DE102016114618B3

DE102016114618B3 - Windkraftgetriebene Kompressoranlage

Info

Publication number: DE102016114618B3
Application number: DE102016114618.8A
Authority: DE
Inventors: Roland Bauer
Original assignee: Samad Ind GmbH; Samad Industrietechnik GmbH
Current assignee: Samad Ind GmbH; Samad Industrietechnik GmbH
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-08-09
Also published as: DE102016114618B9

Abstract

Die Erfindung betrifft eine windkraftgetriebene Kompressoranlage zur stromlosen Verdichtung von Gasen, wobei die Wellendrehbewegungen schwingungsarm von einer Windturbine (10) auf einen mechanisch verbundenen Kompressor (30) übertragbar sind. Die Kompressoranlage weist eine durch die Windturbine (10) angetriebene Turbinenwelle (13) auf, die mittels einer Teleskop-Gelenkwelle (20) mit dem Kompressor (30) zur Übertragung von Wellenleistung gekoppelt ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für die autonome, kostengünstige Bereitstellung von Druckluft für Drucknetzwerke in Werkstattbereichen, zum Beispiel für Autohäuser oder Kleinbetriebe.

Description

Die Erfindung betrifft eine windkraftgetriebene Kompressoranlage zur stromlosen Verdichtung von Gasen insbesondere zur kostengünstigen Bereitstellung von Druckluft für Druckluftnetzwerke in Werkstattbereichen.
Druckluftwerkzeuge sind in großen Teilen der Industrie etabliert; die Vorteile ihres Einsatzes in Werkstattbereichen sind vor allem ihr geringeres Gewicht und ihre Robustheit gegenüber vergleichbaren Elektrowerkzeugen. Sie erfordern jedoch ein Druckluftnetzwerk in der Werkstatt.
Die Bereitstellung der Druckluft für derartige Netzwerken ist energie- und kostenintensiv, da die Druckluft durch den Einsatz von Primärenergie, d. h. vorrangig aus elektrischer Energie, mittels Verdichtung erzeugt werden muss. Windkraftanlagen bieten sich für die kostengünstige und ökologische Bereitstellung der elektrischen Energie an. Der Umweg zur Gewinnung von Drucklauft aus Windkraft über die elektrische Energie erfordert jedoch zusätzliche Aggregate, wie Generatoren und Elektromotoren. Die Folge sind Energieverluste bei der Drucklufterzeugung.
Durch die direkte Kopplung einer Windkraftanlage mit einem mechanisch betriebenen Kompressor wird dies vermieden. Grundsätzlich angeregt ist eine solche mechanische Direktkopplung zur Erzeugung von Druckluft aus Windenergie bereits in DE 27 17 679 A1 .
In KR 102011058194 A ist eine direkt durch eine Vertikalwindturbine angetriebene Kompressoranlage zur Drucklufterzeugung beschrieben. Die Kopplung der Turbinenwelle der Windturbine und des Kompressors erfolgt über ein Zahnradgetriebe mit Schrägstirnradverzahnung.
In CN 104165130 A und CN 204140299 U sind ebenfalls Kompressoranlagen mit Windkraftantrieb offenbart. Die Kopplung zwischen Turbinenwelle und Antriebswelle des Kompressors ist mittels einer pneumatischen Kupplung realisiert.
Nachteilig bei den bekannten windkraftgetriebenen Kompressoranlagen ist, dass aufgrund der direkten mechanischen Kopplung der Windkraftanlage mit dem Kompressor die Übertragung von Schwingungen, die immanent beim Betrieb einer Windturbine auftreten und vom Wellensystem übertragen werden, unvermeidlich ist. Infolgedessen ist der Betrieb des Kompressors mit gleichmäßiger Drehzahl Störungen durch die Überlagerung der Schwingungen unterworfen. Zudem tritt kompressorseitig eine starke Belastung der Wellenlager auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine windkraftgetriebene Kompressoranlage bereitzustellen, die es ermöglicht, Wellendrehbewegungen schwingungsarm von einer Windturbine auf einen direkt mit dieser mechanisch gekoppelten Kompressor zu übertragen, sodass der Kompressor mit einer gleichmäßigen und schwankungsarmen Umlauffrequenz betreibbar ist.
Die Aufgabe wird durch die windkraftgetriebene Kompressoranlage mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.
Die windkraftgetriebene Kompressoranlage zur stromlosen Verdichtung von Gasen weist eine auf einem Mast montierte Windturbine auf. Diese in allgemein bekannter Bauart ausgeführte Windturbine besitzt mehrere Rotorblätter. Am Boden ist der Mast mittels eines Mastfußes verankert. Die Windturbine ist mit einer innerhalb des Mastes verlaufenden Turbinenwelle verbunden. Die windkraftgetriebene Kompressoranlage weist ferner einen Kompressor auf, der bei Einleitung mechanischer Energie über eine Antriebswelle die Verdichtung von Gasen, zum Beispiel Luft, bewirkt.
Nach Maßgabe der Erfindung erfolgt die Kopplung der Turbinenwelle mit dem Kompressor mittels einer Teleskop-Gelenkwelle.
Zwischen den Gelenken, im Regelfall Kreuzgelenken, weist die Teleskop-Gelenkwelle ein Schiebestück auf. Dieses kann zum Beispiel aus einem abtriebsseitigen Hohlwellenstummel und einem innerhalb diesem geführten, mittels Keilverzahnung verbundenen, antriebsseitigen Vollwellenstummel gebildet sein.
Bei Betrieb wird die durch den Wind bewirkte Drehbewegung der Windturbine auf die Turbinenwelle übertragen. Dieser Drehbewegung der Turbinenwelle sind zusätzliche, durch Schwingungen verursachte Bewegungen überlagert bzw. aufgeprägt. Ursache dieser Schwingungen ist unter anderem die windlastbedingte Umlaufbiegung der Turbinenwelle. Die Schwingungen bewirken in Verbindung mit der Abstützung an den Wellenlagern ein periodisches Abbremsen der Drehbewegung im Wellensystem.
Durch die Teleskop-Gelenkwelle werden sowohl Lateralbewegungen über die Gelenke als auch periodische Axialbewegungen über das Schiebestück ausgeglichen, sodass die in den Kompressor eingeleitete Drehbewegung weitgehend frei von überlagerten Schwingungen ist.
Vorteil der Erfindung ist es, dass die in den Kompressor eingekoppelte Drehbewegung der Welle mit einer gleichmäßigen Umlauffrequenz erfolgt und somit Schwankungen der Wellenleistung weitgehend vermieden werden.
Darüber hinaus bewirkt die Minderung der Übertragung von überlagerten Schwingungen eine deutliche Reduktion der Wellen- und Lagerbelastung und damit des Risikos von Ermüdungsschäden, wie zum Beispiel Schwingungsrissen oder -brüchen an den Wellen oder Ermüdungsverschleiß an den Lagern. Dies erhöht die Lebensdauer der Anlage und erlaubt einen geringen Wartungs- und Reparaturaufwand beim Betrieb der Anlage.
Mit der erfindungsgemäßen Kompressoranlage ist es möglich, Gase kostengünstig durch Nutzung von Windenergie zu verdichten. So kann zum Beispiel die Druckluft für Druckluftnetzwerke mit der autonom arbeitenden Kompressoranlage erzeugt und in Druckluftnetzwerke von Werkstätten eingespeist werden. Durch die Verwendung von Speichertanks ist eine Pufferung der Druckluftschwankungen, die bei der Erzeugung im Kompressor in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit auftreten, möglich.
Im Weiteren wird auf spezifische Ausgestaltungen der Erfindung eingegangen. Es kann vorgesehen sein, dass die Turbinenwelle und die Teleskop-Gelenkwelle über ein Winkelgetriebe miteinander gekoppelt sind. Das Winkelgetriebe ermöglicht es, die Drehbewegung von der bei bestimmungsgemäßen Gebrauch vertikal ausgerichteten Turbinenwelle auf die horizontal zum Kompressor angeordnete Teleskop-Gelenkwelle zu übertragen. Große Neigungswinkel an der Teleskop-Gelenkwelle und die damit verbundenen Leistungsverluste sind vermeidbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Mast kippbar ausgeführt. Dazu ist der Mast mit dem Mastfuß mittels eines Kipplagers verbunden. Der Vorteil hierbei ist, dass Montage- oder Reparaturarbeiten an der Windturbine im Bodenbereich nach dem Kippen des Mastes durchgeführt werden können. So ist es zum Beispiel möglich, Werbeaufschriften auf den Rotorblätter schnell und ohne sicherheitstechnischen Aufwand zu wechseln. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der Wellenverbindung zwischen Turbinenwelle und Kompressor mittels der Teleskop-Gelenkwelle und dem gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Winkelgetriebe das Kippen des Mastes ohne Trennung bzw. ohne Demontagearbeiten der Wellenverbindung erfolgen kann. Zum schnellen und sicheren Kippen und Aufrichten des Mastes wird lediglich eine geeignete Mastlegevorrichtung, im einfachsten Fall ein Flaschenzug, benötigt.
In einer Variante dieser Ausführungsform der windkraftgetriebenen Kompressoranlage mit dem Winkelgetriebe weist das Kipplager zwei Lagerzapfen auf, wobei einer der Lagerzapfen als Hohlachse ausgebildet ist. Das Winkelgetriebe ist mit der Teleskop-Gelenkwelle über eine innerhalb des als Hohlachse ausgebildeten Lagerzapfens verlaufende Welle gekoppelt. Die Drehachse des Kipplagers und die Drehachse der Welle sind folglich koaxial angeordnet. Beim Kippen des Mastes erfolgt lediglich eine Drehbewegung im Winkelgetriebe; eine Anpassung an die Kippbewegung durch die Teleskop-Gelenkwelle entfällt.
Ferner können die Teleskop-Gelenkwelle und der Kompressor mittels eines Schwingungsdämpfers gekoppelt sein. Durch den Schwingungsdämpfer erfahren die Schwingungen, die im Schiebestück der Teleskop-Gelenkwelle nicht vollständig ausgeglichen werden, eine zusätzliche Dämpfung. Dies betrifft insbesondere die durch hochfrequente Rotorschaufelvibrationen verursachten Schwingungen, die auf das Wellensystem übertragen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Windturbine eine Vertikalwindturbine ist. Die Vorteile einer Vertikalwindturbine sind zum einen, dass ein Umlenkgetriebe im Bereich der Mastspitze entfallen kann, und zum anderen, dass Vertikalwindturbinen bereits bei sehr geringen Windgeschwindigkeiten Wellenleistung erzeugen.
In einer Ausführungsform weist die Windturbine auswechselbare Rotorblätter auf. Insbesondere in Verbindung mit dem Kippmastsystem ist ein besonders schneller Austausch von beschädigten Rotorblättern möglich oder ein neuer Satz mit beschrifteten Rotorblättern installierbar.
An der Turbinenwelle kann weiterhin eine Bremse angebracht sein. Diese dient einerseits zur Begrenzung der Drehzahl bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten und andererseits kann die Windturbine mittels der Bremse, zum Beispiel zum Zwecke von Montagearbeiten, gestoppt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
1: eine Kompressoranlage in einer ersten Ausgestaltung im Längsschnitt, und
2: eine Kompressoranlage in einer zweiten Ausgestaltung im Längsschnitt.
Die Windturbine 10 mit den Rotorblättern 11 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechend der 1 ist als Vertikalwindturbine ausgeführt und drehbar an der Spitze des Mastes 12 gelagert. Innerhalb des Mastes 12 befindet sich die mit der Windturbine 10 verbundene Turbinenwelle 13. Der neben dem Mast 12 installierte Kompressor 30 ist ein Kolbenkompressor mit vorgeschaltetem integralem Getriebe, wobei der Kolbenkompressor eine Druckölschmierung für den störungsfreien Betrieb bei geringen Drehzahlen aufweist. Bei Einbringung einer Rotationsbewegung an der (nicht gekennzeichneten) Antriebswelle des Kompressors 30 wird verdichtetes Gas erzeugt und über die Zapfleitung 31 ist dieses zur Nutzung entnehmbar.
Der Mast 12 ist mit dem am Boden verankerten Mastfuß 15 über das Kipplager 14 und die lösbare Kippsicherung 16 verbunden. Durch Lösen der Kippsicherung 16 ist der Mast 12 um das Kipplager 14 quer zur Verbindungslinie Mastfuß 15 – Kompressor 30 kippbar.
Das Kipplager 14 umfasst zwei bezüglich des Mastes 12 gegenüberliegende Lagerzapfen. Der dem Kompressor 30 zugewandte Lagerzapfen ist als Hohlachse ausgebildet. Am unteren Endbereich der Turbinenwelle 13 befindet sich das Winkelgetriebe 23. Der Abtrieb aus dem Winkelgetriebe 23 ist eine (nicht gekennzeichnete) Welle die durch den als Hohlachse ausgebildeten Lagerzapfen des Kipplagers 14 verläuft. Diese Welle ist mit der Antriebswelle des Kompressors 30 über die Teleskop-Gelenkwelle 20 und den Schwingungsdämpfer 24 gekoppelt.
Die Teleskop-Gelenkwelle 20 weist die zwei Kreuzgelenke 21 sowie das zwischen diesen beiden befindliche Schiebestück 22 auf.
An der Turbinenwelle 13 ist oberhalb des Winkelgetriebes 23 die Bremse 25 angebracht.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach der 2 entsprechen die (nicht dargestellte) Windturbine 10, der Kompressor 30 mit der Zapfleitung 31, die Teleskop-Gelenkwelle 20 und der Schwingungsdämpfer 24 denen aus dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Mastfuß 15 ist in Bezug zum Kompressor 30 um 90° verdreht installiert (im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel), sodass der Mast 12 in der Verbindungslinie Mastfuß 15 – Kompressor 30 kippbar ist. Die Kippsicherung 16 ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel oberhalb des Winkelgetriebes 23 angeordnet.
Bezugszeichenliste

10: Windturbine
11: Rotorblatt
12: Mast
13: Turbinenwelle
14: Kipplager
15: Mastfuß
16: Kippsicherung
20: Teleskop-Gelenkwelle
21: Kreuzgelenk
22: Schiebestück
23: Winkelgetriebe
24: Schwingungsdämpfer
25: Bremse
30: Kompressor
31: Zapfleitung

Claims

Windkraftgetriebene Kompressoranlage zur stromlosen Verdichtung von Gasen, aufweisend eine auf einem Mast (12) montierte Windturbine (10), einen Mastfuß (15), eine innerhalb des Mastes (12) von der Windturbine (10) zum Mastfuß (15) verlaufende Turbinenwelle (13) und einen Kompressor (30), dadurch gekennzeichnet, dass – die Turbinenwelle (13) mit dem Kompressor (30) mittels einer Teleskop-Gelenkwelle (20) zur Übertragung von Wellenleistung gekoppelt ist, – die Turbinenwelle (13) und die Teleskop-Gelenkwelle (20) über ein Winkelgetriebe (23) miteinander gekoppelt sind, – der Mast (12) kippbar mittels eines Kipplagers (14) mit dem Mastfuß (15) verbunden ist, und – das Kipplager (14) zwei Lagerzapfen aufweist, wobei einer der Lagerzapfen als Hohlachse ausgebildet und das Winkelgetriebe (23) mit der Teleskop-Gelenkwelle (20) über eine innerhalb des als Hohlachse ausgebildeten Lagerzapfens verlaufende Welle gekoppelt sind.
Windkraftgetriebene Kompressoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen der Teleskop-Gelenkwelle (20) und dem Kompressor (30) einen Schwingungsdämpfer (24) aufweist.
Windkraftgetriebene Kompressoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine (10) eine Vertikalwindturbine ist.
Windkraftgetriebene Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine (10) auswechselbare Rotorblätter (11) aufweist.
Windkraftgetriebene Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Turbinenwelle (13) eine Bremse (25) angebracht ist.