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Die Erfindung betrifft ein Rotorlagergehäuse für die Aufnahme eines Rotors einer Windenergieanlage, mit einem kreisförmigen Turmanschluss und einem zwei voneinander beabstandete Ringlager aufweisenden Rotorlager zur Aufnahme eines Rotors. Die Erfindung betrifft auch eine Windenergieanlage mit einem Turm, einem auf dem Turm angeordneten Rotorlagergehäuse, einem im Rotorlagergehäuse gelagerten Rotor, der eine Rotorwelle, eine mit der Rotorwelle mittels eines Rotorflanschs verbundene Rotornabe und wenigstens ein mit der Rotornabe verbundenes Rotorblatt aufweist, und einem mit dem Rotor verbundenen Generator.
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Die weltweit steigende Nachfrage nach erneuerbaren Energien, hier speziell der Windenergie, zusammen mit der rapiden Abnahme geeigneter Standorte für Windenergieanlagen mit ausreichend Windgeschwindigkeiten führt zur Entwicklung von immer größeren und leistungsfähigeren Windenergieanlagen. Dabei resultiert die Vergrößerung der Anlagenleistung in immer größeren Massen und Dimensionen der zu transportierenden und zu errichtenden Komponenten und stellt an vielen Standorten eine große Herausforderung für die Logistik dar. Insofern überschreitet die Breite und die Höhe sowie das Gesamtgewicht der Gondeln derartiger Windenergieanlagen immer öfter die zulässigen Grenzwerte für den Straßentransport. Ebenso erfordert die im Offshore Bereich stetig steigende Anlagenleistung einer Reduzierung der Turmkopfmassen und Abmessungen um die Kosten für den Bau der Windenergieanlagen, der Gründungsstrukturen und für die Errichtung weiter zu verringern.
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Ein Ziel für die Entwicklung neuer Windenergieanlagen ist es deshalb stets die Abmessungen und Dimensionen der Gondel so klein wie möglich zu halten und die Herstellungskosten weiter zu senken um die Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlagen zu erhöhen. Die Verwendung einer kompakten Getriebe-Generator-Einheit mit geringer Getriebeübersetzung und Generator mit mittlerer Drehzahl (Hybridantrieb) stellt, speziell für große Windenergieanlagen, den besten Kompromiss zwischen den beiden traditionellen Triebstrangkonzepten mit direktgetriebenem Generator und schnelllaufendem Generator mit hochübersetzendem Getriebe in Bezug auf Dimensionen, Massen, Zuverlässigkeit und Kosten dar.
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Die
DE 10 2007 012 408 A1 zeigt bereits eine sehr kompakte Ausführung wobei hier das Rotorlager, das Getriebe und der Generator im Kraftfluss der Windenergieanlage zwischen Rotornabe und Turmkopf angeordnet ist und damit einerseits ein Austausch dieser Komponenten im Schadensfalls nur durch eine komplette Demontage des gesamten Rotors und Triebstranges erfolgen kann was sich negativ auf die Wartungskosten solcher Anlagen auswirkt und gleichzeitig die Gehäuse dieser Komponenten alle Rotorlasten übertragen müssen was zu unerwünschten Deformationen in den genannten Bauteilen führt, was wiederum die Funktion und die Lebensdauer der Komponenten negativ beeinflussen kann, und die Gehäuse dadurch besonders steif ausgeführt werden müssen.
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Die
US 8 907 517 B2 zeigt eine Lagereinheit die mit einer Getriebe-Generator-Einheit verbunden ist und damit die Übertragung der Rotorlasten nicht durch die Gehäuse des Getriebes und des Generators erfolgt. Nachteilig bei der dargestellten Lösung ist jedoch die weiterhin benötigte Verbindung der Lagereinheit mit dem darunter befindlichen Maschinenträger mittels mehrerer, nicht kreisförmig ausgeführter Flanschschraubflächen und die dadurch resultierende ungünstige Formgebung der Lagereinheit und des Maschinenträgers die zu Spannungsspitzen in den Flanschflächen führt sowie die Notwendigkeit der zusätzlichen mechanischen Bearbeitung der Flanschflächen und die zusätzlichen Schraubverbindungen was zu einer Erhöhung der Abmessungen, des Gewichtes und der Fertigungskosten führt.
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Die
US 4 527 072 A zeigt eine rohrförmige Tragstruktur in die jedoch Teile der Getriebe- und Generatortragstruktur integriert sind und die Rotorlagerung zur Aufnahme aller Rotorkräfte vor der rohrförmigen Tragstruktur in einem separaten Gehäuse angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine unvorteilhafte Krafteinleitung der Rotorlasten in die zylinderförmige Tragstruktur, ein erhöhter Fertigungsaufwand durch die zusätzlich benötigten Flanschverbindungen sowie das Problem der bei Getriebeschäden notwendigen kompletten Demontage der Gondel.
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Schließlich zeigt die
CN 201386629 Y beispielhaft das eingangs genannte Rotorlagergehäuse, das insbesondere einstückig ausgebildet ist. Dieses weist einen kreisförmigen Turmanschluss auf, auf dem ein sich horizontal erstreckender Abschnitt angeordnet ist, in dem zwei voneinander beabstandete Ringlager zur Aufnahme der Rotorwelle eines Rotors aufgenommen sind. Der Nachteil dieser Ausgestaltung liegt in der konstruktionsbedingt raumgreifenden Bauform, der der Ausbildung einer kompakten Windenergieanlage entgegensteht.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Gondel zu schaffen, die eine möglichst kompakte und leichte Bauweise aufweist und gleichzeitig den Austausch wichtiger Triebstrangkomponenten am Standort ermöglicht ohne die komplette Gondel vom Turm zu heben und zu demontieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Rotorlagergehäuse mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird auch durch die Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, das Rotorlagergehäuse als zentrale Einheit auszugestalten, die - wie bekannt - als Rotorlagereinheit fungiert und zugleich aber alle Bauteile der Gondel miteinander verbindet. Somit werden die in anderen Konstruktionen üblicherweise verwendeten Bauteile Maschinenträger, zweites Lagergehäuse und Generatorträger zur Aufnahme von Gondelkomponenten überflüssig.
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Insbesondere ergibt sich erfindungsgemäß durch die Verwendung von nur einer zentralen Rotorlagereinheit ein deutlich reduzierter Fertigungsaufwand und Bearbeitungsaufwand für die mechanischen Teile der Windenergieanlage sowie im Vergleich zu bereits bekannten Windenergieanlagen sehr kompakte Bauweise unter Beibehaltung der Modularität und Austauschbarkeit der Getriebe-Generatoreinheit ohne Demontage des gesamten Triebstrangs mit Rotor.
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Insbesondere wird durch die Anordnung der beiden Ringlager über der Flanschanschlussfläche zum Azimutlager eine optimale Kraftübertragung der in die Lager übertragenen Querkräfte in die darunter liegende Struktur der Rotorlagereinheit gewährleistet.
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Der Lagerabstand ist also im Wesentlichen so groß wie der Durchmesser der unteren Flanschanschlussfläche des Rotorlagergehäuses.
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Zusammen mit der für den Kraftfluss im Rotorlagergehäuse sehr vorteilhaften Formgebung, im Wesentlichen bestehend aus miteinander verschnittenen zylinderförmigen und kegelförmigen Körpern, ergeben sich im Rotorlagergehäuse besonders geringe Spannungen und Verformungen die im Vergleich zu bekannten konventionellen Lösungen zu einer deutlich Gewichtsreduzierung führen.
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Durch das erfindungsgemäß sehr kompakt ausgeführte Rotorlagergehäuse ergibt sich auch ein kleiner Abstand zwischen der Rotorkreisfläche und der Turmwand der Windenergieanlage. Das Gehäuse der selbsttragenden, separaten Getriebe-Generator-Einheit, die bevorzugt als Hybrid-Antrieb ausgebildet ist, ist fest mit dem Rotorlagergehäuse verschraubt, wodurch ein zusätzlicher Maschinenträger oder Generatorträger zur Aufnahme der Gewichtslasten der beiden Komponenten, sowie eine auf beiden Seiten des Getriebegehäuses angeordnete Drehmomentenstütze zur Aufnahme der Triebstrangdrehmomentes eingespart werden kann.
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Die Verbindung von der Rotorwelle mit der Getriebeeingangswelle erfolgt entweder über eine Ausgleichskupplung oder durch eine feste Flanschverbindung zwischen den beiden Teilen. Durch den Wegfall des separaten Maschinenträgers und der Drehmomentenstütze ergibt sich im Vergleich zu anderen Konstruktionen eine deutlich reduzierte Gesamtbreite und Gesamtlänge des Triebstranges.
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Das Rotorlagergehäuse ist an der unteren Flanschverbindung mit dem Azimutlager verschraubt und ist mittels des Azimutlagers unmittelbar drehbar mit dem obersten Turmsegment verbunden. Um die Transportbreite der Gondel zu minimieren, ist der Durchmesser des Azimutlagers so weit wie möglich zu reduzieren. Der geringe Abstand zwischen Rotorkreisfläche und Turmachse, hervorgerufen durch das sehr kompakte Rotorlagergehäuse, sowie der möglichst kleine Durchmesser des Azimutlagers kann insbesondere durch eine Downwind-Anordnung des Rotors als Lee-Läufer und den Verzicht auf eine aktive Windrichtungsnachführung realisiert werden (Free-Yaw oder passive Windrichtungsnachführung).
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Durch die Downwind-Anordnung können sehr viel geringere Abstände zwischen Rotorkreisfläche und Turmwand realisiert werden als bei der üblichen Upwind-Anordnung des Rotors als Luv-Läufer, da sich die Rotorblätter in einer Downwind-Anordnung im normalen Betrieb aufgrund der auftretenden Windlasten vom Turm wegbiegen.
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Eine Upwind-Anordnung mit aktiver Windrichtungsnachführung würde das Aufbringen eines bestimmten Drehmomentes um die Turmhochachse erfordern, um die Gondel der Windrichtung aktiv nachführen zu können. Die auftretenden Windkräfte wirken hierbei im Normalfall der Bewegungsrichtung entgegen, unterstützen diese also nicht. Dieses erforderliche Drehmoment muss bei einer aktiven Windrichtungsnachführung durch eine geeignete Anzahl an Yaw-Antrieben sowie durch einen ausreichend großen Durchmesser des Azimutlagers realisiert werden. Eine aktive Windrichtungsnachführung steht also der gewünschten Minimierung des Durchmessers des Azimutlagers hinderlich entgegen.
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Bei der besonders bevorzugt vorgesehenen Downwind-Anordnung mit passiver Windrichtungsnachführung muss jedoch kein Moment um die Turmhochachse für die Windrichtungsnachführung der Gondel erzeugt werden, da die Gondel durch die auftretenden Windlasten am Rotor passiv nach dem Windfahnenprinzip nachgeführt wird. Deshalb sind auch keine Yaw-Antriebe nötig und der Durchmesser des Azimutlagers kann ausschließlich aufgrund der zu übertragenden Biegemomente dimensioniert und wie gewünscht minimiert werden.
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Am Rotorlagergehäuse sind dennoch Azimutbremsen angeordnet, die ein Bremsmoment auf eine mit dem Turm fest verbundene Bremsscheibe aufbringen können. Die Azimutbremsen sind hierbei so beschaffen, dass das Bremsmoment zwischen Null und einem Maximalwert einstellbar ist. Dadurch kann die Azimutbewegung der Gondel in bestimmten Betriebszuständen oder Fehlerfällen durch die Aktivierung der Azimutbremsen auf einen zulässigen Wert der Drehgeschwindigkeit oder Drehbeschleunigung begrenzt werden. Diese Begrenzung ist speziell notwendig, um unzulässige Betriebszustände der Anlage aufgrund von zu hohen Yaw-Geschwindigkeiten oder Yaw-Beschleunigungen zu vermeiden, die zu Überlastungen und Beschädigungen von Komponenten führen können.
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Eine Schleifringeinheit überträgt die elektrische Leistung und die notwendigen Steuersignale von der sich drehenden Gondel auf den feststehenden Turm. Die bei Konzepten mit aktiver Windrichtungsnachführung nach einer bestimmten maximal zulässigen Anzahl an Gondelumdrehungen notwendige Entwindung der Leistungskabel ist bei der oben beschriebenen Verwendung einer Schleifringeinheit entsprechend nicht notwendig.
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Bei passiven Windrichtungsnachführungen ergibt sich eine bestimmte Abweichung der Gondelposition zur mittleren Windrichtung abhängig von der mittleren Windgeschwindigkeit und anderen Windparametern. Diese Abweichung kann bei passiven Windrichtungsnachführungen nicht aktiv ausgeglichen werden wie sonst bei aktiven Windrichtungsnachführungen üblich. Durch die erfindungsgemäß bevorzugte, gezielte Verwendung eines seitlichen Achsversatzes zwischen Rotorachse und Turmhochachse kann diese Windrichtungsabweichung für die zu erwartende Windgeschwindigkeit mit dem größten prozentualen Anteil am Energieertrag minimiert werden.
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Erfindungsgemäß wird also ein Rotorlagergehäuse für die Aufnahme eines Rotors einer Windenergieanlage vorgeschlagen, wobei das Rotorlagergehäuse einen kreisförmigen Turmanschluss und ein zwei voneinander beabstandete Ringlager aufweisendes Rotorlager zur Lagerung einer Rotorwelle aufweist, wobei die Ringlager in Draufsicht innerhalb des Turmanschlusses, also innerhalb des Umfangs des Turmanschlusses angeordnet sind. Dabei sind die Ringlager erfindungsgemäß so ausgebildet, dass die wirksamen Lagermitten der Ringlager in Draufsicht außerhalb des Turmanschlusses angeordnet sind. Dieses ist weiter erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass die Ringlager als Kegelrollenlager ausgebildet sind.
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Das Rotorlagergehäuse weist bevorzugt einen sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Abschnitt auf, an dessen Unterseite der kreisförmige Turmanschluss ausgebildet ist und der mit einem sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Abschnitt, der das Rotorlager aufnimmt, einstückig ausgebildet ist. Der vertikale Abschnitt ist speziell kegelförmig ausgebildet, wobei das Rotorlagergehäuse besonders bevorzugt aus einem mit einem Hohlzylinder verschnittenen Hohlkegel gebildet ist.
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Im sich vertikal erstreckenden Abschnitt sind speziell ein erstes Mannloch zum Einstieg durch den Turmanschluss in den vertikalen Abschnitt des Rotorlagergehäuses und ein zweites Mannloch zum Durchstieg aus dem vertikalen Abschnitt des Rotorlagergehäuses in den Bereich außerhalb des Rotorlagergehäuses vorgesehen. Dieses ermöglicht eine kompakte Bauweise und zugleich den Durchstieg aus dem Turm einer Windenergieanlage durch das Rotorlagergehäuse in die von der Gondelverkleidung gebildete Gondel.
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Weiter ist bevorzugt ein sich zum Turmanschluss in einem Winkel von im Wesentlichen 90° erstreckender Anschlussflansch für die Befestigung eines Generatorgehäuses vorgesehen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verläuft die gedachte Achse durch die wirksamen Lagermitten der Ringlager nicht durch den Mittelpunkt des Turmanschlusses.
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Entsprechend wird auch eine Windenergieanlage beansprucht, mit einem Turm, einem auf dem Turm angeordneten Rotorlagergehäuse, das wie zuvor geschildet ausgebildet ist, einem im Rotorlagergehäuse gelagerten Rotor, der eine Rotorwelle, eine mit der Rotorwelle mittels eines Rotorflanschs verbundene Rotornabe und wenigstens ein mit der Rotornabe verbundenes Rotorblatt aufweist, und einem mit der Rotorwelle verbundenen Generator.
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Die Windenergieanlage weist bevorzugt ein am oberen Ende des Turms angeordnetes, zwei gegeneinander drehbare Lagerelemente aufweisendes Azimutsystem auf, wobei das Rotorlagergehäuse das obere Lagerelement des Azimutsystems ausbildet.
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Der Abstand der Ringlager zueinander entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms im Bereich des Azimutsystems. Insbesondere ist der Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms im Bereich des Azimutsystems maximal 15 % größer als der Abstand der Ringlager zueinander. Speziell ist der Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms im Bereich des Azimutsystems maximal 10 % größer als der Abstand der Ringlager zueinander.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung entspricht auch der Durchmesser des Rotorflanschs im Wesentlichen dem Abstand der Ringlager zueinander und/oder im Wesentlichen dem Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms im Bereich des Azimutsystems. Bevorzugt sind der Durchmesser des Rotorflanschs und der Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms im Bereich des Azimutsystems im Verhältnis zum Abstand der Ringlager maximal 15 % größer oder kleiner. Besonders bevorzugt sind der Durchmesser des Rotorflanschs und der Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms im Bereich des Azimutsystems im Verhältnis zum Abstand der Ringlager maximal 10 % größer oder kleiner.
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Durch diese bevorzugte Ausgestaltung wird ein optimaler Kraftfluss vom Rotor in den Turm erreicht.
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Bevorzugt verläuft die Rotorachse außerhalb des Turmmittelpunkts, um der sich bei einer passiven Windrichtungsnachführung ergebenden Schiefstellung der Gondel gegenüber der Windrichtung durch die gewählte Geometrie entgegenzuwirken.
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Bevorzugt ist der Anschlussflansch des Rotorlagergehäuses mit einem den Generator aufnehmenden Generatorgehäuse verbunden. Dabei ist die Rotorwelle mit dem Generator bevorzugt mittels eines Getriebes verbunden. Besonders bevorzugt sind das Getriebe und der Generator als Hybridantrieb ausgebildet.
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Weiter sind am Rotorlagergehäuse bevorzugt Azimutbremsen angeordnet.
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Schließlich ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Windenergieanlage bevorzugt als Lee-Läufer ausgebildet.
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Durch die Erfindung wird eine sehr kompakte Bauweise erreicht, die Zuverlässigkeit der Windenergieanlage erhöht und gleichzeitig ein Austausch der Komponenten mit dem höchsten Ausfallrisiko ohne komplette Demontage der Gondel gewährleistet. Im Vergleich zu anderen Triebstrangkonzepten ergeben sich daraus deutliche Vorteile in Bezug auf die Investitionskosten und Lebensdauerkosten von erfindungsgemäß ausgestalteten Windenergieanlagen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage im Bereich der Gondel; und
- 2 eine perspektivische Ansicht der Windenergieanlage aus 1 ohne Gondelverkleidung.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer als Lee-Läufer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage gemäß der Erfindung im Bereich der Gondel.
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Die besonders bevorzugt ausgestaltete Windenergieanlage 100 weist einen Turm 110, ein auf dem Turm 110 angeordnetes, erfindungsgemäß ausgestaltetes Rotorlagergehäuse 10, einen im Rotorlagergehäuse 10 gelagerten Rotor 120 mit einer Rotorwelle 130, eine mit der Rotorwelle 130 mittels eines Rotorflanschs verbundene Rotornabe 140 und eine Mehrzahl von mit der Rotornabe 140 verbundenen Rotorblättern 150, sowie einen mit der Rotorwelle 130 verbundenen, von einem Generatorgehäuse 160 aufgenommenen Generator auf.
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Es ist deutlich zu erkennen, dass das Rotorlagergehäuse 10 mit einem kreisförmigen Turmanschluss 20 ausgebildet ist, der das obere Lagerelement des Azimutsystems ausbildet. Das Rotorlagergehäuse 10 nimmt darüber hinaus zwei voneinander beabstandete Ringlager 30, 40 auf, die als Kegelrollenlager ausgebildet sind. Wie die Schnittdarstellung zeigt, sind die Ringlager 30, 40 innerhalb des Umfangs des Turmanschlusses 20 angeordnet, wobei die Ringlager 30, 40 so ausgebildet sind, dass die wirksamen Lagermitten der Ringlager 30, 40 außerhalb des Turmumfangs liegen.
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Der Abstand der Ringlager 30, 40 zueinander entspricht in etwa dem Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms 110 im Bereich des Azimutsystems. Dabei beträgt die Differenz zwischen dem Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms 110 im Bereich des Azimutsystems zum Abstand der Ringlager 30, 40 zueinander weniger als 10 % bezogen auf den Abstand der Ringlager 30, 40 zueinander.
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Ebenso entspricht der Durchmesser des Rotorflanschs im Wesentlichen dem Abstand der Ringlager 30, 40 zueinander und auch im Wesentlichen dem Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms 110 im Bereich des Azimutsystems. Im gezeigten Beispiel beträgt die Differenz zwischen dem Durchmesser des Rotorflanschs und dem Durchmesser des oberen Abschnitts des Turms 110 im Bereich des Azimutsystems im Verhältnis zum Abstand der Ringlager 30, 40 zueinander weniger als ± 10 % bezogen auf die Distanz zwischen den Ringlagern.
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Schließlich zeigt 2 eine perspektivische Ansicht der Windenergieanlage aus 1 ohne Gondelverkleidung.
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Es ist deutlich zu erkennen, dass das drehbar auf dem Turm 110 der als Lee-Läufer ausgestalteten Windenergieanlage 100 angeordnete Rotorlagergehäuse 10 einen sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Abschnitt 12, an dessen Unterseite der kreisförmige Turmanschluss 20 ausgebildet ist, und einem sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Abschnitt 14, der das Rotorlager aufnimmt, gebildet ist. Dabei sind die beiden Abschnitte 12, 14 einstückig ausgebildet, wobei der vertikale Abschnitt 12 kegelförmig und der horizontale Abschnitt zylinderförmig ausgebildet ist. Insbesondere ist das Rotorlagergehäuse 10 aus einem mit einem Hohlzylinder 14 verschnittenen Hohlkegel 12.
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Im sich vertikal erstreckenden Abschnitt 12 ist ein erstes Mannloch zum Einstieg durch den Turmanschluss 20 in den vertikalen Abschnitt 12 des Rotorlagergehäuses 10 angeordnet, wobei zusätzlich ein in der sich vertikal erstreckenden Wandung des vertikalen Abschnitts 12 angeordnetes zweites Mannloch 50 zum Durchstieg aus dem vertikalen Abschnitt 12 des Rotorlagergehäuses 10 in den Bereich außerhalb des Rotorlagergehäuses 10 vorgesehen ist.
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Schließlich ist in 2 auch zu erkennen, dass die Windenergieanlage 100 mit am Rotorlagergehäuse 10 angeordneten Azimutbremsen 170 ausgestattet ist.
