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Die Erfindung betrifft einen Triebstrang für eine Windturbine, wobei die Windturbine einen Turm, ein auf dem Turm drehbar gelagertes Maschinenhaus, ein im Maschinenhaus anordenbaren Triebstrang und einen auf dem Triebstrang anordenbaren und den Triebstrang antreibenden Rotor umfasst. Der Triebstrang umfasst ein hoch übersetztes Getriebe und einen Hochfrequenzgenerator. Die Windturbine umfasst einen Turm, ein auf dem Turm drehbar gelagertes Maschinenhaus, ein im Maschinenhaus anordenbaren Triebstrang und einen auf dem Triebstrang anordenbaren und dem Triebstrang antreibenden Rotor umfasst.
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In bekannten Windturbinen werden meistens 4-Polige bis 20-Polige Generatoren mit einem Arbeitsbereich zwischen 50 und 60 Hz, entsprechend der Netzfrequenz, verbaut. Die Windenergie die den Rotor antreibt wird über ein Getriebe an den Generator weitergeleitet. Zwischen Generator und Getriebe wird meistens eine Kupplung angeordnet um Fluchtungsfehler zwischen Getriebe und Generator ausgleichen zu können, Das Getriebe umfasst eine bis drei Stufen und weist normalerweise eine Übersetzung zwischen ca. 1:10 und 1:120 auf.
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Ein solches Getriebe wird beispielsweise in der
DE 19917605 A1 gezeigt. Hierbei handelt es sich um ein Aufsteckgetriebe für eine Windturbine. Das Aufsteckgetriebe umfasst eine mehrstufige Planetengetriebeanordnung und einer Stirnradstufe zum Abtrieb in einen Generator.
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In der
WO 2012050514 A1 wird ein weiteres Getriebe für eine Windturbine gezeigt. Das Getriebe umfasst schrägverzahnte Zahnräder zum Reduzieren der axialen Kräfte im Getriebe.
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Nachteilig bei den bekannten Windturbinen mit einer Leistung über 500 kW ist, dass der Generator des Triebstrangs bei hohen Leistungen groß wird und dadurch ein hohes Gewicht aufweist, was den Transport und die Montage des Triebstrangs erschwert. Der derzeitige Entwicklungstrend geht auch in Richtung getriebelose Windturbinen. Diese haben eine Polpaarzahl von bis zu 36 und können somit mit der Drehzahl des Rotors betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass auf ein Getriebe verzichtet werden kann. Allerdings muss durch die hohe Polzahl des Generators einen stark erhöhten Generatordurchmesser und Gewicht des Generators in kauf genommen werden.
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Die naheliegende Lösung, um das Gewicht der Windturbine zu Reduzieren, wäre entweder die Komponenten des Triebstrangs in Leichtbauweise auszuführen oder die überhöhten Anforderungen an die Komponenten zu reduzieren. Dies hat aber den Nachteil, dass die Anforderungen an Sicherheit und Lebensdauer reduziert werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Triebstrang anzugeben, welcher unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll dabei ein gewichtsoptimierter Triebstrang angegeben werden, ohne dass dabei die Sicherheit und/oder die Zuverlässigkeit des Triebstrangs beeinträchtigt wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem der Triebstrang, entgegen den derzeitigen Entwicklungstrend, ein hoch übersetztes Getriebe und ein Generator, der für hohe Frequenzen ausgelegt ist, umfasst. Das Getriebe weist dabei eine Übersetzung zwischen 1:200 und 1:5000 auf. Vorteilhafterweise liegt das Übersetzungsverhältnis in dem Bereich 1:300 bis 1:1000. Durch die höhere Übersetzung dreht sich der von dem Wind über das Getriebe angetriebene Generator schneller als bei bekannten Windturbinen, somit erhöht sich auch die Frequenz des Generators proportional zu der Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes. Die Generatorfrequenz liegt dabei im Bereich 100 Hz bis 5000 Hz, vorteilhafterweise zwischen 200 Hz bis 1000 Hz.
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Die mechanische Leistung des Generators ist proportional abhängig vom Produkt aus Moment und Drehzahl, somit kann durch eine Erhöhung der Drehzahl das Moment des Generators, bei gleichbleibender mechanischer Leistung, reduziert werden. Das Moment des Generators ist seinerseits proportional abhängig zum Außendurchmesser und der Länge des leitenden Materials des Generatorrotors, somit kann der Außendurchmesser und/oder die Länge des leitenden Materials des Generatorrotors reduziert werden, so dass die Größe und das Gewicht des Generators deutlich reduziert wird. Bei einer Erhöhung der Frequenz um einen Faktor 10, zum Beispiel von 50 Hz auf 500 Hz, reduziert sich die Größe des Generators im Wesentlichen um denselben Faktor.
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Es kann entweder ein permanenterregter oder fremderregter Generator eingesetzt werden. Da die mögliche Größen- und Gewichtsreduzierung des magnetischen Materials im permanenterregten Generator höher ist als bei dem fremderregten, wird vorteilhafterweise ein permanenterregter Generator gewählt.
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Das Trägheitsmoment, das proportional zum Gewicht und zum Durchmesser der Getriebestufen und des Generators ist, wird auch reduziert, wodurch sich das dynamische Verhalten des Triebstrangs deutlich verbessert.
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Die hohe Übersetzung des Getriebes kann durch eine bessere Ausnutzung der existierenden Getriebestufen durch wählen einer höheren Übersetzung erreicht werden. Vorteilhafterweise wird aber eine zusätzliche Getriebestufe mit einer höheren Übersetzung eingebaut, so dass sich z. B. aus einem ursprünglichen dreistufigen Getriebe ein vierstufiges ergibt. Die ersten drei Stufen können dabei mit herkömmlichen Getrieben für Windturbinen realisiert werden. Diese bekannten Getriebe können verschiedene Stufenkombinationen aufweisen, wie zum Beispiel eine Planetengetriebestufe und mehrere Stirnradgetriebestufen oder eine Stirnradgetriebestufe und mehrere Planetengetriebestufen. Selbstverständlich können die bekannten Getriebe auch ausschließlich Stirnradgetriebestufen oder Planetengetriebestufen aufweisen.
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Das Planetengetriebe umfasst ein zentrales Sonnenrad, mehrere um das Sonnenrad laufende, an einem Planetenradträger angeordnete und mit dem Sonnenrad in Eingriff stehende Planetenräder und ein ringförmig ausgebildetes und mit den Planetenrädern in Eingriff stehendes Hohlrad. Die Planetengetriebe können entweder eine Standübersetzung oder eine Umlaufübersetzung aufweisen. Bei der Standübersetzung wird der Planetenradträger festgehalten und Sonnenrad und Hohlrad drehen sich. Bei der Umlaufübersetzung wird entweder Hohlrad oder Sonnenrad festgehalten und der Planetenradträger und das nicht festgehaltene Hohl- oder Sonnenrad drehen sich. Abhängig von der zu lösenden Aufgabe und die gewünschte Getriebeübersetzung wird bestimmt welches der drehenden Räder als Eingangswelle und Ausgangswelle gewählt wird. Die in dem Getriebe eingebauten Planetengetriebe können daher in jeder passenden Kombination der oben genannten Ausführungen ausgebildet sein.
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Die zusätzliche Getriebestufe kann als Planetenstufe oder Stirnradstufe ausgebildet sein, vorteilhafterweise wird sie aber als an der Ausgangswelle des herkömmlichen Getriebe angeordnetes Stirnradgetriebe ausgebildet. Vorteilhafterweise wird das Stirnradgetriebe mit einer Schrägverzahnung ausgelegt da diese eine geringe Geräuschentwicklung und eine hohe Lebensdauer aufweist. In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird das Stirnradgetriebe mit einer Doppelschrägverzahnung ausgelegt, bei der keine resultierenden Axialkräfte zurückbleiben. Alternativ kann auch ein schräg verzahntes Getriebe mit Druckkämmen ausgestattet werden, wobei die durch die Schrägverzahnung auftretenden Axialkräfte von den Druckkämmen aufgenommen werden. Die Druckkämme bestehen aus axialen Abstützungen die an einem und/oder mehreren der Zahnräder des schräg verzahnten Getriebes angeordnet werden, so dass sich die in Eingriff stehenden Zahnräder in axialer Richtung gegenseitig abstützen können. Somit sinken die Anforderungen an die Lager der zusätzlichen Getriebestufe da diese nur noch radiale Kräfte aufnehmen müssen.
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Da die Geräuschentwicklung des Getriebes und des Generators bei überhöhten Drehzahlen steigt und Windturbinen hohe Anforderungen an Geräuschentwicklung gerecht werden müssen, würde der Fachmann im Bereich Windturbinen nie auf der Idee kommen ein Getriebe mit hoher Übersetzung einzubauen. Durch überwinden dieses technischen Vorurteils hat sich aber gezeigt, dass die Vorteile eines hoch übersetzten Getriebes überwiegen.
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Durch die Gewichts- und Größenreduzierung lässt sich der Generator direkt an dem Getriebe anflanschen und kann von dem Getriebe komplett getragen werden. Somit kann die direkte Verbindung zwischen Generator und Hauptrahmen entfallen, was zu einem besseren dynamischen Verhalten bezüglich translatorischen und rotatorischen Triebstrangschwingungsmoden führt. Außerdem kann eventuell auf die Kupplung zwischen Generator und Getriebe verzichtet werden, da diese sich nicht mehr im Verhältnis zueinander bewegen können. Weiterhin werden Wartung und Austausch des Generators erleichtert, da die Handhabung des Generators in dem Maschinenhaus vereinfacht wird.
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Da die Verbindung zwischen Generator und Maschinenträger entfällt kann auch die Größe des Maschinenträgers sowie das Maschinenhauses reduziert werden, was zusätzlich Kosten und Gewicht spart.
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Der von dem Generator erzeugte hochfrequente Strom wird von einem Umrichter auf die Netzfrequenz umgewandelt. Dies hat den Vorteil, dass derselbe Triebstrang für 50 Hz und 60 Hz Netze verwendet werden kann. Der von dem Generator erzeugte Strom wird dabei von dem Umrichter an die erforderliche Netzfrequenz umgewandelt. Somit können Entwicklungs- und Herstellungskosten für eine Ausführungsform des Triebstrangs eingespart werden. Der Umrichter ist vorteilhafterweise als Vollumrichter ausgelegt und kann entweder in der Windturbine integriert oder auch zentral für den ganzen Windpark angeordnet sein.
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Der erfindungsgemäße Triebstrang zeichnet sich dadurch aus, dass der Triebstrang für Windturbinen mit mindestens 500 kW Leistung eingesetzt wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
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In den Zeichnungen zeigt
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1 Eine Windturbine
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2 Einen bekannten Triebstrang für eine Windturbine
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3 Den erfindungsgemäßen Triebstrang für eine Windturbine
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In 1 ist eine Windturbine 4 mit einem Turm 5, ein auf dem Turm 5 drehbar gelagertes Maschinenhaus 6 und ein Rotor 7 mit einer Nabe 8, drei um jeweils eine Blattachse 9 drehbar an der Nabe 8 gelagerten Rotorblätter 10 und ein zwischen Nabe 8 und Rotorblatt 10 montiertes Lager dargestellt. Der Rotor 7 ist über eine Rotorwelle 11 mit einem in dem Maschinenhaus 6 angeordneten Triebstrang 1 verbunden.
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2 zeigt den Triebstrang einer herkömmlichen Windturbine 4. Der Triebstrang 1 umfasst ein Getriebe 2, hier als dreistufiges Planetengetriebe 14 ausgelegt, und einen Generator 3. Der Rotor 7 treibt die mit dem Getriebe 2 verbundenen Rotorwelle 11 an, in dem Getriebe 2 wird die eingehende Drehzahl übersetzt, so dass die Drehzahl der Ausgangswelle 12 im Verhältnis zu der Rotorwelle 11 erhöht wird. Die Drehung des Rotors 7 wird in dieser Ausführung über die Rotorwelle 11 an den Planetenradträger 20 geleitet. Das Hohlrad wird festgehalten, so dass die an dem Planetenradträger 20 drehbar angeordneten und mit dem Hohlrad in Eingriff stehenden Planetenräder 18 bei einer Drehung des Rotors 7 über die Verzahnung des Hohlrads 17 klettern. Die Planetenräder 18 drehen sich somit um ihren eigenen Achsen und treiben dadurch das Sonnenrad 19 an. Über die mit dem Sonnenrad 19 verbundene Ausgangswelle 12 wird die Drehung des Rotors an dem nächsten Planetengetriebe 14 weitergeleitet. Durch das Übersetzungsverhältnis zwischen Hohlrad 17, Planetenrad 18 und Sonnenrad 19 erhöht sich die Drehzahl der Ausgangswelle 12 im Verhältnis zu der Rotorwelle 11. Die Übersetzung des Planetengetriebes 14 kann durch ändern des mit der Rotorwelle 11 verbundenen Zahnrades, des Festgehaltenen Zahnrades und des mit der Ausgangswelle 12 verbundenen Zahnrades variiert werden. Die Auswahl wird dabei aus entweder Hohlrad 17, Planetenradträger 20 oder Sonnenrad 19 getroffen. Das Getriebe 2 hat eine Übersetzung von bis zu 1:120, sodass die Drehzahl eines zweipoligen Generators 3 bei einem 50 Hz Netz auf im Wesentlichen 1500 Umdrehungen pro Minute liegt. Bei Generatoren mit höheren Polzahlen sinkt die Drehzahl proportional zu der Polzahl. Die Ausgangswelle 12 verbindet das Getriebe 2 mit dem Generator 3. Bei den verhältnismäßig geringen Drehzahlen wird ein hohes Moment benötigt um die gewünschte mechanische Leistung abzugeben. Da das Moment abhängig von dem Außendurchmesser und der Länge des leitenden Materials des Generatorrotors ist, muss der Generator 3 entsprechend groß ausgelegt werden. Dies hat zur Folge, dass der Generator aufgrund der Größe und des Gewichts direkt auf dem Maschinenträger 13 angeordnet werden muss. Da das Getriebe 2 und der Generator 3 beide auf dem Maschinenträger 13 angeordnet sind, kann es zu Fluchtungsfehlern zwischen den beiden Komponenten kommen. Um die Fluchtungsfehler zu kompensieren, ist die Ausgangswelle 12 des Getriebes 2 mit einer Kupplung 16 versehen, welche aber bei mangelnder Ausrichtung des Generators 3 sehr anfällig sein kann.
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3 zeigt den erfindungsgemäßen Triebstrang 1 für eine Windturbine 4. Der Triebstrang 1 umfasst hier ein viergängiges Getriebe 2, wobei die ersten drei Stufen als Planetengetrieben 14 und die vierte Stufe durch ein an der Ausgangswelle 12 des Planetengetriebes 14 angeordnetes Stirnradgetriebes 15 realisiert werden. Von der Ausgangswelle 12 des Planetengetriebes 14 wird die Drehung über das Stirnradgetriebe 15 an den Generator 3 weitergeleitet. Dank das zusätzliche Stirnradgetriebe 15 kann die Übersetzung des Getriebes 2 auf bis zu 1:5000 erhöht werden, vorteilhafterweise liegt die Übersetzung aber im Bereich 1:300 bis 1:1000. Durch die höhere Übersetzung erhöht sich die Drehzahl des Generators 3, so dass das Moment des Generators 3 im Verhältnis zu herkömmlichen Windturbinen 4 deutlich reduziert werden kann. Somit reduzieren sich auch die Größe und das Gewicht des Generators 3. Durch die Größen- und Gewichtsreduzierung kann der Generator 3 direkt an der Ausgangswelle 12 des Getriebes 2 angeflanscht werden, somit entfällt die Verbindung zwischen Generator 3 und Maschinenträger 13. Durch die direkte Anbindung des Generators 3 an dem Getriebe 2 kann auf eine Kupplung 16 zwischen Getriebe 2 und Generator 3 verzichtet werden, da keine Relativbewegung zwischen Getriebe 2 und Generator 3 erfolgen kann. Dies verbessert das dynamische Verhalten des Triebstrangs 1 bezüglich translatorischen und rotatorischen Triebstrangschwingungsmoden. Durch die Größenreduzierung des Generators 3 und den verzicht auf die Kupplung reduziert sich der Bauraum des Triebstrangs 1 deutlich, somit kann durch verkleinern des Maschinenträgers 13 zusätzlich Gewichts und Kosten reduziert werden.
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Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebstrang
- 2
- Getriebe
- 3
- Generator
- 4
- Windturbine
- 5
- Turm
- 6
- Maschinenhaus
- 7
- Rotor
- 8
- Nabe
- 9
- Blattachse
- 10
- Rotorblatt
- 11
- Rotorwelle
- 12
- Ausgangswelle
- 13
- Maschinenträger
- 14
- Planetengetriebe
- 15
- Stirnradgetriebe
- 16
- Kupplung
- 17
- Hohlrad
- 18
- Planetenrad
- 19
- Sonnenrad
- 20
- Planetenradträger
