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Die Erfindung betrifft eine elastische Kupplung für eine Windenergieanlage.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schwingungsübertragung zwischen dem Rotor und den weiteren Komponenten einer Windenergieanlage zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kupplung für eine geteilte Welle einer Windenergieanlage nach Anspruch 1 sowie eine Kupplung für eine Welle einer Windenergieanlage nach Anspruch 2 gelöst, die jeweils einen elastischen Körper aufweisen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 eine Kupplung für eine geteilte Welle einer Windenergieanlage mit einem ersten Anschlusselement zur Befestigung an einem ersten Teil der Welle, einem zweiten Anschlusselement zur Befestigung an einem zweiten Teil der Welle und wenigstens einem elastischen Körper, der zwischen dem ersten und zweiten Anschlusselement derart vorgesehen ist, dass ein Drehmoment M zwischen dem ersten und zweiten Teil der Welle übertragen und Schwingungen zwischen dem ersten und zweiten Teil der Welle gedämpft werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Schwingungsübertragung mittels der Welle dadurch unterbrochen bzw. reduziert werden kann, indem zwischen den Enden der Welle wenigstens ein schwingungsdämpfendes Element wie z.B. ein elastischer Körper eingebracht wird. Diese Kupplung mit wenigstens einem elastischen Körper kann auch als elastische Kupplung bezeichnet werden. Die elastische Kupplung überträgt das Drehmoment M direkt über den wenigstens einen elastischen Körper, so dass keine starre metallische Verbindung zwischen Rotor und Getriebe bzw. Generator mehr besteht.
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Dies hat die vorteilhafte Wirkung, dass weniger Schwingungen auf die Komponenten übertragen werden, die über die elastische Kupplung mit dem Rotor verbunden sind und sich hierdurch deren schwingungsbedingter Verschleiß reduziert und damit ihre Lebensdauer erhöht.
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Dabei ist dieser elastische Körper so vorzusehen, dass gleichzeitig weiterhin eine Übertragung des Drehmomentes M zwischen den Enden der Welle stattfindet, d.h. die Aufgabe der Drehmoment- und Drehungsübertragung der Welle nicht bzw. nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass eine geteilte Welle einfacher ausgetauscht werden kann, 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. Hierdurch wird der Aufwand für einen vollständigen oder teilweisen Wellenaustausch reduziert und Kosten gespart.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nach Anspruch 2 auch eine Kupplung für eine Welle einer Windenergieanlage mit einem ersten Anschlusselement zur Befestigung an der Welle, einem zweiten Anschlusselement zur Befestigung an einem mit der Welle drehbar zu verbindenden Element der Windenergieanlage und wenigstens einem elastischen Körper, der zwischen dem ersten und zweiten Anschlusselement derart vorgesehen ist, dass ein Drehmoment M zwischen der Welle und dem Element übertragen und Schwingungen zwischen der Welle und dem Element gedämpft werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Schwingungsübertragung mittels der Welle auch dadurch unterbrochen bzw. reduziert werden kann, indem die Welle über einen elastischen Körper mit dem anzutreibenden Element wie z.B. dem Generator oder dem Getriebe verbunden werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Kupplung ein Zwischenelement auf, welches eine Mehrzahl von elastischen Körpern derart aufnimmt, dass sowohl wenigstens ein erstes Anschlusselement über einen ersten elastischen Körper als auch wenigstens ein zweites Anschlusselement über einen zweiten elastischen Körper mit dem Zwischenelement verbunden werden können.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Drehmomentübertragung über eine Kombination von starren und elastischen Elementen erfolgt, so dass trotz elastischer Dämpfung eine stabile Konstruktion vorhanden ist, die die Übertragung des Drehmoments M sicherstellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Zwischenelement ringförmig ausgebildet und senkrecht zur Längsachse L der Welle angeordnet die Mehrzahl von elastischen Körpern ist ringförmig ausgebildet und senkrecht zur Längsachse L der Welle in entsprechenden Öffnungen des Zwischenelements angeordnet.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die ringförmige Ausbildung einen gleichmäßige Drehmomentübertragung der zylindrischen Welle erlaubt und fertigungstechnisch einfach herzustellen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Hälfte der Mehrzahl von elastischen Körpern eine Mehrzahl von ersten Anschlusselementen von der einen Seite des Zwischenelements und die andere Hälfte der Mehrzahl von elastischen Körpern eine Mehrzahl von zweiten Anschlusselementen von der gegenüberliegenden Seite des Zwischenelements aufnehmen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Anbindung des Zwischenelements an die beiden Seiten der schwingungsdämpfend zu verbindenden Körper, d.h. entweder die beiden Teile der geteilten Welle oder die Welle und den Generator bzw. das Getriebe, über mehrere Anschlusselemente erfolgt und hierdurch eine gleichmäßige und möglichst flächige Verbindung erreicht wird, die eine hohe Stabilität und Dauerhaftigkeit der Verbindung gewährleistet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die elastischen Körper über gleiche Winkelabstände in dem Zwischenelement angeordnet.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass auf diese Weise eine symmetrische Drehmomentübertragung erfolgen kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Welle zur Verwendung in einer Windenergieanlage, wobei die Welle an ihren einen Ende mit einem Rotor der Windenergieanlage und an ihrem gegenüberliegenden Ende mit einem Getriebe oder Generator der Windenergieanlage verbunden werden kann. Die Welle ist geteilt. Das erste Teil der Welle, welches mit dem Rotor verbunden werden kann, und das zweite Teil der Welle, welches mit dem Getriebe oder Generator verbunden werden kann, sind mittels einer Kupplung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6 miteinander verbunden.
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Die Verwendung einer geteilten Welle mit einer erfindungsgemäßen Kupplung ist vorteilhaft, weil hierdurch die Schwingungsübertragung zwischen den beiden derart gekoppelten Teilen der Welle reduziert werden kann. Auch kann eine derartige Welle einfacher montiert und ausgetauscht werden, weil die einzelnen Teile der Welle kürzer und leichter sind als die gesamte Welle.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Welle zweigeteilt.
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Die Zweiteilung einer Welle ist vorteilhaft, weil auf diese Weise eine erfindungsgemäße schwingungsdämpfende Kupplung in der Welle vorgesehen werden kann, ohne die Stabilität der Welle und damit ihre Drehmomentübertragung durch weitere Verbindungsstellen weiter zu schwächen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Windenergieanlage mit einer Welle nach Anspruch 7 oder 8.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Windenergieanlage eine Off-Shore-Windenergieanlage.
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Zwei Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung des oberen Bereichs einer Windenergieanlage mit einer elastischen Kupplung nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische detaillierte Schnittdarstellung der elastischen Kupplung nach 1;
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3 eine schematische Schnittdarstellung des oberen Bereichs einer Windenergieanlage mit einer elastischen Kupplung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische detaillierte Schnittdarstellung der elastischen Kupplung nach 4;
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5 eine schematische perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der elastischen Kupplung nach dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel; und
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6 eine weitere schematische perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der elastischen Kupplung nach dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des oberen Bereichs einer Windenergieanlage 1 mit einer elastischen Kupplung 2 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Windenergieanlage 1 weist eine Gondel 10 auf, die auf dem oberen Ende eines Turmes 11 um dessen Längsachse drehbar gelagert ist. Der Turm 11 wiederum ist mittels eines Fundamentes oder einer Grundplatte (nicht dargestellt) auf dem Untergrund, bei einer Off-Shore-Windenergieanlage 1 dem Meeresboden, fest verankert.
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An der Gondel 10 ist in Windrichtung W ein Rotor 12 um die Längsachse L der Gondel 10 drehbar gelagert vorgesehen. Der Rotor 12 weist im Wesentlichen eine Rotorblattaufnahme 14 auf, an der die Rotorblätter 13, i.Allg. drei Rotorblätter 13, gleichmäßig versetzt und jeweils um ihre Längsachsen drehbar gelagert angeordnet sind.
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Der Rotor 12 ist mittels einer Rotorwelle 15 mit dem Generator 16 der Windenergieanlage 1 verbunden und. Gegebenenfalls kann zwischen der Rotorwelle 15 und dem Generator 16 ein Getriebe vorgesehen sein (nicht dargestellt). Die Rotorwelle 15 ist in beiden Fällen über eine Wellenlagerung 17 in der Gondel 10 um deren Längsachse L drehbar gelagert. Auf diese Weise kann sich die Rotorwelle 15 um die Längsachse L drehen und so die Drehung und das Drehmoment M, die durch den an den Rotorblättern 13 angreifenden Wind W hervorgerufen werden können, auf den Generator 16 übertragen, wodurch elektrische Energie aus dem Wind W gewonnen werden kann.
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Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle 15 wenigstens zweiteilig ausgeführt, so dass die Rotorwelle 15 einen rotorseitigen Teil 15a, der mit dem Rotor 12 starr verbunden ist, und einen generatorseitigen Teil 15b, der direkt oder über ein Getriebe (nicht dargestellt) mit dem Generator 16 verbunden ist, aufweist. Die beiden Teile 15a, 15b der Rotorwelle 15 sind elastisch über eine Kupplung 2 (Rotorwellenkupplung 2 oder auch Wellenkupplung 2) miteinander derart verbunden, dass die Drehung und das Drehmoment M des rotorseitigen Teils 15a über die Kupplung 2 auf den generatorseitigen Teil 15b übertragen werden kann und gleichzeitig durch die Elastizität der Kupplung 2 die Schwingungen des Rotors 12 möglichst geringfügig von dem rotorseitigen Teil 15a auf den generatorseitigen Teil 15b übertragen werden. Eine schematische detaillierte Schnittdarstellung der elastischen Kupplung 2 nach dem ersten Ausführungsbeispiel wird in 2 gezeigt.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des oberen Bereichs einer Windenergieanlage mit einer elastischen Kupplung 2 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Welle 15 einteilig ausgeführt und die Kupplung 2 ist zwischen dem dem Rotor 12 abgewandten Ende der Welle 15 und dem Generator 16 vorgesehen. Hierdurch können die bzgl. des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Vorteile der Schwingungsdämpfung zwischen Rotor 15 und Generator 16 auf eine alternative Art und Weise genutzt werden. Eine schematische detaillierte Schnittdarstellung der elastischen Kupplung 2 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird in 4 gezeigt.
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5 und 6 zeigen eine schematische perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der elastischen Kupplung 2 nach dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Diese weist eine Kupplungsscheibe 20 auf, die vorzugsweise ringförmig vorgesehen ist. Die Kupplungsscheibe 20 kann in der Mitte eine Öffnung einweisen, wie in den 5 und 6 dargestellt, muss dies aber nicht.
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Die Kupplungsscheibe 20 weist in ihrer Fläche, d.h. in Richtung der Längsachse L, mehrere Öffnungen auf, in denen jeweils ein elastischer Körper 23 vorgesehen ist. Diese elastischen Körper 23 können in den Öffnungen stoffschlüssig z.B. durch Kleben und Vulkanisieren, kraftschlüssig z.B. durch Einpressen oder auch formschlüssig z.B. durch seitliche Halterungen (nicht dargestellt) gehalten werden. Vorzugsweise sind die Öffnungen mit den elastischen Körpern 23 gleichmäßig über den Umfang um die Längsachse L verteilt vorgesehen, d.h. sie sind um einen konstanten Winkelversatz angeordnet vorgesehen. In den 5 und 6 sind sechs Öffnungen mit elastischen Körpern 23 in einem Winkelabstand von ca. 60° angeordnet.
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Die elastischen Körper 23 weisen jeweils in ihrer Mitte eine Öffnung auf, in denen erste und zweite Anschlusselemente 21, 22 vorgesehen sind. Hierzu können die Anschlusselemente 21, 22 in den jeweiligen Öffnungen der elastischen Körper 23 ebenfalls mittels stoffschlüssiger, kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbindungen direkt mit dem jeweiligen elastischen Körper 23 befestigt sein, siehe 6. Es können jedoch auch Adapterelemente wie z.B. Hülsen, Buchsen (siehe 5) oder Schraubverbindungsaufnahmen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mittels derer die ersten und zweiten Anschlusselemente 21, 22 mit den elastischen Körpern 23 verbunden werden können. Es können auch verschiedene Verbindungsmöglichkeiten zwischen der Kupplungsscheibe 20, den elastischen Körpern 23 und den ersten und zweiten Anschlusselementen 21, 22 kombiniert werden.
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Die Kupplungsscheibe 20 mit den montierten ersten und zweiten Anschlusselementen 21, 22 (siehe 6) kann dazu verwendet werden, eine elastische Kupplung 2 gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel herzustellen. Hierzu ist die Kupplung 2 entlang der Längsachse L der Rotorwelle 15 mit den beiden Teilen 15a, 15b der geteilten Welle bzw. mit der Welle 15 und dem Generator 16 starr zu verbinden. Dies geschieht jeweils über die Anschlusselemente 21, 22, zu denen weitere Verbindungselemente zu zählen sind, die geeignet sind, die jeweilige starre Verbindung herzustellen.
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Auf diese Weise kann in beiden Ausführungsbeispielen eine elastische Kupplung 2 zwischen den gegeneinander zu dämpfenden Körpern 12, 16 hergestellt werden bei gleichzeitiger Übertragung des Drehmoments M.
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Bezugszeichenliste
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- L
- Längsachse der Gondel 10 sowie des Rotors 12 und der (Rotor-)Welle 15
- M
- Drehmoment der Rotorwelle 15
- W
- Windrichtung
- 1
- Windenergieanlage
- 10
- Gondel
- 11
- Turm
- 12
- Rotor
- 13
- Rotorblätter
- 14
- Rotorblattaufnahme
- 15
- (Rotor-)Welle
- 15a
- rotorseitiger Teil der (Rotor-)Welle 15
- 15b
- generatorseitiger Teil der (Rotor-)Welle 15
- 16
- Generator bzw. Getriebe
- 17
- Wellenlagerung
- 2
- ((Rotor-)Wellen-)Kupplung
- 20
- Kupplungsscheibe
- 21
- erstes Anschlusselement
- 22
- zweites Anschlusselement
- 23
- elastischer Körper
