DE202004007989U1

DE202004007989U1 - Windkraftgetriebe

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Publication number: DE202004007989U1
Application number: DE202004007989U
Authority: DE
Original assignee: Schafer Wilhelm Dr-Ing
Current assignee: Schafer Wilhelm Dr-Ing
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2014-05-19

Abstract

Windkraftgetriebe zur Stromerzeugung in Windkraftanlagen installiert, die von einem Rotor angetrieben werden, in der konstruktiven Ausführung als Stirnrad- oder Planeten- getriebe oder in kombinierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, dass im jeweils konstruktiv ausgeführten Getriebekonzept eine hydraulisch geteuerte Lamellenkupplung an erforderlicher Stelle im Getriebe vorgesehen wird, die Schlupf zuläßt und deren Schlupf gezielt geregelt weren kann.

Description

1. Beschreibung der derzeitigen Situation bei Windkraftgeneratorgetrieben
Windkraftgeneratorgetriebe, im folgenden kurz Windkraftgetriebe genannt, befinden sich in Windanlagen, angeordnet zwischen dem Rotor und dem stromerzeugenden Generator. Sie dienen der Drehzahl- und Drehmomentanpassung. Obwohl Windkraftanlagen schon seit Jahrzehnten in zunehmender Stückzahl gebaut werden, sind die hierfür verwendeten Windkraftgetriebe nach wie vor noch sehr störanfällig, was sich dokumentiert insbesondere durch Verzahnungs- und Lagerschäden, wie Versicherungs- und Klassifikationsgesellschaften bestätigen können / 1 /.
Bis zum heutigen Zeitpunkt hat die Getriebebranche die Ursachen der Schäden noch nicht eindeutig ermitteln können; somit konnten auch noch keine entsprechenden Getriebe – Konzepte entwickelt werden, die die derzeitige Störungsanfälligkeit vermeiden. Eine Antwort der Getriebe – Industrie auf diese Herausforderung besteht z.B. darin, daß neue, technisch z.T. erheblich aufwendigere Getriebe – Konzepte entwickelt werden / 1 /.
2. Beschreibung der Situation bei vergleichbaren Schiffsgeneratorgetrieben
Ebenfalls zur Stromerzeugung, jedoch an Bord von Schiffen, angeordnet in der Propellerwelle / 2 /, wurden Schiffsgeneratorgetriebe einige Jahre früher entwickelt als die beschriebenen Windkraftgetriebe. Diese Schiffsgeneratorgetriebe verursachten ursprünglich ebenfalls erhebliche Probleme, vergleichbar denen bei den heutigen Windkraftgetrieben mit den beschriebenen Verzahnungs- und Lagerschäden.
2.1 Erfolgreiche Maßnahmen bei den Schiffsgeneratorgetrieben
Bei den in der Propellerwelle angeordneten Generatorgetrieben / 2 / wurden nach den anfänglichen Problemen jedoch gezielt Maßnahmen ergriffen, die bei den Windkraftgetrieben bisher in gleicher Weise oder vergleichbar nicht durchgeführt wurden, obwohl einige der Getriebefirmen sowohl für den Schiffsbereich als auch für den Windbereich Getriebe liefern! Erfahrungen wurden also unverständlicherweise nicht übertragen von den Schiffsgenerator- auf die Windkraftgetriebe, obwohl man hätte erkennen müssen, daß bei Entfernen des Dieselmotors aus dem vorhandenen Antriebssystem bei Schiffsgeneratorantrieben sich ein Antriebssystem ergibt, was systemtechnisch gesehen absolut vergleichbar dem der Windkraftanlagen ist.
Somit sind also nachfolgende Überlegungen und Vorschläge durchaus bereits erprobte „Problemlösungen", resp. in einer Weiterentwicklung (gesteuerte Schlupfkupplung) technisch mit nicht zu großem Aufwand realisierbar.
2.2 Beschreibung der Maßnahmen bei den Schiffsgeneratorgetrieben
Schiffsgeneratorgetriebe in der Propellerwelle angeordnet, hatten die konstruktive Sonderheit, daß die Propellerwelle Teil des Getriebes wurde, indem diese als Getriebewelle benutzt wurde, auf der das „Antriebszahnrad" befestigt wurde. Somit kamen zwangsläufig alle Schwingungen oder Stöße, denen die Propellerwelle ausgesetzt ist (z.B. durch Eis etc.), ungedämpft in das Getriebe. Erhebliche Schäden waren die Folgen. Diese technische Konzeption der drehstarren Verbindung von Antriebswelle (Propellerwelle oder Rotorwelle) mit dem Getriebe ist noch heute bei Windkraftgetrieben die Standardlösung!
Nachdem man erkannt hatte, daß „Schwingungsanregungen" sowohl durch den Dieselmotor als auch durch den Propeller verursacht werden, welche dann die geschilderten sehr erheblichen Getriebeschäden ausgelöst haben, hat man in Schritten „schwingungsdämpfende" Komponenten eingeführt, zuerst in Form von Schwingungsdämpfern, die im Getriebe an erforderlicher Stelle eingebaut wurden.
Danach wurde ein Hohlwellengetriebe (sog. „Tunnelgeneratorgetriebe") erstmalig eingesetzt, um das Getriebe als feste Einheit von der Propellerwelle loszulösen. Die Propellerwelle wurde durch das Getriebe durchgeführt. Die erforderliche Verbindung zwischen der Propellerwelle und dem Tunnelgeneratorgetriebe war jedoch noch eine „drehstarre Verbindung" in Form einer Zahnkupplung / 2 / mit gravierenden Schäden. Die Zahnkupplung mußte ersetzt werden durch eine hochelastische Gummikupplung, die zu einer „elastischen Entkoppelung" des Generatorgetriebe – Systems führt und sowohl die Schwingungen verlagert als auch eine schwingungsdämpfende Wirkung hat / 3 /. Diese hochelastische Kupplung mußte jedoch segmentiert sein, um sie um die Propellerwelle herum einbauen zu können; wobei die Segmentierung einer Kupplung erst vor etwa zwei Jahrzehnten technisch realisiert wurde. Diese segmentierte Kupplungslösung ist derzeit jedoch nur bis zu bestimmten Drehmomenten (Abmessungen) technisch herstellbar und kann somit bisher nicht eingesetzt werden in den heutigen großen Windkraftanlagen, da diese wesentlich größere Drehmomente aufweisen im Vergleich zu den heutigen Schiffsgeneratorantrieben, obwohl systemtechnisch gesehen tatsächlich eine vergleichbare Anwendung vorliegt durch die Anordnung der Kupplung zwischen Rotor der Windanlage und dem Windkraftgetriebe.
Die Anordnung einer hochelastischen Kupplung zwischen dem Windkraftgetriebe und dem Generator, bringt erfahrungsgemäß keine große Wirkung bezüglich einer Dämpfung von Schwingungen resp. bezüglich der Reduzierung von Drehmomentstößen, wie man sie insbesondere bei Windkraftgetrieben zu erwarten hat. Interessanterweise wurden bei Windkraftanlagen erst jetzt Langzeit – Drehmomentmessungen durchgeführt! Dieses einhebliche Manko bei den Windkraftgetrieben im Vergleich zu den Schiffsgeneratorgetrieben ist unverständlich. Die Schiffsgeneratorgetriebetechnik ist also systemtechnisch weiter entwickelt als die Windgeneratorgetriebetechnik!
2.3 Weitere Maßnahmen in Schiffantriebsanlagen zur Reduzierung von Schwingungen und Drehmomentstößen mit Blick auf die Schiffsgeneratorgetriebe.
Nicht bei den Schiffsgeneratorgetrieben, jedoch in anderen Bereichen der Schiffsantriebstechnik, so z. B. bei den NASSBAGGERN, wie den Schneidkopfbaggern, wurden aufgrund der hohen Drehmomentspitzen, die insbesondere beim Baggern in Korallenfels auftreten, diese hohen Drehmomentspitzen reduziert, indem man gezielt eine im System eingebaute schaltbare Trockenreibungskupplung „schlupfen" läßt. Dieser Vorgang nennt sich „STICK SLIP" und erzeugt keine zu große Wärme in der Kupplung. Das gewünschte „Schlupfdrehmoment" ist einstellbar. Das Verfahren wurde abgeleitet aus einer Anwendung gemäß der Anmeldung in / 4 /. Dort wurde ein gesteuertes Schlupfverhalten bei außerhalb des Getriebes angeordneten Trockenreibungs – Schaltkupplungen vorgestellt, um bei Drehschwingungen durch z. B. sog. „Zündaussetzer" größere Spitzendrehmomente zu reduzieren.
Bei Windkraftgetrieben kann nur eine im Getriebe eingebaute Lamellenschaltkupplung zum Einsatz kommen, d.h. eine öldurchflutete (hydraulische) Kupplung. Mit diesen Kupplungen wurden z.B. bei Schiffswendegetrieben gezielt ein sehr sanfter Drehmomentaufbau erreicht z.B in zwei Stufen durch entsprechende Steuerung des Schaltöldrucks in der Kupplung / 5 /.
In einer weiteren für den Einsatz in Windkraftgetrieben vorzunehemenden Entwicklungsstufe der Lösung nach / 5 / läßt sich der Schaltöldruck in der Kupplung so steuern, daß gezielt ein Schlupfverhalten der Kupplung erreicht wird mit dem dann die Drehmomentspitzen bei Windkraftgetrieben, die zum Beispiel aus den Anregungen durch Windböen entstehen, so abgebaut werden, daß ein gewünschtes Lastkollektiv erreicht wird als erforderliches Auslegungskriterium für Windkraftgetriebe. Dieses Verfahren hat sich z. B. bei den erwähnten Schneidkopfbaggergetrieben hervorragend bewährt, wobei dort das Schlupfverhalten der Kupplung durch Reduzierung des Kupplungsschaltdrucks so gesteuert wurde, daß die Kupplung auf eine vorbestimmte Drehmomentspitze beim Schlupf eingeregelt wurde. Bei den Windkraftgetrieben müsste man fallweise das Schlupfverhalten der Schaltkupplung steuern resp. anpassen, je nach Windverhältnissen, was regelungstechnisch bei den heutigen Möglichkeiten mit der vorhandenen Elektronik absolut kein Problem mehr ist. Es muß herausgestellt werden, daß bei Lamellenschaltkupplungen aufgrund des Öldurchflusses hervoragende Kühleigenschaften erreicht werden, sodaß diese Kupplungen beachtliche Wärmemengen, die beim „Schlupf" entstehen, hierdurch abführen können. Die „Wärmebelastbarkeit" der Kupplung kann heutzutage sehr gut vorausberechnet werden, d.h. auch beim STICK – SLIP Effekt, um eine Überhitzung zu vermeiden.
2.4 Übernahme des Systems der „Schlupfkupplung" bei Windkraftgetrieben
Wie somit leicht nachvollziehbar, kann das unter Kap. 2.3 vorgestellte System einer stoßdämpfenden „Schlupfkupplung" bei Windkraftgetrieben an geeigneter Stelle im Getriebe übernommen werden.
3. Zusammenfassung
Bei kritischer Betrachtung der Belastungsverhältnisse bei Schiffsgenerator- und Windkraftgetrieben muß man feststellen, daß die Erfahrungen und daraus resultierenden Maßnahmen im Bereich der korrespondierenten Schiffsgeneratorgetriebe noch nicht auf die Windkraftgetriebe übertragen wurden, obwohl es sich systemtechnisch um absolut vergleichbare Antriebe handelt. Statt dessen werden zur Beseitigung der aufgetretenen Probleme bzw Schäden lieber aufwändigere Getriebekonzepte für Windkraftgetriebe entwickelt. Es besteht somit ein erheblicher Nachholbedarf, zumal die in Kürze bekanntgegebenen Langzeitdrehmomentmessungen Ergebnisse bringen werden, die die derzeitigen Schäden bei Windkraftgetrieben gut erklären werden.
Literatur

/ 1 / AZT – Expertentagung 2003: „WINDENERGIEANLAGEN": Schäden und Abhilfemaßnahmen! Tagung: ALLIANZ – Zentrum für Technik, Ismaning, Nov. 2003
/ 2 / „Berechnung und Herstellung von Verzahnungen in Theorie und Praxis": MAAG – Taschenbuch (1985) herausgegeben von der Fa. MAAG – Zahnräder AG, Zürich (CH) in Kap. 3: Zahnradgetriebe 3.43: MAAG: PTO – Getriebe
/ 3 / „Shaft Generators Power Take Off from the Main Engine": Publikation von MAN B&W Diesel A/S, Kopenhagen (DK), November 1999, 11, 19 und 21.
/ 4 / DE 26 52 385 : „Verfahren zum Betrieb einer Schiffantriebsanlage mit einem Dieselmotor" : Schlupfsteuerung einer Trockenreibungskupplung
/ 5 / DE 27 24 233 : „Hydraulische Einrichtung zum gesteuerten, zeitlich verzögerten Druckaufbau in einer Kupplung oder Bremse"

Claims

Windkraftgetriebe zur Stromerzeugung in Windkraftanlagen installiert, die von einem Rotor angetrieben werden, in der konstruktiven Ausführung als Stirnrad- oder Planeten- getriebe oder in kombinierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, dass im jeweils konstruktiv ausgeführten Getriebekonzept eine hydraulisch geteuerte Lamellenkupplung an erforderlicher Stelle im Getriebe vorgesehen wird, die Schlupf zuläßt und deren Schlupf gezielt geregelt weren kann.
Windkraftgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungsdämpfer auf hydraulischer oder mechanischer Basis eingebaut werden anstelle der Lamellenkupplung.
Windkraftgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Schwingungsdämpfer als auch eine hydraulisch gesteuerte Lamellenkupplung mit Schlupfverhalten eingesetzt wird.
Windkraftgetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine hochelastische Kupplung zwischen Rotor und Windkraftgetriebe eingesetzt wird.