DE102012102686A1 - Divided shaft for use in e.g. offshore wind energy plant for generating electric power, has rotor-side and generator-side parts connected with each other by connecting elements, so that rotational torque is transferred between parts - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine geteilte Welle für eine Windenergieanlage. The invention relates to a split shaft for a wind turbine.
Zur Erzeugung elektrischer Energie werden zunehmend Windenergieanlagen eingesetzt. Diese weisen üblicherweise einen Turm mit einer darauf horizontal drehbaren Gondel auf, an der ein Rotor angeordnet ist. Der Rotor ist über eine Welle, auch Rotorwelle genannt, mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden, so dass das Drehmoment M des Rotors, welches durch die Kraft des Windes an den Rotorblättern hervorgerufen wird, auf den Generator übertragen werden kann. Dabei kann zwischen der langsam aber stark beanspruchten Rotorwelle und dem Generator ein Getriebe zwischengeschaltet sein, welches die Drehzahl von der Rotorwelle hin zum Generator erhöht. Die Lagerung der Rotorwelle kann zum Teil über ein Rotorlager und über Lagerblöcke erfolgen, die das Getriebe aufnehmen. Ein solcher Lagerblock ist mit reibschlüssigen Verbindungsmitteln wie z.B. eine Schraubenverbindung an einem Maschineträger befestigbar. For the production of electrical energy increasingly wind turbines are used. These usually have a tower with a gondola rotatable horizontally thereon, on which a rotor is arranged. The rotor is connected via a shaft, also called rotor shaft, to a generator for generating electrical energy, so that the torque M of the rotor, which is caused by the force of the wind on the rotor blades, can be transmitted to the generator. It can be interposed between the slow but highly stressed rotor shaft and the generator, a transmission which increases the speed of the rotor shaft to the generator. The bearing of the rotor shaft can be done in part via a rotor bearing and bearing blocks that receive the transmission. Such a bearing block is provided with frictional connection means, e.g. a screw connection to a machine carrier fastened.
Hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung werden an alle Komponenten einer Windenergieanlage besondere Anforderungen gestellt, da diese im besonderen Maße hohen und unterschiedlich gerichteten Kräften standhalten müssen. Durch die Unregelmäßigkeiten des Windes hinsichtlich seiner Stärke und Richtung, die sich innerhalb kurzer Zeit ändern können, treten permanent Kräfte unterschiedlicher Stärke in Zug-, Druck- und Querrichtung auf, die um so größer sind, je stärker der Wind und je größer die Windenergieanlage ist. Bei Stürmen oder Orkanen müssen Windenergieanlagen sogar extremen Belastungen standhalten. Durch den Wind werden auch Schwingungen am Rotor erzeugt, die über die Rotorwelle an alle weiteren Komponenten, insbesondere die hiermit direkt verbundenen Komponenten wie Lagerblöcke, Getriebe und Generator, weitergeleitet werden. With regard to the mechanical stress, special demands are placed on all components of a wind energy plant, since these have to withstand high and differently directed forces in particular. Due to the irregularities of the wind in terms of its strength and direction, which can change within a short time, permanently occur forces of different strengths in the tensile, compressive and transverse directions, which are greater, the stronger the wind and the larger the wind turbine , In storms or hurricanes wind turbines must withstand even extreme loads. The wind also generates vibrations on the rotor, which are forwarded via the rotor shaft to all other components, in particular the directly connected components such as bearing blocks, gearbox and generator.
Die Komponenten müssen dabei die Beanspruchungen über eine lange Betriebszeit unbeschädigt aushalten, insbesondere bei Off-Shore-Anlagen, da deren Wartung deutlich aufwendiger und damit teurer ist als bei an Land aufgestellten Windenergieanlagen. Jedoch sind diese Komponenten, insbesondere die Rotorwelle selbst sowie die über die Rotorwelle direkt den Kräften und Schwingungen ausgesetzten Lagerblöcke, Getriebe und Generator, trotz moderner Materialien und Bautechniken einem beträchtlichen Verschleiß ausgesetzt, so dass sie i.A. während ihrer Lebensdauer zumindest einmal ausgewechselt werden müssen. Insbesondere führen Schwingungen zu einem starken Verschleiß der Zahnflanken der Getriebe. The components must withstand the stresses undamaged over a long period of operation, especially in off-shore systems, as their maintenance is much more complex and therefore more expensive than onshore wind turbines. However, these components, particularly the rotor shaft itself as well as the directly over the rotor shaft exposed to the forces and vibrations bearing blocks, gearbox and generator, in spite of modern materials and construction techniques are exposed to considerable wear, so they i.A. must be replaced at least once during their lifetime. In particular, vibrations lead to heavy wear of the tooth flanks of the transmission.
Für den Austausch der Komponenten ist in der Regel schweres Gerät notwendig, das auf den Turm der Windenergieanlage transportiert werden muss. Oft muss dabei auch die komplette Gondel vom Turm entfernt und wieder aufgesetzt werden. Dies verursacht gerade bei Off-Shore-Windenergieanlagen einen enormen Aufwand. Teilweise kann der Austausch der Komponenten erst an Land erfolgen. Dies führt zu hohen Standzeiten der Windenergieanlagen und enormen Kosten für den Austausch der Komponenten. For the replacement of components usually heavy equipment is necessary, which must be transported to the tower of the wind turbine. Often, the entire gondola must be removed from the tower and put back on. This causes an enormous effort, especially in off-shore wind turbines. In some cases, the components can only be replaced on land. This leads to long service lives of the wind turbines and enormous costs for the replacement of the components.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand der Instandsetzung, insbesondere des Austausches der der Lagerung der Rotorwelle und bzw. oder der Rotorwelle selbst einer Windenergieanlage zu reduzieren. The object of the present invention is to reduce the expense of repair, in particular the replacement of the bearing of the rotor shaft and or or the rotor shaft itself a wind turbine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine geteilte Welle einer Windenergieanlage nach Anspruch 1 gelöst, deren Teile miteinander verbunden werden können. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. The object is achieved by a split shaft of a wind turbine according to
Somit betrifft die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 eine geteilte Welle einer Windenergieanlage mit einem ersten Teil der Welle mit einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Teil der Welle mit einem zweiten Anschlusselement, wobei die beiden Teile der Welle über ihr erstes und zweites Anschlusselement derart miteinander verbunden werden können, dass ein Drehmoment M zwischen dem ersten und zweiten Teil der Welle übertragen werden kann. Thus, the present invention according to
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine geteilte Welle einfacher demontiert und ausgetauscht werden kann als die bisher einteilig ausgeführten Wellen für Windenergieanlagen, da die einzelnen Teile kürzer und leichter sind als eine durchgehend ausgebildete Welle. Somit kann die Welle in der Gondel der Windenergieanlage zerlegt bzw. nur ein auszutauschendes Teilstück der Welle von den übrigen Komponenten und Wellenstücken getrennt und ausgewechselt werden. Ebenso können die Lagerungen einer geteilten Welle einfacher und schneller ausgetauscht werden, da sich die Welle einfacher demontieren bzw. zumindest anheben lässt. Hierdurch können die Lagerungen entlastet und der nötige Arbeitsraum geschaffen werden, um die Lagerungen bzw. ihre Teilelemente innerhalb der Gondel auszutauschen. Dies kann z.B. innerhalb der Gondel über geeignete Handhabungsgeräte erfolgen, die bei einer geteilten Welle ebenfalls deutlich leichter und kleiner ausfallen. Hierdurch wird der Aufwand für einen vollständigen oder teilweisen Wellenaustausch bzw. Austausch der Wellenlagerung reduziert und Kosten gespart. The present invention is based on the finding that a split shaft can be dismantled and exchanged more easily than the hitherto integrally designed shafts for wind turbines, since the individual parts are shorter and lighter than a continuously formed shaft. Thus, the shaft can be disassembled in the nacelle of the wind turbine or only a part to be replaced from the shaft of the other components and shaft pieces are separated and replaced. Likewise, the bearings of a split shaft can be replaced easier and faster, as the shaft can be easily disassembled or at least can be raised. As a result, the bearings can be relieved and the necessary working space can be created to replace the bearings or their sub-elements within the nacelle. This can e.g. within the nacelle by means of suitable handling devices, which are also significantly lighter and smaller in a split shaft. As a result, the cost of a complete or partial shaft replacement or replacement of the shaft bearing is reduced and saved costs.
Insbesondere kann auf die vollständige Demontage der Gondel verzichtet werden, wie es bisher häufig erforderlich ist, um die Welle am Erdboden in der Gondel auszutauschen. Ein derartiger Austausch führt zu erheblichen Standzeiten der Windenergieanlage und erfordert u.a. hinsichtlich der einzusetzenden Kräne samt Personal einen sehr hohen Aufwand. Diese Nachteile werden noch deutlich vergrößert, wenn die Windenergieanlage eine Off-Shore-Anlage ist und die demontierte Gondel erst an Land gebracht werden muss. In particular, can be dispensed with the complete disassembly of the gondola, as it has been often required to replace the shaft on the ground in the nacelle. Such an exchange leads to significant downtime of the wind turbine and requires, inter alia, in terms of the cranes to be used, including personnel a very high cost. These disadvantages are significantly increased if the wind turbine is an off-shore system and the dismantled nacelle must first be brought ashore.
Auch wird es bei einer geteilten Welle ermöglicht, wenigstens ein derartiges Teilstück vor Ort, d.h. innerhalb der Windenergieanlage oder zumindest einmalig zentral für einen Windpark mit mehreren Windenergieanlagen, als Ersatzteil vorzuhalten, da ein Teilstück einer Welle geringere Kosten verursacht und weniger Lagerraum in Anspruch nimmt als eine vollständige Welle. Also, in a split shaft, it is possible to have at least one such piece in place, i. within the wind turbine or at least once central vorzuhalten for a wind farm with multiple wind turbines, as a spare part, since a portion of a wave causes lower costs and takes up less storage space than a complete wave.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das erste und bzw. oder zweite Anschlusselement kraftschlüssig mit dem jeweiligen Teil der Welle verbunden. According to one aspect of the invention, the first and / or second connection element is connected non-positively to the respective part of the shaft.
Vorteilhaft ist hierbei, dass hierdurch ein fester und starrer Sitz des Anschlusselements bzw. der beiden Anschlusselemente an oder auf der Welle erreicht werden kann, so dass das Anschlusselement bzw. die Anschlusselemente bei der Drehung der Welle durch den Rotor nicht gegenüber den Teilen der Welle verdreht wird bzw. werden, sondern eine sichere Übertragung des Drehmomentes M vom Rotor auf das Getriebe oder den Generator erfolgen kann. Hierzu kann z.B. ein Anschlusselement mittels Schrumpfung auf das entsprechende Teil der Welle aufgebracht werden. It is advantageous hereby that a firm and rigid fit of the connection element or of the two connection elements on or on the shaft can be achieved, so that the connection element or the connection elements does not rotate with respect to the parts of the shaft during the rotation of the shaft will or will, but a safe transmission of the torque M from the rotor to the transmission or the generator can be done. For this, e.g. a connecting element by means of shrinkage are applied to the corresponding part of the shaft.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bzw. sind das erste und bzw. oder zweite Anschlusselement als Flansch ausgebildet. Die Verbindung zwischen dem ersten und bzw. oder zweiten Anschlusselement kann mittels wenigstens einem Verbindungselement formschlüssig hergestellt werden. According to a further aspect of the invention, the first and / or second connection element is or are designed as a flange. The connection between the first and / or second connection element can be produced in a form-fitting manner by means of at least one connection element.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Verbindung zwischen den Anschlusselementen mittels eines Flansches samt Verbindungselementen einfach und schnell hergestellt werden kann. Dies ist bei einer Montage und Demontage im begrenzten Bauraum einer Gondel einer Windenergieanlage wichtig. Auch werden hierzu jeweils nur einfache und bekannte Hilfsmittel wie kleine Kräne und übliches Werkzeug benötigt, was einfach in der Gondel aufgestellt bzw. aufgehängt und einfach, z.B. mittels einer einfachen Windel samt Tragkorb im Inneren des Turmes der Windenergieanlage transportiert werden kann. Als Verbindungselemente können z.B. Schrauben und Muttern, Bolzen und dergleichen verwendet werden. It is advantageous here that the connection between the connection elements by means of a flange together with connecting elements can be made easily and quickly. This is important for assembly and disassembly in the limited space of a nacelle of a wind turbine. Also, for this purpose, only simple and known aids, such as small cranes and conventional tools, are needed, which are simply placed or suspended in the nacelle and simply, e.g. can be transported in the interior of the tower of the wind turbine by means of a simple diaper velvet basket. As connecting elements, e.g. Bolts and nuts, bolts and the like can be used.
Hierbei ist es auch möglich, den Flansch geteilt auszuführen. Dies ist vorteilhaft, weil dann ein z.B. durch zwei Halbschalen ausgeführter Flansch von dem Wellenstück durch sein Zerteilen abgenommen werden kann und so z.B. eine geschlossen um die Welle ausgeführte Lagerung von der Welle in Längsrichtung L abgezogen werden kann. Ist der Flansch einstückig ausgebildet, so wäre der Flansch in Längsrichtung L von der Welle abzuziehen, um ein Abziehen der Lagerung zu ermöglichen, was auch möglich ist, jedoch u.U. einen größeren Aufwand verursacht bzw. mehr Arbeitsraum in Anspruch nimmt. Andernfalls wäre die Lagerung geteilt auszuführen, um diese zerteilt von der Welle abzunehmen, ohne den Flansch entfernen zu müssen. It is also possible to perform the flange split. This is advantageous because then an e.g. can be removed from the shaft piece by dividing it by two half-shells, and e.g. a closed running around the shaft bearing can be removed from the shaft in the longitudinal direction L. If the flange is formed in one piece, the flange would have to be removed from the shaft in the longitudinal direction L in order to allow the bearing to be removed, which is also possible, but may also be possible. causes a greater effort or takes more work space to complete. Otherwise, the bearing would have to be split to remove it from the shaft without having to remove the flange.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Welle zweigeteilt. According to one aspect of the invention, the shaft is divided into two parts.
Die Zweiteilung einer Welle ist vorteilhaft, weil auf diese Weise eine Teilung der Welle vorgesehen werden kann, ohne die Stabilität der Welle und damit ihre Drehmomentübertragung durch weitere Verbindungsstellen weiter zu schwächen. The division of a wave is advantageous because in this way a division of the shaft can be provided without further weakening the stability of the shaft and thus its torque transmission through further connection points.
Bei einer Demontage eines Teilstückes der Welle ist u.U. zu beachten, dass der Rotor hierbei gegen Abkippen gesichert werden muss, da bei einer Unterbrechung der Welle zwischen Rotorlager und Getriebe bzw. Generator die hierdurch bewirkte Abstützung in der Gondel unterbrochen werden kann. Auf diesen Gründen ist es vorteilhaft, eine wenigstens dreiteilige Welle vorzusehen, so dass ein bzw. das mittlere Stück demontierbar und z.B. anhebbar ist und jeweils ein Wellenstück am Rotor und am Getriebe bzw. Generator vorhanden ist, über das jeweils eine Abstützung erfolgen kann. When disassembling a section of the shaft u.U. It should be noted that the rotor must be secured against tilting, as the support in the nacelle caused by this can be interrupted if the shaft between the rotor bearing and the gear or generator breaks. On these grounds it is advantageous to provide an at least three-part shaft so that one or the middle piece can be dismounted and e.g. can be raised and in each case a shaft piece on the rotor and the gearbox or generator is present, via each of which a support can be made.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das erste Teil der Welle mit dem Rotor und das zweite Teil der Welle mit dem Getriebe oder Generator einer Windenergieanlage verbunden werden. According to a further aspect of the invention, the first part of the shaft can be connected to the rotor and the second part of the shaft to the gear or generator of a wind turbine.
Vorteilhaft ist dabei, dass die geteilte Welle in einer Windenergieanlage eingesetzt und auf einfache und übliche Weise mit den Komponenten der Windenergieanlage, zwischen denen sie ein Drehmoment M übertragen soll, eingebaut werden kann. It is advantageous that the split shaft used in a wind turbine and in a simple and conventional manner with the components of the wind turbine, between which it is to transmit a torque M, can be installed.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Windenergieanlage mit einer Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5. The present invention also relates to a wind energy plant with a shaft according to one of
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Windenergieanlage eine Off-Shore-Windenergieanlage. According to one aspect of the invention, the wind turbine is an off-shore wind turbine.
Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt: An embodiment and further advantages of the invention are explained below in connection with the following figures. It shows:
An der Gondel
Der Rotor
Erfindungsgemäß ist die Rotorwelle
Eine schematische detaillierte Schnittdarstellung der geteilten Welle
Der erste Teil
Das erste Anschlusselement
Auf diese Weise kann eine teilbare Welle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- L L
-
Längsachse der Gondel
10 sowie des Rotors12 und der (Rotor-)Welle15 Longitudinal axis of thegondola 10 as well as therotor 12 and the (rotor)shaft 15 - M M
-
Drehmoment der Rotorwelle
15 Torque of therotor shaft 15 - W W
- Windrichtung wind direction
- 1 1
- Windenergieanlage Wind turbine
- 10 10
- Gondel gondola
- 11 11
- Turm tower
- 12 12
- Rotor rotor
- 13 13
- Rotorblätter rotor blades
- 14 14
- Rotorblattaufnahme Rotor blade receiving
- 15 15
- (Rotor-)Welle (Rotor) shaft
- 15a 15a
-
rotorseitiger Teil der (Rotor-)Welle
15 rotor-side part of the (rotor)shaft 15 - 15b 15b
-
generatorseitiger Teil der (Rotor-)Welle
15 generator-side part of the (rotor)shaft 15 - 16 16
- Generator bzw. Getriebe Generator or gearbox
- 17 17
- Wellenlagerung shaft bearing
- 2 2
- Verbindungsstelle junction
- 21 21
- erstes Anschlusselement first connection element
- 21a 21a
- (Anschluss-)flansch (Connecting) flange
- 21b 21b
-
Kontaktfläche des (Anschluss-)Flansches
21a Contact surface of the (connection)flange 21a - 21c 21c
-
Rückseite des (Anschluss-)Flansches
21a Rear of the (connection)flange 21a - 21d 21d
-
Öffnungen des (Anschluss-)Flansches
21a Openings of the (connection)flange 21a - 21e 21e
- Wellenaufnahme shaft mount
- 22 22
- zweites Anschlusselement second connection element
- 23 23
- Verbindungselement, z.B. Schrauben, Bolzen etc. Connecting element, e.g. Screws, bolts etc.
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