DE102011084573A1

DE102011084573A1 - Strömungskraftmaschine und getriebe zum betreiben derselbigen

Info

Publication number: DE102011084573A1
Application number: DE102011084573A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Göllner; Torsten Kohmäscher; Eric Jacobson
Original assignee: Sauer Danfoss GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere Leistungsverzweigungsgetriebe für Strömungskraftmaschinen, welche die Rotordrehzahl in eine von einem Generator verwertbare Drehzahl konstante übersetzen. Hierbei kommt erfindungsgemäß zumindest eine hydrostatische Baugruppe zum Einsatz, die mit einem Planetengetriebe zusammenwirkt. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter Strömungskraftmaschinen, insbesondere für Windkraftanlagen und Wasserturbinenkraftwerke, die die Strömungsenergie einer Fluidströmung in elektrische Energie umwandeln können. Die Erfindung betrifft ferner Strömungskraftmaschinen, die mit schwankender Fluidströmung beaufschlagt werden, wobei diese, in elektrische Energie umgewandelt, in ein Stromnetz eingespeist werden soll.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Strömungskraftmaschinen, insbesondere für Windkraftanlagen und Wasserturbinenkraftwerke, die die Strömungsenergie einer Fluidströmung in elektrische Energie umwandeln können. Die Erfindung betrifft ferner Strömungskraftmaschinen, die mit schwankender Fluidströmung beaufschlagt werden, wobei diese, in elektrische Energie umgewandelt, in ein Stromnetz eingespeist werden soll. Die Erfindung betrifft Getriebe für Strömungskraftmaschinen, welche die Rotordrehzahl in eine von einem Generator verwertbare Drehzahl übersetzen.
Bei Strömungskraftmaschinen, wie beispielsweise einer Windkraftanlage oder einer Wasserkraftanlage, ist die auf einen Rotor bzw. eine Turbine wirkende Fluidströmung zeitlich variabel, wodurch auf den Rotor oder die Turbine zeitlich variable Kräfte wirken. Durch die zeitlich variable Fluidströmung, insbesondere bei schwankenden oder böigen Winden, kommt es, beispielsweise bei Windkraftanlagen, zu unterschiedlichen Drehzahlen am Rotor. Der in ein Stromnetz einspeisbare Strom ist jedoch Vorgaben zumindest hinsichtlich der Spannung, die konstant gehalten werden muss, unterworfen. So hat ein Stromnetz eine vorgegebene Netzspannung und, im Falle eines Wechselstromnetzes, auch eine vorgegebene Netzfrequenz, welche vom Generator gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Gleichrichtern oder Umspannern innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten werden muss, damit Strom in das Stromnetz eingespeist warden kann.
Damit Strom mit der vorgegebenen Spannung und der vorgegebenen Frequenz mittels der Strömungskraftmaschine erzeugt werden kann, muss die variable Eingangsleistung entsprechend umgewandelt werden, sodass die elektrische Leistung mit der vorgegebenen Netzspannung und der vorgegebenen Netzfrequenz in das Netz eingespeist werden kann. Hierzu gibt es im Stand der Technik verschiedene Ansätze, wie dies erreicht werden kann. Jedoch sind alle bezüglich der einspeisbaren Energiemenge verbesserbar. Ein Ansatz ist beispielsweise ein Konstanthalten der Rotordrehzahl und damit der Generatordrehzahl, um Schwankungen in der Spannung und der Frequenz der einzuspeisenden elektrischen Energie zu vermeiden. Hierbei kann der Rotor bei zu viel Wind abgebremst werden oder durch eine geeignete Pitch-Control (Anstellung der Rotorblätter) können Schwankungen der Windstärke ausgeglichen werden. Solche drehzahlstarre Windkraftanlagen sind in ihrem Wirkungsgrad allerdings nicht optimal, da bei stärkeren Winden die der Luftströmung entnehmbare Energie nur teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann, da die Rotordrehzahl auf eine bestimmte Drehzahl festgelegt ist.
In anderen Strömungskraftanlagen wird die schwankende Eingangsleistung bzw. Eingangsdrehzahl über ein Übersetzungsgetriebe an den Generator in der gleichen Weise schwankend weitergeleitet, womit der Generator schwankende elektrische Leistungen mit schwankenden Spannungen und Frequenzen erzeugt. Diese schwankenden Spannungen und Frequenzen müssen mittels Spannungs- und Frequenzumrichter vereinheitlicht werden und somit auf eine konstante Spannung geregelt werden. Erst dann ist es möglich die elektrische Energie in das Stromnetz einzuspeisen. Die hierfür benötigten elektronischen Bauteile sind jedoch sehr störungsanfällig, wodurch die Strömungskraftanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie nicht immer zuverlässig arbeiten.
In DE 103 14 757 B3 wird vorgeschlagen die Generatorantriebsdrehzahl durch Einsatz eines Leistungsverzweigungsgetriebes konstant zu halten. Hierzu ist ein hydrodynamischer Wandler vorgesehen, dessen Pumpenrad mit der Generatorantriebswelle und dessen Turbinenrad mit dem Sonnenrad eines Planetengetriebes verbunden ist. Das Hohlrad des Planetengetriebes wirkt dabei auf ein weiteres an der Rotorwelle angeordnetes Planetengetriebe, wodurch im Zusammenwirken des hydrodynamischen Wandlers und den beiden Planetengetrieben die Generatorantriebsdrehzahl bei geeigneter Steuerung des hydrodynamischen Wandlers konstant gehalten werden kann, obwohl die Rotordrehzahl aufgrund der variablen Fluidströmung unterschiedlich sein kann. Der Vorteil einer hydrodynamischen Wandlung beruht auf die weichen Anlaufs- und Abbremskurven der Turbinendrehzahl, wenn diese verändert werden. Bekanntermaßen ist der Wirkungsgrad für die Übertragung von Drehmomenten, insbesondere hohen Drehmomenten mittels eines hydrodynamischen Wandlers hinsichtlich seines Wirkungsgrads nicht sehr effektiv. Speziell bei niedrigen Drehzahlen sinkt der Wirkungsgrad des hydrodynamischen Wandlers. Auch bei höheren Drehzahlen ist der Wirkungsgrad aufgrund des immanenten Schlupfs verbesserungswürdig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Getriebe und eine Strömungskraftmaschine anzugeben, die eine konstante Drehzahl für den Antrieb des Generators bereitstellen, wobei der Wirkungsgrad der Energiewandlung der Strömungsenergie zur elektrischen Energie verbessert werden soll. Gleichzeitig soll die Verwendung elektronischer Bauteile zum Konstanthalten der Spannung und der Frequenz der einspeisbaren elektrischen Energie auf ein Minimum reduziert werden. Weiterhin soll die Anlage zuverlässig und robust arbeiten sowie schnell auf Schwankungen in der Fluidströmung reagieren können, wobei die Antriebsdrehzahl für den Generator zur Erzeugung elektrischer Energie konstant gehalten werden kann.
Die Aufgabe wird mit einem Getriebe gemäß Anspruch 1 und einer Strömungskraftanlage nach Anspruch 7 mit einem Getriebe nach einem der Ansprüche 1–6 gelöst, wobei vorteilhafte Ausführungsformen in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben sind.
Die erfindungsgemäße Strömungskraftmaschine für die Umwandlung von Strömungsenergie einer Fluidströmung in elektrische Energie weist einen durch die Fluidströmung antreibbaren Rotor oder eine mit der Fluidströmung antreibbare Turbine auf. Über den Rotor bzw. die Turbine wird eine Eingangswelle eines stufenlos verstellbaren hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes angetrieben, welches die Eingangsdrehzahl in eine konstante Ausgangsdrehzahl für den Antrieb eines Generators bereitstellt. Der durch die konstante Drehzahl der Ausgangswelle des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes angetriebene Generator steht dabei in elektrischer Verbindung mit einem Stromnetz, in das die erzeugte elektrische Energie eingespeist werden kann.
Das hydromechanische Leistungsverzweigungsgetriebe weist ein Planetengetriebe und zumindest einen hydrostatischen Antrieb mit einer Hydropumpe und einem Hydromotor auf. Das Planetengetriebe ist ein herkömmliches Planetengetriebe mit einem Hohlrad, das mit Planetenräder kämmt, die über einen Planetenträger aufgenommen sind und gleichzeitig mit einem Sonnenrad kämmen. Üblicherweise weist das Planetengetriebe somit drei Wellen auf, die Hohlradwelle, die Planetenträgerwelle und die Sonnenradwelle. Zwei dieser Wellen sind jeweils mit einer hydrostatischen Maschine verbunden. Je nachdem, ob das Planetengetriebe oder der hydrostatische Antrieb eingangsseitig oder ausgangsseitig im Leistungsfluss des Leistungsverzweigungsgetriebes angeordnet ist, ist die Hydropumpe bevorzugt mit der Planetenträgerwelle, bei ausgangsseitiger Anordnung des Planetengetriebes, oder mit der Sonnenradwelle, bei eingangsseitiger Anordnung des Planetengetriebes, in Wirkverbindung. Eine Wirkverbindung der Hydropumpe mit der Hohlradwelle ist ebenfalls vorstellbar und kann gegebenenfalls technisch realisiert werden, um die Aufgabe der Erfindung zu lösen.
Für die Wahl der Wirkverbindung zwischen Planetengetriebe und hydrostatischem Antrieb ist im Allgemeinen davon auszugehen, dass das hydrostatische Leistungsverzweigungsgetriebe die durch die Fluidströmung bewirkte relativ niedrige Drehzahl des Rotors in eine hohe Drehzahl für den Antrieb des Generators umsetzen soll. Üblicherweise wird der Rotor mit Umdrehungen bis zu 100 Umdrehungen pro Minute von dem Strömungsmedium angetrieben. Höhere Drehzahlen, auch wenn diese eher ungewöhnlich sind, können mit dem erfindungsgemäßen Leistungsverzweigungsgetriebe jedoch ebenso verarbeitet werden. Für den optimalen Betrieb eines Generators, beispielsweise einer Asynchronmaschine oder einer Synchronmaschine, sind Drehzahlen im Bereich von 500 Umdrehungen pro Minute bis zu einigen tausend Umdrehungen pro Minute üblich. Dies bedeutet für das hydromechanische Leistungsverzweigungsgetriebe, dass im Allgemeinen von einer niedrigen Drehzahl in eine höhere Drehzahl übersetzt werden muss. Daher wird man bevorzugt die Eingangsdrehzahl am Planetenträger oder am Hohlrad in das Leistungsverzweigungsgetriebe einleiten.
Im Prinzip kann jede der drei Planetengetriebe-Wellen als Antriebswelle für den Generator oder als Eingangswelle des Rotors verwendet werden. Mit Hilfe des so genannten Kutzbachplans kann dann die geeignete Welle für den Abtrieb bestimmt werden. Gemäß Kutzbachplan wird die jeweils dritte Welle des Planetengetriebes, die nicht Eingangswelle oder Ausgangswelle des Planetengetriebes ist, festgehalten. Wird diese dritte Welle, wie in der Erfindung vorgesehen, durch den hydrostatischen Antrieb mittels des Hydromotors angetrieben, kann bei gleicher oder gegengleicher Drehrichtung zur Antriebswelle die Abtriebsdrehzahl erhöht oder verringert werden. Somit kann über den stufenlos verstellbaren hydrostatischen Antrieb erreicht werden, dass die Abtriebswelle des Planetengetriebes, welche zumindest mittelbar den Antrieb des Generators darstellt, auf konstanter Drehzahl gehalten wird. Hierfür ist lediglich eine Steuerung des hydraulischen Durchflusses durch den Hydromotor in Abhängigkeit von der Hydropumpe vorzusehen. Der hydrostatische Antrieb kann mit dem Planetengetriebe auch in der Art zusammenwirken, dass der hydrostatische Antrieb die durch den Hydromotor angetriebene Planetengetriebe-Welle permanent in Drehung versetzt und so über die Drehgeschwindigkeit der nicht für Antrieb oder Abtrieb vorgesehenen Planetengetriebewelle die Abtriebsdrehzahl des Leistungsverzweigungsgetriebes konstant gehalten wird. Bei einer solchen Ausführungsform muss daher keine drehrichtungsverstellbare hydrostatische Einheit vorgesehen werden, wodurch der hydrostatische Antrieb einfacher gestaltet werden kann.
Für den hydrostatischen Antrieb kommen generell Axialkolbenmaschinen oder Radialkolbenmaschinen zum Einsatz, wobei die beiden zusammen wirkenden Hydraulikmaschinen – jeweils eine Hydropumpe und ein Hydromotor – nicht die gleiche Bauart aufweisen müssen. So kann beispielsweise die hydrostatische Pumpe eine Radialkolbenpumpe und der hydrostatische Motor eine Axialkolbenmaschine sein. Dabei können Axialkolbenmaschine der Schrägscheiben- oder Schrägachsen-Bauart zur Anwendung kommen. Je nach Bauraum und zu übertragender Leistung wird man die entsprechend besser geeignete Bauart auswählen. Bei eingangsseitiger Anordnung des Planetengetriebes im hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe wird man bevorzugt die Hydropumpe mit der Ausgangswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes koppeln und den hydrostatischen Motor auf die Welle des Planetengetriebes wirken lassen, welche weder mit der Eingangswelle noch mit der Ausgangswelle für das hydromechanische Leistungsverzweigungsgetriebe in Verbindung steht. Bei ausgangsseitiger Anordnung des Planetengetriebes, also bei eingangsseitiger Anordnung des hydrostatischen Antriebs im Leistungsverzweigungsgetriebe, wird man die Hydropumpe bevorzugt mit der Eingangswelle koppeln, wobei die Hydropumpe auf die Welle einwirkt, welche nicht für den Antrieb des Generators vorgesehen ist. Generell gilt, dass die Verzweigung in hydraulische und mechanische Leistung entweder eingangsseitig oder ausgangsseitig erfolgt, je nachdem, ob das Planetengetriebe eingangsseitig oder ausgangsseitig angeordnet ist. Die Aufspaltung kann mit einem herkömmlichen mechanischen Getriebe erfolgen, z. B. einem Zahnradpaar. Dabei ist ein Zahnrad auf der Eingangs- oder Ausgangswelle angeordnet und das mit diesem Zahnrad kämmende andere Zahnrad treibt die Antriebswelle der Hydropumpe an. Die Summierung der mechanischen und der hydrostatischen Leistung erfolgt über das Planetengetriebe des Leistungsverzweigungsgetriebes.
Zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens wird ein hydrostatischer Antrieb eingesetzt, der mit einem Planetengetriebe derart zusammenwirkt, dass die Hydropumpe entweder über die Eingangswelle oder die Ausgangswelle des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe angetrieben wird. Der Hydromotor wirkt auf die dritte Planetengetriebewelle, welche nicht mit der Eingangswelle und auch nicht mit der Ausgangswelle des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes verbunden ist. Wie oben bereits angedeutet kann durch Variation der Drehgeschwindigkeit und des Drehsinnes dieser dritten Planetengetriebewelle erreicht werden, dass die Ausgangsdrehzahl des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes konstant gehalten werden kann. Mit dieser konstanten Drehzahl kann über gegebenenfalls ein zwischengeschaltetes mechanisches Getriebe die Antriebswelle des Generators angetrieben werden, wodurch der Generator eine elektrische Leistung mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz in das angeschlossene Stromnetz einspeisen kann.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines hydrostatischen Antriebs in einem Leistungsverzweigungsgetriebe zum Konstanthalten der Ausgangsdrehzahl des Leistungsverzweigungsgetriebes verbessert den Wirkungsgrad einer Strömungskraftmaschine in vorteilhafter Weise, da die Leistungsverluste in einem hydrostatischen Antrieb geringer sind, als beispielsweise in einem hydrodynamischem Wandler. Weiterhin kann aufgrund des erfindungsgemäßen Einsatzes der Rotor optimal zum Wind angestellt werden bzw. optimal zu einer Wasserströmung ausgerichtet werden, da über die hydrostatische Drehzahlkontrolle die Variation der Eingangsleistung mit konstanter Drehzahl an einen Generator zur Stromerzeugung weitergeleitet werden kann. Dabei kann der Generator unterschiedliche Leistungen erzeugen, wobei seine Drehzahl immer konstant bleibt und somit die für die Einspeisung in das Stromnetz notwendige Spannung sowie die Stromfrequenz konstant bleibt. Mit anderen Worten kann so über den Generator eine höhere Stromstärke erzeugt werden, wobei bei gleichbleibender Spannung eine höhere Leistung in das Stromnetz eingespeist wird. Grundsätzlich gilt, dass mit Schwankungen in der Antriebsdrehzahl des Generators die erzeugte Spannung schwankt, weswegen die generierte Leistung nicht ohne Weiteres in ein Stromnetz eingespeist werden kann. Um elektrische Leistung mit unterschiedlichen Spannungen in ein Stromnetz einspeisen zu können, müsste die elektrische Leistung in solchen Fällen mit aufwendigen elektronischen Bauteilen so umgesetzt werden, dass sie mit Netzspannung in das Stromnetz einspeisbar ist. Dies wird durch die Erfindung vermieden.
Mit dem erfindungsgemäßen Leistungsverzweigungsgetriebe für Strömungskraftmaschinen kann, im Gegensatz zu bspw. drehzahlstarren Strömungskraftmaschinen zur Umwandlung von Wind- oder Wasserenergie in elektrische Energie, nahezu die gesamte Energie der Fluidströmung in elektrische Energie umgewandelt werden, welche direkt in das Stromnetz eingespeist werden kann. Die Steuerung für die unterschiedliche Leistungseinspeisung bei konstanter Spannung ist dabei vergleichsweise einfach und kann mit wenigen und unkomplizierten elektronischen Bauteilen erfolgen. Das hydromechanische Leistungsverzweigungsgetriebe, welches erfindungsgemäß für das Konstanthalten der Drehzahl der Ausgangswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes in einer Strömungskraftmaschine für die Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie verwendet wird, ist dabei ebenso robust wie einfach, da keine komplizierten und/oder empfindlichen Bauteile verwendet werden.
Zur hydrostatischen Drehzahlregelung ist es im einfachsten Fall ausreichend, dass nur eine der beiden hydrostatischen Maschinen in ihrem Fördervolumen verstellbar ist, wobei die andere hydrostatische Maschine als Konstantmaschine ausgeführt werden kann. In anderen Ausführungsformen, insbesondere für sehr stark schwankende Eingangsleistungen, werden bevorzugt zwei verstellbare hydrostatische Hydraulikeinheiten eingesetzt, damit eine Drehzahlregelung des Planetengetriebes und damit der Ausgangswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes auf mehrere Arten durch Verstellung des Förderstromes möglich ist. So kann beispielsweise durch Verringerung des Förderstroms der hydrostatischen Pumpe bei gleichzeitiger stärkerer Reduzierung des Schluckvolumens des Hydromotors die Drehzahl des Hydromotors erhöht werden, wobei gleichzeitig das durch den Hydromotor übertragbare Drehmoment abnimmt. Mit dem Einsatz zweier im bevorzugten Fall unabhängig voneinander verstellbaren Hydraulikeinheiten kann somit die über den hydraulischen Zweig fließende Leistung in ihrer Höhe angepasst werden bzw. auf ein Minimum reduziert werden, was zu einer verkleinerten Bauform des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes führt. Mit zwei bevorzugt unabhängig voneinander verstellbaren hydrostatischen Einheiten kann somit mit einem minimalen Einsatz an hydrostatischer Energie eine optimale Drehzahlkontrolle der Ausgangswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes erreicht werden. Dem steht allerdings die etwas kompliziertere Ausführung für die Verwendung einer zweiten verstellbaren hydrostatischen Hydraulikeinheit entgegen.
Strömungskraftmaschinen zum Umwandeln einer Fluidströmung in elektrische Energie werden bevorzugt als Windkraft- oder Wasserkraftwerke eingesetzt, wobei in beiden Fällen eine gedämpfte Übertragung der schwankenden Eingangsleistung nicht zwingend ist. Im Fall von Windkraftwerken sind die Rotoren üblicherweise für die Erzeugung mechanischer Rotationsenergie relativ groß ausgestaltet, wodurch sie eine relativ hohe Masse und ein somit hohes Massenträgheitsmoment aufweisen. Böiger Wind, also stark schwankende Fluidströmung, wird daher durch das Massenträgheitsmoment des Rotors einer derartigen Windkraftanlage abgedämpft, wodurch die Eingangsdrehzahl am Leistungsverzweigungsgetriebe keine sprunghaften Schwankungen erfährt und den Schwankungen eines böigen Windes nicht betragsmäßig sondern nur vorzeichenmäßig folgt. Eine weitere Dämpfung der Eingangsdrehzahl bzw. der Übersetzung in eine Ausgangsdrehzahl führt daher nur zu einem Wirkungsgradverlust und senkt damit die Effizienz der Windkraftanlage. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines hydrostatischen Antriebs innerhalb des Leistungsverzweigungsgetriebes kann mit ausreichender Schnelligkeit sichergestellt werden, dass die Ausgangsdrehzahl konstant bleibt und nicht den durch die Massenträgheit abgedämpften Schwankungen der Eingangsdrehzahl folgt. Besonders die Flexibilität eines hydrostatischen Antriebs trägt für die erfindungsgemäße Effizienzsteigerung für eine Windkraftanlage bei, da der hydrostatische Antrieb innerhalb eines Leistungsverzweigungsgetriebes in der Lage ist, die Welle eines Planetengetriebes, welche nicht mit dem Eingang oder den Ausgang des Leistungsverzweigungsgetriebes in Verbindung steht, sowohl zu beschleunigen als auch zu verzögern oder gegebenenfalls dessen Drehrichtung umzudrehen, damit die Drehzahl an der Ausgangswelle konstant gehalten werden kann.
Im Falle von Wasserkraftanlagen werden die Schwankungen in der Fluidströmung in der Regel ebenso allmählich erfolgen und ebenso wenig abrupte Turbinendrehzahländerungen hervorrufen, wie bei Windkraftwerken. Daher ist auch hier eine weitere Dämpfung der Änderung der Eingangsdrehzahl für das Leistungsverzweigungsgetriebe bzw. eine Dämpfung der Drehzahlsteuerung für das Konstanthalten der Ausgangsdrehzahl nicht notwendig. Selbst bei einem Gezeiten- oder Wellenkraftwerk ist der Einsatz eines hydrostatischen Antriebs im Leistungsverzweigungsgetriebe denkbar und ausführbar, da auch hier die Änderungen in der Fluidströmung monoton wellenartig ansteigend oder fallend sind und nicht sprunghaft vonstatten gehen.
Wie oben bereits ausgeführt entfällt mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines hydrostatischen Antriebs in einem Leistungsverzweigungsgetriebe für eine Strömungsmaschine die empfindliche Steuerung der Rotordrehzahl, da bis zu einer vom Leistungsverzweigungsgetriebe vorgegebenen Grenzdrehzahl alle Eingangsdrehzahlen, d. h. alle Rotordrehzahlen, vom Leistungsverzweigungsgetriebe in eine konstante Ausgangsdrehzahl umgesetzt werden können. Daher kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Strömungskraftmaschine, unabhängig ob als Wasserkraftmaschine oder Windkraftmaschine ausgebildet, in einem wesentlich größeren Einsatzbereich effizient Strömungsenergie in elektrische Energie umwandeln, ohne dass Schäden an der Strömungskraftanlage zu befürchten sind. Oft müssen viele herkömmliche Strömungskraftmaschinen bei starken Strömungen abgeschaltet werden, da dies zu Überlastungen der verwendeten Bauteile führt. Weiterhin sind die im Stand der Technik bekannten Strömungskraftmaschinen bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten nur bedingt einsetzbar, da mit geringen Rotorumdrehungszahlen die erforderliche Netzspannung zum Einspeisen elektrischer Energie in das Stromnetz nicht erreicht werden. All diese Nachteile können durch ein hydromechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe mit integriertem hydrostatischem Antrieb vermieden werden, da bereits bei sehr niedrigen Rotordrehzahlen eine ausreichende Drehzahl an der Ausgangswelle des Leistungsverzweigungsgetriebe erzielt werden kann, wodurch die Spannung für die Einspeisung von elektrischer Energie in ein Stromnetz gewährleistet ist. Da die Strömungskraftmaschine mit sehr niedrigen als auch mit sehr hohen Fluidströmungen betrieben werden kann, können auch Rotorbauteile entsprechend einfach ausgestaltet werden, da aufwendige Verstellvorrichtungen entfallen. Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Verwendung eines hydrostatischen Getriebes in einem hydromechanischem Leistungsverzweigungsgetriebe eine kostengünstigere Strömungskraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie bereitgestellt werden. Durch die einfachere Ausführung sämtlicher Bauteile wird nicht nur ein Kostenvorteil erreicht, sondern auch die Robustheit der Anlage verbessert, was auch zu einer kompakteren Bauform führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Generator polumschaltbar gestaltet sein, sodass der Generator mit unterschiedlichen Drehzahlen, die jeweils konstant gehalten werden, betreibbar ist. Dadurch wird ein noch größerer Einsatzbereich der Strömungskraftanlage erreicht. Beispielsweise kann bei einer Windkraftanlage ein vierpoliger Generator bei Schwachwind mit der doppelten Anzahl an Polpaarzahlen betrieben werden. Bei steigenden Windstärken können Polpaare weggeschaltet werden, wobei gleichzeitig die Antriebsdrehzahl entsprechend gesteigert werden muss. Zur Anpassung der Drehzahl bzw. zur Polumschaltung des Generators sollte jedoch die Antriebswelle des Generators, d. h. die Abtriebswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes kurzzeitig angehalten werden, damit eine derartige Polumschaltung schadlos für den Generator vollzogen werden kann.
Durch den hydrostatischen Antrieb im Leistungsverzweigungsgetriebe kann durch geeignete Steuerung der Hydropumpe oder des Hydromotors die Planetengetriebewelle, welche nicht die Eingangswelle und nicht die Ausgangswelle des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes darstellt, in der Art beschleunigt werden, dass die Ausgangsdrehzahl des Leistungsverzweigungsgetriebes 0 wird. Welche Drehzahl hierzu nötig ist, kann bei bekannter Eingangsdrehzahl einfach mit dem Kutzbachplan bestimmt werden. Da eine solche Polumschaltung nur wenige Sekunden oder gar nur Bruchteile einer Sekunde dauert, kann eine solche Adaption einer Strömungskraftmaschine erfolgen, ohne dass man den Rotor zum Stillstand bringen muss. Bevorzugt für in der Verwendung in einem Strömungskraftwerk mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe, in dem erfindungsgemäß ein hydrostatisches Getriebe integriert ist, werden dabei Asynchronmaschinen als Generatoren für elektrische Energie verwendet, da diese aufgrund ihrer Robustheit anderen Elektromaschinen zur Erzeugung elektrischer Energie vorzuziehen sind.
In einer weiteren Abwandlung, insbesondere zum Erzielen einer weiteren kompakten und robusten Ausführungsform, kann im hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe ein zweiter hydrostatischer Antrieb zum Einsatz kommen, der parallel zum ersten hydrostatischen Antrieb angeordnet ist und auf dieselbe Planetengetriebewelle wirkt, wie der erste hydrostatische Antrieb. Wiederum wirkt der hydrostatische Antrieb auf die Planetengetriebewelle, welche weder die Eingangswelle noch die Ausgangswelle des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes darstellt.
Bevorzugt wird der zumindest eine hydrostatische Antrieb eingangsseitig angeordnet, wodurch die hydromechanische Leistungsverzweigung an der Eingangswelle, beispielsweise mit einem einfachen Zahnradgetriebe, erfolgt und die Hydropumpe in Abhängigkeit der Eingangsdrehzahl angetrieben wird. Über den hydrostatischen Zweig wird hydraulische Energie auf den Hydromotor übertragen, der wiederum die hydraulische Energie in Rotationsenergie umwandelt und auf die dritte Planetengetriebewelle überträgt, die weder die Eingangswelle noch die Ausgangswelle darstellt. Dabei ist das Planetengetriebe ausgangsseitig im Leistungsverzweigungsgetriebe angeordnet, sodass die Leistungsverzweigung und anschließende Leistungssummierung in Eingangs-Ausgangs-Richtung erfolgt. D. h. bevorzugt wird die hydromechanische Leistungsverzweigung an der Eingangsseite vorgenommen, wobei die mechanische, durch das Planetengetriebe erfolgende Leistungssummierung ausgangsseitig erfolgt. Damit kann über die Verstellung der hydrostatischen Einheiten direkt Einfluss auf die Drehzahl an der Ausgangswelle Einfluss genommen werden und diese sehr exakt auf konstanter Drehzahl gehalten werden.
Der von der Erfindung ebenfalls umfasste Ausführungsfall der eingangsseitigen mechanischen Summierung der Leistung sowie der hydromechanischen Leistungsaufspaltung auf der Ausgangsseite des Leistungsverzweigungsgetriebes ist ebenso effektiv durchführbar. Jedoch wird hierbei die hydrostatische Pumpe über die Ausgangswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes angetrieben, wobei der den Förderstrom der Hydraulikpumpe aufnehmende Hydraulikmotor Rotationsenergie auf das eingangsseitige Planetengetriebe überträgt und so die mechanische Leistungssummierung eingangsseitig erfolgt. Diese Rückkopplung der Leistungsverzweigung ist vom Steueraufwand für die beiden hydrostatischen Einheiten im Vergleich zum zuvor genannten Ausführungsbeispiel geringfügig aufwendiger, jedoch können eventuell stärkere Schwankungen in der Eingangsdrehzahl mit einer derartigen Rückkopplungsanordnung gedämpfter geregelt werden, da die Hydropumpe von der Ausgangswelle angetrieben wird.
Für eine weitere Erweiterung des Einsatzbereiches des durch die Windkraftanlage oder die Wasserkraftanlage umwandelbaren Strömungsgeschwindigkeitsbereichs, kann zwischen der Rotorwelle und der Eingangswelle für das Leistungsverzweigungsgetriebe ein Basisgetriebe angeordnet werden, welches die Eingangsdrehzahl in Bereichen hält, welche für das Leistungsverzweigungsgetriebe mit erfindungsgemäß angeordneten hydrostatischen Antrieb verarbeitbar ist, um die Ausgangsdrehzahl am Leistungsverzweigungsgetriebe so konstant wie möglich zu halten. Selbstredend kann ein solches Basisgetriebe auch nach dem Leistungsverzweigungsgetriebe oder zusätzlich zu dem vorgeschalteten Basisgetriebe zwischen Leistungsverzweigungsgetriebe und Generator angeordnet werden. Wieviel mechanische Getriebe in den Antriebsstrang zwischen Rotor und Generator eingebracht werden, ist für den Erfindungsgedanken zweitrangig, solange die Drehzahl der Ausgangswelle des Leistungsverzweigungsgetriebes und somit die Antriebsdrehzahl des Generators konstant gehalten werden kann.
Für eine direkte Einspeisung elektrischer Energie in ein Stromnetzwerk durch den Generator sind Abweichungen von der konstanten Drehzahl bevorzugt kleiner +/–10%, weiter bevorzugt +/–5% und besonderes bevorzugt kleiner +/–1% der Sollantriebsdrehzahl. Für Strömungskraftanlagen, welche direkt an das Verteilernetz angeschlossen sind, sind konstante Drehzahlen mit einer Maximalabweichung von +/–0,5% gefordert, welche mit dem erfindungsgemäßen Einsatz eines hydrostatischen Getriebes innerhalb eines hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes erreichbar sind. Hierzu wird man bevorzugt die hydromechanische Aufspaltung der Eingangsleistung eingangsseitig am Leistungsverzweigungsgetriebe vornehmen und die mechanische Zusammenführung der beiden Leistungszweige – des hydrostatischen und des mechanischen – am Planetengetriebe, welches ausgangsseitig am hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe angeordnet ist, vornehmen. Besonders bevorzugt sind hierbei zwei unabhängig voneinander verstellbare bevorzugt doppelt ausgeführte hydrostatische Antriebe mit jeweils einer hydrostatischen Pumpe und einem hydrostatischen Motor, welche mit geringen hydraulischen Fördervolumen auf die dritte Planetengetriebewelle einwirken, welche weder die Eingangswelle noch die Ausgangswelle des Planetengetriebes darstellt. Die erfindungsgemäße Anordnung eines hydrostatischen Antriebs in einem hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe in einer Strömungskraftmaschine wird im Folgenden anhand von Figuren für ausgewählte Ausführungsbeispiele detailliert erläutert, wobei die Ausführungsformen nur beispielhaft angegeben sind und den Erfindungsgedanken nicht einschränken. Es zeigen:
1 eine Strömungskraftmaschine mit einem stufenlosen Getriebe nach der Erfindung mit einer eingangsseitig angeordneten Planetenstufe in schematischer Darstellung;
2 den Leistungsfluss in einem Getriebe nach 1;
3 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Leistung von Rotor, Sonnenrad und Hohlrad sowie das relative Hubvolumen der Hydropumpe in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl bei einem Ausführungsbeispiel nach 1;
4 eine Strömungskraftmaschine mit einem stufenlosen Getriebe nach der Erfindung mit einer ausgangsseitig angeordneten Planetenstufe, bei der die Abtriebswelle mit dem Hohlrad verbunden ist, in schematischer Darstellung;
5 eine Strömungskraftmaschine mit einem stufenlosen Getriebe nach der Erfindung mit einer ausgangsseitig angeordneten Planetenstufe, bei der die Abtriebswelle mit dem Sonnenrad verbunden ist, in schematischer Darstellung;
6 den Leistungsfluss in einem Getriebe nach 5;
7 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Leistung von Rotor, Sonnenrad und Planetenträger in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl bei einem Ausführungsbeispiel nach 4;
8 eine Strömungskraftmaschine mit einem stufenlosen Getriebe nach der Erfindung mit einer ausgangsseitig angeordneten Planetenstufe, bei der zwei parallel angeordnete hydrostatische Antriebe vorhanden sind, in schematischer Darstellung.
In 1 ist eine Strömungskraftmaschine 1 mit einem stufenlosen Leistungsverzweigungsgetriebe 4 nach der Erfindung mit einem im Leistungsverzweigungsgetriebe 4 eingangsseitig angeordneten Planetengetriebe 12 in schematischer Ansicht dargestellt. Die Strömungskraftmaschine 1 wird von einem Rotor 2 angetrieben, dessen Rotorwelle 9 über ein Basisgetriebe 3 mit dem stufenlosen Leistungsverzweigungsgetriebe 4 verbunden ist. Die Ausgangswelle 11 des stufenlosen Getriebes 4 dient als Antriebswelle eines Generators 5, der über eine elektrische Schaltanlage 6 mit einem Transformator 7 gekoppelt ist. Der Ausgang des Transformators 7 ist an ein elektrisches Netz 8 angeschlossen.
Die Drehzahl des beispielsweise vom Wind in Drehbewegung versetzten Rotors 2 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0 bis 30 Umdrehungen pro Minute und wird vom Basisgetriebe 3 zunächst mit einer festen Übersetzung erhöht. Das Übersetzungsverhältnis kann hierbei je nach Anlagengröße im Bereich von 30:1 bis 70:1 liegen. Die Solldrehzahl an der Antriebswelle des Generators 5 liegt beispielsweise bevorzugt wahlweise bei 750 oder 1500 Umdrehungen pro Minute. Diese Drehzahl wird durch entsprechende Ansteuerung des stufenlosen Getriebes 4 aus der vom Basisgetriebe 3 gelieferten Drehzahl eingestellt und konstant gehalten. Hierdurch liegt bei Verwendung beispielsweise einer Asynchronmaschine als Generator 5 am Transformator 7 ausgangsseitig stets eine in Frequenz und Spannung konstante Wechselspannung an, die unmittelbar in das Netz 8 eingespeist werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist das stufenlose Leistungsverzweigungsgetriebe 4 wie folgt aufgebaut:
Die Eingangswelle 10, die der Ausgangswelle des Basisgetriebes 3 entspricht oder mit dieser gekoppelt ist, ist mit dem Planetengetriebe 12 verbunden und zwar mit dem Planetenradträger 13. Dieser trägt die Planetenräder 14, von denen in 1 nur eines gezeigt ist. Die Zähne der Planetenräder 14 kämmen einerseits mit der Innenverzahnung des Hohlrads 15 und andererseits mit der Außenverzahnung des Sonnenrads 16. Das Hohlrad 15 ist bezüglich der Eingangswelle 10 drehbar gelagert und trägt auf einem Ansatz ein Zahnrad 26, welches koaxial mit dem Hohlrad 15 ist. Das Sonnenrad 16 ist mit der Ausgangswelle 11 des Leistungsverzweigungsgetriebes 4 fest verbunden. Diese Ausgangswelle 11 trägt zudem ein weiteres Zahnrad 17, welches mit einem Zahnrad 18 kämmt, das zum Antrieb einer beispielsweise verstellbaren Hydropumpe 21 dient. Die Hydropumpe 21 bildet zusammen mit dem hydrostatischen, gegebenenfalls ebenfalls verstellbaren Hydromotor 22 einen hydrostatischen Antrieb 20, Hydropumpe 21 und Hydromotor 22 sind hierzu über Druckleitungen 23 in einem geschlossenen Kreislauf verbunden. Die Ansteuerung des hydrostatischen Antriebs 20 erfolgt über eine hier nicht gezeigte Steuereinheit nach Maßgabe der Rotordrehzahl oder der Drehzahl an der Eingangswelle 10 sowie weiterer betriebsbedingter Vorgaben, derart, dass die Drehzahl der Ausgangswelle 11 konstant gehalten werden kann. Da diese Vorgaben und deren Umsetzung mittels einer Steuereinheit fachüblich sind, werden sie nicht weiter erläutert. Weiterhin sind Steuereinheiten für die Verstellung einer hydrostatischen Einheit dem Fachmann geläufig. Der Hydromotor 22 treibt über eine Welle 24 ein Zahnrad 25 an, welches mit dem bereits benannten Zahnrad 26 kämmt, das mit dem Hohlrad 15 drehfest verbunden ist und das Hohlrad antreiben oder in seiner Drehzahl verändern kann.
Der Leistungsfluss bei einem stufenlosen Leistungsverzweigungsgetriebe 4 nach 1 ist in 2 gezeigt. Die an der Eingangswelle 10 des stufenlosen hydromechanischen Getriebes 4 vom Basisgetriebe 3 zugeführte Leistung gemäß Pfeil A treibt den Planetenradträger 13 und über die Planetenräder 14 das Sonnenrad 16 an. Ein Teil der vom Sonnenrad 16 abgegebenen Leistung gemäß Pfeil B wird über das Zahnrad 17 gemäß Pfeil C abgezweigt und dient über das Zahnrad 18 zum Antrieb der Hydropumpe 21. Diese treibt über die Druckleitung 23 gemäß Pfeil D den Hydromotor 22 an, dessen Ausgangsleistung gemäß Pfeil E auf das Zahnrad 25 übertragen wird. Das Zahnrad 26 nimmt diese Leistung auf und gibt sie über das Hohlrad 15 und die Planetenräder 14 an das Sonnenrad 16 gemäß Pfeil F ab.
Auf den Planetenträger 13, welcher mit der Eingangswelle 11 des Generators 5 unmittelbar mechanisch über die Planeten 14 und das Sonnenrad 16 wirkverbunden ist, wirken somit zwei Leistungsflüsse ein, deren einzelne Beträge direkt oder indirekt durch Ansteuerung bzw. Verstellung der verstellbaren Einheit der hydrostatischen Baugruppe 20 einstellbar sind. Zum einen ist dies der unmittelbar mechanisch übertragene Leistungsfluss, der bspw. dadurch ersichtlich wird, wenn man die hydrostatische Baugruppe 20 gedanklich außer Betrieb setzt. Dieser in der Praxis selten auftretende, aber für die Erläuterung der Erfindung gut geeignete Zustand, ist beispielsweise durch einen Nullwert des Fördervolumens der verstellbaren Hydropumpe 21 und/oder einen Nullwert des Schluckvolumens des Hydromotors 22 gegeben. Am Zahnrad 17 auf der Ausgangswelle 11 des stufenlosen Getriebes 4 wird in diesem Fell keine Leistung abgenommen, so dass die volle von der Eingangswelle 10 aufgenommene Leistung gemäß Pfeil A über das Sonnenrad 16 als Ausgangsleistung gemäß Pfeil B an den Generator abgegeben wird. Der hydraulische Zweig gemäß den Pfeilen C bis F ist in diesem Betriebszustand ohne Leistung, wobei die Zahnräder 18, 25 allenfalls im Leerlauf mitdrehen können. Die Regelung der Ausgangsdrehzahl des Getriebes 4 müsste dann bei sich ändernden Windverhältnissen etwa durch Änderung der Anstellung der Rotorblätter oder durch Bremsen des Rotors erfolgen, was erfindungsgemäß nicht gewollt ist. Erfindungsgemäß wird die Ausgangsdrehzahl des Leistungsverzweigungsgetriebes 4 durch Einwirken der hydrostatischen Baugruppe auf die nicht mit der Eingangswelle 10 und auch nicht mit der Ausgangswelle 11 direkt verbundene dritte Planetengetriebewelle – im Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Hohlradwelle – konstant gehalten, unabhängig von einer Änderung in der Eingangsdrehzahl. So kann gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 das Hohlrad 15 in seiner Drehzahl verändert werden, wenn die Rotordrehzahl aufgrund eines sich ändernden Windes ändert. Wird der Wind, der auf den Rotor 2 der Strömungskraftmaschine 1 nach 1 wirkt, stärker, so erhöht sich die Drehzahl an der Eingangswelle 10. Damit diese Drehzahlerhöhung nicht auf die Sonneradwelle, welche in 1 gleichzeitig die Ausgangswelle 11 darstellt, übertragen wird, muss das Hohlrad in seiner Drehung ebenfalls beschleunigt werden und zwar in der gleichen Drehrichtung in der der Planetenträger 13 gedreht wird. Dies wird über die Verstellung der hydrostatischen Baugruppe erreicht, indem diese so verstellt wird, dass der Hydromotor 22 entsprechend schneller dreht, was durch Verringerung des Schluckvolumens am Hydromotor 22 oder durch Erhöhung des Fördervolumens an der Hydropumpe 21 erfolgen kann. Eine Beschleunigung des Hohlrads 15 in Drehrichtung des Planetenträgers 13 kann dabei auch ein Abbremsen einer gegensinnigen Drehbewegung des Hohlrads 15 gegenüber dem Planetenträger 13 darstellen.
Dieser zweite, hydrostatische Leistungsfluss wird gemäß den Pfeilen C-F von der Ausgangswelle 11 des Getriebes 4 abgezweigt und über den hydrostatischen Antrieb 20 und die Zahnräder 25 und 26 auf das Hohlrad 15 des Planetengetriebes 12 übertragen. Die Größe dieses Leistungsflusses, des hydrostatischen Leistungsflusses, ist über die Einstellung des hydrostatischen Antriebs 20 vorgebbar. Zu diesem Zweck können entweder die Hydropumpe 21 und/oder der Hydromotor 22 verstellt werden, was nach den Vorgaben der einzuhaltenden Solldrehzahl am Generator 5 erfolgt und von der nicht dargestellten Steuereinrichtung bewirkt wird. Die Regelung der Leistung im zweiten Leistungsfluss durch den hydrostatischen Antrieb 20 bewirkt eine Einstellung der Drehzahl der Welle 24, der Abtriebswelle des Hydromotors 22, und des damit drehfest verbundenen Zahnrads 25. Über das Zahnrad 26 wird die Rotation der Welle 24 auf das mit ihm drehfest verbundenen Hohlrad 15 des Planetengetriebes 12 übertragen. Das Hohlrad 15 wird somit mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, deren Betrag durch die Ansteuerung des hydrostatischen Antriebs 20 vorgegeben ist. Im Zusammenwirken mit den übrigen Bauteilen des Planetengetriebes 12 ergibt dies eine stufenlos einstellbare Drehzahl am Sonnenrad 16 und damit an der Ausgangswelle 11 des Getriebes 4, die als Eingangswelle des Generators dient.
Die Regelung der Leistung des zweiten, hydrostatischen Leistungsflusses erfolgt im Betrieb derart, dass die Drehzahl der Ausgangswelle 11 stets auf dem als Solldrehzahl vom Generator 5 geforderten Wert liegt. Hierzu sind Sensoren für die Ermittlung der Drehzahl der Welle 11 und weitere für den Betrieb der Anlage zu ermittelnde Parameter vorhanden, welche mit der Steuereinrichtung der Anlage verbunden sind. Die Steuereinrichtung wertet die erhaltenen Signale aus und wirkt auf die Verstelleinrichtungen des hydrostatischen Antriebs 20 ein, um die Drehzahl der Welle 11, wie oben erläutert, konstant auf der Solldrehzahl zu halten. Hierbei ist es möglich bei einem Generator mit zu- und abschaltbaren Polpaaren mehrere Solldrehzahlen vorzugeben. Diese können beispielsweise bei 750/min und 1500/min liegen.
Die 3 zeigt ein Diagramm in dem verschiedene Parameter der Strömungskraftmaschine 1 in einer Bauform nach 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotorwelle 9 dargestellt sind. Bei dieser Bauart ist das Planetengetriebe 12 eingangsseitig angeordnet, während der hydrostatische Antrieb 20 ausgangsseitig angekoppelt ist. Im Bereich niedriger Eingangsdrehzahl wird Leistung vom Abtrieb, der Ausgangswelle 11, zum Hohlrad 15 zurück geführt. Hier ergibt sich eine Blindleistung, die bis zu 50% der Nennleistung betragen kann. Diese Blindleistungen im hydrostatischen Antriebskreis wirken sich ungünstig auf den Wirkungsgrad aus. Außerdem erfordern sie eine Vergrößerung der mechanischen Komponenten, da die hydrostatische Leistung von der Ausgangsseite auf die Eingangsseite rückgeführt werden muss.
In 4 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem der hydrostatische Antrieb 20 eingangsseitig des Getriebes 4 angeordnet ist, also vor dem Planetengetriebe 12. Der hydrostatische Antrieb 20 ist über die Zahnräder 17 und 18 an die Eingangswelle 10 angeschlossen. Das Planetengetriebe 12 ist bei dieser Bauart über die Eingangswelle 10 mit dem Planetenradträger 13 gekoppelt. Das Hohlrad 15 ist auf der Ausgangswelle 11 montiert und der hydrostatische Antrieb 20 greift über die Zahnräder 25 und 26 an der Welle des Sonnenrades 16 an. Die Anordnung der übrigen Aggregate der Strömungskraftmaschine 1 entspricht derjenigen nach der 1.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der hydrostatische Antrieb 20 ebenfalls eingangsseitig angeordnet ist. In Abänderung der Bauform nach 4 ist das Zahnrad 25 auf der Welle 24 des Hydromotors 22 über das Zahnrad 26 mit dem Hohlrad 15 gekoppelt. Diese Art der Ankoppelung entspricht somit derjenigen nach 1. Der Unterschied zu der Bauform nach 4 besteht somit darin, dass der Ausgang des hydrostatischen Antriebs 20 über die Zahnräder 25 und 26 auf das Hohlrad 15 des Planetengetriebes 12 einwirkt und dass das Sonnenrad 16 mit der Ausgangswelle 11 verbunden ist. Das Hohlrad 15 und das Sonnenrad 16 haben insofern die Rolle getauscht. Im Übrigen ist die Wirkungsweise dieser Bauform analog zu derjenigen nach 1, was die Regelung der Drehzahl der Ausgangswelle 11 betrifft.
Bei der Bauform nach 4 oder 5 gibt es keinen rückfließenden Leistungsfluss, wie 6 entnommen werden kann. Die Eingangsleistung teilt sich in mechanische und hydrostatische Komponenten auf, die anschließend im Planetengetriebe 12 additiv zusammengeführt werden. Dies ist im Gegensatz zu der Anordnung nach 1, bei der ein Rückfluss der Leistung von der Ausgangsseite zur Eingangsseite erfolgt, wie dies 2 deutlich macht.
In 6 ist der Leistungsfluss in einem Getriebe 4 gemäß den 4 und 5 dargestellt, bei denen der Hydroantrieb eingangsseitig angeordnet ist. Im Rahmen der Erfindung spielt es keine wesentliche Rolle, an welcher Stelle die beiden verzweigten Leistungsflüsse wieder vereinigt werden. Hierfür ist sowohl der Planetenradträger 13, das Sonnenrad 16 als auch das Hohlrad 15 in gleicher Weise geeignet (vgl. 4 und 5).
Die 6 betrifft speziell die Bauform nach 5. Die von der Eingangswelle 9 gelieferte Leistung A' wird in zwei Anteile gespalten, von denen einer über die Zahnräder 17 und 18 dem hydrostatischen Antrieb 20 gemäß Pfeil C' zugeführt wird. Der andere Anteil wirkt gemäß Pfeil B' über das Sonnenrad 16 des Planetengetriebes 12 auf die Ausgangswelle 11 ein. Die Hydropumpe 21 überträgt den hydrostatischen Leistungsfluss gemäß Pfeil D' auf den Hydromotor 22, der ihn über die Welle 24 und die Zahnräder 25, 26 gemäß Pfeil E an das Hohlrad 15 mit Pfeil F' weiterleitet. Dort wird die Leistung über die Planetenräder 14 mit dem ersten Leistungsfluss gemäß Pfeil A' addiert und an das an das Sonnenrad 16 und damit auf die Ausgangswelle 11 übertragen. Er steht somit dem Generator 5 gemäß Pfeil B' als Antriebsleistung zur Verfügung.
In 7 ist ein der 3 entsprechendes Diagramm gezeigt, welches die Vorzüge, die mit Bauformen des stufenlosen Getriebes 4 nach den Ausführungsbeispielen gemäß 4 und 5 erzielbar sind, deutlich macht. Das Diagramm bezieht sich speziell auf eine Bauform nach 4, bei welcher der hydrostatische Antrieb 20 eingangsseitig angeordnet ist und auf das Sonnenrad 16 einwirkt, während das Hohlrad 15 mit der Ausgangswelle 11 verbunden ist. Die Eingangswelle 10 treibt hierbei, wie auch beim Ausführungsbeispiel nach 5, den Planetenradträger 13 an. Gezeigt sind die Abhängigkeit der Rotorleistung, der Leistung des hydrostatischen Antriebs 20 und der Leistung des Planetenträgers 13 als Funktion der Drehzahl der Rotorwelle 9.
Im Vergleich zu 3 ist deutlich zu sehen, dass im hydrostatischen Antrieb 20 (in der 7 „Leistung des Hydrostaten”) keine Blindleistungen auftreten, die durch Vorzeichenwechsel gekennzeichnet sind. Die Leistung am Planetenträger 13 ist für alle Drehzahlen geringer als die Rotorleistung, sie folgt aber im Wesentlichen deren Verlauf. Von großem Vorteil für den Wirkungsgrad ist es, dass nur eine relativ geringe Leistung über den hydrostatischen Antrieb 20 geht.
Die Diagramme der Leistungsflüsse nach 3 und 7 zeigen, dass bei Einsatz von Generatoren mit zwei oder mehr jeweils konstanten Drehzahlen der Einsatz einer Strömungskraftmaschine so gewählt werden kann, dass mehr Zeit im Bereich eines optimalen Wirkungsgrades verbracht werden kann. Hier kann bei mäßigem oder schwachem Wind der Generator bei einer niedrigen, bspw. der halben Drehzahl betrieben werden. Der Generator muss dazu nur Polumschaltbar gestaltet sein. So kann bspw. eine als Generator eingesetzte Asynchronmaschine mit acht Polpaaren bei 750 U/min und vier Polpaaren bei 1500/min zur Erzielung von 50 Hz Ausgangsfrequenz betrieben werden. Dies gilt analog für Synchronmaschinen. Die geeignete Drehzahl des Generators wird z. B. aus den gemessenen Windgeschwindigkeiten und Wetterprognosen abgeleitet. Die Veränderung der Generatordrehzahl wird durch kurzzeitiges Abschalten vom Netz eingeleitet. Danach wird ggf. die Anstellung der Rotorblätter (Pitch) und/oder bspw. die Getriebeübersetzung modifiziert, bis die gewünschte Generatordrehzahl erreicht ist. Nun erfolgt die erneute Einschaltung zum Netz. Diese Umstellung ist in wenigen Sekunden oder gar in Bruchteilen einer Sekunde durchführbar, wobei ein Anhalten des Rotors oder eine Unterbrechung des Antriebsstranges nicht notwendig ist. Über das Leistungsverzweigungsgetriebe mit erfindungsgemäßer Anordnung einer hydrostatischen Baugruppe 20 kann die Ausgangsdrehzahl an der Generatorantriebswelle 11 auch auf Null eingestellt werden und so die Polumschaltung am Generator vorgenommen werden.
Die 8 zeigt eine weitere bevorzugte Bauform der Strömungskraftmaschine 1, bei der zwei symmetrisch ausgebildete hydrostatische Antriebe (20, 20A) eingangsseitig zum Einsatz kommen. Die Bauform entspricht im Übrigen derjenigen nach 4. Die beiden hydrostatischen Antriebe 20, 20A werden jeweils über das Zahnrad 17 auf der Eingangswelle und die Zahnräder 18, 18A mit Antriebsleistung versorgt und geben ihre Ausgangsleistung über die Zahnräder 25, 25 und 26, 26' an das Sonnenrad 16 des ausgangsseitigen Planetengetriebes 12 ab. Die Ausgangsleistung des Leistungsverzweigungsgetriebes 4 wird über das Hohlrad 15 auf die Ausgangswelle 11 und damit zum Generator 5 übertragen. Die Regelung der Drehzahl der Ausgangswelle 11 erfolgt über die Ansteuerung der beiden verstellbaren hydrostatischen Antriebe 20, 20, wie zuvor beschrieben.
Durch die Anwendung von zwei oder mehr parallel angeordneten hydrostatischen Antrieben 20, 20A sinkt die erforderliche Baugröße der einzelnen Einheiten erheblich. Ein halb so großer hydrostatischer Antrieb besitzt eine deutlich höhere Drehzahlfähigkeit als große hydrostatische Antriebe. Das bedeutet geringere Herstellkosten und Vorteile beim Platzbedarf, so wie bei der Agilität des Antriebs und damit der Steuerung.
Bezugszeichenliste

1: Strömungskraftmaschine
2: Rotor
3: Basisgetriebe
4: stufenloses Leistungsverzweigungsgetriebe
5: Generator
6: Schaltanlage
7: Transformator
8: Netz
9: Rotorwelle
10: Eingangswelle
11: Ausgangswelle
12: Planetengetriebe
13: Planetenradträger
14: Planetenrad
15: Hohlrad
16: Sonnenrad
17: Zahnrad
18, 18A: Zahnrad
20, 20A: hydrostatisches Getriebe/Antrieb
21, 21A: Hydropumpe
22, 22A: Hydromotor
23, 23A: Druckleitungen
24, 24A: Welle
25, 25A: Zahnrad
26, 26A: Zahnrad
Pfeile A-F, A'-F',: Leistungsflüsse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10314757 B3 [0005]

Claims

Stufenlos verstellbares hydromechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe (4) für eine Strömungskraftmaschine (1) zur Weiterleitung einer aufgrund einer Drehbewegung mit variabler Eingangsdrehzahl an einer Eingangswelle (10) anliegenden variablen mechanischen Leistung an einen Verbraucher mittels einer mit konstanter Drehzahl angetriebenen Ausgangswelle (11), wobei das Leistungsverzweigungsgetriebe (4) ein Planetenradgetriebe (12) und eine Hydraulikbaugruppe (20) aufweist dadurch gekennzeichnet, – dass die Hydraulikbaugruppe (20) als hydraulischer Antrieb (20) mit zwei hydrostatischen Einheiten, einer Hydropumpe (21) und einem Hydromotor (22), ausgebildet ist, die über Druckleitungen (23) miteinander verbunden sind, wobei zumindest eine der beiden hydrostatischen Einheiten (21 oder 22) stufenlos verstellbar ist, – dass die Hydropumpe (21) zu ihrem Antrieb mit der Eingangswelle (10) oder der Ausgangswelle (11) des Planetengetriebes (12) verbunden ist, – dass der Hydromotor (22) über eine mit ihm verbundene Welle (24) auf dasjenige Bauteil, Sonnenrad (16), Planetenradträger (13) oder Hohlrad (15), des Planetengetriebes (12) drehzahlverändernd einwirkt, welches nicht direkt mit der Eingangswelle (10) und auch nicht direkt mit der Ausgangswelle (11) des Planetengetriebes (12) verbunden ist und – dass eine Steuereinrichtung vorhanden ist, welche nach Maßgabe der Eingangsdrehzahl die zumindest eine verstellbare hydrostatische Einheit (21 oder 22) derart verstellt, dass die Ausgangswelle (11) des Planetengetriebes (12) eine vorgegebene, konstante Ausgangsdrehzahl aufweist.
Leistungsverzweigungsgetriebe (4) nach Anspruch 1, bei dem das hydrostatische Getriebe (20) ausgangsseitig im hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe (4) angeordnet ist.
Leistungsverzweigungsgetriebe (4) nach Anspruch 1, bei dem das hydrostatische Getriebe (20) eingangsseitig im hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe (4) angeordnet ist.
Leistungsverzweigungsgetriebe (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Hydropumpe (21) in Schrägscheiben-, Schrägachsen- oder Radialkolben-Bauart und der Hydromotor (22) in Schrägscheiben-, Schrägachsen- oder Radialkolben-Bauart ausgebildet ist.
Leistungsverzweigungsgetriebe (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der beide hydrostatischen Einheiten (21, 22) verstellbar sind, wobei die hydrostatischen Einheiten (21, 22) unabhängig voneinander oder miteinander gekoppelt verstellbar sind.
Leistungsverzweigungsgetriebe (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem zwei Hydraulikgruppen (20) parallel zueinander angeordnet und synchron miteinander verstellbar sind.
Strömungskraftmaschine zur Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie mit einem Rotor (2) zur Umwandlung einer variablen Fluidströmung in eine Drehbewegung auf eine durch den Rotor (2) antreibbare Eingangswelle (10) eines stufenlos verstellbaren hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Weiterleitung der Drehbewegung mit konstanter Drehzahl an einen Generator (5) mittels einer Ausgangswelle (11) des hydromechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes (4), wobei der Generator (5) zur Abgabe von elektrischer Energie mit einem Stromnetz (8) elektrisch verbunden ist,
Strömungskraftmaschine nach Anspruch 7, bei der der Generator (5) eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine ist.
Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der der Generator (5) polumschaltbar ist, sodass der Generator (5) nach Maßgabe der Polzahl mit verschiedenen jeweils konstanten Drehzahlen betreibbar ist, welche über das Leistungsverzweigungsgetriebe (4) bereitstellbar sind.
Strömungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der Rotor (2) über eine Rotorwelle (9) ein Basisgetriebe (3) antreibt, welches mit der Eingangswelle (10) mechanisch verbunden ist.