DE102012010914A1

DE102012010914A1 - Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102012010914A1
Application number: DE102012010914A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Ludas; Manuel Rathgeb
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-12-05
Also published as: CN104271988A; US9217500B2; JP2015518124A; US20140309067A1; WO2013182337A1; CN104271988B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang zur Übertragung einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl an einer Antriebswelle und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl an einer Abtriebswelle für eine Energieerzeugungsanlage, angetrieben von einer Strömungsmaschine wie einer Windturbine oder einer Wasserturbine, – mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe, umfassend ein erstes Planetengetriebe als Überlagerungsgetriebe, und ein zweites Planetengetriebe als Umlaufgetriebe, und – mit einer hydrodynamischen Komponente, welche Leistung von der Abtriebsseite aufnimmt und geregelt in das Leistungsverzweigungsgetriebe zurückführt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Planetengetriebe über einen gemeinsamen Planetenträger miteinander gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang zur Übertragung einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Ein gattungsgemäßer Antriebsstrang ist aus der DE 103 14 757 B3 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Antriebsstrang ist ein Leistungsverzweigungsgetriebe in Kombination mit einer hydrodynamischen Komponente zu geregelten Rückführung von Leistung zu dem Leistungsverzweigungsgetriebe bekannt. Dieser Antriebsstrang wird überwiegend im Bereich der Windenergie eingesetzt, ist jedoch auch beispielsweise zum Einsatz mit Wasserturbinen geeignet, welche unterschiedliche Eingangsdrehzahlen an eine Eingangswelle des Antriebsstrangs liefern. Die Eingangswelle ist bei dem in der genannten Schrift beschriebenen Antriebsstrang mit dem Planetenträger eines ersten Planetengetriebes verbunden. Ein erstes und ein zweites Planetengetriebe, welche das Leistungsverzweigungsgetriebe bilden, sind über ihre Hohlräder miteinander verbunden. Das Sonnenrad ist mit dem Abtrieb verbunden und gleichzeitig mit einem angetriebenen Teil der hydrodynamischen Komponente, beispielsweise dem Pumpenrad, bei der Ausbildung der hydrodynamischen Komponente als Wandler. Über das Turbinenrad bei dem Ausführungsbeispiel der hydrodynamischen Komponente als Wandler ist dann das Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes gekoppelt, dessen Planetenträger festgehalten wird.
Der Nachteil bei all diesen Aufbauten besteht darin, dass diese typischerweise sehr groß und schwer bauen. Dadurch entstehen große Massenträgheitsmomente, welche sich negativ auf die Dynamik auswirken und hohe Kosten verursachen. Letztlich beschränken sie damit auch die Leistung eines derartigen Antriebsstrangs.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang anzugeben, welcher diese Nachteile vermeidet und einen einfachen und effizienten Aufbau ermöglicht und der eine entsprechend hohe Leistung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang ist es vorgesehen, dass das Leistungsverzweigungsgetriebe, wie auch beim Stand der Technik, aus zwei Planetengetrieben ausgebildet wird, welche als Überlagerungsgetriebe und Umlaufgetriebe ausgebildet sind. Die Kopplung der Planetengetriebe untereinander erfolgt erfindungsgemäß über einen gemeinsamen Planetenträger. Die bisher vorhandenen zwei Planetenträger der beiden Planetengetriebe werden also miteinander vereint und zu einem einzigen Planetenträger umgebildet. Hierdurch wird es möglich, das Getriebe leichter, kompakter und mit geringeren Massenträgheitsmomenten zu realisieren.
In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist es dabei vorgesehen, dass die Antriebswelle mit dem Hohlrad des ersten Planetengetriebes gekoppelt ist. Eine solche Kopplung der Antriebswelle über das Hohlrad mit dem ersten Planetengetriebe erlaubt eine sehr hohe übertragbare Leistung, sodass eine so ausgeführte Konstruktion nicht in der Leistung limitiert ist, wie es die im Stand der Technik beschriebene Konkretisierung mit einem Antrieb des Planetenträgers ist. Hierdurch ist man in der Lage mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang in der hier beschriebenen Ausgestaltung einen größeren Leistungsbereich abzudecken.
Die Planeten in dem gemeinsamen Planetenträger können für den Fall sehr großer Unterschiede in der Größe der Planetengetriebe auf unterschiedlichen Durchmessern liegen, so dass diese sich in dem gemeinsamen Planetenträger nicht behindern. In den meisten Anwendungsfällen werden die beiden Planetengetriebe Getriebe jedoch so ähnlich in Ihrer Größe ausgebildet sein, dass die Aufnahme der Planeten sich in radialer Richtung beeinträchtigen würde. In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist es daher vorgesehen, dass in dem gemeinsamen Planetenträger die Planeten des ersten Planetengetriebes und des zweiten Planetengetriebes in Umfangsrichtung abwechselnd aufgenommen sind. Die Planeten, welche im Prinzip als Zapfenplaneten oder als Ringplaneten ausgeführt werden können, sind in dieser besonders günstigen Ausführungsform abwechselnd zueinander in Umfangsrichtung des Planetenträgers aufgenommen. Der Planetenträger kann zumindest mit einem Teil zwischen den beiden Planetengetrieben angeordnet werden. In diesem Teil sind dann im Falle von Zapfenplaneten die Lager oder im Falle von Ringplaneten die Achsen entsprechend aufgenommen. Um Bauraum einzusparen, sind die Aufnahmen für die Planeten des einen Planetengetriebes in Umfangsrichtung versetzt zu den Aufnahmen für die Planeten des anderen Planetengetriebes angeordnet. Hierdurch wird in axialer Richtung des Antriebsstrangs Bauraum eingespart und der gemeinsame Planetenträger kann noch leichter und noch kompakter realisiert werden. Zusätzlich lassen sich hierdurch neben der kompakten Ausführung in axialer Richtung die Trägheitsmomente und die eingesetzten Massen weiter verringern und damit letztlich die Leistungsfähigkeit steigern.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist die Anzahl der Planeten im ersten und zweiten Planetengetriebe gleich. Eine solche gleiche Anzahl von Planeten im ersten und im zweiten Planetengetriebe erlaubt es in idealer Weise, die Planeten gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform in Umfangsrichtung abwechselnd anzuordnen und so einen sehr kompakten Aufbau zu ermöglichen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist es ferner vorgesehen, dass zumindest in einem der Planetengetriebe die Planeten als Stufenplaneten ausgebildet sind. In einer solchen besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Planeten eines Planetengetriebes in Form von Stufenplaneten sind sehr kleine Durchmesser des Planetengetriebes möglich, und dennoch können sehr große Übersetzungen realisiert werden. Auch dies trägt zu einem im Hinblick auf die jeweils gewählte Übersetzung sehr kleinen Bauvolumen bei.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es ferner vorgesehen, dass der Antriebsstrang so ausgebildet ist, dass dem Leistungsverzweigungsgetriebe weitere Getriebe vor- und/oder nachgeschaltet sind. Eine solche Erweiterung des Leistungsverzweigungsgetriebes um wenigstens ein weiteres Getriebe ermöglicht insbesondere die Umsetzung von Drehzahlen, beispielsweise ins Schnelle, um eine Asynchronmaschine als Generator auf der Abtriebswelle sehr effizient antreiben zu können. Auch kann ein vorgeschaltetes oder nachgeschaltetes Getriebe gegebenenfalls sinnvoll und notwendig sein, beispielsweise um einen Versatz der Achsen zueinander zu realisieren, falls dies beispielsweise durch die Bauform der Energieerzeugungsanlage gewünscht oder notwendig erscheint.
Die hydrodynamische Komponente selbst kann dabei als Wandler, Trilokwandler oder auch als regelbare hydrodynamische Kupplung ausgebildet sein. All dies funktioniert, wobei der hydrodynamische Wandler oder Trilokwandler einen besonderen Vorteil bietet, da er hinsichtlich der Steuerbarkeit und Regelbarkeit der Leistung, welche durch ihn übertragen wird, sehr schnell und effizient ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt eine schematische Darstellung des oberhalb der Achse der Antriebswelle und Abtriebswelle liegenden Teils des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs in einer möglichen Ausführungsform.
In der Darstellung der einzigen beigefügten Figur ist sehr stark schematisiert die obere Hälfte eines im Wesentlichen rotations-symmetrischen Antriebsstrangs 1 dargestellt. Diese obere Hälfte ist als prinzipmäßige Darstellung zu verstehen und dient zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Gedanken. Sie ist dabei eine mögliche Ausführungsform, bei welcher auf vorgelagerte und/oder nachgelagerte Getriebe verzichtet worden ist. Der dargestellte Antriebsstrang 1 umfasst im Wesentlichen ein Leistungsverzweigungsgetriebe 2, welches ein erstes Planetengetriebe 3 als Überlagerungsgetriebe aufweist. Ferner ist ein zweites Planetengetriebe 4, welches als Umlaufgetriebe ausgebildet ist, Teil des Leistungsverzweigungsgetriebes 2 des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1.
Eine weitere wesentliche Komponente des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 ist eine hydrodynamische Komponente 5, welche beispielsweise als Wandler, als Trilokwandler oder gegebenenfalls auch als hydrodynamische Regelkupplung ausgebildet sein kann. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die hydrodynamische Komponente 5 als hydrodynamischer Wandler 5 ausgebildet. Ein Pumpenrad 6 des hydrodynamischen Wandlers 5 ist direkt mit einer Abtriebswelle 7 des Antriebsstrangs 1 verbunden. Über ein Leitrad 8 ist die Leistung beziehungsweise das Drehmoment und die Drehzahl des hydrodynamischen Wandlers 5 regelbar und über ein Turbinenrad 9 wird diese geregelte Leistung wieder abgegeben und gelangt über eine entsprechende Hohlwelle 10 zu einem Sonnenrad 11 des zweiten Planetengetriebes 4. In dem zweiten Planetengetriebe 4 sind mit dem Sonnenrad 11 kämmend Planeten 12 angeordnet, von welchen hier nur einer dargestellt ist. Um die Planeten 12 ist ein Hohlrad 13 beziehungsweise ein Außenkranz angeordnet. Dieser ist drehfest in dem Antriebsstrang 1 ausgeführt. Die Planeten 12 des zweiten Planetengetriebes 4 sind hier als sogenannte Zapfenplaneten ausgeführt, welche in einem Planetenträger 14 entsprechend gelagert sind. Ebenso wäre die Ausgestaltung als Ringplaneten denkbar, wobei dann die Planeten 12 mit Lagern versehen wären, und sich auf einer in dem Planetenträger 14 aufgenommenen Achse drehen.
Der Planetenträger 14 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel drehbar gegenüber dem feststehenden Hohlrad 13 des zweiten Planetengetriebes 4 gelagert. Der Planetenträger 14 ist nun so ausgebildet, dass er neben den Planeten 12 des zweiten Planetengetriebes 4 außerdem Planeten 15 des ersten Planetengetriebes 3 trägt. Diese Planeten sind hier beispielhaft ebenfalls als Zapfenplaneten ausgeführt und in dem gemeinsamen Planetenträger 14 aufgenommen. Die Planeten 15 des ersten Planetengetriebes 3 kämmen mit einem Sonnenrad 16, welches unmittelbar mit der Abtriebswelle 7 und mit dem Pumpenrad 6 des hydrodynamischen Wandlers 5 in Verbindung steht. Eine Antriebswelle 17 ist dabei mit einem Hohlrad 18 beziehungsweise dem Außenkranz des ersten Planetengetriebes 3 verbunden.
Das erste Planetengetriebe 3 ist als Überlagerungsgetriebe ausgebildet, das zweite Planetengetriebe 4 als Umlaufgetriebe. Die Planetengetriebe 3, 4 sind über den gemeinsamen Planetenträger 14 miteinander gekoppelt. Die Antriebswelle 17 wird von einer Leistungsquelle mit variierender Drehzahl angetrieben. Dies kann beispielsweise eine Wasserturbine oder insbesondere eine Windturbine sein. Diese Windturbine dreht sich entsprechend der anstehenden Windgeschwindigkeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und liefert eine unterschiedliche ständig variierende Leistung in den Antriebsstrang 1.
Diese Leistung an der Antriebswelle 17 gelangt über das Überlagerungsgetriebe 3 und dessen Sonnenrad 16 auf die Abtriebswelle 7. Die Abtriebswelle 7 treibt beispielsweise einen Asynchrongenerator direkt oder mit konstanter Zwischenübersetzung an. Ein Teil der Leistung gelangt von der Abtriebswelle 7 über das Pumpenrad 6 der hydrodynamischen Komponente 5 und ihr Turbinenrad 9 zurück zur Sonne 11 des zweiten Planetengetriebes 4. Über den gemeinsamen Planetenträger 14 wird diese Leistung in das Überlagerungsgetriebe 3 zurückgekoppelt und der ursprünglich über die Antriebswelle 17 eingespeisten Leistung überlagert. Durch eine entsprechende Regelung der hydrodynamischen Komponente 5, beispielsweise beim Wandler 5 über das Leitrad 8, kann die zurückgeführte und der ursprünglichen Leistung überlagerte Leistung so eingestellt werden, dass die Drehzahl im Bereich der Abtriebswelle 7 im Wesentlichen konstant ist. Dieser Vorgang ist im Prinzip aus der eingangs genannten gattungsgemäßen deutschen Patentschrift bereits bekannt.
Der Vorteil bei dem hier dargestellten Aufbau liegt nun insbesondere darin, dass durch die Kopplung der Antriebswelle 17 mit dem Hohlrad 18 des ersten Planetengetriebes 3 eine größere Leistung übertragen werden kann, als bei der in der gattungsgemäßen Schrift dargestellten Kopplung der Antriebswelle mit dem Planetenträger. Ein weiterer Vorteil entsteht durch die Verwendung eines gemeinsamen Planetenträgers 14 zur Kopplung der beiden Planetengetriebe 3, 4, da dieser entsprechend kleiner, leichter und damit mit weniger Massenträgheitsmoment aufgebaut werden kann, als eine Kopplung über die Hohlräder, wie sie im gattungsgemäßen Stand der Technik beschrieben ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Planetenträger 14 so ausgebildet ist, dass die Planeten 15 des ersten Planetengetriebes 3 in Umfangsrichtung versetzt zu den Planeten 12 des zweiten Planetengetriebes 4 angeordnet sind. Dies ist insbesondere dann von entscheidendem Vorteil, wenn die Anzahl der Planeten in beiden Planetengetrieben 3, 4 gleich ist. Die Planeten können dann insbesondere um einen Winkel von 360°, geteilt durch die Anzahl der Planeten 12, 15 bzw. die doppelte Anzahl der Planeten 12, 15 je Planetengetriebe 3, 4 versetzt zueinander angeordnet werden. Je nach Ausführung der Planeten als Zapfenplaneten oder Ringplaneten sind dann die Lager beziehungsweise die Wellen in dem Planetenträger 14 indem Bereich zwischen den beiden Planetengetrieben 3, 4 versetzt zueinander angeordnet, wodurch eine Wandstärke des gemeinsamen Planetenträgers 14 zwischen den beiden Planetengetrieben 3, 4 realisiert werden kann, welche der Wandstärke eines einzigen alleinigen Planetenträgers entspricht. Hierdurch wird einerseits Bauraum in axialer Richtung des Antriebsstrangs 1 eingespart und andererseits kann die Masse des gemeinsamen Planetenträgers 14 entsprechend verringert werden, was dessen Trägheitsmoment verringert und die Leistungsfähigkeit und das Ansprechverhalten des Antriebsstrangs 1 bei der Regelung entsprechend verbessert.
In den Planetengetrieben 3, 4 sind dabei unterschiedliche Bauvarianten denkbar, beispielsweise der Einsatz von Wälzlagerungen oder Gleitlagerungen, der Einsatz von verschiedenen Verzahnungen, beispielsweise geradeverzahnte, schrägverzahnte oder pfeilverzahnte Zahnräder, unterschiedliche Materialen, unterschiedliche Anzahl von Planten 12, 13, wobei die Anzahl der Planeten 12, 15 in jedem der Planetengetriebe 3, 4 wiederum nach Möglichkeit identisch sein sollte.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang 1 kann dabei durch weitere vorgeschaltete und/oder nachgeschaltete Getriebeelemente beziehungsweise Getriebestufen beliebig erweitert werden. Um eine möglichst große Übersetzung zu realisieren und auf solche zusätzlichen Getriebestufen nach Möglichkeit verzichten zu können, kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass in zumindest einem der Planetengetriebe 3, 4 die Planeten 12, 15 als Stufenplaneten eingesetzt sind. Beispielsweise der Einsatz von Stufenplaneten für die Planeten 12 ermöglicht eine vergleichsweise große Übersetzung des als Umlaufgetriebe ausgebildeten zweiten Planetengetriebes 4, welches dabei weiterhin entsprechend klein baut und im Verhältnis zur erzielten Übersetzung aufgrund des Einsatzes von Stufenplaneten 12 sehr leicht ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10314757 B3 [0002]

Claims

Antriebsstrang (1) zur Übertragung einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl an einer Antriebswelle (17) und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl an einer Abtriebswelle (7) für eine Energieerzeugungsanlage, angetrieben von einer Strömungsmaschine wie einer Windturbine oder einer Wasserturbine, 1.1 mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe (2), umfassend ein erstes Planetengetriebe (3) als Überlagerungsgetriebe, und ein zweites Planetengetriebe (4) als Umlaufgetriebe, und 1.2 mit einer hydrodynamischen Komponente (5), welche Leistung von der Abtriebsseite aufnimmt und geregelt in das Leistungsverzweigungsgetriebe (2) zurückführt, dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 die beiden Planetengetriebe (3, 4) über einen gemeinsamen Planetenträger (14) miteinander gekoppelt sind.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (17) mit einem Hohlrad (18) des ersten Planetengetriebes (3) gekoppelt ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad (13) des zweiten Planetengetriebes (4) drehfest ausgebildet ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonne (11) des zweiten Planetengetriebes (4) mit einer Abtriebskomponente (Turbine 9) der hydrodynamischen Komponente (5) verbunden ist.
Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gemeinsamen Planetenträger (14) die Planeten (15) des ersten Planetengetriebes (3) und die Planeten (12) des zweiten Planetengetriebes (4) in Umfangsrichtung abwechselnd aufgenommen sind.
Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Planeten (12, 15) in dem ersten Planetengetriebe (3) und in dem zweiten Planetengetriebe (4) identisch ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Planeten (12, 15) des ersten und des zweiten Planetengetriebes (3, 4) in Umfangsrichtung jeweils um einen Winkel von 360°, geteilt durch die doppelte Anzahl der Planeten (12, 15) eines der Planetengetriebe (3, 4), versetzt zueinander ausgebildet sind.
Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem der Planetengetriebe (3, 4) die Planeten (12, 15) als Stufenplaneten ausgebildet sind.
Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leistungsverzweigungsgetriebe (2) weitere Getriebe vorgeschaltet und/oder nachgeschaltet sind.