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Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Getriebe für eine Windkraftanlage.
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Bekannte Windkraftanlagen zur Stromerzeugung, die sowohl im Off-Shore-Bereich auf Meeren wie auch an Land installiert sein können, wandeln die am Rotor der Windkraftanlage durch Windenergie erzeugte Drehzahl über mechanische Getriebe in eine Drehzahl für einen elektrischen Generator um, der elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist. Bei bekannten Windkraftanlagen weist der elektrische Generator einen hohen Wirkungsgrad auf, um geringe Verluste zu verursachen und einen hohen Gesamtwirkungsgrad der Windkraftanlage zu erzielen. Die eingesetzten mechanischen Getriebe zwischen dem Rotor und dem elektrischen Generator sind mit konstanter Getriebeübersetzung ausgeführt.
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Die bislang in Windkraftanlagen eingesetzten mechanischen Getriebe sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Bei böigem Wind und stark schwankenden Windgeschwindigkeiten wird bedingt durch die Trägheit des elektrischen Generators das mechanische Getriebe wie eine Drehfeder aufgezogen, bis der elektrische Generator auf die durch das mechanische Getriebe vorgegebene Drehzahl des mit den Rotorblättern versehenen Rotors der Windkraftanlage beschleunigt ist.
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Um derartige Lastfälle zu kompensieren, ist das mechanische Getriebe entsprechend in der Festigkeit und Steifigkeit auszuführen und zu dimensionieren, wodurch jedoch bekannte mechanische Getriebe entsprechende große und dementsprechende schwere Getriebeteile umfasst. Hierdurch weisen bekannte mechanische Getriebe von Windkraftanlagen hohe Herstellkosten auf.
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Die dadurch bedingte große Masse bekannter mechanischer Getriebe führt weiterhin dazu, dass der den Rotor tragende Turm der Windkraftanlage entsprechend stabil und mit hohem Materialeinsatz und Materialaufwand ausgeführt werden muss, um die auftretenden Lasten in der tragenden Struktur der Windkraftanlage aufnehmen zu können.
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Kommt es bei Windkraftanlagen mit mechanischen Getrieben zu einem Ausfall des den elektrischen Generators antreibenden mechanischen Getriebes, ist ein Kran erforderlich, um das mechanische Getriebe auszutauschen. Bei Off-Sohre-Windkraftanlagen, die auf dem Meer installiert sind, kommt erschwerend hinzu, dass bei entsprechendem Wellengang, der je nach Wetterlage über einen längeren Zeitraum vorherrschen kann, in der Regel die Dauer der Wintermonate, ein Kran nicht eingesetzt werden kann, so dass die Windkraftanlage einen längeren Zeitraum von mehreren Monaten ausfällt.
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Um dies zu vermeiden, ist es bei Windkraftanlagen mit mechanischen Getrieben bereits bekannt, eine Schädigung des mechanischen Getriebes frühzeitig zu diagnostizieren und das mechanische Getriebe nur noch im Teillastbereich zu betreiben, um einen Totalausfall des mechanischen Getriebes zu vermeiden. Ein derartiger Teillastbetrieb führt jedoch zu einem deutlich verringerten Windertrag der Windkraftanlage.
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Sofern bei Windkraftanlagen ein mechanisches Getriebe mit einer festen Getriebeübersetzung ausgeführt sind, ist zusätzlich ein elektrischer Umrichter erforderlich, der die resultierende und mit dem Wind wechselnde Drehzahl des von dem mechanischen Getriebe angetriebenen elektrischen Generators ausgleicht, um die elektrische Generatorleistung phasengleich in das Stromnetz einspeisen zu können. Ein derartiger Umrichter erhöht jedoch den Bauaufwand der Windkraftanlage.
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Aus der
WO 2012/073280 A1 und der
DE 10 2009 033 272 B4 sind bereits Windkraftanlagen mit einem hydrostatischen Getriebe bekannt. Bei diesen bekannten Windkraftanlagen umfasst das hydrostatische Getriebe eine einzelne Pumpe, die direkt und ohne Zwischenschaltung eines Getriebes von der Rotorwelle angetrieben ist. Aufgrund des langsamen Drehzahlbereichs der Rotorwelle ist die von der Rotorwelle angetriebene Pumpe als langsamlaufende Radialkolbenpumpe ausgebildet. Derartige Radialkolbenpumpen weisen jedoch einen hohen Bauaufwand auf und führen aufgrund des Direktantriebs durch die Rotorwelle zu einem hohen Montageaufwand der Radialkolbenpumpe auf der Rotorwelle. Zudem ergibt sich bei einem Defekt oder einem Ausfall der Pumpe durch die Anordnung der Pumpe auf der Rotorwelle ein aufwändiger Austausch der Pumpe. Bei der
DE 10 2009 033 272 B4 sind mehrere Hydromotoren für den Antrieb des Generators vorgesehen, die jeweils als Direktantrieb den Generator antreiben und direkt mit der Generatorantriebswelle verbunden sind. Für die Hydromotoren sind somit aufgrund des Drehzahlbereichs des Generators ebenfalls spezielle an den Drehzahlbereich des Generators angepasste Hydromotoren erforderlich, die einen hohen Bauaufwand aufweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydrostatisches Getriebe einer Windkraftanlage zur Verfügung zu stellen, das hinsichtlich der Pumpen bzw. Motoren einen vereinfachten Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das hydrostatische Getriebe pumpenseitig mehrere hydrostatische Pumpen aufweist, wobei die Pumpen jeweils unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes, insbesondere einer Stirnradgetriebestufe, mit einer Rotorwelle der Windkraftanlage trieblich verbunden sind und/oder das hydrostatische Getriebe motorseitig mehrere hydrostatische Motoren aufweist, wobei die Motoren jeweils unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes, insbesondere einer Stirnradgetriebestufe, mit einer Generatorantriebswelle eines Generators der Windkraftanlage trieblich verbunden sind. Bei dem erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebe sind mehrere Pumpen, d. h. mindestens zwei Pumpen, und bevorzugt mehrere Motoren, d. h. mindesten zwei Motoren, vorgesehen, so dass die Last über mehrere Pumpen und mehrere hydrostatische Motoren, die mindestens einen Generator antreiben, aufgeteilt wird. Das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe weist hierdurch gegenüber bekannten mechanischen Getrieben, die die volle Leistung übertragen, eine verringerte Masse auf, wodurch ermöglicht wird, das Gesamtgewicht der Windkraftanlage durch eine leichtere Bauweise des Turmes der Windkraftanlage zu verringern. Der Antrieb der mehreren Pumpen jeweils unter Zwischenschaltung eines bevorzugt als Stirnradgetriebestufe ausgebildeten Untersetzungsgetriebes mit der Rotorwelle der Windkraftanlage ermöglicht es auf einfache Weise, dass die Windleistung bei geringem Bauaufwand von der Rotorwelle mit den mehreren hydrostatischen Pumpen abgenommen werden kann. Ein wesentlicher Vorteil des Antriebs der mehreren Pumpen über ein Untersetzungsgetriebe mit der Rotorwelle besteht darin, dass die Übersetzung des Getriebes an die Drehzahlen der Rotorwelle angepasst und die Übersetzung des Getriebes derart gewählt werden kann, dass die Pumpen für alle möglichen Rotordrehzahlen in einem Drehzahlbereich mit günstigem Wirkungsgrad betrieben werden. Mit einem bevorzugt als Stirnradgetriebestufe ausgebildeten Untersetzungsgetriebes wird zudem auf einfache Weise erzielt, die langsamen Drehzahlen der Rotorwelle ins Schnelle zu übersetzen, so dass übliche, aus der Mobilhydraulik bzw. Fahrzeughydraulik bekannte hydrostatische Pumpen, beispielsweise schnellaufende Pumpen, eingesetzt werden können, die gegenüber den speziellen langsamlaufenden Radialkolbenpumpen des Standes der Technik einen günstigen Bauaufwand aufweisen. Die gleichen Vorteile ergeben sich bei den Motoren, bei denen mit einem bevorzugt als Stirnradgetriebestufe ausgebildeten Untersetzungsgetriebes auf einfache Weise die Motordrehzahlen auf die erforderliche Generatordrehzahl angepasst werden kann, so dass als Motoren übliche, aus der Mobilhydraulik bzw. Fahrzeughydraulik bekannte hydrostatische Motoren eingesetzt werden können, die einen günstigen Bauaufwand aufweisen und in einem Drehzahlbereich mit günstigem Wirkungsgrad betrieben werden. Die Aufteilung der Gesamtleistung der Windkraftanlage auf eine ausreichende Anzahl von Pumpen und Motoren führt auch zu Vorteilen im Betrieb, da bei Ausfall eines einzelnen hydrostatischen Triebwerks eine entsprechende Redundanz an Triebwerken zur Verfügung steht und die Windkraftanlage weiter betrieben werden kann und lediglich eine geringe Verringerung des Windertrags auftritt.
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Das pumpenseitige Untersetzungsgetriebe zum Antrieb der Pumpen umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein zentrales Stirnrad, das mit der Rotorwelle drehfest verbunden ist, und mehrere Antriebsritzel zum Antrieb der Pumpen. An einem zentralen Stirnrad kann auf einfache Weise und mit geringem Bauaufwand mit entsprechenden Antriebsritzeln der Antrieb einer Mehrzahl von Pumpen erfolgen.
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Das motorseitige Untersetzungsgetriebe zum Antrieb des Generators umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein zentrales Stirnrad, das mit der Generatorantriebswelle des Generators drehfest verbunden ist, und jeweils motorseitige Abtriebsräder zum Antrieb des Stirnrads umfasst. An einem derartigen zentralen Stirnrad kann auf einfache Weise mittels mehrerer Motoren und entsprechender Abtriebsräder an den Motoren der Antrieb des Generators erfolgen.
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Das zentrale Stirnrad des pumpenseitigen Untersetzungsgetriebes bzw. das zentrale Stirnrad des motorseitigen Untersetzungsgetriebes weist bevorzugt eine Außenverzahnung und/oder eine Innenverzahnung auf. Es ist ebenfalls möglich, ein zentrales Stirnrad mit einer Außenverzahnung und ein zentrales Stirnrad mit einer Innenverzahnung vorzusehen, von denen die Mehrzahl der Pumpen angetrieben wird bzw. das von der Mehrzahl der Motoren angetrieben wird.
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Die Pumpen bzw. die Motoren können wahlweise an einer Seite oder an beiden Seiten des Untersetzungsgetriebes angeordnet sein. Hierdurch kann je nach vorhandenem Bauraum und Abmessungen der einzelnen Pumpentriebwerke bzw. Motortriebwerke eine günstige Anordnung und Verteilung der Triebwerke an dem entsprechenden Untersetzungsgetriebe erzielt werden und entsprechend der erforderlichen Gesamtleistung der Windkraftanlage und der Triebwerksgröße der Triebwerke eine angepasste und ausreichende Anzahl von Pumpen und Motoren untergebracht werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Pumpen an einem Pumpenträger befestigt sind, der an einem die Rotorwelle lagernden Lagergehäuse der Windkraftanlage mittels einer Drehmomentstütze abgestützt ist oder der fest mit dem Lagergehäuse der Windkraftanlage verbunden ist, und/oder die Motoren an einem Motorträger befestigt sind, der fest mit dem Lagergehäuse der Windkraftanlage verbunden ist. Die Befestigung der mehreren Pumpen an einem Pumpenträger, der an einem die Rotorwelle lagernden Lagergehäuse der Windkraftanlage abgestützt oder befestigt ist, ermöglicht es mit geringem Bauaufwand, mehrere Pumpen derart anzuordnen, dass diese über das Untersetzungsgetriebe von der Rotorwelle angetrieben werden können. Da bei der Erfindung die Pumpen nicht mehr direkt auf der Rotorwelle sitzen, wird in Verbindung mit dem Pumpenträger weiterhin die Montage der Pumpen vereinfacht und ermöglicht, dass eine defekte und ausgefallenen Pumpe mit geringem Montageaufwand ausgetauscht werden kann. Die gleichen Vorteile sind bei den Motoren erzielbar, wenn diese an einem entsprechenden Motorträger befestigt sind, der an dem Lagergehäuse befestigt ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Pumpenträger der Pumpen mittels einer Lagerung auf der Rotorwelle gelagert. Die Lagerung des die Pumpen tragenden Pumpenträgers, der an dem Lagergehäuse der Windkraftanlage mittels einer Drehmomentstütze abgestützt ist, mittels einer Lagerung auf der Rotorwelle führt zu weiteren Vorteilen, da mit einer derartigen Lagerung des Pumpenträgers auf der Rotorwelle auf einfache Weise bei einem fest mit der Rotorwelle verbundenen zentralen Stirnrad des Untersetzungsgetriebes die Durchbiegung der Rotorwelle aufgrund der Windlast und der Rotormasse und der dadurch bedingte Winkelversatz und Achsversatz in den Zahneingriffen des Untersetzungsgetriebes kompensiert werden kann, wodurch der Verschleiß und eine mögliche Gefahr eines Ausfalls des Untersetzungsgetriebes minimiert werden kann.
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Gemäß einer alternativen und vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zentrale Stirnrad des pumpenseitigen Untersetzungsgetriebes mittels einer drehmomentübertragenden Ausgleichkupplung, insbesondere einer Bolzenkupplung, mit der Rotorwelle verbunden und ist das zentrale Stirnrad in dem Lagergehäuse der Windkraftanlage drehbar gelagert. Als Bolzenkupplungen ausgebildete elastische Ausgleichskupplungen, bei denen das Drehmoment über Bolzen, die mit Elastomerpuffern versehen sind, übertragen wird, ermöglichen es mit geringem Bauaufwand, einen Wellenversatz der Rotorwelle auszugleichen. Mit einer derartigen Ausgleichskupplung, die die Rotorwelle mit dem zentralen Stirnrad des pumpenseitigen Untersetzungsgetriebes verbindet, wird somit auf einfache Weise ermöglicht, die Durchbiegung der Rotorwelle aufgrund der Windlast und der Rotormasse und den dadurch bedingte Winkelversatz und Achsversatz in den Zahneingriffen des Untersetzungsgetriebes zu kompensieren, wodurch der Verschleiß und eine mögliche Gefahr eines Ausfalls des Untersetzungsgetriebes minimiert werden kann. Das zentrale Stirnrad kann hierbei mit geringem Bauaufwand in dem Lagergehäuse der Windkraftanlage drehbar gelagert werden. Der Pumpenträger kann bei Verwendung einer derartigen, den Winkelversatz und Achsversatz ausgleichenden Ausgleichskupplung zum Antrieb des zentralen Stirnrades bei geringem Bauaufwand fest mit dem Lagergehäuse der Windkraftanlage verbunden werden.
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Hinsichtlich eines einfachen Aufbaus und einer einfachen Montage der hydrostatischen Triebwerke ergeben sich weitere Vorteile, wenn die Antriebsritzel der Pumpen bzw. die Abtriebsräder der Motoren über die Triebwelle des entsprechenden hydrostatischen Triebwerks und deren Lagerung in einem Triebwerksgehäuses des entsprechenden Triebwerks gelagert sind. Für die Lagerung der Antriebsritzel der Pumpen bzw. der Abtriebsräder der Motoren sind somit keine zusätzlichen Lager erforderlich und die Triebwerke können zusammen mit den Antriebsritzeln bzw. Abtriebsrädern auf einfache und schnelle Weise an dem Pumpenträger bzw. Motorträger montiert werden.
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Alternativ ist es möglich, die Antriebsritzel der Pumpen in dem Pumpenträger der Pumpen bzw. die Abtriebsräder der Motoren in dem Motorträger zu lagern. Hierdurch wird der Bauaufwand der Pumpen bzw. Motoren vereinfacht, da auf die Lager der Triebwerkswellen der pumpenseitigen bzw. motorseitigen hydrostatischen Triebwerke keine aus dem Zahneingriff des Untersetzungsgetriebes resultierenden Kräfte einwirken. Die Drehmomentverbindung zwischen dem Antriebsritzel und der entsprechenden Triebwelle der Pumpe bzw. dem Abtriebsrad und der entsprechenden Triebwelle des Motors kann hierbei über eine geeignete drehmomentübertragende Verbindung auf einfache Weise erfolgen.
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Bei einer beidseitigen Anordnung von mindestens zwei Pumpen an dem Untersetzungsgetriebe, wobei die beiden Pumpen mittels eines gemeinsamen Antriebsritzels angetrieben sind, ergeben sich für die Lagerung des Antriebsritzels und der Montage an dem Pumpenträger weitere Vorteile, wenn das Antriebsritzel gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung in dem Pumpenträger der Pumpen gelagert ist, das im Bereich des Antriebsritzels mit einer Teilung versehen ist. Das Antriebsritzel zum Antrieb der beiden Pumpen kann somit auf einfache Weise in einer Lagerung gelagert werden, die in dem geteilten Pumpenträger integriert ist.
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Die gleichen Vorteile sind bei einer beidseitigen Anordnung von mindestens zwei Motoren an dem Untersetzungsgetriebe erzielbar, wenn die beiden Motoren ein gemeinsames Abtriebsrad antreiben und das Abtriebsrad in dem Motorträger der Motoren gelagert ist, das im Bereich des Abtriebsrades mit einer Teilung versehen ist.
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Die Pumpen bzw. Motoren können wahlweise von mehreren Einzeltriebwerken oder von mindestens einem Doppeltriebwerk oder einer Kombination aus Einzeltriebwerken und Doppeltriebwerken gebildet sein. Hierdurch wird es auf einfache Weise ermöglicht, eine entsprechende an die Gesamtleistung der Windkraftanlage angepasste Anzahl von Pumpen und Motoren an dem entsprechenden pumpen- bzw. motorseitigen Untersetzungsgetriebe anzubringen.
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Hinsichtlich eines Doppeltriebwerks, das zwei Pumpen bzw. zwei Motoren umfasst, ergibt sich eine günstige Ausführung, wenn das Doppeltriebwerk in Back-to-Back-Anordnung ausgeführt ist. Bei einer Back-to-Back-Anordnung sind die beiden Triebwerke des Doppeltriebwerks mit den Steuerflächen aneinander anliegend angeordnet, so dass für die beiden Triebwerke des Doppeltriebswerkes eine gemeinsame Druckmittelzufuhr und Druckmittelabfuhr vorgesehen werden kann, die den Verschlauchungs- und Verrohrungsaufwand des hydrostatischen Getriebes verringert.
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Die Pumpen können als Konstantpumpen mit einem festen Fördervolumen oder als Verstellpumpen mit einem stufenlos verstellbaren Fördervolumen ausgebildet sein oder es kann eine Kombination aus Konstantpumpen und Verstellpumpen vorgesehen werden. Entsprechend können die Motoren als Konstantmotoren mit einem festen Schluckvolumen oder als Verstellmotoren mit einem stufenlos verstellbaren Schluckvolumen ausgebildet sein oder es kann eine Kombination aus Konstantmotoren und Verstellmotoren vorgesehen werden.
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Die Pumpen bzw. Motoren sind bevorzugt als Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise oder in Schrägachsenbauweise ausgebildet. Derartige Axialkolbenmaschinen stehen in Ausführungen als Konstantmaschinen und Verstellmaschinen als Pumpen und Motoren zur Verfügung und weisen günstige Anschaffungskosten auf. Alternativ ist eine Ausführung der Pumpen bzw. Motoren als Zahnradmaschinen oder Radialkolbenmaschinen, beispielsweise üblichen als Radantriebe von Fahrzeugen bekannte Radialkolbenmaschinen, möglich, die insbesondere in der Ausführung als Konstantpumpen bzw. Konstantmotoren günstige Anschaffungskosten aufweisen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Windkraftanlage mit einem stufenlosen hydrostatischen Getriebe nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes einer Windkraftanlage,
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2 einen Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Untersetzungsgetriebe der 1 und
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3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes hydrostatischen Getriebes 1 einer Windkraftanlage W dargestellt. Die Windkraftanlage W umfasst eine Rotorwelle 2, die mit einem Rotor WR, der von einer Rotorblätter 3 umfassenden Rotornabe 4 gebildet ist, drehfest verbunden ist. Die Rotorwelle 2 ist mittels Lagern 5, 6 in einem als Gondel ausgebildete Lagergehäuse 7 der Windkraftanlage W um eine Drehachse D drehbar gelagert. Das als Gondel ausgebildete Lagergehäuse 7 ist auf einem nicht näher dargestellten Turm der Windkraftanlage W aufgesetzt.
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Die Windkraftanlage W umfasst weiterhin mindestens einen elektrischen Generator 8, der die Windkraft in elektrische Energie umwandelt und diese in ein Stromnetz einspeist.
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Das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe 1 ist stufenlos verstellbar und weist – wie in Verbindung mit der 2 näher dargestellt ist, in der eine Draufsicht auf ein als Stirnradgetriebestufe SG ausgebildetes Untersetzungsgetriebe G zum Antrieb der Pumpen P1–P20 dargestellt ist – pumpenseitig eine Mehrzahl von mindestens zwei hydrostatischen Pumpen P1–P20 auf, die mit der Rotorwelle 2 der Windkraftanlage W trieblich verbunden sind und von der Rotorwelle 2 angetrieben werden. Die Pumpen P1–P20 stehen jeweils mittels eines als Stirnradgetriebestufe SG ausgebildeten Untersetzungsgetriebes G mit der Rotorwelle 2 in Verbindung.
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Motorseitig weist das hydrostatische Getriebe 1 mindestens einen hydrostatischen Motor M1, M2 auf, die von den hydrostatischen Pumpen P1–P20 mit Druckmittel angetrieben sind und die zum Antrieb des elektrischen Generators 8 mit dem elektrischen Generator 8 in trieblicher Verbindung stehen.
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Das als Stirnradgetriebestufe SG ausgebildete Untersetzungsgetriebe G zum Antrieb der Pumpen P1–P20 umfasst ein zentrales Stirnrad 10, das mit der Rotorwelle 2 drehfest und starr verbunden ist, und mehrere Antriebsritzel R1–R20 zum Antrieb der Pumpen P1–P20, die mit dem zentralen Stirnrad 10 in Eingriff stehen.
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Das zentrale Stirnrad 10 zum Antrieb der Antriebsritzel R1–R20 der Pumpen P1–P20 umfasst in dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Außenverzahnung, mit der die Antriebsritzel R1–R20 der Pumpen P1–P20 in Eingriff stehen. Die Pumpen P1–P20 sind hierbei auf einem gemeinsamen, konzentrisch zur Drehachse D angeordneten Teilkreis über den Umfang des zentralen Stirnrads 10 verteilt angeordnet, bevorzugt mit gleichem Teilungswinkel gleichmäßig verteilt angeordnet. Das als Stirnradgetriebestufe SG ausgebildete pumpenseitige Untersetzungsgetriebe G weist eine Übersetzung ins Schnelle auf, wobei die Übersetzung derart gewählt und an die Drehzahlen der Rotorwelle 2 angepasst ist, dass die Pumpen P1–P20 als übliche, aus der Mobilhydraulik bzw. Fahrzeughydraulik bekannte Pumpen, beispielsweise schnellaufende Pumpen, ausgebildet werden können und die Pumpen P1–P20 bei allen möglichen Drehzahlen der Rotorwelle 2 in einem Drehzahlbereich mit einem günstigen Wirkungsgrad arbeiten.
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Die Pumpen P1–P20 können als Einzeltriebwerke ET, als Doppeltriebwerke DT oder einer Kombination aus Einzeltriebwerken und Doppeltriebwerken ausgebildet sein. In der 1 ist die Pumpe P1 als Einzeltriebwerk ET und die Pumpe P11 als Doppeltriebwerk DT ausgebildet. Die Pumpe P1 und die in der 1 linke Pumpe des Doppeltriebwerks DT sind als Konstantmaschinen KM mit einem festen Fördervolumen ausgebildet. Die in der 1 rechte Pumpe des Doppeltriebwerks DT ist als Verstellmaschinen VM ausgebildet, deren Fördervolumen stufenlos verstellbar ist.
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Die beiden Pumpen des Doppeltriebwerks DT der Pumpe P11 sind an beiden Seiten der Stirnradgetriebestufe SG angeordnet und weisen zum Antrieb ein gemeinsames Antriebsritzel R11 auf.
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Die Pumpen P1–P20 sind an einem Pumpenträger 15 befestigt, der an dem die Rotorwelle 2 lagernden Lagergehäuse 7 der Windkraftanlage W mittels einer Drehmomentstütze 16 abgestützt ist.
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Der Pumpenträger 15 ist zur Befestigung der Pumpen P1–P20 mit entsprechenden Zentrierflanschen ZF versehen.
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Der Pumpenträger 15 der Pumpen P1–P20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel weiterhin mittels einer von Lagern 17, 18 gebildeten Lagerung auf der rotierenden Rotorwelle 2 gelagert.
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Die jeweiligen Pumpen P1–P20 bestehen jeweils aus einem Triebwerksgehäuse, das mittels des entsprechenden Zentrierflansches ZF an dem Pumpenträger 15 befestigt ist. In dem Triebwerksgehäuse der jeweiligen Pumpe P1–P20 ist jeweils eine Triebwelle TW mit einer entsprechenden rotierenden Triebwerksbaugruppe mittels einer entsprechenden Lagerung drehbar gelagert.
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Bei einer beidseitigen Anordnung von mindestens zwei Pumpen an dem Untersetzungsgetriebe G – wie bei dem Doppeltriebwerk DT der Pumpe P11 in der 1 – und einem Antrieb der beiden Pumpen des Doppeltriebwerks DT mittels eines gemeinsamen Antriebsritzels R11 ist das Antriebsritzel R11 bevorzugt in dem Pumpenträger 15 der Pumpen P1–P20 gelagert. Der Pumpenträger 15 ist hierzu mit einer Teilung 19 versehen, wobei in den beiden Teilen des Pumpenträgers 15 jeweils ein Lager zur Lagerung des Antriebsritzels R11 integriert ist und jeder Teil des geteilten Pumpenträgers 15 mit einem Zentrierflansch ZF zur Befestigung eines Triebwerks des Doppeltriebwerks DT versehen ist.
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An der Pumpe P1 ist weiterhin eine Kupplungseinrichtung K dargestellt, die zwischen der Triebwelle TW der Pumpe P1 und dem Antriebsritzel R1 angeordnet ist und mittels der die jeweilige Pumpe P1–P20 zum Antrieb mit dem zentralen Stirnrad 10 rotativ verbunden bzw. aus dem von dem Untersetzungsgetriebe G gebildeten Antriebsstrang rotativ getrennt werden kann. Selbstverständlich können an den restlichen Pumpen sowie den Motoren M1, M2 entsprechende Kupplungseinrichtungen angeordnet werden.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind zum Antrieb des Generators 8 mehrere, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Motoren M1, M2 vorgesehen, die über ein als Stirnradgetriebestufe SG ausgebildetes Untersetzungsgetriebe G den Generator 8 antreiben.
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Die jeweiligen Motoren M1, M2 bestehen jeweils aus einem Triebwerksgehäuse, in dem jeweils eine Triebwelle TW mit einer entsprechenden rotierenden Triebwerksbaugruppe mittels einer entsprechenden Lagerung drehbar gelagert ist.
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Die Triebwellen TW der beiden Motoren M1 und M2 sind hierzu jeweils mit einem Abtriebsrad A1, A2 versehen bzw. trieblich verbunden, das jeweils mit einem zentralen Stirnrad 20 in Eingriff steht, das mit einer Generatorantriebswelle 21 des Generators 8 drehfest verbunden ist. Das zentrale Stirnrad 20, das von den Abtriebsrädern A1, A2 der Motoren M1, M2 angetrieben ist, umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Außenverzahnung, mit der die Abtriebsräder A1, A2 der Motoren M1, M2 in Eingriff stehen. Es ist selbstverständlich möglich, analog zu der 2 mehr als die beiden dargestellten Motoren M1, M2 auf einem gemeinsamen, konzentrisch zur Generatorantriebwelle 21 angeordneten Teilkreis über den Umfang des zentralen Stirnrads 20 verteilt anzuordnen, bevorzugt mit gleichem Teilungswinkel gleichmäßig verteilt anzuordnen, um eine erhöhte Anzahl von Motoren vorzusehen.
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Das als Stirnradgetriebestufe SG ausgebildete motorseitige Untersetzungsgetriebe G weist bevorzugt eine Übersetzung ins Langsame auf, wobei die Übersetzung derart gewählt und an die Drehzahlen des Generators 8 angepasst ist, dass die Motoren M1, M2 bei allen möglichen Drehzahlen des Generators 2 in einem Drehzahlbereich mit einem günstigen Wirkungsgrad arbeiten.
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Die Motoren M1, M2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als Einzeltriebwerke ET ausgeführt. Der Motor M1 ist als Verstellmaschine VM ausgeführt, die im Schluckvolumen stufenlos verstellbar ist. Der Motor M2 ist als Konstantmaschine KM mit einem festen Schluckvolumen ausgebildet.
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In der 1 ist das hydrostatische Getriebe 1 im offenen Kreislauf ausgebildet, in dem die Pumpen P1–P20 mit einer Einlassseite mittels eines Ansaugkanals aus einem Behälter B ansaugen und mit einer Auslassseite jeweils in eine Förderleitung F1, F2 fördern, die in einer Parallelschaltung zu einem Sammelhochdruckkanal H zusammengeschlossen sind. An den Sammelhochdruckkanal H sind in einer Parallelschaltung die Motoren M1, M2 mit ihren Einlassseiten angeschlossen. Die Motoren M1, M2 stehen mit den Auslassseiten jeweils mit dem Behälter B in Verbindung.
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Jede Pumpe P1–P20 ist mittels eines in der entsprechenden Förderleitung F1, F2 angeordneten Sperrventils SV, beispielsweise eines in Richtung zur entsprechenden Pumpe P1–P20 sperrenden Rückschlagventils, an den Sammelhochdruckkanal H angeschlossen.
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In der 1 ist weiterhin ein Bremsventil 25 dargestellt, das in dem Sammelhochdruckkanal H angeordnet ist und mittels dem über die Pumpen P1–P20 die Rotorwelle 2 und somit der Rotor R der Windkraftanlage W abgebremst werden kann. Das Bremsventil 25 weist eine Sperrstellung und eine Durchflussstellung auf und ist bevorzugt als in Zwischenstellungen drosselndes Proportionalventil ausgebildet. Das Bremsventil 25 ist mittels einer elektrischen Betätigungseinrichtung 26, beispielsweise einem Proportionalmagneten, elektrisch ansteuerbar und betätigbar. Alternativ kann das Bremsventil 25 elektro-hydraulisch vorgesteuert sein. In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist das Bremsventil 25 von einer Feder in Richtung der Sperrstellung betätigbar und wird bei einer elektrischen Ansteuerung der Betätigungseinrichtung 26 in Richtung der Durchflussstellung betätigt.
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Die als Verstellmaschinen VM ausgebildeten Pumpen P bzw. Motoren M sind bevorzugt elektrisch bzw. elektro-hydraulisch im Fördervolumen bzw. im Schluckvolumen verstellbar. Zur Ansteuerung der als Verstellmaschinen VM ausgebildeten Pumpen P bzw. Motoren M ist eine elektronische Steuereinrichtung 70 vorgesehen, die eingangsseitig mit einer nicht näher dargestellten Sensoreinrichtung zur Erfassung der aktuellen Windlast an dem Rotor WR in Verbindung steht, um die Pumpen bzw. Motoren in Abhängigkeit von der Windlast zu steuern.
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Die elektronische Steuereinrichtung 70 dient weiterhin zur Ansteuerung der Kupplungseinrichtungen K und des Bremsventils 25.
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In der 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Bei der 3 ist – anstelle der Abstützung des Pumpenträgers 15 an dem Lagergehäuse 7 mittels der Drehmomentstütze 16 und der Lagerung des Pumpenträgers 15 auf der Rotorwelle 2 sowie der starren Verbindung des zentralen Stirnrades 10 mit der Rotorwelle 2 gemäß der 1 – das zentrale Stirnrad 10 des pumpenseitigen Untersetzungsgetriebes SG mittels einer drehmomentübertragenden Ausgleichkupplung 80, beispielsweise einer Bolzenkupplung 81, mit der Rotorwelle 2 verbunden und ist das zentrale Stirnrad 10 mittels einer Lagerung 82 in dem Lagergehäuse 7 der Windkraftanlage W drehbar gelagert. Der Pumpenträger 15, an dem die Pumpe P1–P20 gemäß der 2 angeordnet sind, ist in der 3 fest mit dem Lagergehäuse 7 der Windkraftanlage W verbunden und an dem Lagergehäuse 7 befestigt.
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In der 3 sind die Pumpe P1 und die Pumpe P11 jeweils als Einzeltriebwerk ET ausgebildet, die jeweils mit einer Kupplungseinrichtung K versehen sind.
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Das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe 1 einer Windkraftanlage W weist eine Reihe von Vorteilen auf.
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Durch die Verwendung von mehreren Pumpen P1–P20 und Motoren M1, M2 ergibt sich als wesentlicher Vorteil, dass die Last auf mehrere einzelne Pumpen P1–P20 und Motoren M1, M2 aufgeteilt wird und insbesondere an den als Stirnradgetrieben SG ausgebildeten Untersetzungsgetrieben G die Last auf mehrere Antriebsritzel R1–R20 bzw. Abtriebsräder A1, A2 und somit mehrere Zahneingriffe aufgeteilt wird. Die einzelnen von den Antriebsritzeln R1–R20 und den Pumpen P1–P20 sowie den Abtriebsrädern A1, A2 und den Motoren M1, M2 gebildeten Antriebselemente können in der Summe deutlich leichter ausgeführt werden als ein einzelnes mechanisches Getriebe einer Windkraftanlage des Standes der Technik, welches die volle Leistung überträgt. Diese Gewichtsverringerung in der Gondel der Windkraftanlage ermöglicht es weiterhin, den die Gondel tragenden Turm entsprechend in der tragenden Struktur zu vereinfachen und im Gewicht zu verringern.
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Das pumpenseitige Untersetzungsgetriebe G sowie das motorseitige Untersetzungsgetriebe G ermöglicht es, handelsübliche, aus der Mobilhydraulik bzw. der Fahrzeughydraulik bekannte Pumpen P1–P20 und Motoren M1, M2 zu verwenden, die einen einfachen Aufbau und günstige Herstellungskosten aufweisen.
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Zudem können einzelne Pumpen P1–P20 bzw. Motoren M1, M2 im Schadensfall auf einfache Weise und mit geringem Montageaufwand ausgetauscht werden.
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Mit der Lagerung 17, 18 des die Pumpen P1–P20 tragenden Pumpenträgers 15 auf der Rotorwelle 2 gemäß der 1 bzw. der Verwendung einer Ausgleichskupplung 80 gemäß der 3 kann der durch die Durchbiegung der Rotorwelle 2 aufgrund der Windlast und der Rotormasse herrührende Achsversatz und der Winkelversatz zwischen den Antriebsritzeln R1–R20 und dem zentralen Stirnrad 10 kompensiert werden und der Verschleiß sowie die Belastungen des pumpenseitigen Untersetzungsgetriebes G minimiert werden.
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Mittels der Kupplungseinrichtungen K können abgeschaltete Pumpen P antriebsseitig von dem zentralen Stirnrad 10 entkoppelt werden und somit aus dem Antriebsstrang genommen werden, wodurch die Leerlaufverluste von abgeschalteten und im Kurzschlussbetrieb betriebenen und somit leistungsfrei mitdrehenden Pumpen P verhindert werden.
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Sofern Kupplungseinrichtungen K an den Pumpen P1–P20 und an den Motoren M1, M2 vorgesehen sind, wird weiterhin ermöglicht, defekte Pumpen P1–P20 bzw. defekte Motoren M1, M2, beispielsweise blockierende Pumpen oder blockierende Motoren, aus dem Antriebsstrang zu entkoppeln, so dass bei einem Ausfall einzelner Pumpen P1–P20 oder einzelner Motoren M1, M2 die Windkraftanlage W mit den intakten und funktionsfähigen Pumpen P1–P20 und Motoren M1, M2 unterbrechungsfrei weiterbetrieben werden kann.
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Bevorzugt kommen hierzu pumpenseitig schaltbare Kupplungen, insbesondere Lamellenkupplungen, oder Rutschkupplungen zum Einsatz.
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Motorseitig kommen hierzu bevorzugt schaltbare Kupplungen, insbesondere Lamellenkupplungen, oder Freilaufkupplungen zum Einsatz. Freilaufkupplungen haben den Vorteil, dass ein Motor, der nicht gewollt durch einen Förderstrom der Pumpe bzw. die Pumpen angetrieben ist, stehen bliebt. Gleiches gilt für einen defekten Motor.
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Durch die Verwendung von mehreren Pumpen P und mehreren Motoren M führt der Ausfall einer einzelnen Pumpe bzw. eines einzelnen Motors lediglich zu einer geringen Verringerung des Windertrags. Die Windkraftanlage W kann auch beim Ausfall einzelner Pumpen bzw. Motoren weiterbetrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/073280 A1 [0009]
- DE 102009033272 B4 [0009, 0009]
