DE19926301B4

DE19926301B4 - Planetengetriebe für ein Windkraftwerk

Info

Publication number: DE19926301B4
Application number: DE19926301.9A
Authority: DE
Inventors: Juha Kekki; Ari Ryymin; Voitto Villgren
Original assignee: Moventas Oy
Current assignee: Satnevom Oy
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: HU9902042D0; HUP9902042A3; CZ218799A3; FI981414A0; SK78399A3; PL333809A1; SK285686B6; DE19926301A1; FI981414A; PL188417B1; FI108959B; ES2166665A1; CZ293270B6; BE1012509A5; HUP9902042A2; US6176804B1; ES2166665B1; HU223039B1

Abstract

Planetengetriebe (10) für ein Windkraftwerk, bestehend aus einer von einem Flügel/mehreren Flügeln des Windkraftwerks rotierten Antriebswelle (11), die mit dem Planetenradkörper (13) der Planetenräder (14a1, 14a2, ...) verbunden Ist, wobei der Planetenradkörper oder Planetenträger (13) von der Welle (11) mitgedreht wird und die Planetenräder (14a1, 14a2, ...) über ihre Verzahnung (14') funktionsmäßig mit dem außen in stationärer Position befindlichen Hohlrad (15) und dessen Verzahnung (15') und mit der Verzahnung (16') des in der Mitte befindlichen rotierten Sonnenrades (16) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Verzahnungen (14') der Planetenräder (14a1, 14a2, ...) als auch die Verzahnung (15') des Hohlrades (15) als auch die Verzahnung (16') des Sonnenrades (16) schräge Verzahnungen sind, und sich am Ende einer Achse (160) des Sonnenrads (16) die Verzahnung (17a) einer Zahnkupplung (17) befindet und sich eine zweite Verzahnung (17b) der Zahnkupplung an der Innenfläche einer außerhalb der Achse (160) vorhandenen Hülsenachse (18) befindet, womit die Antriebskraft von der Achse (160) über die Zahnkupplung (17) auf die Hülsenachse (18) übertragen wird, und die Zahnkupplung (17) eine gerade Verzahnung aufweist, die der Achse (160) eine Axialbewegung ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe für ein Windkraftwerk.
Vom Stand der Technik sind Getriebekonstruktionen bekannt, bei denen das Getriebe eines Windkraftwerks eine von einem/mehreren Flügeln des Windkraftwerks rotierte Antriebswelle aufweist, mit der ein von dieser mitgedrehter Planetenradsystemkörper verbunden ist. Die Planetenräder sind funktionsmäßig mit dem außen in fester Position befindlichen Hohlrad und dem in der Mitte befindlichen rotierten Sonnenrad verbunden, das sie drehen. Das Sonnenrad dreht wiederum über Zwischenzahnräder oder direkt die Abtriebswelle, die zwecks Stromerzeugung mit dem Stromgenerator des Windkraftwerks verbunden ist.
Bei den bekannten Lösungen war die Verzahnung der Planetenräder eine sog. gerade Verzahnung. Dabei wirken auf die zentral liegende angetriebene Achse des Sonnenrades keine durch Schrägung der Verzahnung bedingten axialen Kräfte.
WO 96/11338 A1 offenbart ein Planetengetriebe für ein Windkraftwerk mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
DE 37 41 634 A1 offenbart ein Planetengetriebe mit schrägverzahntem Planetenrad, Hohlrad und Sonnenrad.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Planetengetriebe für ein Windkraftwerk vorzusehen, das einen leisen Lauf bei erhöhter Zuverlässigkeit gewährleistet.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Planetengetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß weist das Planetengetriebe an den Planetenrädern eine sog. schräge Verzahnung auf, wobei die Zähne auf der ganzen Mantelfläche des Zahnrads schräg verlaufen. Eine entsprechende schräge Verzahnung befindet sich auch an dem in der Mitte befindlichen von den Planetenrädern getriebenen Sonnenrad und an dem außen in stationärer Position befindlichen Hohlrad. Erfindungsgemäß ist das Sonnenrad eine längliche Achse in schwimmender Konstruktion. Damit wird der Achse eine kleine axiale Bewegung gestattet, wobei sich an der Stirnseite der Sonnenradachse am Kupplungskörper ein Flansch befindet, der die während des Betriebes entstehenden Axialkräfte und die Axialbewegung der Achse aufnimmt. Die Sonnenradachse ist somit eine Achse, die eine sich über die Länge der länglichen Achse erstreckende zentrische Bohrung aufweist und an ihrem einen Ende eine Sonnenradverzahnung und am anderen Ende einen Axialkräfte aufnehmenden Flansch und außerdem noch an der Umfangsfläche des mit der Achse verbundenen Flansches eine zweite Verzahnung einer Zahnkupplung aufweist. Der mit dem Flansch des Sonnenrades funktionsmäßig zusammenarbeitende Gegenflansch befindet sich am Getriebegehäuse. Der betreffende Gegenflansch ist mit Schraubmitteln an der Hülsenachse befestigt, in der sich die Sonnenradachse befindet. Die Sonnenradachse ist über die Zahnkupplung mit der Hülsenachse verbunden. Die Zahnkupplung lässt jedoch zwischen der Sonnenradachse und der Hülsenachse eine kleine axiale Bewegung zu. Mit der Zahnkupplung wird der Drehantrieb des Sonnenrades jedoch auf die Hülsenachse und das mit dieser verbundene Zahnrad und weiter übertragen. Mit der Hülsenachse ist weiter ein Zahnrad verbunden, von dem der Drehantrieb entweder direkt oder über ein Zwischenzahnrad/mehrere Zwischenzahnräder auf die Abtriebswelle und weiter zum Stromgenerator übertragen wird. Von den mit der Stirnseite der Sonnenradachse verbundenen Hülsen werden die entgegengesetzten durch sog. Rückschläge verursachten Kräfte aufgenommen. Die mit Flansch versehene Hülse ist mit Schrauben an der Sonnenradachse befestigt.
Die Hülsenachse befindet sich in stationärer axialer/radialer Position und ist mit Lagermitteln am Getriebegehäuse gelagert. Mit der Hülsenachse ist ein Zahnrad verbunden, von dem der Antrieb entweder direkt oder über ein Zwischenzahnrad/mehrere Zwischenzahnräder auf eine oder mehrere Abtriebswellen übertragen wird, von der/denen der Antrieb zwecks Stromerzeugung zum Stromgenerator übertragen wird.
Erfindungsgemäß befindet sich am Ende der Sonnenradachse die erste Kupplungsverzahnung. Die Sonnenradachse ist durch die genannte erste Verzahnung mit der Gegenverzahnung der Hülsenachse d. h. mit der zweiten Verzahnung der Zahnkupplung verbunden. Die Verzahnungen der Zahnkupplung sind groß und nur in Längsrichtung bombiert, womit der Sonnenradachse eine bestimmte winklige Biegung ermöglicht wird. Zwischen dem Endflansch der Sonnenradachse und dem am Getriebegehäuse befindlichen Gegenflansch wird eine gegenseitige Bewegung ermöglicht. Der Endflansch der Sonnenradachse und der Gegenflansch drehen sich mit derselben Geschwindigkeit Zwischen diesen wird jedoch eine axiale Bewegung ermöglicht, wobei die Flansche sich gegenseitig berühren können. Mit Hilfe dieser Anordnung können die durch die schräge Verzahnung des Sonnenrades, der Planetenräder und des Hohlrades bedingten Axialkräfte und die Axialbewegung der Sonnenradachse an der Stirnseite der Sonnenradachse aufgenommen werden, wodurch die betreffende Axialbewegung begrenzt wird.
Mit der erfindungsgemäßen schrägen Verzahnung des Sonnenrades wird ein äußerst vibrations- und geräuschfreier Windkraftantrieb erzielt.
Für das erfindungsgemäße Windkraftwerks-Planetengetriebe ist das in den beigefügten Patentansprüchen Definierte charakteristisch.
Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf einige in den Figuren der beigefügten Zeichnung dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlich beschrieben, auf welche die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe als Ansicht auf die Stirnseite des Getriebes.
2 zeigt das Getriebe in Richtung des Pfeils k₁ nach 1 gesehen.
3 zeigt das Getriebe in Richtung des Pfeils K₂ nach 1 gesehen.
4 zeigt das Getriebe als Ansicht auf die andere Stirnseite.
5 zeigt Schnitt I-I nach 1.
6A zeigt das Detail X aus 5 in vergrößertem Maßstab.
6B ist Schnitt II-II nach 1.
7 zeigt Schnitt III-III nach 1.
8 zeigt Schnitt IV-IV nach 1.
9A zeigt ein Sonnenrad, das eine schräge Verzahnung aufweist.
9B zeigt einen Zahn von oben in Richtung des Pfeils K₃ nach 9A gesehen.
10A zeigt eine bombierte Zahnform des geraden Zahnes 17a der Zahnkupplung 17 zwischen den Wellen 16 und 18.
1 zeigt die Ansicht der einen Stirnseite des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 10 eines Windkraftwerks. In 1 sind außerdem die Schnitte I-I, II-II, III-III und IV-IV markiert.
In 2 ist das Getriebe in Richtung des Pfeils K1 gesehen. In 3 ist das Getriebe in Richtung des Pfeils K2 nach 2 gesehen. 4 zeigt die Ansicht der anderen Stirnseite des Getriebes.
In 5 ist der Querschnitt I-I des erfindungsgemäßen Planetengetriebes 10 gezeigt. Das Planetengetriebe 10 umfasst ein Gehäuse R. Das Flügelsystem oder der Flügel des Windkraftwerks sind ausgeführt, durch die Windkraft den Planetenträger 13 des Planetengetriebes und die damit verbundene Welle 11 zu drehen, an der der Rotor angebracht ist. Die Welle 11 und der mit dieser verbundene Planetenträger 13 sind mit Lagermitteln C₁ und D_1b am Gehäuse R des Planetengetriebes gelagert. Die getriebene Welle 11 ist ein hülsenförmiges Bauteil, das fest mit dem mit der Hülsenachse 11 mitdrehenden Planetenträger 13 verbunden ist. Die Welle 11 weist einen inneren Hohlraum F und am Ende des Hohlraums ein durch das Ende der Hülsenachse 11 gehendes Durchführungsloch E auf. Durch das Durchführungsloch E wird ein Schutzrohr geführt, durch welches die Stellspindel zum Einstellen des Rotorblattwinkels geführt wird.
Die Rotorwelle kommt in die hülsenförmige Welle 11 des Planetenträgers 13. Auf die Welle 11 des Planetenträgers 13 kommt ein Spannring, mit dem die Wellen miteinander ”verriegelt” werden.
Fest verbunden mit der Antriebswelle 11 ist der vom Planetenradsystem getriebene Körper 13 oder Planetenträger. Jedes der Planetenräder 14a ₁, 14a ₂, ... weist eine schräge über den ganzen Mantel des Zahnrades laufende einheitliche Verzahnung 14' auf. Jedes Planetenrad 14a ₁, 14a ₂, ... ist an seinen Achsen 140 mit Lagermitteln G₁, G₂ so gelagert, dass die Achsen 140 fest mit dem Planetenradkörper 13 oder Planetenträger verbunden sind. Die Planetenräder 14a ₁, 14a ₂, ... selbst sind mit den Lagermitteln G₁, G₂ auf den Achsen 140 drehbar gelagert. An der Konstruktion außen befindet sich das Hohlrad 15, das ebenfalls eine schräge Verzahnung 15' aufweist, die funktionell mit der schrägen Verzahnung 14' des jeweiligen Planetenrads 14a ₁, 14a ₂, ... zusammenarbeitet. Das Hohlrad 15 ist ein stationäres Konstruktionsteil, das fest mit dem Gehäuse R verbunden ist. In 5 ist die Schrägung der Verzahnungen 16'; 14' durch den Winkel α dargestellt.
Erfindungsgemäß wird das Sonnenrad 16 von den Planetenrädern 14a ₁, 14a ₂, ... gedreht. Das Sonnenrad 16 weist eine schräge über den ganzen Mantel des Zahnrades laufende einheitliche Verzahnung 14' auf, die funktionell mit der schrägen Verzahnung 14' der Planetenräder 14a ₁, 14a ₂, ... zusammenarbeitet. Das Sonnenrad 16 ist derart ausgeführt, dass die Achse 160 oder Sonnenradachse ein schwimmendes Bauteil ist. Die Achse 160 weist an einem Ende die Verzahnung 16' des Sonnenrads 16 und am anderen Ende einen Endflansch 160a auf. An dem Ende der Achse 160 des Sonnenrads 16, an dem der Endflansch 160a ist, befindet sich auch die Zahnkupplung 17. Die Zahnkupplung 17 weist eine mit dem Flansch 160a der Achse 160 verbundene gerade Verzahnung 17a und außerdem eine mit dem innenseitigen Hohlraum M der separaten Hülsenachse 18 und der Innenmantelfläche 18' der Hülsenachse 18 verbundene gerade Verzahnung 17b auf.
Die Hülsenachse 18 ist mit Lagermitteln D_1a und D₂ am Gehäuse R gelagert. Die Hülsenachse 18 weist ein Zahnrad 19 auf, das ausgeführt ist, die Achse 20 über die an dieser vorhandene Verzahnung 21 zu drehen. Die Verzahnung 21 ist durch direkte Einarbeitung in die Achse 20 hergestellt. Die Achse 20 ist mit Lagermitteln D₃ und D₄ am Gehäuse R gelagert. Die Achse 20 weist außerdem ein Zahnrad 22 auf, das ausgeführt ist, die erste Abtriebswelle 23 über die an dieser vorhandenen Verzahnung 24 zu drehen. Die Verzahnung 24 ist direkt in die Welle 23 eingearbeitet. Die Welle 23 ist mit Lagermitteln D₅, D₆ am Gehäuse R gelagert. Außerdem weist die Welle 23 ein Zahnrad 25 auf, das ausgeführt ist, die zweite Abtriebswelle 26 über das an dieser vorhandene Zahnrad 27 zu treiben. Die zweite Abtriebswelle ist mit Lagermitteln D₇, D₈ am Gehäuse R gelagert.
Das Schutzrohr 30 ist durch die in der Sonnenradachse 160 ausgeführte Längsbohrung 31 geführt und das Schutzrohr 30 ist außerdem mit Lagermitteln H₁ am Gegenflansch des Gehäuses R gelagert, womit es sich mit der Sonnenradachse 11 und der Hülsenachse 18 des Planetengetriebes mitdreht. Das Schutzrohr 30 ist somit an seinem vorderen Ende fest am Planetenträger (über O-Ringe) und am hinteren Ende am Gegenflansch 40 gelagert, der an der Hülsenachse 18 befestigt ist. Das Schutzrohr 30 dreht sich somit mit derselben Geschwindigkeit wie der Planetenträger und einer anderen Geschwindigkeit als die Achsen 11 und 18.
In 6A ist in vergrößertem Maßstab das Detail X nach 5 gezeigt. Wie dargestellt, weist die Anlage einen Gegenflansch 40 auf, der durch Schraubenmittel 41 mit der Hülsenachse 18 verbunden ist.
Die Sonnenradachse 160 ist außerdem mit dem Gegenflansch 40 beweglich verbunden. Die Hülsen 50 sind beweglich durch das Durchführungsloch 43 des Gegenflansches 40 geführt. Durch das zentrische Loch 55 der Hülse 50 sind Schrauben 42 in die Sonnenradachse 160 geführt und somit ist die Hülse 50 fest mit der Sonnenradachse 160 verbunden.
Der Abstand L₁ zwischen der Innenfläche 51' des Endflansches 51 der Hülse 50 und der Außenfläche f₁ des Flansches 160a der Sonnenradachse 160 ist größer als die Dicke L₂ des Gegenflansches 40. Damit kann die Achse 160 sich um das Spiel gegenüber dem Flansch 40 bewegen. Die Gegenflächen f₁ und f₂ an der Stirnseite der Sonnenradachse 160 und am Gegenflansch 40 sind nitriert, wodurch deren Verschleiß verhindert wird, während diese als Stützflächen dienen.
In sog. Rückschlagsituationen, bei denen der Propeller des Windkraftwerks sich in entgegengesetzter Richtung dreht, dient der betreffende Endflansch 51 als rückschlagaufnehmendes Teil. Dabei dient die mit der Sonnenradachse 160 verbundene Hülse 50, deren Endflansch 51, als Gegenflansch.
In 6B ist die Verbindung des Lagerdeckels 60 mit Hilfe der Schrauben 61 am Getriebegehäuse R gezeigt. Die Darstellung ist der Schnitt II-II nach 1.
In 7 ist der Schnitt III-III nach 1 gezeigt. Von der Hülsenachse 18 wird der Antrieb auf die Achse 20, deren Zahnrad 21 und weiter vom Zahnrad 22 auf die erste Abtriebswelle 23 übertragen.
In 8 ist der Schnitt IV-IV nach 1 gezeigt. Darstellungsgemäß kam der Antrieb für den Generator auch von der zweiten Abtriebswelle 26 genommen werden.
Der Antrieb kann somit über das Zahnrad 25 der ersten Abtriebswelle 23 auf die zweite Abtriebswelle 26 über deren Zahnrad 27 übertragen werden. Von der Abtriebswelle 23 kann der Antrieb weiter zum Stromgenerator abgenommen werden. Die erste und die zweite Abtriebswelle 23 und 26 werden jedoch wahlweise benutzt derart, dass nur einer von beiden Antrieben eingeschaltet ist je nach der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors des Windkraftwerks.
In 9A ist die mit dem Sonnenrad 16 verbundene schiefe bzw. schräge Verzahnung 16' dargestellt. In 9B ist die Verzahnung von oben gesehen, d. h. in Richtung des Pfeils K₃ nach 9A. Eine entsprechend schiefe bzw. schräge Zahnform befindet sich auch am Planetenrad und dem Hohlrad. Die Darstellung ist schematisch. Der schiefe bzw. Schrägungswinkel α zur Achse X liegt im Bereich 30° > α > 0° oder wenn die Drehrichtung entgegengesetzt ist (gegen den Uhrzeigersinn) im Bereich –30° < α < 0°. Die Längsachse p jedes Zahnes 16' liegt somit in einem schrägen Winkel α zur Linie X der Rotationsachse.
In 10A ist schematisch die Bombierungsform der geraden Verzahnung 17a der am Ende der Sonnenradachse 160 befindlichen Zahnkupplung 17 gezeigt, durch die der Sonnenradachse 160 eine bestimmte Durchbiegung oder Winkelabweichung im Betrieb ermöglicht wird.
In 10B ist schematisch ein Querschnitt durch die Zahnkupplung 17 gezeigt. Der Zahn 17a des Flansches 160a der Achse 160 befindet sich in der Nut 17b der Hülsenachse 18.

Claims

Planetengetriebe (10) für ein Windkraftwerk, bestehend aus einer von einem Flügel/mehreren Flügeln des Windkraftwerks rotierten Antriebswelle (11), die mit dem Planetenradkörper (13) der Planetenräder (14a ₁, 14a ₂, ...) verbunden Ist, wobei der Planetenradkörper oder Planetenträger (13) von der Welle (11) mitgedreht wird und die Planetenräder (14a ₁, 14a ₂, ...) über ihre Verzahnung (14') funktionsmäßig mit dem außen in stationärer Position befindlichen Hohlrad (15) und dessen Verzahnung (15') und mit der Verzahnung (16') des in der Mitte befindlichen rotierten Sonnenrades (16) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Verzahnungen (14') der Planetenräder (14a ₁, 14a ₂, ...) als auch die Verzahnung (15') des Hohlrades (15) als auch die Verzahnung (16') des Sonnenrades (16) schräge Verzahnungen sind, und sich am Ende einer Achse (160) des Sonnenrads (16) die Verzahnung (17a) einer Zahnkupplung (17) befindet und sich eine zweite Verzahnung (17b) der Zahnkupplung an der Innenfläche einer außerhalb der Achse (160) vorhandenen Hülsenachse (18) befindet, womit die Antriebskraft von der Achse (160) über die Zahnkupplung (17) auf die Hülsenachse (18) übertragen wird, und die Zahnkupplung (17) eine gerade Verzahnung aufweist, die der Achse (160) eine Axialbewegung ermöglicht.
Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen (14', 15', 16') über die ganze Mantelfläche der Zahnräder von einer Kante zur anderen Kante der Zahnräder laufen und der Schrägungswinkel (α) zur Mittelachse der Zahnräder (X-Achse) im Bereich 30° > α > 0° oder 30° < α < 0° liegt.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (16') des Sonnenrades (16) an einem Ende der länglichen Achse (160) ausgestaltet ist und dass das andere Ende der Achse (160) die durch die Schrägung der Verzahnung (16') bedingte Kraftkomponente bei Verkupplung des Endes der Achse (160) mit der Oberfläche (f2) des Gegenflansches (40) aufnimmt.
Planetengetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ende der Achse (160) des Sonnenrades (16), das die Axialbewegungen der Achse (160) aufnimmt, ein Endflansch (160a) ist, dessen Außenfläche (f₁) als Stützfläche gegenüber der Fläche (f₂) des Gegenflansches (40) dient.
Planetengetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (160) eine schwimmende Konstruktion ist, der eine Axialbewegung zugelassen wird derart, dass mit der Achse (160) eine/mehrere Hülsen (50) verbunden sind, die durch Durchführungslöcher (43) des Gegenflansches (40) geführt sind und dass der Abstand zwischen der Innenfläche (51') des Flansches (51) und der Stirnseite der Achse (160) etwas größer ist als die Dicke des Gegenflansches (40), womit der Achse (160) eine Axialbewegung ermöglicht wird.
Planetengetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsenachse (18) durch Schrauben (41) mit dem Gegenflansch (40) verbunden ist.
Planetengetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsenachse (18) ein Zahnrad (19) aufweist, von dem der Drehantrieb über ein oder mehrere Zwischenzahnräder auf die Abtriebswelle (23) übertragen wird, von der der Drehantrieb weiter zum Stromgenerator zur Stromerzeugung übertragen wird.
Planetengetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonnenradachse (160) eine Längsbohrung (30) aufweist, in die ein Schutzrohr (30) kommt, durch welches Schutzrohr (30) eine Regulierstange geführt wird, mit der der Blattwinkel des Rotors des Windkraftwerks verstellt werden kann.
Planetengetriebe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (f₁) der Sonnenradachse (160) und dementsprechend die Stirnfläche (f₂) des Gegenflansches (40) nitriert sind, wodurch verhindert wird, dass die Flächen (f₁, f₂) verschleißen, wenn sie gegeneinander liegen.