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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kraftübertragenden Verbindung zweier Aggregate, insbesondere zur Verbindung eines Getriebes einer Windkraftanlage mit einem Generator zur Stromerzeugung, mit einer antriebsseitig abgehenden Welle, die über eine erste, axialen und/oder radialen Versatz kompensierende Kupplung und eine zweite, Überlast abwerfende Kupplung mit dem Generator gekoppelt ist.
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Vergleichbare Vorrichtungen sind aus dem nicht druckschriftlich belegbaren Stand der Technik hinlänglich bekannt. Insbesondere bei Windkraftanlagen wird zur Verbindung des dem Rotor nachgeschalteten Übersetzungsgetriebes mit dem stromerzeugenden Generator eine Wellenkupplung eingesetzt, die radialen Versatz zwischen beiden Aggregaten und axiale Verlagerungen der beide Aggregate verbindenden Welle ausgleicht. Um den radialen, axialen und/oder Winkelversatz auszugleichen existieren verschiedene Kupplungen, die je nach den vorliegenden Erfordernissen einsetzbar sind.
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Eine weitere Kupplung, in der Regel eine Rutschkupplung, dient der Überlastsicherung des Getriebes. Insbesondere durch Rückkopplungen aus dem Elektrizitätsnetz kann es zu unzulässigen Drehmomentsteigerungen kommen. In einem solchen Fall spricht die Überlasteinheit an, der Überlastanteil der Drehmomentspitze wird durch das aneinander Abgleiten von Reibbelägen aufgefangen. Ein gewisses Restdrehmoment wird jedoch weiterhin übertragen. Insofern sind Rutschkupplungen Last haltende, jedoch Überlast abwerfende Kupplungen.
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Mit zunehmender elektrischer Leistung werden in Windkraftanlagen entsprechend größere und leistungsfähigere Aggregate zusammengeschaltet. Da bei kontinuierlich zunehmender Leistung der benötigte Bauraum für die Aggregate sowie das Aggregatgewicht unweigerlich zunehmen, sind statische Probleme bei der Konstruktion und dem Betrieb von Windkraftanlagen absehbar.
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Es besteht folglich der Bedarf zur Bauraum- und Gewichtsminimierung der Anlagenkomponenten.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine kompakte Kupplung zur Verbindung von An- und Abtrieb zweier Aggregate, insbesondere von Getriebe und Generator einer Windkraftanlage, zu schaffen.
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Gelöst wird die Erfindung von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Durch die Anordnung beider für den Betrieb einer Anlage, insbesondere einer Windkraftanlage, notwendigen Kupplungen in einer Kupplungsebene wird der axiale Bauraum gattungsgemäßer Vorrichtungen wesentlich verringert. Die Verbindung zwischen beiden Aggregaten ist folglich wesentlich kompakter gestaltet, der Gesamtbauraum der Anlage minimiert.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, die sich dadurch kennzeichnet, dass beide Kupplungen in einem Radialraum der antriebsseitigen Welle, insbesondere in einem Ringraum um die antriebseitige Welle herum, angeordnet sind.
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Diese besonders bevorzugte Vorrichtung ordnet die Kupplungen zur kraftübertragenden Verbindung zwischen den Aggregaten im Bereich der antriebsseitigen Welle, konkret der das Getriebe verlassenden Welle, an. Insofern benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung keinen gesonderten axialen Bauraum sondern ist im Axialbauraum eines der Aggregate, bevorzugterweise im Axialbauraum der das Getriebe verlassenen Welle, angeordnet.
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Es ist vorgesehen, dass in Kraftflussrichtung die erste, den axialen und radialen Versatz ausgleichende Kupplung vor der zweiten, die Überlast abwerfenden Kupplung angeordnet ist, insbesondere, das die erste Kupplung unmittelbar an der antriebsseitigen Welle angeordnet ist.
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Dabei ist es von wesentlichem Vorteil, wenn in Kraftflussrichtung zwischen der ersten Kupplung und der Überlasteinheit der zweiten Kupplung ein auf die antriebsseitige Welle wirkendes Bremselement angeordnet ist.
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Insbesondere die Anordnung des Bremselementes, welches beispielsweise bei Windkraftanlagen den Rotor in Stillstand versetzt oder sichert (Haltebremse), vor der Überlasteinheit, ist von wesentlichem Vorteil, um die Überlasteinheit selbst vor übermäßigem Verschleiß oder übermäßiger Belastung durch Bremseingriffe zu schützen.
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Aus dem Stand der Technik sind noch die Druckschriften
DE 22 15 053 A ,
DE 24 02 604 A1 ,
AT 276 875 B ,
GB 2 220 046 A und
DE 100 33 607 A1 bekannt. Keine der Druckschriften zeigt eine Vorrichtung zur kraftübertragenden Verbindung eines Getriebes einer Windkraftanlage mit einem Generator zur Stromerzeugung, bei der in Kraftflussrichtung zwischen der ersten Kupplung und der Überlasteinheit der zweiten Kupplung ein auf die antriebsseitige Welle wirkendes Bremselement angeordnet ist.
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Zur Bauraumminimierung tragen weiterhin Kupplungen mit den Merkmalen des Anspruches 3 und des Anspruches 5 bei, wonach die Welle antriebsseitig gelagert ist und das abtriebseitige Lager der Welle von einer der Kupplungen gebildet ist.
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Es ist offensichtlich, dass die zwei Aggregate verbindende Welle für eine stabile und laufruhige Rotationsbewegung an ihren zwei Enden gelagert sein muss. Indem eine der Kupplungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichzeitig das abtriebsseitige Lager für die Welle ausbildet bzw. Teil dieses Lagers ist, wird axialer Bauraum minimiert.
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Aus den Druckschriften
DE 22 15 053 A ,
DE 24 02 604 A1 und
GB 2 220 046 A sind gattungsfremde Vorrichtungen bekannt, die weder der kraftübertragenden Verbindung eines Getriebes einer Windkraftanlage mit einem Generator zur Stromerzeugung dienen. Noch ist aus einer der vorgenannten Druckschriften bekannt, einen Abtriebsflansch zur Kopplung mit dem Generator vorzusehen, der von der antriebsseitig abgehenden Welle durchgriffen ist.
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Aus der Druckschrift
AT 276 875 B ist weiter eine Vorrichtung bekannt, der es allerdings an einer ersten und einer zweiten Kupplung ermangelt.
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Schließlich zeigt auch die
DE 100 33 607 A1 keine Vorrichtung zur kraftübertragenden Verbindung eines Getriebes einer Windkraftanlage mit einem Generator zur Stromerzeugung, bei der eine zweite lasthaltende und Überlast abwerfende Kupplung vorgesehen ist.
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Die beiden zuletzt genannten Druckschriften zeigen im Übrigen auch nicht die Merkmalsgruppe des Anspruches 5, wonach vorgesehen ist, dass die Welle antriebsseitig gelagert ist, und das abtriebsseitige Lager der Welle von einer der Kupplungen gebildet ist.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn der abtriebsseitige Tragkörper der zweiten Kupplung mit einem Lager versehen ist, welches eine Rotationsbewegung des antriebsseitigen Tragkörper gestattet.
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Um ein stabiles Wellenlager durch die Kupplung ausbilden zu können, ist vorgesehen, dass der abtriebsseitige Tragkörper der zweiten Kupplung in etwa hülsenartig ausgebildet ist und den antriebsseitigen Tragkörper der zweiten Kupplung in sich lagert. Durch die hülsenartige Ausbildung des abtriebsseitigen Tragkörpers der zweiten Kupplung steht eine vergleichsweise große Fläche zur Lagerung des antriebsseitigen Tragkörpers zur Verfügung, was sich positiv auf die übertragbaren Lagerkräfte auswirkt. Dieses Lager stützt Radialkräfte ab. Da eine Relativdrehung der Tragkörper lediglich im Überlastfall auftritt, wird als Lager bevorzugt ein Verbundwerkstoff genutzt.
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Eine solche als Lager dienende Kupplung kennzeichnet sich bevorzugt dadurch, dass der abtriebsseitige Tragkörper an einem statischen Stützbauteil, eine Rotationsbewegung gestattend, gelagert ist.
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Es ist vorgesehen, dass die zweite Kupplung als Überlasteinheit nach Art einer lasthaltenden, Überlast jedoch abwerfenden Rutschkupplung ausgestaltet ist, insbesondere wenn die die Überlasteinheit bildende Kupplung das abtriebsseitige Lager der Welle bildet.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass bei der als Wellenlager dienende Vorrichtung beide Kupplungen in einer gemeinsamen Kupplungsebene angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass beide Kupplungen in einem Radialraum der antriebsseitigen Welle, insbesondere in einem Ringraum um die antriebsseitige Welle herum angeordnet sind. Es ist ferner vorgesehen, dass in Kraftflussrichtung die erste, axialen und radialen Versatz ausgleichende Kupplung vor der zweiten, Überlast abwerfenden Kupplung angeordnet ist, insbesondere, das die erste Kupplung unmittelbar an der antriebsseitigen Welle angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in Kraftflussrichtung zwischen der ersten Kupplung und der Überlasteinheit der zweiten Kupplung ein auf die antriebsseitige Welle wirkendes Bremselement angeordnet ist.
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Die nachstehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels dient der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kraftübertragenden Verbindung zweier Aggregate ist in 1 insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen. Antriebsseitig stellt eine Aggregat, wie etwa ein Getriebe einer Windkraftanlage eine Welle 11 bereit, deren Drehmoment mittels der Vorrichtung 10 übertragen wird.
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Die Vorrichtung 10 umfasst zwei Kupplungen.
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Die erste Kupplung ist insgesamt mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet und mit der Welle 11 verbunden. In der konkreten Ausgestaltung besteht die erste Kupplung 20 aus einem Kupplungsflansch 21 mit einem die Welle 11 umgebenen Kragen 22, der eine konisch zulaufende Außenumfangsfläche 23 ausbildet.
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Ein Spannring 24 mit einer zur Außenumfangsfläche 23 komplementär konischen Innenumfangsfläche 25 umgibt den Kragen 22. Mittels Schraubbolzen 26, die umfangsbeabstandete Bohrungen 27 des Kupplungsflansches 21 durchgreifen und in Gewindebohrungen 28 des Spannrings 24 eingreifen, wird der Spannring 24 gegen den Kragen 22 verspannt, so dass der Kupplungsflansch auf der Welle 11 befestigt ist.
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Der Kupplungsflansch 21 und der Spannring 24 bilden insoweit einen Spannsatz aus.
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Der Kupplungsflansch 21 weist außenumfänglich angeordnete und umfangsbeabstandete Koppelbohrungen 29 auf, in denen Kupplungsbolzen 30 sitzen.
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Die Kupplungsbolzen 30 umfassen einen Schraubbolzen 31, der eine ihn umgebende Traghülse 32 hält. Die Traghülse 32 selbst ist von einer elastischen Kupplungshülse 33 umgeben. Die Kupplungsbolzen 30 sind über die Kupplungshülse 33 in der Koppelbohrung 29 gehalten. Axialer Toleranzausgleich ist durch die Elastizität der Kupplungshülse 33 gegeben.
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Schließlich weist die erste Kupplung 20 in ihrem Kupplungsflansch 21 und dem zugehörigen Spannring 24 miteinander fluchtende Wartungsbohrungen 34 auf, die mit einem Stopfen 35 verschließbar sind und Zugang zu Spannbolzen 65 der zweiten Kupplung 50 gewähren.
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Die zweite Kupplung ist insgesamt mit der Bezugsziffer 50 versehen. Sie umfasst zunächst einen antriebsseitigen Tragkörper 51, der Gewindebohrungen 52 zur Halterung der Kupplungsbolzen 30 der ersten Kupplung 20 bereithält. Über einen Flanschring 53 ist vermittels Distanzhülsen 54 ein Bremselement in Form einer Bremsscheibe 55 am antriebsseitigen Tragkörper 51 angeordnet und mittels Schraubbolzen 56 gesichert, die in Gewindebohrungen 57 des Flanschrings 53 eingreifen.
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Der antriebsseitige Tragkörper 51 ist größtenteils innerhalb des abtriebsseitigen Tragkörpers 58 der zweiten Kupplung 50 angeordnet. Der abtriebsseitige Tragkörper 58 weist einen innenliegenden Ringflansch 59 auf, der mit Reibbelägen 60 versehen ist.
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Eine Reibscheibe 61 ist auf Gleitbolzen 62 axial beweglich gelagert. Die Gleitbolzen 62 sind im antriebsseitigen Tragkörper 51 angeordnet. Tellerfedern 63 pressen die Reibscheibe 61 gegen den mit Reibbelägen 60 versehenen Ringflansch 59. Der Anpressdruck der Tellerfedern 63 wird mittels einer Spannscheibe 64 reguliert, welche mittels Spannbolzen 65 gegen den antriebsseitigen Tragkörper 51 verspannbar ist. Die Spannbolzen 65 sind über die vorerwähnten Wartungsbohrungen 34 der ersten Kupplung 20 zugänglich.
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Aus statischen Gründen und Gründen der Montage ist der antriebsseitige Tragkörper 51 der Kupplung 50 zweiteilig ausgebildet. Er umfasst neben dem eigentlichen Tragkörper 51 zusätzlich noch einen Tragring 66, der am Tragkörper 51 befestigt ist. Ein Abtriebsflansch 67 dient der Kopplung mit dem anzutreibenden Aggregat, beispielsweise zur Kopplung mit dem Generator einer Windkraftanlage.
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Der antriebsseitige Tragkörper 51 mit seinem Tragring 66 ist vermittels Gleitlagern im abtriebseitigen Tragkörper 58 drehbeweglich gehalten. Alternative Lager wie Wälzlager sind denkbar.
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Der Kraftfluss durch die Vorrichtung 10 läuft ausgehend von der Welle 11 über den Spannsatz der ersten Kupplung 20 und den Kupplungsbolzen 30 über den antriebsseitigen Tragkörper 51 und die aus Reibscheibe 61 und Ringflansch 59 bestehende Überlasteinheit an den abtriebsseitigen Tragkörper 58 und von dort zum angetriebenen Aggregat, beispielsweise einem Generator. Insofern ist, wenn von antriebsseitigen und abtriebsseitigen Bauelementen die Rede ist, dass antriebsseitige Bauelement entsprechend dem Kraftfluss nahe der Welle 11, das abtriebsseitige Bauelement entsprechend dem Kraftfluss fern der Antriebswelle 11 angeordnet.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Vorrichtung 10 – mit Ausnahme der Bremsscheibe 55 – in einem Ringraum um die Antriebswelle 11 angeordnet, so dass für die Vorrichtung 10 kein axialer Bauraum notwendig ist. Die Anordnung des Bremselementes in Form der Bremsscheibe 55 ist lediglich der konkreten technischen Ausgestaltung innerhalb einer konkreten Anlage geschuldet. Durch entsprechend geänderte Anordnung, beispielsweise dem Verzicht auf Distanzhülsen 54, ist auch eine Anordnung der Bremsscheibe 55 im Ringraum der Antriebswelle 11 möglich.
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Die erste Kupplung 20 mit ihren Kupplungsbolzen 30, die von elastischen Kupplungshülsen 33 umgeben sind, dient einerseits der Dämpfung von radial gerichteten Vibrationen des Antriebsstrangs bzw. einem möglichen radialen und winkligen Versatz von An- und Abtrieb. Darüber hinaus erlauben die gleitgelagerten Kupplungsbolzen 30 in ihrer Elastizität Axialversatz auszugleichen.
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Die zweite Kupplung 50 stellt als Überlastkupplung eine Schutzfunktion für das angetriebene Aggregat, beispielsweise einen Generator, zur Verfügung. Sie ist konkret als Rutschkupplung ausgebildet. Die Kraftübertragung von der ersten Kupplung 20 über die zweite Kupplung 50 zum angetriebenen Aggregat erfolgt durch den Reibschluss zwischen der Reibscheibe 61 und dem mit Reibbelägen 60 versehenen Ringflansch 59. Der Reibschluss wird reguliert durch die Spannung der Tellerfedern 64. So ist ein gewisses Grenzdrehmoment in der Überlasteinheit eingestellt, ab welchem der Reibschluss zur Kraftübertragung nicht mehr ausreichend ist und die Kupplung 50 durchrutscht. In Folge dessen wird dass das Grenzdrehmoment überschreitende Moment, welches beispielsweise durch Rückkopplungen aus dem elektrischen Leitungsnetz entstehen kann, nicht an das Getriebe übertragen. Insoweit ist ein wirksamer Aggregatschutz unter wesentlicher axialer Bauraumminimierung realisiert.
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Des Weiteren dient die Vorrichtung 10 selbst als zweites Auflager für die Welle 11. Ein erstes Auflager der Welle 11 wird durch das antreibende Aggregat, beispielsweise das Getriebe einer Windkraftanlage, gebildet. Die Vorrichtung 10 selbst ist über ihr Abtriebsflansch 67 mit dem anzutreibenden Aggregat verbunden und über diese Verbindung zumindest indirekt an einem statischen, sich nicht bewegenden Bauteil gehalten. Die Vorrichtung 10 übernimmt darüber hinaus die abtriebsseitige Lagerung der Welle 11 durch die spezielle Ausgestaltung der zweiten Kupplung 50. Durch die Anordnung des antriebsseitigen Tragkörpers 51 – inklusive des Tragrings 66 – innerhalb des hülsenartig ausgebildeten abtriebsseitigen Tragkörpers 58 unter Vermittlung von Gleitlagern 68 ist die abtriebsseitige Lagerung der Welle 11 über die Verbindung durch die erste Kupplung 20 realisiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 trägt in Folge dessen die radial wirkenden Lagerkräfte der Antriebswelle 11.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- antriebsseitige Welle
- 20
- erste Kupplung
- 21
- Kupplungsflansch
- 22
- Kragen von 21
- 23
- konische Außenumfangsfläche von 22
- 24
- Spannring von 20
- 25
- Innenumfangsfläche von 24
- 26
- Schraubbolzen
- 27
- Bohrungen
- 28
- Gewindebohrungen
- 29
- Koppelbohrung von 21
- 30
- Kupplungsbolzen
- 31
- Schraubbolzen
- 32
- Traghülse
- 33
- Kupplungshülse
- 34
- Wartungsbohrung von 20
- 35
- Stopfen
- 50
- zweite Kupplung
- 51
- antriebsseitiger Tragkörper
- 52
- Gewindebohrungen
- 53
- Flanschring
- 54
- Distanzhülsen
- 55
- Bremsscheibe
- 56
- Schraubbolzen
- 57
- Gewindebohrung
- 58
- abtriebsseitiger Tragkörper
- 59
- Ringflansch von 58
- 60
- Reibbeläge von 58
- 61
- Reibscheibe
- 62
- Gleitbolzen
- 63
- Tellerfeder
- 64
- Spannscheibe
- 65
- Spannbolzen
- 66
- Tragring
- 67
- Abtriebsflansch
- 68
- Gleitlager
