DE102009016329A1

DE102009016329A1 - Getriebe, insbesondere für eine Windenergieanlage, Antriebsstrang, welcher das Getriebe aufweist, sowie Kraftwerk und Kraftwerkspark

Info

Publication number: DE102009016329A1
Application number: DE102009016329A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Jeschke
Original assignee: INNOVATIVE WINDPOWER AG
Current assignee: INNOVATIVE WINDPOWER AG
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2010-10-14
Also published as: WO2010115391A1; DE112010001530A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere für eine Windenergieanlage, wobei das Getriebe eine Antriebsseite und eine Abtriebsseite aufweist, wobei abtriebsseitig eine Welle mit einem Wellenkörper verortet ist und das Getriebe kämmende Elemente aufweist, welche wenigstens teilweise mittels Flexpin gelagert sind, wobei über die kämmenden Elemente ein Drehmoment an die Welle übertragen wird, wobei die Welle einen Flexpin verkörpert. Dadurch ist die Welle selbst nicht mehr als ein starres Element in einem Getriebe angebracht, sondern kann flexibel auf Querbelastungen reagieren. Zudem kann so ein hochflexibler Antriebsstrang mit Getriebe und Generator für eine Windkraftanlage zur Verfügung gestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere für eine Windenergieanlage, wobei das Getriebe eine Antriebsseite und eine Abtriebsseite aufweist, wobei abtriebsseitig eine Welle mit einem Wellenkörper verortet ist und das Getriebe kämmende Elemente aufweist, welche wenigstens teilweise mittels Flexpin gelagert sind, wobei über die kämmenden Elemente ein Drehmoment an die Welle übertragen wird.
Derartige Getriebe werden in modernen Windenergieanlagen eingesetzt. Dabei werden mechanische Störkräfte über die flexible Lagerung mittels Flexpin in eine Parallelverschiebung der kämmenden Elemente überführt. Dadurch werden insbesondere inhomogene Belastungen an den kämmenden Elementen verhindert oder reduziert, da sich die kämmenden Elemente sich kaum verkanten.
In einem Midsize-Antriebsstrang ist der Rotor eines Generators direkt an die Welle des Getriebes angeflanscht. In einem Midsize-Antriebsstrang rotiert die Welle etwas schneller als in einem getriebelosen Antriebsstrang und langsamer als in üblichen Getriebe-Antriebssträngen. Üblicher Weise rotiert die Welle in einem Midsize-Antriebsstrang zwischen 150 U/min und 800 U/min. Um einen Gleichlauf des generatorseitigen Rotors zu er möglichen, ist in dem Midsize-Antriebsstrang wenigstens eine Wellenlagerung insbesondere zwischen Generator und Getriebe vorgesehen.
Durch die Parallelverschiebung der flexibel gelagerten kämmenden Elemente kann es zu einem nicht erwünschten Auslenken der Welle kommen. Dies hat zur Folge, dass der generatorseitige Rotor nicht gleichmäßig rotiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Getriebe, insbesondere für Windenergieanlagen, wobei das Getriebe eine Antriebsseite und eine Abtriebsseite aufweist, wobei abtriebsseitig eine Welle mit einem Wellenkörper verortet ist und das Getriebe kämmende Elemente aufweist, welche wenigstens teilweise mittels Flexpin gelagert sind, wobei über die kämmenden Elemente ein Drehmoment an die Welle übertragen wird, wobei die Welle eine Flexwelle verkörpert.
Dadurch können vorteilhafterweise der generatorseitige Rotor homogener rotieren und/oder die Lagerungen der Welle kostengünstiger und/oder technisch einfacher ausgelegt werden.
Zunächst sei begrifflich Folgendes erläutert:
Die „kämmenden Elemente” umfassen sämtliche Bauteile, durch welche Drehzahlen und/oder Drehmomente von einem Bauteil an ein ande res Bauteil übertragen werden. Insbesondere umfassen kämmende Elemente Zahnräder, Planetenräder, Sonnen und Hohlräder.
Der Begriff „Flexpin” umfasst Lagerelemente, welche kämmende Elemente aufnehmen. Der Flexpin dient als Lagerung, um welche eine Rotation der kämmenden Elemente ermöglicht wird. Flexpins werden in einem festen Gehäuse oder in einem Planetenträger verortet. Bei einer inhomogenen Belastung verkanten nicht die kämmenden Elemente, sondern die flexible Lagerung selbst verformt sich und gewährleistet, dass die kämmenden Elemente nach wie vor homogen ineinander greifen.
Der Begriff der „Welle” umfasst sämtliche Bauteile, welche ein Drehmoment von einem Wellenabschnitt zu einem anderen Wellenabschnitt übertragen.
Eine „Flexwelle” überführt Normalkräfte zu der Rotationsachse in zumindest teilweise wellen-achsparallele Deformationen der Welle. Somit rotieren Wellenabschnitte achsparallel zur Rotationsachse der Flexwelle.
Im Weitern werden vorteilhafte Ausgestaltungen beschrieben.
Um die Deformation bei Krafteinwirkung mittels der Welle aufzunehmen und so die Flexwelle zu realisieren, kann die Welle wenigstens einen ersten Bereich aufweisen, in welchem die Welle verjüngt ist.
In einer Ausprägungsform der Erfindung kann in einem zweiten Bereich der Welle die Welle ein kämmendes Element aufweisen. Dadurch kann vorteilhafterweise der Welle ein Drehmoment aufgeprägt werden. Somit bildet die Welle wiederum eine Flexwelle.
Um das kämmende Element vor störenden mechanischen Belastungen zu schützen, kann die Welle einen Wellenkörper und ein Rohrstück aufweisen, wobei das Rohrstück wenigstens teilweise einen Zwischenraum mit dem Wellenkörper bildet. Dabei kann das Rohrstück auch einseitig verschlossen sein. Auch in dieser Ausprägungsform bildet die Welle eine Flexwelle.
In einer weiteren Ausprägungsform kann die Welle das Rohrstück und den Wellenkörper einstückig verkörpern. Dadurch können vorteilhafterweise Wellenkörper und Rohrstück aus einem Material bestehen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass aus der Welle ein Teil herausgefräst wird, sodass sich eine Hülse um die Welle bildet. Diese Hülse verkörpert in diesem Fall das Rohrstück. Ebenfalls bildet hier die Welle eine Flexwelle.
Um die Wartung zu erleichtern, kann das Rohrstück an den Wellenkörper angeflanscht sein.
In einer weiteren Ausprägungsform können die kämmenden Elemente der Welle am Rohrstück verortet sein. Somit kann vorteilhafterweise eine Kraftübertragung auf die Welle am Rohrstück erfolgen. Diese kämmenden Elemente sind dann bevorzugt drehfest in Bezug auf die Flexwelle ausgestaltet.
Um das Getriebe in einen Antriebsstrang einzusetzen, kann das Getriebe ein Planetengetriebe verkörpern.
Um in einen Mid-Size-Antriebsstrang eingesetzt zu werden, kann das Planetengetriebe wenigstens ein Sonnenrad aufweisen, wobei die Welle das Sonnenrad verkörpert oder drehfest mit diesem verbunden ist. Auch in dieser Ausprägungsform bildet die Welle eine Flexwelle.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch einen Antriebsstrang, welcher ein zuvor beschriebenes Getriebe aufweist. Um in einer Windenergieanlage eingesetzt zu werden, kann die Welle des Antriebsstranges einen Generator antreiben.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftwerk, insbesondere eine Windenergieanlage, wobei das Kraftwerk einen zuvor beschrieben Antriebsstrang aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise der Antriebsstrang in einem Kraftwerk eingesetzt werden.
Zusätzlich kann die Aufgabe gelöst werden durch einen Kraftwerkspark, insbesondere Windenergieanlagenpark, welcher wenigstens ein zuvor beschriebenes Kraftwerk aufweist.
Im weiteren werden Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:
1 schematisch in einem Längsschnitt einen Antriebsstrang einer Windenergieanlage mit einer Getriebe-/Generator-Kombination,
2 schematisch in einem Längsschnitt eine Flexwelle mit Rohrstück,
2b schematisch in einem Längsschnitt eine verjüngte Flexwelle mit Rohrstück,
3a die Flexwelle aus 2a unter Einwirkung von Störkräften wirken,
3b die verjüngte Flexwelle aus 2b unter Einwirkung von Störkräften, und ein Teilstück der Flexwelle mit Rohrstück, sowie
4 in einem Detail aus 3b eine schematische Darstellung des Rohrstücks und dazugehörige Seitenansichten von links und rechts.
Der in 1 dargestellte Antriebsstrang weist eine Flexwelle 102 auf. Diese Flexwelle 102 rotiert um eine Rotationsachse 100. Die Flexwelle 102 bildet das Sonnenrad eines Planetengetriebes 122. Zusätzlich weist das Planetengetriebe flexibel gelagerte Planeten 110, 116 auf. Die flexible Lagerung erfolgt mittels Flexpins 108, 114. Ein Flexpin 114 ist im Gehäuse, der andere Flexpin 108 im Planetenträger verankert.
Eine Hohlwelle 118 greift kämmend in die Planeten 116 ein. Hier bilden sowohl die Zähne des Hohlrads/der Hohlwelle 118 als auch die Zähne der Planeten 116 die kämmenden Elemente. Zusätzlich ist ein Sonnenrad 112 vorgesehen, welches kämmend auf die Planeten 110 zugreift. Die kämmenden Elemente umfassen sowohl die Zähne des Sonnenrads 112 als auch die Zähne der Planeten 110. An die Hohlwelle 118 ist eine Rotoraufnahme 140 angeflanscht. In der Rotoraufnahme werden die Rotorblätter der Windenergieanlage eingebracht.
Die Hohlwelle 118 wird durch Lager 120 geführt, sodass die Hohlwelle rotieren kann.
An das Getriebe 122 ist über eine Anflanschplatte 138 ein Generator 136 angebracht. Der Generator weist einen Generatorrotor 130 mit Permanentmagneten 132 auf. Die Permanentmagneten 132 induzieren bei Rotation in den Spulen 134 eine Spannung. Der Generatorrotor 130 ist an die Flexwelle 102 über Anflanschmittel 128 angeflanscht. Die Flexwelle ist durch zwei Lager 126, 124 gelagert, wobei eines dieser Lager entfallen kann.
Bei Windböen können auf den Rotorblättern inhomogene Kräfte wirken (durch den Pfeil mit der Störkraft F_S gekennzeichnet).
Die Störkräfte F_S führen dazu, dass die Rotoraufnahme 140 und das damit verbundene Hohlrad 118 mechanisch belastet werden (durch die beiden vertikalen Pfeile gekennzeichnet). Diese Belastung wird durch die Flexpins 114, 108 aufgenommen. Durch die spezielle Ausgestaltung der flexiblen Lagerung dieser Flexpins bleiben die Planeten 116, 110 im Wesentlichen so ausgerichtet, dass ein Verkippen oder Verkanten der kämmenden Elemente verhindert wird. Das heißt, dass ein Verkippen oder Verkanten der Zähne der Planeten mit den Zähnen des Hohl- oder Sonnenrades im Wesentlichen vermieden wird.
Die Störkräfte F_S führen außerdem dazu, dass auf die Welle 102 eine Kraft wirkt. Ist die Welle 102 als Flexwelle ausgestaltet, werden die Kräfte durch die Welle kompensiert und die kämmenden Elemente, welche am Rohrstück 104 angebracht sind, homogen belastet.
Gleichzeitig hat dies den Effekt, dass für den Teil der Flexwelle, welcher sich im Generator befindet und an welchen der Generatorrotor 130 angeflanscht ist, ein Verkippen vermieden wird. Dadurch kann der Spalt zwischen Permanentmagnet 132 und Spule 134 geringer dimensioniert werden.
Der umrandete Bereich der Flexwelle 102 wird in den 2a und 2b detaillierter erläutert.
2 zeigt das Anflanschelement 138, in dem die Welle 102 in dem Lager 124 gelagert ist. Zur vereinfachten Darstellung ist der flexible Teil der Welle mit Wellenkörper 200 und Rohrstück 104 dargestellt. Das Rohrstück 104 ist drehfest mit dem Wellenkörper 200 über die Flanschverbindung 106 verbunden. Somit kann eine Rotation über das Rohrstück 104 an den Wellenkörper 200 übertragen werden. An dem Rohrstück 104 sind kämmende Elemente 209 angebracht, welche hier als Zähne 209 dargestellt sind. Diese Zähne 209 greifen kämmend in die Zähne der Planeten 110, 116 ein (nicht dargestellt). Somit wird eine Rotation der Nabe 140 an die Welle 102 übertragen (siehe 1).
In 2b ist der Wellenkörper 300 verjüngt dargestellt. Die weiteren Bezeichnungen und Funktionen können den 2a und 1 entnommen werden.
In den 3a und 3b wird eine Störkrafteinwirkung F auf die Welle dargestellt. Wirkt eine Kraft F auf die Welle 200 in Richtung der Pfeile, so führt dies dazu, dass ein Teil des Wellenkörpers 200 in Pfeilrichtung gebeugt wird. Dieser Bereich ist mit der Abschnittsbezeichnung „C” in 3a gekennzeichnet. Der Bereich „A” weist eine Rotationsachse auf, welche achsparallel zur ursprünglichen Rotationsachse verschoben ist. Dies hat zur Folge, dass das Rohrstück 104 ebenfalls im Wesentlichen achsparallel verschoben ist. Dies führt wiederum dazu, dass die Zähne 209 der kämmenden Elemente homogen belastet werden.
Im Bereich „B” rotiert die Welle 102 im Wesentlichen um die ursprüngliche, nicht belastete Rotationsachse.
Analoges gilt für die Welle 102 in 3b, wobei hier das „Biegen” im Wesentlichen im verjüngten Stück der Welle erfolgt. Dadurch können die Stärke und der Ort der Biegung an der Welle definiert werden.
Im Detail in 4 ist ein Ausschnitt der Welle dargestellt. Das Rohrstück 104 ist über die Spannvorrichtung 106 an den Wellenkörper 200, 300 drehfest angebracht. Der Figurenteil 402 zeigt eine Seitenansicht von links, während hingegen der Figurenteil 404 eine Seitenansicht von rechts darstellt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Rohrstück 104 und der Wellenkörper 200 auch einstückig ausgestaltet sein können. Dann wird durch spanende Verfahren der Zwischenraum zwischen dem Rohrstück 104 und dem Wellenkörper 200, 300 entfernt.

Claims

Getriebe, insbesondere für eine Windenergieanlage, wobei das Getriebe eine Antriebsseite und eine Abtriebsseite aufweist, wobei antriebsseitig eine Welle mit einem Wellenkörper verortet ist und das Getriebe kämmende Elemente aufweist, welche wenigstens teilweise mittels Flexpin gelagert sind, wobei über die kämmenden Elemente eine Drehmoment an die Welle übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine Flexwelle verkörpert.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Welle wenigstens einen ersten Bereich aufweist, in welchem die Welle verjüngt ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem zweiten Bereich die Welle ein kämmendes Element aufweist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle einen Wellenkörper und ein Rohrstück aufweist, welches wenigstens teilweise einen Zwischenraum mit dem Wellenkörper bildet.
Getriebe nach Anspruch 4, wobei die Welle das Rohrstück und der Wellenkörper einstückig verkörpert.
Getriebe nach Anspruch 4, wobei das Rohrstück an den Wellenkörper angeflanscht ist.
Getriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die kämmenden Elemente der Welle am Rohrstück verortet sind.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe ein Planetengetriebe verkörpert.
Getriebe nach Anspruch 8, wobei das Planetengetriebe wenigstens ein Sonnenrad aufweist und die Welle das Sonnenrad verkörpert.
Antriebsstrang, welcher ein Getriebe nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
Antriebsstrang nach Anspruch 10, wobei die Welle einen Generator antreibt.
Kraftwerk, insbesondere Windenergieanlage, wobei das Kraftwerk einen Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 10 oder 11 aufweist.
Kraftwerkspark, insbesondere Windenergieanlagenpark, welcher wenigstens ein Kraftwerk nach Anspruch 12 aufweist.