Hauptträger 3 angeschweißt sind, ein Gelenkviereck.
In entsprechender Weise ist das eine Ende der Diagonalstrebe 6 über ein derartiges biegeweiches plattenförmiges Element 18 mit dem l-Steg 17 des Hauptträgers 2 schweißverbunden, während das andere Ende der Diagonalstrebe 6 auf die gleiche Weise mit dem l-Steg des anderen Hauptträgers 3 an einer Stelle verbunden ist, die gegenüber der Verbindungsstelle mit dem Hauptträger 2 in dessen Längsrichtung versetzt ist. Während die plattenförmigen Elemente 14, 15 der Längsrichtung der Querträger 4, 5 folgend unter einem rechten Winkel auf den l-Steg 17 auftreffen, ist das plattenförmige Element 18 an dem l-Steg 17 unter einem Winkel angeschweißt, der dem zwischen dem jeweiligen Hauptträger 2, 3 und der Diagonalstrebe 6 eingeschlossenen Winkel entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Diagonalstrebe 6 rohrförmig, wobei ihr zu ihrer Längsachse orthogonaler Querschnitt kreisrund ist. Er kann aber auch anders ausgebildet sein, beispielsweise quadratisch.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die plattenförmigen Elemente 14, 15 und 18 über die gesamte Höhe des l-Steges 17 bis zu dem den l-Steg oben und unten begrenzenden Obergurt 19 bzw. Untergurt 20. An diesen Gurten 19, 20 sind sie zusätzlich oder alternativ zu den obigen Schweißverbindungen mit zu den Rändern 16, 16' orthogonalen Randstücken 21, 21' verschweißt. Auch die plattenförmigen Elemente 18, welche den Anschluß der Diagonalstrebe 6 an die Hauptträger 2, 3 bewirken, sind in dieser Weise zusätzlich oder alternativ zu den obigen Schweißverbindungen mit dem Obergurt 19 und dem Untergurt 20 verschweißt. Dadurch werden die in den plattenförmigen Elementen 14, 15 und 18 auftretenden Biegekräfte vor allem von dem Obergurt 19 und dem Untergurt 20 aufgenommen, und die Belastungen des l-Stegs 17 sind stark herabgesetzt.
Die Diagonalstrebe 6 nimmt die durch Querbeschleunigungen hervorgerufenen Seitenkräfte auf und liefert dadurch die erforderliche Seitenstabilität. Gleichzeitig verhindern die biegeweichen plattenförmigen Elemente 14, 15, 18, durch die die einzelnen Teile des Tragrahmens 1 miteinander verbunden sind, Spannungsüberhöhungen in den Verbindungsbereichen.
Das l-Profil der Hauptträger 2, 3 ist in der zur Rahmenebene orthogonalen Richtung entsprechend hoch ausgebildet, um die insbesondere durch das Gewicht des Generators 11 bedingte Vertikallast G und das Drehmoment M_Gen des Generators aufzunehmen.
Gemäß 4 ist ein aus vier Seitenteilen zusammengesetzter rechteckiger Zwischenrahmen 22 vorgesehen. Zwei dieser Seitenteile 23, 24, welche durch die beiden anderen Seitenteile 25, 26 in einem gegenseitigen Abstand miteinander verbunden sind, erstrecken sich quer zu den Querträgern 4, 5 und stützen sich darauf ab. Auf diesem Zwischenrahmen 22 ist gemäß 5 der Generator 11 abgestützt.
Die Längsbeschleunigungen a_längs (siehe 2) des Tragrahmens 1 haben für die Hauptträger 2, 3 keine Bedeutung. Sie belasten aber die Querträger 4, 5 im Sinne einer Seitenbiegung und einer Torsion. Hiergegen hat der Zwischenrahmen 22 eine stabilisierende Wirkung für die Querträger 4, 5. Er verhindert die Kippbewegungen, also die Torsion, der Querträger 4, 5 und verringert dadurch Spannungen zwischen den Querträgern 4, 5 und ihrem Anschluß durch die plattenförmigen Elemente 14, 15.
Des weiteren dient der Zwischenrahmen 22 als Adapter, mit dem man unterschiedliche Generatortypen auf den Querträgern 4, 5 abstützen kann, ohne sie an die Fußpositionen des jeweiligen Generators 11 anpassen zu müssen.
Der Adapterrahmen ermöglicht auch, die Querträger gegenüber den Längsträgern annähernd in deren Mitte abzusenken, was zu einer besseren Kraftverteilung führt. Durch die eingeschweißten plattenförmigen Elemente 14, 15 werden die Seitenkräfte nun auf beide Gurte verteilt.
Der durch Zugspannung belastete und damit stärker rißgefährdete Obergurt wird dadurch entlastet, da nun auch der Untergurt einen Teil der Seitenkraft aufnehmen muß. Dieser ist durch die Druckspannung weniger rißanfällig, muß aber ggf. auf Stabilität (Biegedrillknicken) geprüft werden.
Die Seitenteile 23, 24, 25 und 26 sind rohrförmig, wobei ihr zu ihrer Längsrichtung orthogonaler Querschnitt rechteckförmig ist.

1: Tragrahmen
2, 3: Hauptträger
4, 5: Querträger
6: Diagonalstrebe
7, 8: Anschlußplatten
9, 10: Anschlußstellen des Grundrahmens
11: Generator
12, 13: Stirnplatten
14, 15: plattenförmige Elemente
16, 16': Rand
17: l-Steg
18: plattenförmiges Element
19: Obergurt
20: Untergurt
21, 21': Randstücke
22: Zwischenrahmen
23, 24: Seitenteile
25, 26: Seitenteile

Claims

Tragrahmen für einen Generator (11) einer Windenergieanlage, deren Maschinenträger einen auf ihrem Turm abgestützten Grundrahmen aufweist, auf dem ihr Rotor gelagert und an dem der Tragrahmen (1) befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragrahmen (1) vier an vier Verbindungsstellen miteinander verbundene, langgestreckte Träger aufweist, deren sich zwischen den Verbindungsstellen erstreckende Abschnitte ein in einer Rahmenebene liegendes Viereck begrenzen, von denen zwei in dem Viereck einander gegenüberliegende Abschnitte bildende Träger als Hauptträger (2, 3) mit einem zur Befestigung des Tragrahmens (1) an dem Grundrahmen dienenden Anschlußende (7, 8) ausgebildet sind und von denen die zwei anderen Träger als Querträger (4, 5) angeordnet sind, daß eine mit den beiden Hauptträgern (2, 3) durch zwei in der Längsrichtung der Hauptträger (2, 3) gegeneinander versetzte Verbindungsstellen verbundene Diagonalstrebe (6) vorgesehen ist, und daß mindestens eine der Verbindungsstellen als Gelenk mit zu der Rahmenebene orthogonaler Gelenkachse ausgebildet ist.
Tragrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle vier die Hauptträger (2, 3) und die Querträger (4, 5) miteinander verbindenden Verbindungsstellen als Gelenk ausgebildet sind.
Tragrahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Diagonalstrebe (6) mit den Hauptträgern (2, 3) verbindenden Verbindungsstellen als Gelenk ausgebildet sind.
Tragrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk ein um die Gelenkachse biegsames Element (14, 15, 18) mit zwei in Bezug auf die Gelenkachse einander diametral gegenüberliegenden Endbereichen ist, deren einer an dem betreffenden Hauptträger (2, 3) und deren anderer an dem damit zu verbindenden Querträger (4, 5) oder der damit zu verbindenden Diagonalstrebe (6) festgelegt ist.
Tragrahmen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element die Form einer Platte aufweist, deren in Bezug auf die Gelenkachse einander gegenüberliegenden Ränder die zur Festlegung dienenden Endbereiche bilden.
Tragrahmen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Endbereich an dem l-Steg (17) und/oder an mindestens einem Gurt (19, 20) des einen l-förmigen Querschnitt aufweisenden Hauptträgers (2, 3) und der andere Endbereich an einer stirnseitigen Endfläche (12, 13) des Querträgers (4, 5) oder der Diagonalstrebe (6) festgelegt ist.
Tragrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptträger (2, 3) parallel zueinander angeordnet sind.
Tragrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Querträger (4, 5) parallel zueinander angeordnet sind.
Tragrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Querträgern (4, 5) zwei in einem gegenseitigen Abstand dazu quer verlaufende Seitenteile (23, 24) eines Zwischenrahmens (22) abgestützt sind, die durch zwei in einem gegenseitigen Abstand angeordnete weitere Seitenteile (25, 26) miteinander verbunden sind.
Tragrahmen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (11) auf dem Zwischenrahmen (22) abstützbar ist.
Tragrahmen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile (23, 24, 25, 26) rohrförmig mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind.
Tragrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptträger (2, 3) und/oder die Querträger (4, 5) einen l-förmigen Querschnitt aufweisen, dessen l-Steg (17) sich orthogonal zur Rahmenebene erstreckt.
Tragrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalstrebe (6) rohrförmig mit kreisrundem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet ist.