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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe für eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes für eine Windenergieanlage.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Getriebe in Windenergieanlagen mit einem Trockensumpf. Im Betrieb soll das Schmiermittel aus dem Getriebe entfernt werden, so dass keine Planschverluste im Sumpf entstehen. Bei Netzausfall, wenn also beispielsweise eine elektrische Pumpe nicht arbeitet, muss das Schmiermittel dann in den Sumpf zurücklaufen, um eine Tauchschmierung der Windenergieanlage sicherzustellen. Auch im ausgeschalteten Zustand, wenn die Windenergieanlage beispielsweise in einem Trudelbetrieb läuft, muss eine Tauchschmierung der Windenergieanlage sichergestellt sein.
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Aus
DE 10 2009 017 521 ist ein Getriebe einer Windenergieanlage bekannt, das eine im Ölsumpf des Getriebes angeordnete Ablauf- und Einlaufleitung besitzt. Die Öffnung der Ablaufleitung ist unterhalb eines vorbestimmten minimalen Ölfüllstandsniveaus des Ölsumpfes angeordnet. Um während des Stillstands oder des Trudelbetriebs der Windenergieanlage einen ausreichend hohen Füllstand von Öl im Getriebe bereitzustellen, wird stets eine vorbestimmte minimale Ölmenge im Getriebe für die zu schmierenden Getriebekomponenten bereitgestellt, unabhängig davon, in welchem Betriebsmodus (Stromerzeugung oder Trudelbetrieb oder Stillstand) die Windenergieanlage sich befindet.
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Aus
US 8,807,922 B2 ist ein Schmiersystem für ein Getriebe einer Windenergieanlage bekannt. Das Schmiersystem weist ein verschiebliches Ventil auf, das eine erste und eine zweite Position besitzt. In der ersten Position wird ein Fluss von Schmiermittel aus einem zweiten Vorrat in das Getriebesystem oder in den ersten Vorrat gesperrt, während in der zweiten Position der Fluss zugelassen wird. Das Ventil spricht auf eine Druckänderung im Schmiersystem in einer solchen Weise an, dass eine vorbestimmte Druckänderung automatisch und direkt das Ventil zum Verschieben von der ersten Position zu seiner zweiten Position veranlasst. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Schmiersystem automatisch, zuverlässig und schnell in einen Notfallstatus umgeschaltet werden kann, wenn eine Situation auftritt, die den Druck im Schmiersystem verändert. Es ist nicht notwendig, auf eine separate Messung von verschiedenen Parametern zurückzugreifen.
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Aus
DE 37 02 008 A1 ist ein Verfahren zur Schmierung eines Getriebes für Windenergieanlagen bekannt geworden, bei dem die Betriebsschmierung von einer Ölumlaufanlage mit Einspritzschmierung aufrechterhalten und gleichzeitig das Öl gekühlt wird, wobei der normale Ölstand im Getriebe bei Unterschreitung einer einstellbaren Drehzahl auf eine für die Tauchschmierung notwendige Höhe gebracht wird, indem die dazu erforderliche Ölmenge in das Getriebe gegeben wird. Hierbei wird ein Ölvorratsbehälter über ein schaltbares Drosselventil wahlweise mit dem Getriebe verbunden.
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Aus
EP 2 600 037 ist ein Getriebe für industrielle Anwendungen oder Windkraftanlagen bekannt, bei dem ein Schmierstoffausgleichsbehälter vorgesehen ist, der schmierstoffdruck- bzw. temperaturabhängig zuschaltbar ist.
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Aus
WO 2015/058900 A1 ist eine Vorrichtung zur Versorgung eines Getriebes bekannt. Zur Versorgung des Getriebes mit Schmieröl aus einem Tank sind ein Vorlauf zu dem Getriebe und ein Rücklauf aus dem Getriebe zu dem Tank vorgesehen. Ein Rücklaufventil gestattet in seinem geöffneten Zustand ein Betreiben des Getriebes in einem Trockensumpfmodus. In einem Nasssumpfmodus ist das Rückführen des Schmieröls über eine Überlaufeinrichtung vorgesehen, die in dem Rücklauf angeordnet und ausgebildet ist, um, abhängig von einer sich in dem Tank oder dem Getriebe befindlichen Schmierölmenge, das Rückführen des Schmieröls an dem Rücklaufventil vorbei zu ermöglichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe für eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben bereitzustellen, die mit möglichst einfachen Mitteln zuverlässig einen Übergang von einer Druckschmierung mit einem Trockensumpf zu einer Tauchschmierung erlauben.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Getriebe mit den Merkmalen aus Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 11 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Getriebe ist vorgesehen und bestimmt für eine Windenergieanlage. Für seine Schmierung weist das Getriebe eine Pumpe auf, die mit einem Schmiermittelsumpf verbunden ist und Schmiermittel aus dem Schmiermittelsumpf zu einer Druckschmiereinrichtung und einem Schmiermittelreservoir befördert. Das Schmiermittelreservoir besitzt erfindungsgemäß einen Ablauf und einen Überlauf. Für den Pumpenbetrieb stellt sich im Schmiermittelkreislauf des Getriebes ein stationärer Zustand ein, bei dem Schmiermittel über den Ablauf und den Überlauf in den Schmiermittelsumpf des Getriebes zurückläuft, jedoch der Füllstand in dem Schmiermittelsumpf unterhalb einer für eine Tauchschmierung ausreichenden Höhe liegt. Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Schmiermittelreservoir erfolgt weder für den Ablauf noch für den Überlauf ein Schalt- oder Veränderungsvorgang. Vielmehr ist das Schmiermittelreservoir derart eingerichtet, dass auch während der Druckschmierung mit einem Trockensumpf stets Schmiermittel aus dem Schmiermittelreservoir in den Schmiermittelsumpf des Getriebes abfließt und über die Pumpe der Druckschmiereinrichtung zugeführt wird. Ist die Windenergieanlage im Trudelbetrieb oder die Spannungsversorgung für die Pumpe ausgefallen, so läuft mit der Zeit das Schmiermittel aus dem Schmiermittelreservoir in den Schmiermittelsumpf des Getriebes, wo es eine für die Tauchschmierung ausreichende Füllstandshöhe besitzt.
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Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Getriebes für eine Windenergieanlage liegt darin, dass hier kein Umschalten eines Ventils oder Erkennen einer ausgefallenen Schmiermittelpumpe erfolgen muss, sondern passiv eine ausreichende Schmierung sichergestellt wird.
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Bevorzugt läuft das Schmiermittel kontinuierlich aus dem Schmiermittelreservoir zurück in den Schmiermittelsumpf des Getriebes. Der Rückfluss des Schmiermittels in den Schmiermittelsumpf erfolgt nicht nur, wenn die Tauchschmierung erfolgt, sondern findet auch bei einer Druckschmierung statt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei einer ausbleibenden Pumpenleistung der Schmiermittelstand im Schmiermittelsumpf für die Tauchschmierung ausreicht. Mit dem kontinuierlichen Rückfluss wird vermieden, dass ein schaltbares Ventil, ein Hahn oder dergleichen vorgesehen sein muss.
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Bevorzugt sind die mit dem Ablauf und dem Überlauf des Schmiermittelreservoirs verbundenen Leitungen so im Getriebe angeordnet, dass das abfließende Schmiermittel über Elemente des Getriebes, wie beispielsweise Zahnräder, läuft. Das aus dem Schmiermittelreservoir ablaufende Schmiermittel kann so insbesondere bei Ausfall der Druckschmiereinrichtung zur Schmierung der Getriebeelemente genutzt werden bis sich eine für eine Tauchschmierung ausreichende Menge an Schmiermittel im Schmiermittelsumpf angesammelt hat.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt das Schmiermittelreservoir ein ausreichendes Schmiermittelvolumen, insbesondere zwischen Überlauf und Ablauf, um bei einem Leerlaufen bis zu einer dem Ablauf entsprechenden Höhe ein für eine Tauchschmierung ausreichendes Schmiermittelvolumen zur Verfügung zu stellen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen einer Zuleitung zur Druckschmiereinrichtung und dem Schmiermittelreservoir ein schaltbares Ventil vorgesehen, um bei einem Kaltstart Schmiermittel für die Druckschmierung bereitzustellen, ohne das Schmiermittelreservoir zu befüllen. In dieser Ausgestaltung wird das noch kalte Schmiermittel zunächst über die Druckschmiereinrichtung zur Schmierung des Getriebes eingesetzt. Die Planschverluste im Nasssumpf werden zur Erwärmung des Schmiermittels genutzt. Erst zu einem späteren Zeitpunkt, wenn der Kaltstart abgeschlossen ist, wird das schaltbare Ventil in der Zuleitung zum Schmiermittelreservoir geöffnet und das Schmiermittel zirkuliert dann auch über das Schmiermittelreservoir.
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Um eine thermische Verlustleistung gering zu halten, ist das Schmiermittelreservoir bevorzugt in mindestens einem Abschnitt thermisch isoliert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Getriebe einen Schmiermittelsumpf mit einem Schmiermittelvorrat in einem Bereich unterhalb der rotierenden Teile des Getriebes auf. Der Schmiermittelvorrat ist dabei auch während des Betriebs mit einer Druckschmierung mit einem Trockensumpf vorhanden, wobei die Füllstandshöhe des Schmiermittels unterhalb der drehenden Teile des Getriebes liegt. Der Schmiermittelvorrat wird durch eine bestimmte Menge an Schmiermittel aus dem Schmiermittelreservoir ergänzt, um eine für eine Tauchschmierung ausreichende Menge Schmiermittel zur Verfügung zu stellen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Getriebes ist in einer Leitung zur Versorgung der Druckschmiereinrichtung eine Kühleinrichtung für das Schmiermittel vorgesehen. In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Leitung zur Versorgung des Schmiermittelreservoirs stromaufwärts von der Kühleinrichtung und stromabwärts von der Pumpe angeordnet. Auf diese Weise wird der Druckschmiereinrichtung gekühltes Schmiermittel zur Verfügung gestellt, während dem Schmiermittelreservoir nicht gekühltes Schmiermittel zugeführt wird, um den thermischen Wirkungsgrad des Getriebes zu verbessern.
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Bevorzugt ist in dem Ablauf des Schmiermittelreservoirs ein volumenstromdrosselndes Bauteil vorgesehen. Bei dem volumenstromdrosselnden Bauteil kann es sich beispielsweise um eine Blende handeln. Das volumenstromdrosselnde Bauteil ist nicht als ein schaltbares Bauteil ausgebildet, sondern dient als statisches Bauteil mit einer vorbestimmten Durchflussrate.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Betreiben eines Getriebes für eine Windenergieanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 11 gelöst. Das Verfahren sieht eine Druckschmierung mit einem Trockensumpf für einen regulären Betrieb des Getriebes vor. Bei einem Ausfall der Druckschmierung, wie er auch beim Trudelbetrieb auftritt, erfolgt eine Tauchschmierung. Während der Druckschmierung mit Trockensumpf wird fortlaufend ein Schmiermittelteilstrom in ein Schmiermittelreservoir gepumpt, von wo aus Schmiermittel kontinuierlich in den Schmiermittelsumpf des Getriebes fließt. Bei Ausfall der Druckschmierung läuft das Schmiermittelreservoir leer und der Schmiermittelsumpf wird für eine Tauchschmierung befüllt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch den kontinuierlichen Teilstrom in das Schmiermittelreservoir während der Druckschmierung kontinuierlich Schmiermittel in das Getriebe gefördert, ohne dass das Schmiermittel im Schmiermittelsumpf eine für eine Tauchschmierung notwendige Höhe erreicht. Dieser Zustand ist bei gleichbleibender Zufuhr an Schmiermittel zu dem Schmiermittelreservoir stationär. Wird die Zufuhr an Schmiermittel unterbrochen, so läuft das Schmiermittelreservoir leer. Wenn aus dem Getriebe kein Schmiermittel entfernt wird, sammelt sich das Schmiermittel aus dem Schmiermittelreservoir in dem Schmiermittelsumpf des Getriebes und erreicht eine für die Tauchschmierung ausreichende Höhe.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein von einer Pumpe geförderter Strom in einen Teilstrom für die Druckschmiereinrichtung und das Schmiermittelreservoir aufgeteilt. Alternativ ist es möglich die Druckschmiereinrichtung und das Schmiermittelreservoir über zwei separate Pumpen zu speisen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird auch nach dem Start nur das Schmiermittel für die Druckschmiereinrichtung gekühlt, während das Schmiermittel für das Schmiermittelreservoir ungekühlt eingesetzt wird.
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In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor einer Inbetriebnahme des Getriebes zunächst ein Zustand des Trockenölsumpfs hergestellt. Dies kann beispielsweise bereits beim Anfahren erfolgen, so dass auch bei der Inbetriebnahme des Getriebes mit einer Drehbewegung direkt Planschverluste vermieden werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem Getriebe
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2 ein erfindungsgemäßes Getriebe für eine Windenergieanlage
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Die 1 zeigt eine Windenergieanlage 20 mit einer auf einem Turm 22 angeordneten Gondel 21 und einem Rotor 23. In der Gondel 21 befindet sich als Teil des Triebstrangs der Windenergieanlage ein Getriebe 1.
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Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Getriebe 1 mit einer Pumpe 2. Eine Ansaugleitung 10 ist mit einem Schmiermittelsumpf 12 des Getriebes 1 verbunden. Das angesaugte Schmiermittel wird über einen Filter 3 und eine Kühlung 4 einer Druckschmiereinrichtung 5 des Getriebes zugeführt. Gleichzeitig wird ein Teilstrom 6 des geförderten Schmiermittels in ein höher als das Getriebe gelegenes Schmiermittelreservoir 9 gefördert. Das Schmiermittelreservoir 9 besitzt an seinem unteren Ende einen Ablauf mit einer Blende 8 und an seinem oberen Ende einen Überlauf 7. Blende 8 und Überlauf 7 sind schematisch dargestellt.
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Im Betrieb fördert die Pumpe 2 einen Volumenstrom X in das Schmiermittelreservoir 9. Über die Blende 8 läuft aus dem Schmiermittelreservoir 9 aufgrund der Höhendifferenz ein Volumenstrom Y zurück in das Getriebe. Hierbei ist der eingehende Volumenstrom X größer als der abgehende Volumenstrom Y (X > Y), so dass das Schmiermittelreservoir 9 sich während des Betriebs füllt, bis der Überlauf 7 erreicht ist. Der überschüssige Volumenstrom (X – Y) wird über den Überlauf 7 zurück in das Getriebe 1 geführt. In diesem Zustand ist das Schmiermittelreservoir 9 bis zur Höhe des Überlaufs gefüllt, angedeutet durch die gestrichelte Linie 14‘. Die sich in diesem Zustand ergebende Füllstandshöhe 14 im Getriebe ist schematisch mit einer gestrichelten Linie 14 eingezeichnet. Die Füllstandshöhe 14 ist dabei nicht hoch genug, um für die drehenden Teile des Getriebes eine Tauchschmierung zu ermöglichen. Gleichzeitig bildet die Füllstandshöhe 14 eine für die Ansaugleitung 10 der Pumpe 2 ausreichende Füllstandshöhe, um ein Ansaugen von Luft zu verhindern. Das Getriebe wird im normalen Betrieb der Windenergieanlage über eine Druckschmierung mit einem Trockensumpf geschmiert.
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Bei einem Netzausfall oder einem gewollten Abschalten der Pumpe, wie beispielsweise im Trudelbetrieb oder beim Warten auf Wind, hört die Pumpe 2 auf, Schmiermittel zu der Druckschmiereinrichtung (5) zu fördern. Gleichzeitig versiegt der Teilstrom 6 in das Schmiermittelreservoir 9. Das Schmiermittel läuft jedoch weiterhin aus dem Schmiermittelreservoir 9 über die Blende 8 zurück in den Schmiermittelsumpf (12) des Getriebes 1, wodurch nach einiger Zeit im Schmiermittelsumpf eine ausreichende Menge Schmiermittel vorhanden ist um einen Nasssumpf 16 zu bilden, der eine Tauchschmierung ermöglicht. Ein Umschalten oder ein sonstiger aktiver Vorgang ist hierbei nicht erforderlich, es muss lediglich abgewartet werden, bis das Schmiermittelreservoir weit genug ausgelaufen ist.
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Das Thermoventil (18) ist vorgesehen, dass bei einem Kaltstart zunächst die Leitung 6 für den Teilstrom schließt, damit während des Kaltstarts das Schmiermittel direkt in das Getriebe 1 zurückgepumpt und das Schmiermittelreservoir 9 nicht aufgefüllt wird.
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Die Rückflüsse aus der Blende 8 des Schmiermittelreservoirs 9 und dem Überlauf 7 werden dem Getriebe durch entsprechende Zuleitungen so zugeführt, dass sie an die zu schmierenden Stellen des Getriebes geleitet werden und somit der Ölvolumenstrom 6, der dem Schmiermittelreservoir 9 zugeführt wird, nicht für die Schmierung verlorengeht, sondern insgesamt zur Schmierung von Getriebekomponenten während des Betriebs eingesetzt werden kann. Das aus dem Schmiermittelreservoir austretende Schmiermittel (dargestellt durch die gepunktet gezeichnete Linie 16‘) trägt zur Schmierung bei, bevor es durch eine Erhöhung des Schmiermittelvorrats im Getriebe zur Tauchschmierung (gepunktet gezeichnete Linie 16) zur Verfügung steht.
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Das Schmiermittelreservoir 9 ist thermisch isoliert, um ein Abkühlen des Schmiermittels zu verzögern und den Rückfluss des Schmiermittels durch die Blende 8 zu verbessern. Dies ist insbesondere bei Schmiermitteln von Vorteil, die bei höherer Temperatur eine niedrigere Viskosität besitzen, wie beispielsweise Öl. Bei der erfindungsgemäßen Schmierung des Getriebes verbleibt ein Teilstrom des Schmiermittels auch im Zustand des Trockenölsumpfes im Getriebe, aber unterhalb der rotierenden Teile. Durch eine ausreichende Füllstandshöhe 14 kann beispielsweise eine Konstantvolumenstrompumpe 2 eingesetzt werden, ohne dass die Gefahr besteht, Luft anzusaugen.
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Statt der Blende 8 kann auch ein anderes volumenstromdrosselndes Bauteil eingesetzt werden. Hier kann ein federbelastetes Ventil eingesetzt werden, welches durch den hydrostatischen Druck des Schmiermittels öffnet. Im Getriebe kann der Zustand des Trockensumpfes bereits kurz vor dem Start des Getriebes hergestellt werden, beispielsweise indem ein Pumpenbetrieb bereits während betriebsvorbereitender Maßnahmen, wie beispielsweise einem Pitchtest oder ähnlichem, vorgenommen wird.
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Bei dem in der 2 dargestellten Beispiel kann die Pumpe 2 beispielsweise einen Volumenstrom von ca. 200 l/min. fördern. Die Blende 8 ist so dimensioniert, dass ein Volumenstrom Y = 10 l/min. bei vollem Schmiermittelreservoir 9 zurück ins Getriebe fließt. Der Teilvolumenstrom 6, der dem Schmiermittelreservoir 9 zugeführt wird, beträgt 20 l/min., so dass netto dem Schmiermittelreservoir ein effektiver Volumenstrom von X – Y = 10 l/min. zugeführt wird. In dem Beispiel sei ferner angenommen, dass das Schmiermittelreservoir 9 ein Volumen von 200 l besitzt, so dass das Befüllen des leeren Schmiermittelreservoirs 9 20 Minuten dauert, bis der Trockenölsumpf vollständig hergestellt ist. Nach Abschalten der Pumpe dauert es dann ebenfalls 20 Minuten, bis über die Blende 8 die vollständigen 200 l zurück in das Getriebe gelaufen sind.
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Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass auf ein Ventil zum Ablassen des Schmiermittels aus dem Schmiermittelreservoir in das Getriebe verzichtet werden kann. Dieses Ventil kann fehlerhaft sein und im Betrieb öffnen, beispielsweise durch Kabelbruch, und somit keinen Trockensumpf erzeugen. Auch kann das Ventil bei Netzausfall klemmen und somit die Schmierung im Trudelbetrieb nicht sicherstellen. Die vorliegende Erfindung stellt eine ausfallsichere Lösung ohne Ventil zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 2
- Pumpe
- 3
- Filter
- 4
- Kühlung
- 5
- Druckschmiereinrichtung
- 6
- Teilstrom
- 7
- Überlauf
- 8
- Blende
- 9
- Schmiermittelreservoir
- 10
- Ansaugleitung
- 12
- Schmiermittelsumpf
- 14, 14‘
- Füllstandshöhe Trockensumpfbetrieb
- 16, 16‘
- Füllstandshöhe Nasssumpfbetrieb
- 18
- Thermoventil
- 20
- Windenergieanlage
- 21
- Gondel
- 22
- Turm
- 23
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009017521 [0003]
- US 8807922 B2 [0004]
- DE 3702008 A1 [0005]
- EP 2600037 [0006]
- WO 2015/058900 A1 [0007]
- DE 102013224017 A1 [0008]
