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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für eine Windkraftanlage.
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Es werden Getriebe mit 3 und 4-Punkt Lagerung für 6-polige Generatoren mit 3-stufigem Aufbau (Planet-Planet-Stirnrad) gebaut. Es gibt einen Trend zu immer noch größeren Rotoren, was die Eingangsdrehzahl herabsetzt und zu 4-poligen Generatoren, was die Abtriebsdrehzahl um 50% vergrößert. Dadurch ergibt sich ein Bedarf an Getrieben mit Übersetzungen bis zu i_ges=200. Diese hohen Übersetzungen werden derzeit 3-stufige Getriebe mit Planet-Planet-Stirnrad eingesetzt. Hier muss aber in jeder Stufe eine Übersetzung von ca. 6 eingesetzt werden um die hohe Gesamtübersetzung zu erreichen. Dies führt zu einem schweren und teuren Getriebe. Die Alternative ist ein 4-stufiges Getriebe, was wiederum zu einem teuren Getriebe führt.
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Es ist von der Firma Winergy ein Getriebe für eine Windkraftanlage mit einer ersten Planetenstufe und einer zweiten Planetenstufe sowie einem Stirnradgetriebe bekannt. Ein derartiges Windradgetriebe hat eine Nennleistung von bis zu 3,6 MW.
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Die Firma GE betreibt gerade ein mit Haliade bezeichnetes Projekt, bei dem eine Windkraftanlage für bis zu 12 MW ausgelegt ist.
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Weitere mehrstufige Getriebe für Windkraftanlagen sind aus der
EP 2 199 607 B1 und aus der
EP 594 789 B1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Getriebe für eine Windkraftanlage für hohe Übersetzungsverhältnisse weiterzubilden.
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Durch die Maßnahme in dem Getriebe mindestens eine Planetengetriebestufe mit einem Stufenplaneten vorzusehen, kann ein Getriebe mit einer hohen Übersetzung, insbesondere von einer Übersetzung von 150 und mehr bereitgestellt werden. Durch das Stufengetriebe kann Material eingespart werden. Das trägt zu einer Kostenreduzierung bei. Auch weist ein derartiges Getriebe eine kompakte Bauform auf. Durch die Maßnahme den Stufenplaneten in der zweiten oder nachfolgenden Getriebestufe vorzusehen, ist eine Auslegung des Stufenplaneten auf kleinere Momente möglich, was eine materialsparende Bauweise erlaubt. Es kann dadurch eine Materialeinsparung von 10% erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Getriebe mit drei Getriebestufen vorgesehen. Als Ausgangsübersetzungsstufe ist vorzugsweise ein Stirnradgetriebe vorgesehen. Bevorzugt ist als Eingangsgetriebestufe ein Planetengetriebe vorgesehen. Dadurch wird im Aufbau ein kompaktes Getriebe mit Übersetzungsverhältnissen möglich. Schon beim Vorsehen von 4 Getriebestufen steigt die Bauteileanzahl und das erforderliche Material. Dadurch würden die Baukosten erhöht werden. Als hohe Übersetzung wird ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 150, vorzugsweise von 180 und besonders von 200 angesehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Planetenstufe ein Standübersetzungsverhältnis von mindestens - 3 oder kleiner aufweist. Das negative Vorzeichen drückt die Drehrichtung der Ausgangswelle der Getriebestufe aus. Das von der ersten Getriebestufe auf der Abtriebsseite übertragene Drehmoment beträgt maximal ein Drittel des eingangsseitigen Drehmomentes. Dadurch können die Zahnräder der zweiten Getriebestufe weniger massiv und damit unter reduziertem Materialeinsatz ausgelegt werden. Das wirkt sich günstig auf die Herstellungskosten aus.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Durchmesser des Hohlrades der zweiten Getriebestufe kleiner oder gleich dem Durchmesser des Hohlrades der ersten Getriebestufe ist. Dadurch können günstige Übersetzungsverhältnisse erreicht werden. Durch das Stufengetriebe können so problemlos Standübersetzungen von bis zu -15 erreicht werden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die erste Planetenstufe mindestens vier, vorzugsweise fünf, Planetenräder aufweist. Dadurch kann eine höhere Leistungsdichte bei gleichem Materialeinsatz erreicht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lagerung der Planetenräder in der ersten Getriebestufe in den Planetenrädern angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders kompakte Bauform möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Planetenräder des Stufenplaneten eine Schrägverzahnung aufweisen, wobei für eine Lagerung und dabei die durch die Schrägverzahnung auftretenden Axialkräfte sich aufheben oder nahezu. Dabei wäre eine Übertragung von 10% der Axialkraft eines Planetenrades zulässig. Dadurch ist es nicht erforderlich eine Lagerung des Stufenplaneten vorzusehen, die Axialkräfte aufnehmen kann. Es können so zum Beispiel preiswert erhältliche Zylinderrollenlager eingesetzt werden. Eine Alternative sind Kegelrollenlager, die aber in der Montage eingestellt werden müssen und somit aufwendiger sind.
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Für eine weitere Reduktion der Kosten der Lager in dem Getriebe ist vorgesehen, dass das Sonnenrad der zweiten Planetenstufe schrägverzahnt ist und die durch den Schrägungswinkel bedingte Axialkraft der zweiten Planetenradstufe entgegengerichtet der Axialkraft der Stirnradstufe ist und betragsmäßig mit einer Abweichung von +/- 10% der Axialkraft der Stirnradstufe entspricht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Stufenplanetengetriebe drei vorzugsweise vier Planetenräder aufweist. Dadurch kann eine günstige Kräfteverteilung erreicht werden, was sich vorteilhaft auf eine kompakte Bauform auswirkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stirnradstufe ein Ritzel umfasst und für die Lagerung des Ritzels zur Aufnahme von Axialkräften eine Kegellagerung vorgesehen ist.
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Für eine kompakte Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Lager zur Lagerung des Stufenplaneten zwischen den Planeten angeordnet ist. Dadurch ist es möglich einen einteiligen Planetenträger einzusetzen.
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Es ist auch möglich, die Lager des Planeten beidseitig des Stufenplanetens vorzusehen. Diese Anordnung kann mit einem zweigeteilten Planetenträger vorgesehen werden, der eine einfache Montage ermöglicht.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das Hohlrad auf der Antriebsseite und die Sonne auf der Abtriebsseite vorzusehen. Dies erleichtert die Montage und führt zu einer kompakten Bauweise.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt in dem Getriebe mindestens einen Stufenplaneten vorzusehen. Dabei besitzt das Planetengetriebe zwei unterschiedlich große gekoppelte Planeten, wobei einer mit der Sonne und der andere mit dem Hohlrad kämmt. Dadurch kann eine im Betrag große Übersetzung erreicht werden.
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Angegebene erreichbare Übersetzungen beziehen sich auf eine Standübersetzung. Bei der Standübersetzung steht die Stegwelle still, und die beiden Zentralradwellen, also Sonnen- und Hohlrad, bewegen sich. Die ruhende Welle kann fest mit dem Gehäuse verbunden sein oder durch eine Bremse oder eine Freilaufkupplung festgehalten werden.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
- 1 schematische Darstellung einer Windkraftanlage
- 2 dreistufiges Getriebe mit Stufenplanet
- 3 Planetenstufe mit Pitchdurchführung
- 4 schrägverzahnter Stufenplanet mit anschließendem Stirnradstufe
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In 1 ist eine Windkraftanlage 1 zur Umwandlung von strömungsmechanischer Leistung des Windes in elektrische Energie gezeigt. Der Wind strömt Rotorblätter 3 eines auf einem Turm 5 angeordneten Rotors an. Über eine Rotorwelle 11 wird diese Drehbewegung über ein Getriebe 13 auf einen Generator 17 übertragen. Für einen gezielten Stillstand oder ein Abbremsen des Rotors 3 ist eine Rotorbremse 15 vorgesehen. Ziel ist es stets den Generator 17 bei Nennbetrieb möglichst nah an der geforderten Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz zu betreiben. Bei einem vierpoligen Synchrongenerator liegt die Nenndrehzahl bei 1800 min-1, um eine Netzfrequenz von 60Hz zu erreichen. Die Drehzahl des Rotors 3 liegt allerdings nur bei circa 10-20 min-1. Zum Übersetzen der langsamen Rotordrehzahl in eine schnelle Generatordrehzahl ist ein Getriebe 13 notwendig. Zum Übersetzen der Drehzahl von 10 min-1 auf 1800 min-1 wird eine Übersetzung von 180 benötigt. Die gewonnene elektrische Energie kann über ein Leistungskabel 7 in ein Stromnetz eingespeist werden.
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Das Getriebe kann mehrere Getriebestufen umfassen. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Getriebestufen Stirnradstufe und Planetengetriebestufe eingesetzt. Die Planetengetriebestufen werden dabei im Umlaufbetrieb verwendet, indem das Hohlrad festgebremst wird, der Planetenträger durch die Eingangswelle angetrieben wird bzw. als Eingangswelle dient und das Sonnenrad als Abtrieb dient bzw. mit einer Abtriebswelle drehfest verbunden ist. Eine Verwendung von Planetengetrieben als Umlaufgetriebe hat den Vorteil, dass größere Übersetzungen bei größerem Wirkungsgrad und geringerem Bauraum im Vergleich zu einem Stirnradgetriebe erreicht werden können.
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In 2 ist ein Getriebe 13 mit drei Getriebestufen gezeigt. Als erste Getriebestufe 110 ist ein Planetengetriebe vorgesehen. Dieses Planetengetriebe wird im Umlaufbetrieb betrieben. Das Hohlrad 119 ist drehfest angeordnet. Um die hohen Drehmomente bei geringer Drehzahl der Rotorwelle 11 sicher übertragen zu können und dennoch ein möglichst geringes Gesamtgewicht zu erhalten, ist ein Planetengetriebe mit fünf Planetenrädern 115 vorgesehen. Die Planetenräder sind auf einem Planetenträger 113 gelagert. Es wäre aber auch noch ein Planetengetriebe mit vier Planetenrädern 115 möglich, jedoch wäre dann im Vergleich zu einem Planetengetriebe mit fünf Planetenrädern bei einer Nenndrehzahl von zum Beispiel 10 Umdrehungen pro Minute und einem Nennmoment im Bereich von 1600 kNm bis 6000 kNm das Planetengetriebe deutlich schwerer auszulegen. Bei der Auslegung ist zu berücksichtigen, dass das eingeleitete Drehmoment über die Zähne der in Eingriff befindlichen Zahnräder übertragen wird. Die Planetenräder 115 werden durch radial innerhalb der Planetenräder 115 vorgesehene Lagerung 121 gelagert. Die Zähne der Planetenräder 115 stehen mit dem ersten Sonnenrad 111 in Eingriff. Durch die Planetenräder 115 wird das erste Sonnenrad 111 angetrieben. Das erste Sonnenrad 111 wird die Ausgangdrehzahl der ersten Getriebestufe 110 bereitgestellt.
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Als zweite Getriebestufe 210 ist eine weitere Planetengetriebestufe gezeigt. Diese Planetengetriebestufe hat eine besondere Bauart mit einem Stufenplaneten 215. Dabei besitzt der Stufenplanet 215 einen Planetenträger 223. Der Planetenträger ist mit der ersten Getriebestufe 110 verbunden und wird durch die Sonne 111 angetrieben. Der Planetenträger 223 ist für eine Lagerung der Planetenräder 225 und 227 vorgesehen. Es ist jeweils ein eingangsseitiges Planetenrad 225 vorgesehen, dass mit dem Hohlrad 219 in Eingriff steht und über den sich drehenden Planetenträger 223 angetrieben wird. Das eingangsseitige Planetenrad 225 und das ausgangsseitige Planetenrad 227 sind drehfest miteinander verbunden. In 4 ist das eingangsseitige Planetenrad 225 und das ausgangsseitige Planetenrad 227 mit einer Welle drehfest verbunden. Das ausgangsseitige Planetenrad 227 kämmt mit einem zweiten Sonnenrad der zweiten Planetengetriebestufe 210. Das Sonnenrad 211 ist mit einer Kupplungsverzahnung mit der Rad 311 der Stirnradstufe 310 verbunden. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Verzahnung, insbesondere die Anzahl der Zähne, von Planetenrädern und Hohlrad so abgestimmt sind, dass eine Gleichverteilung der Planetenräder in Bezug auf den Umfang des zweiten Hohlrades 219 möglich ist. Wie in 3 dargestellt, weist das zweite Sonnenrad 211 eine Pitchdurchführung mit einem Pitchrohr 19 auf. Bei der Auslegung des zweiten Sonnenrades 211 ist ein Mindestdurchmesser des Sonnenrades 211 erforderlich, um zum einen eine ausreichende Stabilität des Sonnenrades 211 zu gewährleisten und auch die Pitchdurchführung ausreichend groß, zum Beispiel mit einem Durchmesser von 100 mm, bereitstellen zu können.
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Bei einer Schrägverzahnung entstehen Axialkräfte. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Axialkräfte eingetragen. Die Axialkräfte der jeweils beiden Planetenräder 225, 227 gleichen sich aus. Dadurch ist es möglich als Lagerung für die Planetenräder ein Radiallager 27 in Form von Zylinderrollenlagern 29 für die Aufnahme der auftretenden Kräfte zu verwenden. Als Werkstoff, zumindestens für die Planetenräder, sind die gehärteten Werkstoffe „31 CrMoV9“ gehärtet durch Nitrierung und „18CrNiMo7-6“ gehärtet durch Einsatzhärten vorgesehen.
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Als dritte Getriebestufe 310 ist eine Stirnradgetriebestufe vorgesehen. Zur Vermeidung einer übermäßig großen Stirnradgetriebestufe 310 wird eine möglichst große Übersetzung in den ersten beiden Übersetzungsstufen realisiert, um einen kleinen Achsabstand zu erzielen. Dadurch ist der Achsabstand kleiner als der maximalen Radius der ersten beiden Hohlräder 119, 219. Des Weiteren wird der Durchmesser des Ritzels 313 festgelegt. Die Ritzelwelle 315 sollte im Falle eines Lagerschadens einfach demontierbar und austauschbar sein. Deshalb sind die Lager der Ritzelwelle 315 auf den Fußkreisdurchmesser des Ritzels 313 größenmäßig begrenzt. Damit kann bei einer erforderlichen Reparatur die Ritzelwelle 315 herausgezogen werden, was die Reparaturmöglichkeiten und den Austausch von Ersatzteilen vereinfacht.
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Der Schrägungswinkel der Schrägverzahnung des Sonnenrades der zweiten Getriebestufe ist auf die Stirnradgetriebestufe abgestimmt. Die Stirnradgetriebestufe weist ein Großrad 311 auf. Das Großrad 311 steht mit einem Ritzel 313 in Eingriff, wie in 2 und 4 gezeigt. Das Ritzel ist auf einer Ritzelwelle 315 gelagert.
Das Großrad ist mit dem Sonnenrad 211 der zweiten Getriebestufe drehfest verbunden. Die wirkende Axialkraft des Großrades 311 der Stirnradgetriebestufe wird durch die wirkende Axialkraft des Sonnenrades 211 der zweiten Getriebestufe kompensiert. Zur Lagerung 323 des Ritzels 313 der Stirnradstufe ist mindestens ein Kegelrollenlager 25 vorgesehen, durch das auch Axialkräfte aufgenommen werden können. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist das Großrad 311 durch Zylinderrollenlager 29 gelagert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 3
- Rotorblatt
- 5
- Turm
- 7
- Leistungskabel
- 9
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- 11
- Rotorwelle/Eingangswelle
- 13
- Getriebe
- 15
- Rotorbremse
- 17
- Generator -
- 19
- Pitchrohr
- 110
- Erste Getriebestufe/ erstes Planetengetriebe
- 111
- Erstes Sonnenrad
- 113
- Erster Planetenträger
- 115
- Erste Planetenräder
- 119
- Erstes Hohlrad
- 121
- Lagerung
- 210
- Zweite Getriebestufe
- 211
- Zweites Sonnenrad
- 215
- Stufenplanet
- 219
- Zweites Hohlrad
- 223
- Zweiter Planetenträger/
- 225
- eingangsseitige Planetenräder des Stufenplaneten
- 227
- Planetenräder ausgangsseitig des Stufenplaneten
- 310
- Dritte Getriebestufe /Stirnradgetriebe
- 311
- Großrad
- 313
- Ritzel
- 315
- Ritzelwelle / Ausgangswelle
- 323
- Lagerung Ritzel
- 23
- axial-radial Lager
- 25
- Kegelrollenlager
- 27
- Radiallager
- 29
- Zylinderrollenlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2199607 B1 [0005]
- EP 594789 B1 [0005]
