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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, aufweisend einen auf einem Mast in einer drehbaren Gondel angeordneten Generator, dessen Welle direkt oder indirekt über ein Getriebe mit einem aerodynamischen Rotor verbunden ist, wobei die Welle oder deren Wellenabschnitte an der Gondel mittels wenigstens eines Wälzlagers drehbar gelagert ist beziehungsweise drehbar gelagert sind.
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Derartige Windkraftanlagen erzeugen Schallimmissionen, zu denen es Grenzwerte gibt, die von der Windkraftanlage eingehalten werden müssen. Werden diese überschritten, so muss der Abstand zu einer benachbarten menschlichen Bebauung vergrößert werden, so dass Nachteile bei der Standortwahl in Kauf zu nehmen sind. Diese Schallimmissionen entstehen durch Schwingungen sowohl der Rotorblätter als auch der vom Rotor angetriebenen Wellen und Aggregate, wie Getriebe und Generator.
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Die Welle beziehungsweise die Wellenabschnitte einer Windkraftanlage, welche von einem aerodynamischen Rotor angetrieben wird oder werden, sind in der Regel mittels wenigstens eines Wälzlagers an einem Strukturbauteil der Gondel gelagert. Derartige Wälzlager sind für einen Betrieb von bis zu 20 Jahren ausgelegt. Dennoch kann es gelegentlich zu Lagerschäden kommen, die einen Austausch eines defekten Wälzlagers gegen ein funktionsfähiges Wälzlager erfordern. Wegen der Größe der Wälzlager bei Windkraftanlagen im Megawattbereich, der großen Bauhöhe der Windkraftanlagen und wegen der mit einem Lageraustausch verursachten Kosten besteht ein Bedarf, die Betriebsfähigkeit dieser Wälzlager zu verlängern. Untersuchungen an defekten Wälzlagern dieser Art haben zeigten oft Risse an den Lagerringen, welche unter dem Begriff White Etching Cracks oder einer WEC-Bildung an den Lagerringen bekannt geworden sind. Als Ursache für die WEC-Bildung wurden verschiedene Einflussfaktoren ermittelt, unter anderem ein nachteiliges, schwingungsverursachtes Gleitreibungsverhalten der Wälzkörper an den Lagerringen. Die WEC-Bildung kann sich etwa dadurch ergeben, dass dynamische Lasten im Wälzlager das Schlupfverhalten der Wälzkörper verschlechtern und in deren Folge die Schmierfilmdicke im Wälzlager partiell nachteilig verringert wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, solche Schwingungen in einer Windkraftanlage zu dämpfen, welche zu Laufgeräuschen und zum vorzeitigen Lagerausfall führen können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
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Die Erfindung geht demnach aus von einer Windkraftanlage, aufweisend einen auf einem Mast in einer drehbaren Gondel angeordneten Generator, dessen Welle direkt oder indirekt über ein Getriebe mit einem aerodynamischen Rotor verbunden ist, wobei die Welle oder deren Wellenabschnitte an der Gondel mittels wenigstens eines Wälzlagers drehbar gelagert ist beziehungsweise drehbar gelagert sind. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei dieser Windkraftanlage vorgesehen, dass auf der Welle oder auf deren Wellenabschnitten wenigstens ein ringförmiger, die Welle oder die Wellenabschnitte umgreifender Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel drehfest angeordnet ist.
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Derartige Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel sind in Verbindung mit Schwungrädern für Brennkraftmaschinen, insbesondere in Verbindung mit Zweimasseschwungrädern allgemein bekannt und beispielsweise in der
DE 10 2014 208 982 A1 im Einzelnen einschließlich ihrer Funktionsweise beschrieben, so dass der Inhalt der
DE 10 2014 208 982 A1 hier vollständig zum Gegenstand der Offenbarung gemacht ist.
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Bei einer beispielhaften Abschätzung der Vorteile der Erfindung wurde ein Windkraftanlagengetriebe angenommen, an dessen Ausgangswelle ein erfindungsgemäßer Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel angebracht ist, welcher einen Durchmesser von ungefähr 0,8 Meter und eine Masse der darin angeordneten Fliehkraftpendel von 17,5 Kilogramm hat. Bei dieser Konfiguration ergab sich eine Reduzierung der durch Drehschwingungen induzierten Drehschwingungsamplituden von 300 Nm auf 140 Nm. Dies führt zu einer erheblichen Verminderung der Geräuschimmissionen und zu einer verringerten Beanspruchung der in der Windkraftanlage verwendeten Wälzlager.
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Der Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel kann an unterschiedlichen Stellen an den drehenden Bauteilen einer Windkraftanlage angeordnet werden. Zur Erzielung der besten Ergebnisse kann an allen der nachfolgend genannten Stellen jeweils ein solcher Schwingungstilger angeordnet sein.
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So kann gemäß einer ersten Ausführungsform vorgesehen sein, dass ein erster Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel auf einem eine Rotorwelle bildenden ersten Wellenabschnitt der Welle zwischen dem aerodynamischen Rotor und einem ersten Wälzlager für die Welle angeordnet ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein erster Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel auf einem eine Rotorwelle bildenden ersten Wellenabschnitt der Welle zwischen einem ersten Wälzlager für die Welle und dem Getriebe angeordnet ist.
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Eine dritte Ausführungsform sieht vor, dass ein zweiter Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel zwischen einem zweiten Wälzlager für einen eine Getriebeausgangswelle bildenden zweiten Wellenabschnitt der Welle und einem Läufer des Generators angeordnet ist.
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Nach einer vierten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel zwischen dem Getriebe und einem zweiten Wälzlager für einen eine Getriebeausgangswelle bildenden zweiten Wellenabschnitt der Welle angeordnet ist.
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Weiter kann gemäß einer fünften Ausführungsform vorgesehen sein, dass ein dritter Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel auf einem eine Läuferwelle bildenden dritten Wellenabschnitt der Welle zwischen dem Generator und einem dritten Wälzlager für den dritten Wellenabschnitt der Welle angeordnet ist.
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Schließlich sieht eine sechste Ausführungsform vor, dass ein dritter Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel am Ende des die Läuferwelle bildenden dritten Wellenabschnitts der Welle derart angeordnet ist, dass das dritte Wälzlager zwischen dem dritten Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel und dem Generator liegt.
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Da die Durchmesser des eine Rotorwelle bildenden ersten Wellenabschnitts der Welle, des eine Getriebeausgangswelle bildenden zweiten Wellenabschnitts der Welle und des die Läuferwelle bildenden dritten Wellenabschnitts der Welle wegen der unterschiedlichen Drehzahlen und Gewichtsbeanspruchungen unterschiedlich groß sind, können auch die an diesen Wellenabschnitten eingesetzten Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel unterschiedliche Durchmesser und unterschiedliche Massen der Fliehkraftpendel aufweisen.
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Es ist des Weiteren möglich, dass Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel auch benachbart zu Lagerungen von Zahnrädern im Getriebe, insbesondere von Planetenrädern und an Vorgelegewellen anordnen lassen, um gezielt in diesen Bereichen Schwingungen zu dämpfen, die zu Laufgeräuschen und zum vorzeitigen Lagerausfall führen könnten.
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Die eingangs erwähnte Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch die Verwendung wenigstens eines Schwingungstilgers mit Fliehkraftpendel auf einer Welle oder auf Wellenabschnitten der Welle einer vorstehend definierten Windkraftanlage zum Dämpfen von Laufgeräuschen und von Schwingungen, um in den in der Windkraftanlage eingesetzten Wälzlagern die Bildung von zum vorzeitigen Lagerausfall führenden Rissen (WEC, White Etching Cracks) zu vermeiden.
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Beispielsweise kann ein Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,0 Meter und einer Masse der Fliehkraftpendel von 15 bis 20 Kilogramm verwendet werden, nämlich abhängig von der Masse derjenigen Bereiche der Windkraftanlage, deren Schwingungen gedämpft werden sollen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Windkraftanlage mit den für die Erfindung wesentlichen Einzelheiten dargestellt.
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Die Windkraftanlage 100 weist eine auf einem Mast 102 um einer Vertikale drehbar angeordnete Gondel 101 auf, die zur Lagerung eines aerodynamischen Rotors 103 sowie zur Aufnahme eines Getriebes 105 und eines Generators 106 dient. Der aerodynamische Rotor 103 ist mittels eines als Rotorwelle ausgebildeten ersten Wellenabschnitts 104a einer Welle 104 mittels eines ersten Wälzlagers 107 an der Gondel 101 gelagert. Zwischen diesem ersten Wälzlager 107 und einem zweiten Wälzlager 108 ist ein Getriebe 105 angeordnet, das in der Regel als Planetengetriebe in bekannter Weise ausgebildet ist und dazu dient, die relativ langsame Drehung des aerodynamischen Rotors 103 ins Schnelle zum Antrieb eines Läufers 106a des Generators 106 zu übersetzen. Der nicht gesondert bezeichnete und den Läufer 106a radial umgreifende Stator des Generators 106 ist gondelfest angeordnet. Ein als Getriebeausgangswelle ausgebildeter zweiter Wellenabschnitt 104b der Welle 104 ist mittels eines zweiten Wälzlagers 108 an der Gondel 101 gelagert und mit dem Läufer 106a des Generators 106 verbunden. Ein als Läuferwelle ausgebildeter dritter Wellenabschnitt 104c der Welle 104 ist mittels eines dritten Wälzlagers 109 am rotorfernen Ende der Gondel 101 drehbar gelagert.
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Um durch die Rotation des aerodynamischen Rotors 103 induzierte Drehschwingungen in den Wellenabschnitten 104a, 104b und 104c der Welle 104 zu dämpfen, ist zwischen dem aerodynamischen Rotor 103 und dem ersten Wälzlager 107 ein erster Schwingungstilger 110 mit Fliehkraftpendel angeordnet. Dieser erste Schwingungstilger 110 mit Fliehkraftpendel kann auch zwischen dem ersten Wälzlager 107 und dem Getriebe 105 angeordnet sein, was nicht gesondert dargestellt ist.
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Des Weiteren ist ein zweiter Schwingungstilger 111 mit Fliehkraftpendel zwischen dem zweiten Wälzlager 108 auf dem als Getriebeausgangswelle ausgebildeten zweiten Wellenabschnitt 104b der Welle 104 und dem Läufer 106a des Generators 106 angeordnet. In Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels kann der zweite Schwingungstilger 111 mit Fliehkraftpendel auch zwischen dem zweiten Wälzlager 108 und dem Getriebe 105 angeordnet sein, was ebenfalls nicht gesondert dargestellt ist.
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Ein dritter Schwingungstilger 112 mit Fliehkraftpendel ist zwischen dem Läufer 106a des Generators 106 und einem dritten Wälzlager 109 angeordnet dargestellt. Hierbei ist es auch möglich, den dritten Schwingungstilger 112 mit Fliehkraftpendel derart anzuordnen, dass das dritte Wälzlager 109 axial benachbart zum Läufer 106a des Generators 106 angeordnet ist und der dritte Schwingungstilger 112 am Ende des als Läuferwelle ausgebildeten dritten Wellenabschnitts 104c angeordnet ist, was nicht gesondert dargestellt ist. Im letzteren Fall kann der dritte Schwingungstilger mit einem weiteren Wälzlager für den dritten Wellenabschnitt 104c baulich zusammengefasst sein.
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Da die drei Wellenabschnitte 104a, 104b und 104c unterschiedliche Drehmomente zu übertragen und Gewichtsbelastungen aufzunehmen haben, können deren Durchmesser unterschiedlich groß sein, insbesondere kann der Durchmesser des ersten als Rotorwelle ausgebildeten Wellenabschnitts 104a erheblich größer sein, als die Durchmesser der beiden übrigen Wellenabschnitte 104b und 104c.
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Des Weiteren können weitere Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel innerhalb des Getriebes 105 angeordnet sein, um Drehschwingungen von Zahnräder tragenden Wellen, insbesondere von Planetenrädern, im Getriebe 105 zu dämpfen und so eine Verminderung von Laufgeräuschen herbeizuführen und vorzeitigen Lagerausfall zu vermeiden.
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Die mit der Erfindung verwendeten Schwingungstilger
110,
111,
112 mit Fliehkraftpendel sind hinsichtlich ihres prinzipiellen Aufbaus und ihrer Funktionsweise in der
DE 10 2014 208 982 A1 im Einzelnen beschrieben, deren Inhalt hier vollständig zum Gegenstand der Offenbarung gemacht ist, so dass dieser Inhalt zum Verständnis der vorliegenden Erfindung herangezogen werden kann.
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Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Windkraftanlage
- 101
- Gondel
- 102
- Mast
- 103
- Rotor
- 104
- Welle
- 104a
- Erster, als Rotorwelle ausgebildeter Wellenabschnitt
- 104b
- Zweiter, als Getriebeausgangswelle ausgebildeter Wellenabschnitt
- 104c
- Dritter, als Läuferwelle ausgebildeter Wellenabschnitt
- 105
- Getriebe
- 106
- Generator
- 106a
- Läufer des Generators
- 107
- Erstes Wälzlager
- 108
- Zweites Wälzlager
- 109
- Drittes Wälzlager
- 110
- Erster Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel
- 111
- Zweiter Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel
- 112
- Dritter Schwingungstilger mit Fliehkraftpendel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014208982 A1 [0007, 0007, 0027]
