DE102016221231A1

DE102016221231A1 - Windkraftanlage mit horizontaler Achse und Kronenrad

Info

Publication number: DE102016221231A1
Application number: DE102016221231.1A
Authority: DE
Inventors: Dirk Leimann
Original assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe für eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse; wobei die Windkraftanlage einen Rotor (205) und einen ersten Generator (113) aufweist; wobei das Getriebe ausgebildet ist, mindestens einen ersten Teil einer Antriebsleistung von dem Rotor (205) zu dem ersten Generator (113) zu übertragen; und wobei das Getriebe ein erstes Ritzel (105) aufweist. Das Getriebe weist mindestens ein Kronenrad (101) auf; wobei das erste Ritzel (105) mit dem Kronenrad (101) kämmt; und wobei das Kronenrad (101) den ersten Teil der Antriebsleitung auf das erste Ritzel (105) überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Windkraftanlagen mit mehreren Generatoren bekannt. Derartige Anlagen werden etwa beschrieben in den Druckschriften US 8,912/681 B1 , WO 0065708 A1 , US 2013/0052013 A1 und WO 2008/086608 A1 . Ein Stirnrad, dessen Drehachse horizontal ausgerichtet ist, steht dabei jeweils in Eingriff mit mehreren Ritzeln. Über jedes Ritzel wird ein separater Generator angetrieben. Mit der Drehachse des jeweiligen Stirnrads sind auch die Drehachsen der Ritzel und damit die Drehachsen der Eingangswellen der Generatoren horizontal ausgerichtet.
Aufgrund von Fertigungs- und Einbautoleranzen kann es zu Lagerabweichungen der einzelnen Ritzel kommen. Infolgedessen werden die Ritzel unterschiedlich belastet. Ein Lastausgleich ist eingeschränkt auf elektrischem Wege über die Anpassung der Winkellage der einzelnen Ritzel zueinander möglich. Ein darüber hinaus gehender Lastausgleich, wie er etwa bei Planetengetrieben mit axial beweglichem Sonnenrad stattfindet, ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe für eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse verfügbar zu machen, dass die den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll der Lastausgleich des Getriebes und damit einhergehend dessen Verschleißverhalten verbessert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das Getriebe ist für die Verwendung in einer Windkraftanlage mit horizontaler Achse vorgesehen. Als Windkraftanlagen mit horizontaler Achse werden solche Windkraftanlagen bezeichnet, deren Drehachse des Rotors mindestens teilweise horizontal verläuft. Die Drehachse verläuft dann mindestens teilweise horizontal, wenn sie nicht vertikal ausgerichtet ist. Insbesondere kann die Drehachse um einen von 90° abweichenden Winkel gegenüber der Horizontalen verkippt sein. Gewöhnlich handelt es sich bei dem Winkel um einen spitzen Winkel. Vorzugsweise ist die Drehachse vollständig horizontal, d.h. orthogonal zur Vertikalen, ausgerichtet.
Die Windkraftanlage weist neben dem Rotor einen ersten Generator auf. Dieser wird durch den Rotor angetrieben. Dabei überträgt das Getriebe einen Kraftfluss von dem Rotor zu dem Generator. Im Einzelnen ist das Getriebe ausgebildet, mindestens einen ersten Teil einer von dem Rotor aufgebrachten Antriebsleistung von dem Rotor zu dem ersten Generator zu übertragen.
Das Getriebe weist ein erstes Ritzel und gegebenenfalls ein weiter unten beschriebenes zweites Ritzel auf. Die Norm DIN 8683.1.2 definiert ein Ritzel als ein kleineres zweier Räder eines Paares miteinander kämmender Zahnräder. Ein Zahnrad gilt als kleiner, wenn es eine geringere Zähnezahl aufweist als ein weiteres Zahnrad.
Erfindungsgemäß weist das Getriebe mindestens ein Kronenrad auf, mit dem das erste Ritzel kämmt. Das Kronenrad wird direkt oder indirekt mit der von dem Rotor aufgebrachten Antriebsleistung beaufschlagt und überträgt den ersten Teil davon auf das erste Ritzel.
Ein Kronenrad hat die Grundform eines geraden Kreiszylinders. Dessen Grundfläche weist ein verzahntes Kreissegment auf.
Vorzugsweise sind das erste Ritzel und gegebenenfalls das zweite Ritzel als Zylinderräder ausgeführt. Ein Zylinderrad, auch Stirnrad genannt, hat die Grundform eines geraden Kreiszylinders, der auf seiner Mantelfläche verzahnt ist.
Die Grundform eines Körpers bezeichnet die Form eines ursprünglichen Körpers, aus dem der erstgenannte Körper durch Eliminieren einzelner Bereiche, etwa durch Einfügen von Aussparungen, entsteht. Insbesondere können die Aussparungen eine Verzahnung bilden.
Kämmt ein Ritzel mit einem Kronenrad, beträgt deren Achswinkel 90°. Eine Drehachse bzw. Mittelachse des Ritzels und eine Drehachse bzw. Mittelachse des Ritzels verlaufen also orthogonal zueinander.
Die Verwendung eines Kronenrads zur Übertragung der Antriebsleistung ermöglicht eine flexible Anordnung mehrerer Generatoren. Zudem toleriert das Kronenrad axiale Lagerabweichungen der einzelnen Ritzel, ohne dass negative Auswirkungen auf das Tragbild oder Zahnspiel zu befürchten wären.
Das Kronenrad kann drehfest angeordnet sein. In diesem Fall rotieren die Generatoren mit dem jeweiligen Ritzel und der Drehachse des Ritzels um eine zentrale Drehachse. In einer bevorzugten Weiterbildung ist aber das Kronenrad drehbar gelagert. Dabei sind die Generatoren, insbesondere der erste Generator und ein im weiteren Verlauf beschriebener zweiter Generator drehfest angeordnet. Die Ritzel, insbesondere das erste Ritzel und das zweite Ritzel, sind dabei drehbar um eine jeweils feststehende Drehachse gelagert.
Das Kronenrad ist bevorzugt derart weitergebildet, dass seine Drehachse horizontal verläuft.
Durch die an dem Rotor anliegende Windlast kommt es in dem Getriebe zu elastischen Verformungen und infolgedessen zu einer dynamischen Lagerabweichung des Kronenrads in axialer Richtung. Um derartige Lagerabweichungen auszugleichen, ist das Getriebe bevorzugt derart weitergebildet, dass die Drehachsen des ersten Ritzels und gegebenenfalls des zweiten Ritzels die Drehachse des Kronenrads schneiden, vorzugsweise in einer Drehachse der Eingangswelle. Dies verhindert, dass sich das das Tragbild und das Zahnspiel der Verzahnungen infolge der Axialbewegungen des Kronenrads ändert.
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung ist das Kronenrad drehfest mit dem Rotor verbindbar. Dabei drehen der Rotor und das Kronenrad sich mit übereinstimmender Drehzahl um eine gemeinsame Drehachse. Insbesondere kann eine Rotorwelle vorgesehen sein, die den Rotor mit dem Kronenrad verbindet, und mit welcher der Rotor und das Kronenrad jeweils drehfest verbunden sind.
Analog sind in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung das erste Ritzel und gegebenenfalls das zweite Ritzel, drehfest mit jeweils einer Eingangswelle eines Generators verbindbar. So ist das erste Ritzel weiterbildungsgemäß drehfest mit einer Eingangswelle des ersten Generators verbindbar. Das zweite Ritzel ist gegebenenfalls bevorzugt drehfest mit einer Eingangswelle des zweiten Generators verbindbar.
Das zweite Ritzel und der zweite Generator sind Teil einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung des Getriebes. Diese Weiterbildung sieht vor, dass neben dem ersten Ritzel auch das zweite Ritzel mit dem Kronenrad kämmt. Insbesondere kämmt das zweite Ritzel mit derselben Verzahnung des Kronenrad wie das erste Ritzel.
Das Getriebe ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, einen zweiten Teil der von dem Rotor aufgebrachten Antriebsleistung von dem Rotor zu dem zweiten Generator zu übertragen. Der zweite Teil der Antriebsleistung wird von dem Kronenrad auf das zweite Ritzel übertragen.
Die Erfindung erlaubt in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung eine Anordnung der Generatoren auf unterschiedlichen axialen Seiten des Kronenrads. Dabei ist das erste Ritzel drehfest mit der Eingangswelle des ersten Generators und das zweite Ritzel drehfest mit einer Eingangswelle des zweiten Generators verbindbar. Die Eingangswelle des ersten Generators ist weiterbildungsgemäß mindestens teilweise zwischen dem ersten Ritzel und einem Schnittpunkt einer Drehachse des ersten Ritzels mit einer Drehachse des zweiten Ritzels angeordnet. Dies bedingt eine Anordnung des ersten Generators mindestens teilweise innerhalb des Kronenrads, d.h. innerhalb eines von dem Kronenrad umgebenen, zweiseitig geöffneten Hohlraums.
Das zweite Ritzel wiederum ist weiterbildungsgemäß zwischen der Eingangswelle des zweiten Generators und dem Schnittpunkt der Drehachse des ersten Ritzels mit der Drehachse des zweiten Ritzels angeordnet. Dies bedingt eine Anordnung des zweiten Generators außerhalb des Kronenrads, d.h. nicht mindestens teilweise innerhalb des Kronenrads.
Durch die wechselweise Anordnung der Generatoren innerhalb und außerhalb des Kronenrads ist es möglich, eine größere Anzahl von Generatoren in einer Windkraftanlage zu integrieren. Da aufgrund der Größe der Generatoren davon auszugehen ist, dass nicht die Ritzel, sondern die Generatoren einen limitierenden Faktor darstellen, ist zu erwarten, dass sich die Zahl der Generatoren weiterbildungsgemäß nahezu verdoppeln lässt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleicher Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1 eine Anordnung von Generatoren; und
2 eine Schnittdarstellung der Anordnung.

Ein Kronenrad 101 gemäß 1 ist um eine Drehachse 103 drehbar gelagert. Die Drehachse 103 verläuft horizontal.
Mit dem Kronenrad 103 kämmen ein erstes Ritzel 105, das sich um eine erste Drehachse 107 dreht, und ein zweites Ritzel 109, das sich um eine zweite Drehachse 111 dreht. Die erste Drehachse 107 und die zweite Drehachse 109 verlaufen bezüglich des Kronenrads 101 radial. Zu der Drehachse 103 des Kronenrads 101 sind die erste Drehachse 107 und die zweite Drehachse 109 entsprechend orthogonal ausgerichtet. Beide Drehachsen 107, 109 schneiden sich in der Drehachse 103 des Kronenrads 101.
Das erste Ritzel 105 treibt einen ersten Generator 113 an. Entsprechend treibt das zweite Ritzel 109 einen zweiten Generator 115 an. Der erste Generator 113 befindet sich außerhalb des Kronenrads 101, der zweite Generator 115 innerhalb des Kronenrads 101. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass der erste Generator 113 und der zweite Generator 115 nicht um Bauraum konkurrieren.
Wie in 2 dargestellt, sind die Generatoren 113, 115 in einer Gondel 201 einer Windkraftanlage fixiert. Eine Hauptwelle 203 ist als Hohlwelle ausgeführt. Die Hauptwelle 203 verbindet einen Rotor 205 drehfest mit dem Kronenrad 101 und ist mittels eines Hauptlagers 207 drehbar in der Gondel 201 gelagert.
Innerhalb der Gondel 201 befindet sich ein Ölsumpf. Daher sind Dichtungen 209a, 209b vorgesehen, welche die Hauptwelle 203 gegenüber der Gondel 201 abdichten. Das Kronenrad 101 und die Ritzel 105, 109 hingegen sind außerhalb des Ölsumpfs angeordnet. Hier kommt daher eine Trockenschmierung zum Einsatz.
Durch die außermittige Anordnung der Generatoren 113, 115 verbleibt mittig im Bereich der Drehachse 103 freier Bauraum. Hier weist die Gondel 201 eine Aussparung 209 auf, die zur Durchführung von Signal- und Versorgungsleitungen genutzt werden kann.
Bezugszeichenliste

101: Kronenrad
103: Drehachse
105: erstes Ritzel
107: erste Drehachse
109: zweites Ritzel
111: zweite Drehachse
113: erster Generator
115: zweiter Generator
201: Gondel
203: Hauptwelle
205: Rotor
207: Hauptlager
209: Aussparung

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

US 8912681 B1 [0002]
WO 0065708 A1 [0002]
US 2013/0052013 A1 [0002]
WO 2008/086608 A1 [0002]

Claims

Getriebe für eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse; wobei die Windkraftanlage einen Rotor (205) und einen ersten Generator (113) aufweist; wobei das Getriebe ausgebildet ist, mindestens einen ersten Teil einer Antriebsleistung von dem Rotor (205) zu dem ersten Generator (113) zu übertragen; und wobei das Getriebe ein erstes Ritzel (105) aufweist; gekennzeichnet durch mindestens ein Kronenrad (101); wobei das erste Ritzel (105) mit dem Kronenrad (101) kämmt; und wobei das Kronenrad (101) den ersten Teil der Antriebsleitung auf das erste Ritzel (105) überträgt.
Getriebe nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass das Kronenrad (101) drehbar gelagert ist.
Getriebe nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (103) des Kronenrads (101) horizontal verläuft.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche ; dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (107) des ersten Ritzels (105) die Drehachse (103) des Kronenrads (101) orthogonal schneidet.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das Kronenrad (101) drehfest mit dem Rotor (205) verbindbar ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ritzel (105) drehfest mit einer Eingangswelle des ersten Generators (113) verbindbar ist.
Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch ein zweites Ritzel (109) und einen zweiten Generator (115); wobei das Getriebe ausgebildet ist, einen zweiten Teil der Antriebsleistung von dem Rotor (205) zu dem zweien Generator (115) zu übertragen; wobei das zweite Ritzel (109) mit dem Kronenrad (101) kämmt; wobei das Kronenrad (101) den zweiten Teil der Antriebsleistung auf das zweite Ritzel (109) überträgt.
Getriebe nach dem vorhergehenden Anspruch, rückbezogen auf Anspruch 6; dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ritzel (109) drehfest mit einer Eingangswelle des zweiten Generators (115) verbindbar ist; wobei die Eingangswelle des ersten Generators mindestens teilweise zwischen dem ersten Ritzel (105) und einem Schnittpunkt der Drehachse (107) des ersten Ritzels (105) mit einer Drehachse (111) des zweiten Ritzels (109) angeordnet ist; wobei das zweite Ritzel (109) zwischen der Eingangswelle des zweiten Generators (115) und dem Schnittpunkt der Drehachse (107) des ersten Ritzels (105) mit der Drehachse (111) des zweiten Ritzels (109) angeordnet ist. der erste Generator (113) mindestens teilweise innerhalb des Kronenrads (113) angeordnet ist; wobei der zweite Generator (115) außerhalb des Kronenrads (101) angeordnet ist.
Windkraftanlage mit einem Rotor (205) und einen ersten Generator (113); gekennzeichnet durch ein Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei das Getriebe ausgebildet ist, mindestens einen ersten Teil einer Antriebsleistung von dem Rotor (205) zu dem ersten Generator (113) zu übertragen.