DE102011106145B3

DE102011106145B3 - Verfahren zur Drehmoment- und Energieübertragung durch Schubkurbelgetriebe für horizontale Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102011106145B3
Application number: DE102011106145A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Arens Stephan Dr De
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2031-07-01

Abstract

Erfindungsbezeichnung: Verfahren zur Drehmoment- und Energieübertragung durch Schubkurbelgetriebe für horizontale Windkraftanlagen. Zusammenfassung: 2.1. Generator oder Generatorgetriebeeinheit werden in großen horizontalen Windkraftanlagen im Turmkopf platziert. Eine Verlegung in den Turmfuß zur Reduktion der Turmlast erfordert eine Drehmomentübertragung. Eine Welle ist dazu wegen großem Übertragungswegs, hoher Drehmomentbelastung und schwer beherrschbarer Drehschwingungen wenig geeignet. 2.2. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, das Rotordrehmoment über eine Treibachse im Turmkopf mit mindestens 3 drehversetzten Schubkurbelgetrieben in lineare Zugkräfte umzusetzen, die über Zugseile oder Zugstangen mit korrespondierenden Schubkurbelgetrieben einer parallelen Kuppelachse in Bodennähe wieder in ein Drehmoment zurückverwandelt werden. Die Kuppelachse treibt im Turmfuß einen Generator oder eine Generatorgetriebeeinheit an, alternativ treiben die Zugseile oder Zugstangen Lineargeneratoren an, sie werden bei Turmkopfdrehung parallel nachgeführt. 2.3. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass auf die Zugseile oder Zugstangen, die den größten Teil der Entfernung überbrücken, keine seitlichen Kräfte einwirken, so dass Reibungsverluste auch bei Verwendung eines Führungssystems minimal bleiben. Das Rotordrehmoment kann vom Turmkopf zum Turmfuß verlustarm übertragen werden, so dass der Turmkopf vom Generator oder der Generatorgetriebeeinheit befreit werden kann. Die Parallelität von Treibachse und Kuppelachse erlaubt eine unmittelbare Drehmomentübertragung ohne Richtungsumlenkung von der horizontalen Rotorachse zur Treibachse.

Description

Bei horizontalen Windkraftanlagen entsteht aus der Luftbewegung über die Rotoren ein Drehmoment an einer horizontalen Rotorachse, das üblicherweise direkt oder über ein Getriebe mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie umgesetzt wird. Getriebe und Generator befinden sich in der Regel im Turmkopf, so dass der Turm ein hohes Turmkopfgewicht tragen muss.
Eine Drehmomentübertragung über eine Welle vom Turmkopf zum Turmfuß, so dass der Generator oder die Generatorgetriebeeinheit im Turmfuß platziert werden kann, ist für größere Windkraftanlagen problematisch, da große Drehmomente übertragen werden müssen, eine lange Übertragungswelle zum Schwingen neigt und das Rotormoment als Moment um die Turmhochachse wirksam wird.
(Siehe: Erich Hau: Windkraftanlagen, 4. Auflage Springer-Verlag 2008, S. 278–283)
Bei Dampflokomotiven wird das Drehmoment einer Treibachse durch Treibstangen auf eine parallele Kuppelachse übertragen.
Auch bei Windkraftanlagen ließe sich das Drehmoment der Rotorachse über eine Treibachse im Turmkopf auf eine parallel dazu ausgerichtete Achse am Turmfuß, einer Kuppelachse durch Treibstangen übertragen.
Wird die Entfernung von Treib- und Kuppelachse vergrößert, werden die von den Treibstangen übertragenen Schubkräfte zunehmend Ausweichbewegungen und Ausweichbiegungen der Treibstangen bewirken und zusammen mit deren seitlicher Beschleunigung zu problematischen Biegelasten und Biegeschwingungen führen.
Um die problematischen Biegelasten und Biegeschwingungen bei weitem Übertragungsweg zu vermeiden, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, das Drehmoment einer Treib- zu einer Kuppelachse über den größten Teil der Strecke über lineare Zugkräfte an Zugseilen oder Zugstangen ohne seitliche Krafteinwirkung zu übertragen.
Dazu wird die Drehbewegung der Treibachse über ein Schubkurbelgetriebe bestehend aus einer Kurbel, einem Pleuel und einem Kreuzkopf in eine oszillierende lineare Bewegung umgesetzt. Das Schubkurbelgetriebe könnte auch als Zugkurbelgetriebe bezeichnet werden, da es ein Drehmoment je nach Kurbelstellung und Drehrichtung entweder in Schub- oder in Zugkräfte umsetzt. Die verwendeten Kreuzköpfe können dabei sowohl durch Gleitlager als auch durch Wälzlager in ihrer linearen Bewegung stabilisiert werden.
Die oszillierende lineare Bewegung des Schubkurbelgetriebes der Treibachse wird über Zugseile oder Zugstangen an ein Schubkurbelgetriebe mit gleicher Kurbel- und Pleuellänge in eine Drehbewegung einer parallel dazu angeordneten Kuppelachse übertragen.
Das Schubkurbelgetriebe der Treibachse und das Schubkurbelgetriebe der Kuppelachse bilden dann jeweils ein Schubkurbelgetriebepaar.
Da der Kreuzkopfbewegungsablauf eines Schubkurbelgetriebe der kreuzkopfnahen Halbdrehung nicht exakt spiegelbildlich zur kreuzkopffernen Halbdrehung abläuft, ist es für einen gleichmäßigen Lauf erforderlich, dass die beiden Kreuzköpfe eines Schubkurbelgetriebepaares in gleicher Richtung ausgerichtet sind, dass bedeutet, wenn ohne Einschränkung der Allgemeinheit die Treibachse oberhalb der Kuppelachse gedacht wird, müssen sowohl der Kreuzkopf am Schubkurbelgetriebe der Treibachse als auch der Kreuzkopf am Schubkurbelgetriebe der Kuppelachse nach unten ausgerichtet sein, oder beide Kreuzköpfe müssen nach oben ausgerichtet sein, so dass entweder an der Treibachse oder an der Kuppelachse die linearen Zugkräfte um das Schubkurbelgetriebe seitlich herumgeführt werden müssen (siehe in Zeichnung: Seitliche Zugkraftumführung).
Die beiden Schubkurbelgetriebe des Schubkurbelgetriebepaares befinden sich dann immer gleichzeitig in ihrem jeweiligen oberen oder unteren Umkehrpunkt, die Drehrichtung kann dabei gleich- oder gegensinnig sein.
Das Drehmoment der Treibachse kann nur über eine Kurbelhalbdrehung zwischen den Umkehrpunkten der Schubkurbelgetriebe eines Schubkurbelgetriebepaares allein durch Zugkräfte an Zugseilen oder Zugstangen an die Kuppelachse übertragen werden.
Um eine Drehmomentübertragung auch für die andere Kurbelhalbdrehung der Schubkurbelgetriebe und im Bereich der Umkehrpunkte zu bewerkstelligen, sind mindestens 3 Schubkurbelgetriebepaare mit Zugseil- oder Zugstangenverbindung nötig, deren Kurbeln für 3 Schubkurbelgetriebepaare vorzugsweise um 120° versetzt angeordnet sind. Um einen optimalen Massekräfte- und Massemomenteausgleich zu erreichen, sind 6 Schubkurbelgetriebepaare mit 120° Kurbelversatz wie bei einem 6-Zylinder Reihenmotor sinnvoll (Kurbelversatz zum Beispiel: 0°/120°/240°/240°/120°/0°) oder eine Anordnung wie bei einem Boxermotor mit folgendem Kurbelversatz: 0°/180°/90°/270° für 4, 0°/180°/60°/240°/120°/300° für 6 oder 0°/180°/90°/270°/270°/90°/180°/0° oder 0°/180°/180°/0°/90°/270°/270°/90° für 8 Schubkurbelgetriebepaare.
Um Schublasten zu vermeiden, können in die Zugseile oder Zugstangen Stauchungselemente eingesetzt werden, die nur Zugkräfte übertragen und sich bei Schubkräften zum Beispiel durch Federwirkung verkürzen, so dass bei der lastarmen Rückbewegung der Zugseile oder Zugstangen keine Schubbelastung und keine seitliche Ausweichbewegung entsteht, auch wenn eine Dehnung der Zugseile oder Zugstangen bei der Lastbewegung auftritt. In die Stauchungselemente können auch Dämpfungseinrichtungen integriert werden.
Ohne Schubbelastung wird die Reibung in einem eventuell erforderlichen Führungssystem für die Zugseile oder Zugstangen minimal gestaltet werden können, da Zugseile oder Zugstangen nicht durch Ausweichbewegung oder Ausweichbiegung seitlich an das Führungssystem herangepresst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders, bei einer horizontalen Windkraftanlage das Drehmoment des Rotors zu einem bodennahen Generator zu übertragen, un dadurch das Gewicht des Turmkopfes zu minimieren. Die Rotorachse überträgt dabei mit oder ohne Zwischenschaltung eines Getriebes oder Gelenkes sein Drehmoment auf eine horizontale Treibachse. Das Drehmoment wird dann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe von zum Beispiel 3, 4, 6 oder 8 Schubkurbelgetriebepaaren auf eine Turmfußnahe Kuppelachse, die bei Turmkopfdrehung parallel mitgedreht wird, nach unten weitergeleitet und mit oder ohne Zwischenschaltung eines Getriebes auf einen bodennahen Generator übertragen, so dass der bodennahe Generator oder die bodennahe Generatorgetriebeeinheit nicht mehr vom Turmkopf der horizontalen Windkraftanlage getragen werden müssen. Der bodennahe Generator oder die bodennahe Generatorgetriebeeinheit werden dann wie die Kuppelachse parallel der Turmkopfdrehung mitgedreht.
Alternativ bietet sich an, den Generator oder die Generatorgetriebeeinheit mit vertikaler Achse auf Linie mit der Turmkopfdrehachse zu platzieren und das Drehmoment der Kuppelachse zum Beispiel über einen Kegelradtrieb entsprechend umzulenken, so dass der Generator oder die Genneratorgetriebeeinheit nicht mehr einer Turmkopfdrehung nachgeführt werden muss.
Es könnten auch Lineargeneratoren eingesetzt werden, um die oszillierende lineare Bewegung der Zugseile oder Zugstangen oder der seitlichen Zugkraftumführung direkt in elektrische Energie umzusetzen ohne Umwandlung in eine Rotationsbewegung durch die Schubkurbelgetriebe der Kuppelachse.
Die Schubkurbelgetriebe der Kuppelachse würden dann nur zur Führung und Rückbewegung der Zugseile oder Zugstangen und zur Rückbewegung der Lineargeneratoren dienen. Eventuell könnte bei Verwendung von Lineargeneratoren auch ganz auf eine Kuppelachse und ihre Schubkurbelgetriebe verzichtet werden und die Rückbewegung der Zugseile oder Zugstangen und der Lineargeneratoren durch Gewichtskräfte erfolgen, eventuell unterstützt von elektromagnetische Kräften der Lineargeneratoren.
Ein Vorteil der Verwendung von Lineargeneratoren ist, dass ihre Leistung leicht vervielfacht werden kann, indem mehrere Lineargeneratoren modulartig hintereinander oder nebeneinander gesetzt werden, so dass für eine Leistungssteigerung der Windkraftanlage keine Generatorneukonstruktion und keine neuen Generatorfertigungseinrichtungen nötig werden.
Bei geringer Last könnte ein Teil der Schubkurbelgetriebepaare von der Drehmomentübertragung abgekoppelt werden, um Reibungsverluste und Verschleiß zu minimieren. Die Abkoppelung könnte sich nicht nur auf einen Teil der Schubkurbelgetriebepaare, sondern auch auf einen Teil der Generator- oder Generatorgetriebeeinrichtung beziehen.
Der besondere Vorteil der Drehmoment- und Energieübertragung durch Schubkurbelgetriebe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass auf die Zugseile oder Zugstangen, die bei längeren Übertragungswegen den größten Teil der Entfernung überbrücken, bei vertikaler Ausrichtung und ohne seitliche Beschleunigung des Gesamtsystems keine seitlichen Kräfte einwirken, so dass Reibungsverluste auch bei Verwendung eines Führungssystems für die Zugseile oder Zugstangen minimal bleiben können.
Für horizontale Windkraftanlagen, deren Turm vertikal ausgerichtet ist und auf den keine seitlichen Beschleunigungskräfte einwirken, ergibt sich so die Möglichkeit, das Rotordrehmoment vom Turmkopf zum Turmfuß verlustarm zu übertragen, so dass der Turmkopf von dem schweren Generator oder der schweren Generatorgetriebeeinheit befreit werden kann.
Das Verhältnis von maximaler Zugkraft zur maximalen Geschwindigkeit der Zugseile oder Zugstangen lässt sich leicht über die Kurbellänge der Schubkurbelgetriebe bestimmen, Grenzen ergeben sich durch das Schubkurbelgetriebegewicht und seine Größe.
Die Parallelität von Treibachse und Kuppelachse lässt eine unmittelbare Drehmomentübertragung von einer horizontalen Rotorachse zu ohne Richtungsumlenkung und ohne Drehmomentwirkung auf die Turmhochachse. Für eine vertikale Welle wäre eine Richtungsumlenkung notwendig und es würde eine Drehmomentwirkung auf die Turmhochachse wirksam. Lange Stahlseile als Zugseile dürften darüber hinaus in ihrem Zugschwingungsverhalten wesentlich unproblematischer sein als entsprechende Stahlwellen in ihrem Torsionsschwingungsverhalten.
Erläuterung zur Zeichnung Fig. 1:
Es handelt sich um die Darstellung eines Schubkurbelgetriebepaares mir Zugseil und seitlicher Zugkraftumführung.

A) Schubkurbelgetriebe mit Kurbel, Pleuel und Kreuzkopf.
B) Zugseil.
C) Schubkurbelgetriebe mit Kurbel, Pleuel und Kreuzkopf, umrahmt von seitlicher Zugkraftumfführung.

Claims

Verfahren zur Drehmoment- und Energieübertragung von einer Treibachse zu einer dazu parallel angeordneten Kuppelachse für horizontale Windkraftanlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Drehbewegung der Treibachse durch ein Schubkurbelgetriebe, bestehend aus einer Kurbel, einem Pleuel und einem Kreuzkopf, in eine oszillierende lineare Bewegung umgesetzt wird, die durch ein oder mehrere Zugseile oder Zugstangen auf ein Schubkurbelgetriebe der Kuppelachse mit gleicher Kurbel- und Pleuellänge übertragen wird, wobei das Schubkurbelgetriebe der Treibachse mit dem Schubkurbelgetriebe der Kuppelachse ein Schubkurbelgetriebepaar bildet und die Kreuzköpfe der beiden Schubkurbelgetriebe des Schubkurbelgetriebepaares sich auf einer Linie bewegen, der eine Kreuzkopf zwischen beiden Achsen, der andere Kreuzkopf jenseits beider Achsen, so dass die Zugkraft des oder der sie verbindenden Zugseile oder Zugstangen um eines der beiden Schubkurbelgetriebe des Schubkurbelgetriebepaares seitlich herumgeführt werden muss, und zur Drehmoment- und Energieübertragung mindestens 3 dieser Schubkurbelgetriebepaare mit einem solchen Drehversatz benutzt werden, dass bei jedem Drehwinkel mit jeder Drehrichtung der Treibachse mindestens eines der Schubkurbelgetriebepaare eine Drehmomentübertragung allein durch Zugkraft an dem oder den sie verbindenden Zugseilen oder Zugstangen von der Treibachse zur Kuppelachse bewerkstelligen kann und die Zugseile oder Zugstangen bei der Energieübertragung ausschließlich linear in Zugrichtung oder entgegen ihrer Zugrichtung bewegt werden, ohne dass durch die Drehmomentübertragung seitliche Kräfte auf sie einwirken.
Verfahren zur Drehmoment- und Energieübertragung von einer Treibachse zu einer dazu parallel angeordneten Kuppelachse für horizontale Windkraftanlagen nach Patentanspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rotor einer horizontalen Windkraftanlage über ein Getriebe oder ein Drehgelenk oder direkt oder anders eine horizontale Treibachse im Turmkopf antreibt und ihr Drehmoment nach dem in Patentanspruch 1 dargestellten Verfahren auf eine bodennahe Kuppelachse übertragen wird, die entsprechend der Turmkopfdrehung der Treibachse parallel nachgeführt wird und die einen bodennahen Generator oder eine bodennahe Generatorgetriebeeinheit antreibt, so dass die Umwandlung der mechanischen Energie des Rotors in elektrische Energie nicht im Turmkopf sondern im Turmfuß erfolgt.
Verfahren zur Drehmoment- und Energieübertragung von einer Treibachse zu einer dazu parallel angeordneten Kuppelachse für horizontale Windkraftanlagen nach Patentanspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rotor einer horizontalen Windkraftanlage über ein Getriebe oder ein Drehgelenk oder direkt oder anders eine horizontale Treibachse im Turmkopf antreibt und ihr Drehmoment nach dem in Patentanspruch 1 dargestellten Verfahren auf eine bodennahe Kuppelachse, die entsprechend der Turmkopfdrehung der Treibachse parallel nachgeführt wird, übertragen wird und die Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie mit Hilfe von elektrischen Lineargeneratoren erfolgt, die von den Zugseil- oder Zugstangenbewegungen angetrieben werden.
Verfahren zur Energieübertragung von einer Treibachse im Turmkopf einer horizontalen Windkraftanlage zu bodennahen elektrischen Lineargeneratoren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rotor einer horizontalen Windkraftanlage über ein Getriebe oder ein Drehgelenk oder direkt oder anders eine horizontale Treibachse im Turmkopf antreibt und dessen Drehung durch mindestens 3 gleichartige Schubkurbelgetriebe, bestehend jeweils aus einer Kurbel, einem Pleuel und einem Kreuzkopf, in oszillierende lineare Bewegung umgesetzt wird, die durch je mindestens ein Zugseil oder eine Zugstang auf je mindestens einen bodennah platzierten elektrischen Lineargenerator pro Schubkurbelgetriebe übertragen wird, und die Zugseile oder Zugstangen bei der Zugkraftübertragung ausschließlich linear in Zugrichtung oder entgegen ihrer Zugrichtung bewegt werden, ohne dass durch die Zugkraftübertragung seitliche Kräfte auf sie einwirken, und die Schubkurbelgetriebe einen Drehversatz haben, so dass bei jedem Drehwinkel mit jeder Drehrichtung der Treibachse mindestens eines der Schubkurbelgetriebe eine Aufwärtsbewegung eines Zugseiles oder einer Zugstangen bewirken kann und die Abwärtsbewegung der Zugseile oder Zugstangen durch Gewichtskräfte mit oder ohne Unterstützung durch elektromagnetische Kräfte der elektrischen Lineargeneratoren bewirkt wird und die elektrischen Lineargeneratoren als Einheit soweit erforderlich entsprechend der Turmkopfdrehung mitgedreht werden.