-
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem bezüglich eines Stators drehbar gelagerten Rotor mit zumindest einem ersten und einem zweiten Rotorteil, wobei der erste Rotorteil zumindest mittels eines ersten Lagers und der zweite Rotorteil zumindest mittels eines zweiten Lagers am Stator befestigt sind.
-
Windkraftanlagen besitzen üblicherweise einen Mast für einen drehbar gelagerten Rotor. Es kann zwischen Windkraftanlagen mit einer vertikalen oder horizontalen Drehachse des Rotors unterschieden werden. Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse weisen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad auf. Hingegen weisen Windkraftanlagen mit einer vertikalen Drehachse den Vorteil auf, dass eine Ausrichtung zur Windrichtung nicht erforderlich ist, und daher der bei Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse erforderliche Aufwand zur Nachführung in Windrichtung entfällt. Insbesondere für Kleinwindkraftanlagen, welche für eine dezentrale Stromerzeugung eine wichtige Rolle spielen, bieten sich daher aufgrund der geringeren Komplexität Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse an. Die Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse sind häufig kleine Anlagen, die von Privatverbrauchern benutzt werden.
-
Die Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse weisen im Allgemeinen den Nachteil auf, dass durch Windkräfte Biegemomente im Mast auftreten können, die den ordnungsgemäßen Betrieb der Windkraftanlage zu stören vermögen. Ferner können durch Temperaturschwankungen Wärmedehnungen der Bauteile auftreten, was eine Verspannung im Antriebsstrang der Windkraftanlage verursachen kann. Infolgedessen kann eine einwandfreie Funktionsfähigkeit der Windkraftanlage beeinträchtigt werden. Außerdem sind die Bauteile bedingt durch Fertigung und Montage spielbehaftet, was sich auch negativ auf den Betrieb der Windkraftanlage auswirken kann.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung des Rotors vorzuschlagen, bei der eine Verspannung des Antriebsstranges durch Wärmedehnung verhindert wird, und bei der ein durch Fertigung und Montage bedingtes Spiel sowie Fluchtfehler der Bauteile und im Betrieb auftretende Biegemomente kompensiert werden.
-
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch der Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche sowie der Ausführungsbeispiele.
-
Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage umfasst einen bezüglich eines Stators drehbar gelagerten Rotor mit zumindest einem ersten und einem zweiten Rotorteil, wobei der erste Rotorteil zumindest mittels eines ersten Lagers und der zweite Rotorteil zumindest mittels eines zweiten Lagers am Stator befestigt sind. Der erste und der zweite Rotorteil sind mittels mindestens eines flexibel ausgebildeten Ausgleichselementes miteinander verbunden zum Ausgleichen von einem Winkelversatz, axialen Kräften und Biegemomenten zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil. Das Ausgleichselement ist als eine einen Radialabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil überbrückende Membran ausgebildet. Weiterhin ist das Ausgleichselement drehstarr zum Übertragen eines Drehmoments zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil. Das Ausgleichselement weist mindestens eine Ausnehmung zum Einstellen der Flexibilität des Ausgleichselements auf.
-
Das flexible Ausgleichselement ist derart biegeweich und/oder biegeelastisch, dass keine Biegemomente zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil übertragen werden können. Weiterhin können über das flexible Ausgleichselement keine axialen Kräfte übertragen werden. Die Verhinderung der axialen Kraft- und der Biegemomentübertragung zwischen den beiden Rotorteilen wird ebenfalls durch eine im Wesentlichen radiale Erstreckung des flexiblen Ausgleichselements zwischen den beiden Rotorteilen sichergestellt. Durch die drehstarre Ausbildung des Ausgleichselements können Drehmomente zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil übertragen werden.
-
Aufgrund der Lagerung des Rotors mittels des ersten und des zweiten Lagers werden Windkräfte und das Gewicht des Rotors an zwei Stellen am Stator aufgenommen. Dies führt zu einer verringerten lokalen Lagerbelastung. Folglich sinkt eine Lagerreibung, wodurch sich das Anlaufmoment des Rotors verringert. Die Windkraftanlage arbeitet somit effizienter.
-
Durch die Kombination aus dem Ausgleichselement und den beiden Lagern können somit im Betrieb auftretende Biegemomente und durch Temperaturunterschiede hervorgerufene axiale Längenänderungen der beiden Rotorteile kompensiert werden. Ferner können ungünstige Einbausituationen, Schräglagen und Fertigungstoleranzen der verwendeten Bauteile ausgeglichen werden. Außerdem lässt die Flexibilität des Ausgleichselementes einen gewissen Grad von Fehlmontage zwischen der Lagerung des ersten Rotorteils und des zweiten Rotorteils zu.
-
Bevorzugt sind Rotorblätter des Rotors am ersten Rotorteil befestigt. In einer anderen Ausführungsform sind die Rotorblätter am zweiten Rotorteil montiert.
-
Zwischen dem ersten Rotorteil und dem zweiten Rotorteil können mehrere Ausgleichselemente axial übereinander anbringbar sein. Hierdurch kann eine Flexibilität oder eine Steifigkeit der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil eingestellt werden. Falls mehrere Ausgleichselemente vorgesehen sind, können sie unterschiedliche Federstärken aufweisen, wodurch die Steifigkeit oder die Flexibilität der Verbindung weiter eingestellt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform können bei einer bereits montierten Windkraftanlage nachträglich Ausgleichselemente angebracht werden, um die Flexibilität oder die Steifigkeit der Verbindung zu vermindern oder zu erhöhen. Das Ausgleichselement kann aus zumindest zwei Teilen bestehen, um eine nachträgliche Montage zu erleichtern. Die zumindest zwei Teile des Ausgleichselements werden zur Montage bevorzugt zwischen die Rotorteile gesteckt. Die zumindest zwei Teile des Ausgleichselements können weiterhin miteinander verbindbar sein.
-
Statt oder neben einer Variation der Federstärke des Ausgleichselements kann das Ausgleichselement auch mehrere Ausnehmungen aufweisen, um die Flexibilität einzustellen. Die Anzahl und Größe der Ausnehmungen können hierbei beliebig variiert werden. Die Ausnehmungen können bei Bedarf auch nachträglich bei einer bereits montierten Windkraftanlage in das Ausgleichselement angebracht werden. Das Ausgleichselement ist bevorzugt durch Schraubverbindungen oder Bolzen an den beiden Rotorteilen befestigt. Alternativ kann das Ausgleichselement durch Schweißen, Kleben oder Löten an den Rotorteilen befestigt sein. Das Ausgleichselement kann eine Kreisringscheibe umfassen, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil eingespannt ist. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Ausgleichselement zumindest bereichsweise aus Stahlblech und/oder Federblech. Das Ausgleichselement kann auch bereichsweise als Vlies, Matte oder Netz ausgeführt sein. In diesem Falle kann das Ausgleichselement beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sein.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das erste Lager ein erstes Festlager und das zweite Lager ein zweites Festlager ist. Der erste Rotorteil kann hängend an dem ersten Lager gelagert sein. Die hängende Lagerung hat eine besonders gute Stabilität des ersten Rotorteils während des Betriebs der Windkraftanlage zur Folge. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Lager schwenkbar zu einer Längsachse des Stators ausgeführt ist. Bevorzugt umfasst das erste Lager ein Schrägkugellager oder ein Pendelrollenlager. Hierdurch können Biegemomente und Winkelversätze zwischen den Bauteilen noch besser ausgeglichen werden. Das erste Lager kann auch eine andere Art von Wälzlager oder ein Gleitlager aufweisen.
-
Ferner kann der zweite Rotorteil zusätzlich mittels zumindest eines dritten Lagers am Stator befestigt sein. Das dritte Lager kann ein Loslager sein, welches in bevorzugter Weise in einem ersten axialen Ende des zweiten Rotorteils angeordnet ist. Das zweite Festlager ist bevorzugt in einem zweiten gegenüberliegenden axialen Ende des zweiten Rotorteils angeordnet. Mittels der beschriebenen Fest-Loslagerung des zweiten Rotorteils können insbesondere axiale Kräfte im zweiten Roturteil ausgeglichen werden. Das zweite Lager und/oder das dritte Lager können ein Wälz- oder ein Gleitlager sein. Der zweite Rotorteil ist weiterhin bevorzugt unterhalb des ersten Rotorteils angeordnet.
-
Zum Umwandeln von Rotationsenergie des Rotors in elektrische oder mechanische Energie kann ein Generator oder ein Getriebe am Stator angeordnet sein. Bevorzugt ist der Generator oder das Getriebe in Bodennähe angeordnet, sodass Reparatur- und Wartungsarbeiten einfach durchgeführt werden können. Weiterhin liegt dann der Schwerpunkt der Windkraftanlage niedriger, was eine Stabilität der Windkraftanlage erhöht. In einer weiteren Ausführungsform ist ein vertikaler Abstand zwischen dem Generator oder dem Getriebe und dem ersten oder dem zweiten Rotorteil konstant. Dies kann durch die Entkopplung des Generators oder des Getriebes von den Biegemomenten und axialen Kräften mittels des Ausgleichselements und der Lager gewährleistet werden. Der Generator kann in einer weiteren Ausführungsform ein Ringgenerator sein. Weiterhin kann ein vertikaler Generatorluftspalt des Ringgenerators einen konstanten vorbestimmten Wert aufweisen.
-
In bevorzugter Weise umfasst die Windkraftanlage eine vertikale Drehachse. Die Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse kann ein Auftriebsläufer, beispielsweise mit einem Darrieus-Rotor, aber auch ein Widerstandsläufer, zum Beispiel mit einem Savonius-Rotor sein. Auch ein Hybrid aus Auftriebsläufer und Widerstandsläufer ist denkbar.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand beigefügter Figuren erläutert. In den Figuren zeigen
-
1 einen Längsschnitt einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse,
-
2 eine perspektivische Ansicht einer Verbindung zwischen einem Außenring und einem Innenring mittels eines Ausgleichselements und
-
3 eine Seitenansicht der Verbindung aus der 2, wobei das Ausgleichselement gebogen ist.
-
Funktionsgleiche Elemente sind figurenübergreifend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
In der 1 ist eine Windkraftanlage 1 mit einer vertikalen Drehachse gezeigt. Die Windkraftanlage 1 weist einen drehbar gelagerten Rotor 2 und einen Stator 3 auf, wobei der Stator im Wesentlichen durch einen Mast gebildet wird. Der Rotor 2 weist einen ersten oberen 4 bzw. einen zweiten unteren 5 Rotorteil auf. Es kann in einer anderen Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass der Rotor mehr als zwei Rotorteile umfasst. Die Rotorblätter 6 des Rotors 2 befinden sich am oberen Rotorteil 4, welcher mittels eines ersten Lagers 10 hängend am Stator 3 gelagert ist. Die hängende Lagerung des oberen Rotorteils 4 hat eine stabilisierende Wirkung während des Betriebs der Windkraftanlage 1. Weiterhin ist das erste Lager 10 in der gezeigten Ausführungsform ein Pendelrollenlager oder ein Schrägkugellager. Hierdurch ist das erste Lager 10 schwenkbar in Bezug auf die Längsachse des Stators 3 ausgeführt. Folglich können Fluchtfehler zwischen dem oberen Rotorteil 4 und Stator 3 ausgeglichen werden. In einer alternativen Ausführungsform kann das erste Lager 10 auch ein anderes Wälzlager oder ein Gleitlager sein. Der untere Rotorteil ist mittels einer Fest-Loslagerung 11, 12 am Stator befestigt. Die Fest-Loslagerung 11, 12 des unteren Rotorteils 5 weist ein unteres zweites Festlager 11 und ein oberes drittes Loslager 12 auf. Das zweite 11 und das dritte 12 Lager sind jeweils an einem axialen Ende des unteren Rotorteils 5 gelagert, um die Stabilität der Fest-Loslagerung 11, 12 zu erhöhen. Das zweite 11 und das dritte 12 Lager können ebenfalls als Wälzlager oder Gleitlager ausgebildet sein.
-
Der obere 4 und der untere 5 Rotorteil sind mittels eines als Membran ausgebildeten flexiblen Ausgleichselements 20 verbunden. Die Membran 20 vermag im Betrieb auftretende Biegemomente, durch Wärmedehnung verursachte Spannungen sowie einen Winkelversatz α zwischen dem oberen 4 und unteren 5 Rotorteil zu kompensieren. Die Membran 20 erstreckt sich im Wesentlichen radial zwischen dem oberen 4 und dem unteren 5 Rotorteil. Ein radialer Abstand l zwischen den beiden Rotorteilen 4, 5 wird somit überbrückt.
-
Die Membran 20 besteht hauptsächlich aus Stahlblech, zum Beispiel Federblech, welches biegeelastisch ausgeführt ist. Dadurch wird eine Entkopplung der Rotorteile 4, 5 bezüglich Biegemomente und axialer Kräfte ermöglicht. Andererseits verhält sich Federblech starr beim Übertragen des Drehmoments vom ersten Rotorteil 4 auf den zweiten Rotorteil 5.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist lediglich eine Membran 20 gezeigt. Es ist aber ebenfalls möglich, mehrere Membranen axial übereinander anzubringen. Hierdurch kann eine Steifigkeit oder eine Flexibilität der Verbindung zwischen dem oberen 4 und dem unteren 5 Rotorteil eingestellt werden durch Variation der Zahl der Membranen. Ein Hinzufügen oder Entfernen von Membranen 20 kann auch im bereits montierten Zustand der Windkraftanlage 1 erfolgen. Hierzu sind die Membranen 20 vorteilhaft zweigeteilt, sodass sie zwischen dem ersten 4 und dem zweiten 5 Rotorteil angebracht oder entfernt werden können.
-
Unterhalb des unteren Rotorteils 5 befindet sich am Stator 3 ein Ringgenerator 30 mit einer konzentrischen Anordnung von Dauermagneten zur Erzeugung von Strom aus einer Bewegung des Rotors 2. Durch die Platzierung des Generators in Bodennähe werden Wartungs- und Reparaturarbeiten am Generator vereinfacht. Zwischen Rotorpolen 32 und Statorpolen 33 des Generators 30 gibt es einen vertikalen Luftspalt 31, den sogenannten Generatorluftspalt 31. Durch die gewählte Anordnung aus Lagerungen 10, 11, 12 und Ausgleichselement 20 ist der Generator 30 im Wesentlichen von Biegemomenten, axialen Kräften und Winkelversatz α zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 2 entkoppelt. Der Generatorluftspalt 31 weist folglich einen konstanten vorbestimmten Wert auf.
-
Der Generator ist in der 1 unten am Stator angeordnet, kann sich aber in einer anderen Ausführungsform auch oben am Stator befinden. In diesem Fall ist der zweite Rotorteil 5 oberhalb des ersten Rotorteils 6 angeordnet. Ferner kann statt eines Ringgenerators auch eine doppelgespeiste Synchronmaschine, ein Synchrongenerator oder ein anderer Generatortyp vorliegen. Ebenfalls kann anstehe eines Generators oder zusätzlich zum Generator ein Zugmittelgetriebe oder ein Zahnradgetriebe vorliegen.
-
In der 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Verbindung 21 zwischen einem Außenring 22 und einem Innenring 23 mittels der Membran 20 dargesteht. Die Membran 20 ist als Kreisringscheibe ausgebildet, welche an dem Außenring 22 und dem Innenring 23 mittels acht Außen- 24 bzw. acht Innenschraubverbindungen 25 befestigt ist. Der Außenring 22 bzw. der Innenring 23 umfassen jeweils zwei Deckringe 22a, 22b zw. 23a, 23b. Der obere 4 bzw. der untere 5 Rotorteil sind an dem Außenring 22 bzw. dem Innenring 23 befestigbar, vorzugweise ebenfalls über die Außen- 24 bzw. die Innenschraubverbindungen 25. Des Weiteren liegt die Membran 20 zwischen jeweils zwei Deckringen 22a, 22b und 23a, 23b aus Stahl, die dafür sorgen, dass die Membran an den Schraubverbindungen 24, 25 nicht reißt. Die Membran weist sechs Ausnehmungen 26 zur Erhöhung einer Flexibilität auf.
-
Die 3 zeigt eine Seitenansicht der Verbindung 21 aus der 2. Zwischen dem Außenring 22 und dem Innenring 23 gibt es einen Winkelversatz α, welcher durch ein Biegemoment im Antriebsstrang verursacht ist. Durch die Biegeelastizität der Membran 20 ist der untere Rotorteil 5 und somit der Generator 30 vom Biegemoment entkoppelt. Statt eines Winkelversatzes α vermag die Membran 20 auch eine axiale Verschiebung in Längsrichtung des Stators 3 aufgrund von thermischen Ausdehnungen auszugleichen.
-
Die gezeigte Windkraftanlage 1 mit vertikaler Drehachse ist ein Schnellläufer mit einem Darrieus-Rotor. Alternativ kann auch ein Widerstandsläufer vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Rotor vom Savonius-Typ. Eine Kombination aus Schnellläufer und Widerstandsläufer ist ebenfalls denkbar. Weiterhin handelt es sich beim gezeigten Beispiel um eine Kleinwindenergieanlage mit einer Maximalhöhe von 20 m, einer Rotorfläche kleiner als 200 m2 und einer maximalen Leistung von 70 kW.
