DE102014002869A1

DE102014002869A1 - Versorgungssystem insbesondere für Getriebe und Generatoren

Info

Publication number: DE102014002869A1
Application number: DE102014002869.0A
Authority: DE
Inventors: Ibrahim Doertoluk; Klaus Ulrich; Udo Fröhlich; Bernd Schnurr; Matthias Oppelt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-01-08
Also published as: EP3087294A1; CN105431658A; WO2015000661A1; US20170059031A1

Abstract

Offenbart wurde ein Schmiersystem für Getriebe oder Generatoren, insbesondere für Getriebe von Windkraftanlagen, welches ein Umschalten zwischen Trockensumpfschmierung und Nasssumpfschmierung erlaubt. Die geschieht durch eine Fördereinrichtung, welches wahlweise oder in einem Notfall, z. B. Stromausfall, den Druck in einem Schmiermitteltank erhöht und ein Schmiermittel zurück in einen Ölsumpf im Getriebe presst, woraufhin sich dort ein Schmiermittelpegel erhöht und eine Nasssumpfschmierung realisiert wird. Die Fördereinrichtung kann einen Kompressor aufweisen. Dieser kann einen Druckspeicher über ein Rückschlagventil laden oder direkt den Druck im Schmiermitteltank erhöhen. Die Fördereinrichtung kann aus hydraulischen, pneumatischen, oder auch elektrischen Komponenten bestehen. Ist es pneumatisch, so kann es über einen Rohrkrümmer vom hydraulischen Schmiersystem getrennt sein.

Description

A. Anmeldung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Versorgungssystem für Kühl- und/oder Schmiermittel insbesondere für Getriebe und Generatoren.
I. Beschreibung
1. Stand der Technik
Getriebe gehören zu den am höchsten belastetet Komponenten von Großanlagen, insbesondere auch von Windkraftanlagen. Sie müssen enormen Drehmomenten, Schwingungen und klimatischen Bedingungen standhalten. Gleichzeitig soll der Wirkungsgrad der Getriebe möglichst hoch sein.
Aus diesem Grund steigen auch die Anforderungen an die Anbauteile des Getriebes. Zu diesen zählen unter anderem die Versorgungssysteme z. B. für Kühl und/oder Schmierstoffe. Sie stellen die Schmierung von Lagern und Zahnrädern des Getriebes sicher. Das Schmiersystem verringert somit den Verschleiß und die Reibung und erhöht die Lebensdauer sowie die Belastbarkeit der Komponenten des Getriebes.
Mit dem Einsatz einer Trockensumpfschmierung lassen sich im Normalbetrieb Planschverluste im Getriebe minimieren. So wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht als mit einer Nasssumpfschmierung bzw. Druckumlaufschmierung. Die Nasssumpfschmierung ist allerdings weniger fehleranfällig.
Die Veröffentlichungsschrift WO 2009/147147 offenbart nun ein Schmiersystem für Getriebe, bei dem neben einem Schmiermitteltank zur Versorgung einer Pumpe für eine Trockensumpfschmierung des Getriebes noch ein zweiter Schmiermitteltank vorgesehen ist, in welchem ein erhöhter Druck herrscht. In einem Notfallbetrieb, beispielsweise bei einem Stromausfall, kann die Pumpe das Getriebe nicht mehr mit Schmiermittel aus dem ersten Schmiermitteltank versorgen. Die sich ändernden Druckverhältnisse in den Schmiermittelleitungen werden gemessen und ein Ventil zwischen dem zweiten Schmiermitteltank und dem Getriebe öffnet sich. Aufgrund des erhöhten Drucks im zweiten Schmiermitteltank wird Schmiermittel ins Getriebe gepresst, welches auf diese Weise nasssumpfgeschmiert wird und keinen Schaden nimmt. Alternativ kann der zweite Schmiermitteltank auch geodätisch höher als das Getriebe liegen und das Getriebe im Notfallbetrieb durch den hydrostatischen Druck mit Schmiermittel versorgen.
Nachteilhaft ist hierbei die Notwendigkeit, zusätzlichen Bauraum für einen zweiten Schmiermitteltank vorzusehen.
Die Veröffentlichungsschrift WO 2011/048183 offenbart überdies ein Schmiersystem für Getriebe, bei dem ein Schmiermitteltank mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Diese Vakuumpumpe sorgt dafür, dass der Druck im Schmiermitteltank im Normalbetrieb geringer ist als im Getriebe, so dass das Schmiermittel vom Getriebe in den Schmiermitteltank fließt und eine Trockensumpfschmierung realisiert wird.
Im Notfallbetrieb wird die Vakuumpumpe abgeschaltet. Dies führt zu einer Erhöhung des Druckes im Schmiermitteltank auf Atmosphärendruck, woraufhin Schmiermittel vom Schmiermitteltank in das Getriebe fließt und eine Nasssumpfschmierung realisiert wird.
Nachteilhaft ist hierbei die Notwendigkeit, einen Vakuumgenerator ins Schmiersystem zu integrieren.
2. Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Versorgungssystem für eine Maschine wie z. B. ein Getriebe oder einen Generator anzugeben.
3. Lösung
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Versorgungssystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
4. Vorteile der Erfindung
Durch die zusätzliche, zweite Fördereinrichtung, welche ebenfalls Kühl- oder Schmiermittel aus dem Tank in die Maschine fördern kann, wenn eine Betriebsenergieversorgung ausfällt, erzielt man auf sichere Art und Weise eine Versorgung, die im Normalbetrieb einen Trockensumpfbetrieb herstellt und im Notbetriebsfall dazu geeignet ist, die Maschine mit Kühl und/oder Schmiermittel zu fluten, um eine Notkühlung/Notschmierung herzustellen. Es wird nur ein einziger Tank benötigt. Die zweite Fördereinrichtung erlaubt eine hohe Flexibilität in der technischen Ausführung und der baulichen Anordnung.
Das erfindungsgemäße Schmiersystem ist insbesondere aufgrund des Verzichts auf eine Vakuumpumpe deutlich energieeffizienter als bekannte Schmiersysteme nach dem Stand der Technik, siehe oben.
Je nach Anwendungsfall werden der optimale Schmiermittelpegel und damit auch der optimale Wirkungsgrad mit geringstmöglichen Planschverlusten im Getriebe erzielt, ohne dass die Lebensdauer bzw. die Belastbarkeit der Komponenten sinkt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhaft ist auch eine redundante Schmiermittelversorgung des Schmiermittelkreislaufs mithilfe einer zweiten, elektrisch betriebenen Pumpe.
Die erste Fördereinrichtung kann im Normalbetrieb z. B. das Schmiermittel mit einer mit dem Getriebe gekoppelten Pumpe aus dem Schmiermitteltank durch einen Schmiermittelkreislauf pumpen.
Ein Umschalten in den in dieser Schrift so benannten Notfallbetrieb ist nicht ausschließlich bei Vorliegen eines Notfalls, beispielsweise eines Ausfalls der Energieversorgung, sinnvoll. Dient das erfindungsgemäße Schmiersystem beispielsweise zur Schmierung des Getriebes einer Windkraftanlage, so kann eine Nasssumpfschmierung des Getriebes für den Anlagenbetreiber zeitweise kostengünstiger sein. In einem sog. Trudelbetrieb, bzw. wenn die Windenergieanlage vorübergehend nicht möglichst wirkungsgradoptimiert zur Stromerzeugung benutzt wird, kann er ebenfalls in den Notfallbetrieb umschalten und so den Energieverbrauch der Anlage senken.
Die erfindungsgemäße mit dem Schmiermitteltank verbundene zweite Fördereinrichtung kann einen Druckspeicher und/oder einen Kompressor aufweisen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweite Fördereinrichtung einen pneumatischen Druckspeicher und einen Kompressor. Der Kompressor kann einerseits genutzt werden, um den Druck im Schmiermitteltank und den Schmiermittelpegel im Getriebe zu erhöhen, und andererseits, um den Druckspeicher aufzufüllen, nachdem dieser den Druck im Schmiermitteltank erhöht hat. Die Konstruktion zur Druckerhöhung im Schmiermitteltank ist vorteilhafterweise insoweit redundant. Die zweite Variante findet insbesondere dann praktische Anwendung, wenn eine Druckerhöhung im Schmiermitteltank mit dem Kompressor vorübergehend nicht möglich war und deswegen der Druckspeicher eingesprungen ist. Beispielhaft könnte dies vorkommen, wenn der Kompressor mit einem Elektromotor angetrieben wird und die Energieversorgung plötzlich ausfällt.
Gemäß einer zweiten, besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweite Fördereinrichtung einen pneumatischen Druckspeicher, beispielsweise in Form einer Gasflasche. Der Druckspeicher muss nach Entleerung getauscht bzw. manuell neu gefüllt werden. Vorteilhaft ist hier die einfache und platzsparende Ausführunge der zweiten Fördereinrichtung.
Gemäß einer dritten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweite Fördereinrichtung einen hydraulischen Druckspeicher, der wie auch das Getriebe hydraulisch mit dem Schmiermitteltank verbunden ist. Aufgeladen wird der hydraulische Druckspeicher beispielsweise über die unterschiedlichen Schluckvolumen zweier verschiedengroßer Hydromotoren, die beispielsweise vom Schmiermittelvolumenstrom aus dem Schmiermittelkreislauf angetrieben werden können.
5. Zu den Figuren
In 1 ist ein erste erfindungsgemäße Ausführungsform des Versorgungssystems mit einer ersten Fördereinrichtung zur Förderung von Schmeirmittel in einem Normalbetrieb und mit einer pneumatischen zweiten Fördereinrichtung dargestellt.
2 zeigt ausschnittsweise die zweite Fördereinrichtung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In 3 ist eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform mit zweiter Fördereinrichtung mit einem hydraulischen Speicher zu sehen.
Die wesentlichen Komponenten der in 1 dargestellten Anordnung sind das Getriebe 1 mit seinem Ölsumpf 14 sowie ein geschlossener Schmiermitteltank 2. Im Normalbetrieb stehen ein Ventil 3 und ein Ventil 8 unter Strom. Das Schmiersystem ist über das Ventil 8 atmosphärisch entlastet, sodass das Schmiermittel im vorliegenden Ausführungsbeispiel über einen geodätischen Höhenunterschied ΔH vom Ölsumpf 14 des Getriebes 1 in den Schmiermitteltank 2 fließt. Andere Prinzipe, dies zu erreichen, sind bekannt. Das Getriebe 1 schaltet ist auf diese Weise in einem Normalbetrieb auf trockensumpfgeschmiert. In diesem Fall stellen eine mechanische, an das Getriebe 1 gekoppelte Pumpe 4 und eine elektrische Pumpe 5 die Schmierung des Getriebes 1 sicher. Ein Filter 6 filtert das Schmiermittel, bevor es ins Getriebe eintritt.
Um in die Nasssumpfschmierung umzuschalten, kann der Schmiermitteltank 2 unter Einsatz eines Kompressors 11 ein Ventil 9 oder eines Druckspeichers 10 über das Ventil 8 unter Druck gesetzt werden, wodurch das Schmiermittel zurück in das Getriebe 1 gepresst wird. Bei diesem Vorgang stehen Ventil 3 und Ventil 8 nicht unter Strom. Ein Schmiermittelpegel im Getriebe kann gegebenenfalls auch über die Schaltzeit von Ventil 8 reguliert werden. Ein unkontrolliertes Entladen des Druckspeichers 10 wird durch eine Drossel 12 verhindert. Bricht die elektrische Energieversorgung zusammen, wird das Schmiermittel ebenfalls über den vom Kompressor 11 vorgeladenen Druckspeicher 10 in das Getriebe 1 zurückgedrückt. Die ausreichende Schmierung bei Stromausfall ist damit gewährleistet. Ventil 3 verhindert bei diesen Vorgängen das ungewollte Zurückströmen des Schmiermittels in den Schmiermitteltank. Ein Rohrkrümmer 7 trennt die Hydraulik von der Pneumatik. Der Druckspeicher 10 kann jederzeit vom Kompressor 11 über ein Rückschlagventil 13 nachgeladen werden.
Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform verwendet eine vereinfachte zweite Fördereinrichtung, welche in 2 zu sehen ist. Auf den Kompressor 11 wurde verzichtet. Die Lösung eignet sich nur für eine begrenzte Anzahl Flutungen des Getriebes 1 mit Schmiermittel, beispielsweise lediglich bei Stromausfall. Der Druckspeicher 10 bzw. Gasflasche 10 muss gegebenenfalls für den Wiederanlauf des Getriebes 1 getauscht oder neu gefüllt werden.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform verwendet eine zweite Fördereinrichtung mit einem Hydraulikspeicher 15 und mit Hydromotoren 16, 17. Geladen wird der Hydraulikspeicher 15 über die Rückschlagventil 25 bzw. Ventil 26 aufgrund der unterschiedlichen Schluckvolumen der Hydromotoren 16, 17. Der große Hydromotor 16 wirkt hierbei als Antrieb, der vom Druck und Volumenstrom des Schmierkreislaufs in Bewegung gesetzt wird. Der kleinere der beiden Hydromotoren 17 lädt den Hydraulikspeicher 15. Die Drosseln 18 und 23 gewährleisten während des Ladevorgangs die ausreichende Schmierung des Getriebes, indem sie den Volumenstrom über den Staudruck aufteilen. Bei Stromausfall bzw. wenn der Schmiermittelpegel im Getriebe 1 erhöht werden soll, steht keines der Ventile 3, 19, 26 unter Strom. Der kleine Hydromotor 17 treibt dann mit der Energie aus dem Hydraulikspeicher 15 den großen Hydromotor 16 an, der wiederum das Schmiermittel aus dem Schmiermitteltank 2 über ein das Rückschlagventil 24 zurück in das Getriebe 1 fördert. Die Drossel 22 steuert die Geschwindigkeit des Endladevorgangs. Der restliche Aufbau des Versorgungssystems entspricht der in 1 verbildlichten ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Optional bietet sich auch die Möglichkeit, die hydraulische Fördereinrichtung durch eine elektrische Motorpumpeneinheit ähnlich 5 zu ergänzen. Für die Notschmierung bei Stromausfall ist diese mit einer elektrischen Speichereinheit zu versehen.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: Schmiermitteltank
3: Ventil
4: Mechanische, ans Getriebe gekoppelte Pumpe
5: Elektrische Pumpe
6: Filter
7: Rohrkrümmer
8: Ventil
9: Ventil
10: Druckspeicher
11: Kompressor
12: Drossel
13: Rückschlagventil
14: Ölsumpf des Getriebes
15: Hydraulikspeicher
16: Großer Hydromotor
17: Kleiner Hydromotor
18: Drossel
22: Drossel
23: Drossel
24: Rückschlagventil
25: Rückschlagventil
26: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/147147 [0005]
WO 2011/048183 [0007]

Claims

Versorgungssystem für Kühl- und/oder Schmiermittel für eine Maschine – insbesondere ein Getriebe (1), insbesondere ein Generator, insbesondere einer Windenergieanlage –, in welcher ein Raum zur Aufnahme von Kühl- und/oder Schmiermittel gebildet ist, mit einem in der Nähe der Maschine angeordneten Tank (2), mit einer ersten Fördereinrichtung zur Förderung von Kühl- und/oder Schmiermittel aus dem Tank (2) zu Kühl- und/oder Schmierstellen der Maschine, mit einer Fluidleitung zur Ableitung von Kühl- und/oder Schmiermittel von dem Raum der Maschine in den Tank (2) dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Fördereinrichtung vorhanden ist, welche aufgrund ihrer Anordnung Kühl- und/oder Schmiermittel aus dem besagten Tank (2) in die Maschine fördern kann, wobei die zweite Fördereinrichtung einen Energiespeicher (10, 15) umfasst, durch den die zweite Fördereinrichtung unabhängig von einer Betriebsenergieversorgung zumindest eine Zeitlang betreibbar ist, und insbesondere mit einem in der Fluidleitung angeordneten Ventil (3) durch das die Fluidleitung im Fall eines Ausbleibens der Betriebsenergieversorgung absperrbar ist.
Versorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fördereinrichtung einen Druckspeicher (10, 15) als Energiespeicher aufweist.
Versorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher ein pneumatischer Gasspeicher ist, dass eine pneumatische Verbindungsleitung vom Gasspeicher zum Tank besteht, und dass ein zweites Ventil (8) in der pneumatischen Verbindungsleitung vorhanden ist, durch das die pneumatische Verbindungsleitung im Fall eines Ausbleibens der Betriebsenergieversorgung zu öffnen ist.
Versorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatische Verbindungsleitung einen Rohrkrümmer (7) zwischen dem zweiten Ventil und dem Tank aufweist.
Versorgungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fördereinrichtung einen pneumatischen Kompressor (11) zum Aufladen des Gasspeichers (10) aufweist.
Versorgungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die pneumatische Verbindungsleitung eine Drossel (12) zwischen dem Gasspeicher und dem Tank – insbesondere zwischen dem Gasspeicher und dem Ventil – aufweist.
Versorgungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher ein Hydraulikspeicher (15) ist, dass der Hydraulikspeicher (15) mit einem Hydromotor (17) verbunden ist, welcher seinerseits zum Antrieb einer Kühl/Schmiermittelpumpe (16) zur Förderung von Kühl- und/oder Schmiermittel aus dem Tank in die Maschine angeordnet ist und mit einem dritten Ventil (26) durch das die Verbindungsleitung zwischen dem Hydraulikspeicher und dem Hydromotor (17) im Fall eines Ausbleibens der Betriebsenergieversorgung zu öffnen ist.
Versorgungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kühl- und/oder Schmiermittel über ein viertes Ventil (19) von der ersten Fördereinrichtung der Kühl/Schmiermittelpumpe zuleitbar ist, um in einem Reversierbetrieb der Kühl/Schmiermittelpumpe (16) und des Hydromotors (17) den Hydraulikspeicher (15) zu laden.
Versorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als elektrischer Energiespeicher ausgebildet ist und dass die zweite Fördereinrichtung in Form einer elektrischen Motorpumpeneinheit ausgeprägt ist.
Versorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Tank auf einer geodätischen Höhe unterhalb des Raums zur Aufnahme von Kühl- und/oder Schmiermittel der Maschine befindet.