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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kraftübertragenden Verbindung zweier
Aggregate, insbesondere zur Verbindung eines Getriebes einer Windkraftanlage
mit einem Generator zur Stromerzeugung, mit einer antriebsseitig
abgehenden Welle, die über
eine erste, axialen und/oder radialen Versatz kompensierende Kupplung
und eine zweite, Überlast abwerfende
Kupplung mit dem Generator gekoppelt ist.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen
sind aus dem nicht druckschriftlich belegbaren Stand der Technik
hinlänglich
bekannt. Insbesondere bei Windkraftanlagen wird zur Verbindung des
dem Rotor nachgeschalteten Übersetzungsgetriebes
mit dem stromerzeugenden Generator eine Wellenkupplung eingesetzt,
die radialen Versatz zwischen beiden Aggregaten und axiale Verlagerungen
der beide Aggregate verbindenden Welle ausgleicht. Um den radialen,
axialen und/oder Winkelversatz auszugleichen existieren verschiedene
Kupplungen, die je nach den vorliegenden Erfordernissen einsetzbar
sind.
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Eine
weitere Kupplung, in der Regel eine Rutschkupplung, dient der Überlastsicherung
des Getriebes. Insbesondere durch Rückkopplungen aus dem Elektrizitätsnetz kann
es zu unzulässigen
Drehmomentsteigerungen kommen. In einem solchen Fall spricht die Überlasteinheit
an, der Überlastanteil
der Drehmomentspitze wird durch das aneinander Abgleiten von Reibbelägen aufgefangen.
Ein gewisses Restdrehmoment wird jedoch weiterhin übertragen. Insofern
sind Rutschkupplungen Last haltende, jedoch Überlast abwerfende Kupplungen.
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Mit
zunehmender elektrischer Leistung werden in Windkraftanlagen entsprechend
größere und leistungsfähigere Aggregate
zusammengeschaltet. Da bei kontinuierlich zunehmender Leistung der benötigte Bauraum
für die
Aggregate sowie das Aggregatgewicht unweigerlich zunehmen, sind
statische Probleme bei der Konstruktion und dem Betrieb von Windkraftanlagen
absehbar.
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Es
besteht folglich der Bedarf zur Bauraum- und Gewichtsminimierung
der Anlagenkomponenten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, eine kompakte Kupplung zur Verbindung
von An- und Abtrieb zweier Aggregate, insbesondere von Getriebe und
Generator einer Windkraftanlage, zu schaffen.
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Gelöst wird
die Erfindung von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches
1, insbesondere mit den kennzeichnenden Merkmalen, wonach beide
Kupplungen in einer gemeinsamen Kupplungsebene angeordnet sind.
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Durch
die Anordnung beider für
den Betrieb einer Anlage, insbesondere einer Windkraftanlage, notwendigen
Kupplungen in einer Kupplungsebene wird der axiale Bauraum gattungsgemäßer Vorrichtungen
wesentlich verringert. Die Verbindung zwischen beiden Aggregaten
ist folglich wesentlich kompakter gestaltet, der Gesamtbauraum der
Anlage minimiert.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform
der Erfindung, die sich dadurch kennzeichnet, dass beide Kupplungen
in einem Radialraum der antriebsseitigen Welle, insbesondere in
einem Ringraum um die antriebseitige Welle herum, angeordnet sind.
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Diese
besonders bevorzugte Vorrichtung ordnet die Kupplungen zur kraftübertragenden
Verbindung zwischen den Aggregaten im Bereich der antriebsseitigen
Welle, konkret der das Getriebe verlassenden Welle, an. Insofern
benötigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
keinen gesonderten axialen Bauraum sondern ist im Axialbauraum eines
der Aggregate, bevorzugterweise im Axialbauraum der das Getriebe
verlassenen Welle, angeordnet.
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Es
ist vorgesehen, dass in Kraftflussrichtung die erste, den axialen
und radialen Versatz ausgleichende Kupplung vor der zweiten, die Überlast
abwerfenden Kupplung angeordnet ist, insbesondere, das die erste
Kupplung unmittelbar an der antriebsseitigen Welle angeordnet ist.
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Dabei
ist es von wesentlichem Vorteil, wenn in Kraftflussrichtung zwischen
der ersten Kupplung und der Überlasteinheit
der zweiten Kupplung ein auf die antriebsseitige Welle wirkendes
Bremselement angeordnet ist.
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Insbesondere
die Anordnung des Bremselementes, welches beispielsweise bei Windkraftanlagen
den Rotor in Stillstand versetzt oder sichert (Haltebremse), vor
der Überlasteinheit,
ist von wesentlichem Vorteil, um die Überlasteinheit selbst vor übermäßigem Verschleiß oder übermäßiger Belastung durch
Bremseingriffe zu schützen.
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Zur
Bauraumminimierung trägt
weiterhin eine Kupplung mit den Merkmalen des Anspruches 5, insbesondere
dessen kennzeichnenden Merkmalen bei, wonach die Welle antriebsseitig
gelagert ist und das abtriebseitige Lager der Welle von einer der Kupplungen
gebildet ist.
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Es
ist offensichtlich, dass die zwei Aggregate verbindende Welle für eine stabile
und laufruhige Rotationsbewegung an ihren zwei Enden gelagert sein muss.
Indem eine der Kupplungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichzeitig
das abtriebsseitige Lager für
die Welle ausbildet bzw. Teil dieses Lagers ist, wird axialer Bauraum
minimiert.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn der abtriebsseitige Tragkörper der
zweiten Kupplung mit einem Lager versehen ist, welches eine Rotationsbewegung
des antriebsseitigen Tragkörper
gestattet.
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Um
ein stabiles Wellenlager durch die Kupplung ausbilden zu können, ist
vorgesehen, dass der abtriebsseitige Tragkörper der zweiten Kupplung in etwa
hülsenartig
ausgebildet ist und den antriebsseitigen Tragkörper der zweiten Kupplung in
sich lagert. Durch die hülsenartige
Ausbildung des abtriebsseitigen Tragkörpers der zweiten Kupplung
steht eine vergleichsweise große
Fläche
zur Lagerung des antriebsseitigen Tragkörpers zur Verfügung, was
sich positiv auf die übertragbaren
Lagerkräfte
auswirkt. Dieses Lager stützt
Radialkräfte
ab. Da eine Relativdrehung der Tragkörper lediglich im Überlastfall
auftritt, wird als Lager bevorzugt ein Verbundwerkstoff genutzt.
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Eine
solche als Lager dienende Kupplung kennzeichnet sich bevorzugt dadurch,
dass der abtriebsseitige Tragkörper
an einem statischen Stützbauteil,
eine Rotationsbewegung gestattend, gelagert ist.
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Es
ist vorgesehen, dass die zweite Kupplung als Überlasteinheit nach Art einer
lasthaltenden, Überlast
jedoch abwerfenden Rutschkupplung ausgestaltet ist, insbesondere
wenn die die Überlasteinheit
bildende Kupplung das abtriebsseitige Lager der Welle bildet.
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Erfindungsgemäß ist es
weiterhin vorgesehen, dass bei der als Wellenlager dienende Vorrichtung
beide Kupplungen in einer gemeinsamen Kupplungsebene angeordnet
sind. Es ist vorgesehen, dass beide Kupplungen in einem Radialraum
der antriebsseitigen Welle, insbesondere in einem Ringraum um die
antriebsseitige Welle herum angeordnet sind. Es ist ferner vorgesehen,
dass in Kraftflussrichtung die erste, axialen und radialen Versatz
ausgleichende Kupplung vor der zweiten, Überlast abwertenden Kupplung
angeordnet ist, insbesondere, das die erste Kupplung unmittelbar
an der antriebsseitigen Welle angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn
in Kraftflussrichtung zwischen der ersten Kupplung und der Überlasteinheit
der zweiten Kupplung ein auf die antriebsseitige Welle wirkendes
Bremselement angeordnet ist.
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Die
nachstehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels dient der näheren Erläuterung
der Erfindung. Es zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur kraftübertragenden
Verbindung zweier Aggregate ist in 1 insgesamt
mit der Bezugsziffer 10 versehen. Antriebsseitig stellt
eine Aggregat, wie etwa ein Getriebe einer Windkraftanlage eine
Welle 11 bereit, deren Drehmoment mittels der Vorrichtung 10 übertragen
wird.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst zwei Kupplungen.
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Die
erste Kupplung ist insgesamt mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet
und mit der Welle 11 verbunden. In der konkreten Ausgestaltung
besteht die erste Kupplung 20 aus einem Kupplungsflansch 21 mit
einem die Welle 11 umgebenen Kragen 22, der eine konisch
zulaufende Außenumfangsfläche 23 ausbildet.
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Ein
Spannring 24 mit einer zur Außenumfangsfläche 23 komplementär konischen
Innenumfangsfläche 25 umgibt
den Kragen 22. Mittels Schraubbolzen 26, die umfangsbeabstandete
Bohrungen 27 des Kupplungsflansches 21 durchgreifen und
in Gewindebohrungen 28 des Spannrings 24 eingreifen,
wird der Spannring 24 gegen den Kragen 22 verspannt,
so dass der Kupplungsflansch auf der Welle 11 befestigt
ist.
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Der
Kupplungsflansch 21 und der Spannring 24 bilden
insoweit einen Spannsatz aus.
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Der
Kupplungsflansch 21 weist außenumfänglich angeordnete und umfangsbeabstandete Koppelbohrungen 29 auf,
in denen Kupplungsbolzen 30 sitzen.
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Die
Kupplungsbolzen 30 umfassen einen Schraubbolzen 31,
der eine ihn umgebende Traghülse 32 hält. Die
Traghülse 32 selbst
ist von einer elastischen Kupplungshülse 33 umgeben. Die
Kupplungsbolzen 30 sind über die Kupplungshülse 33 in der
Koppelbohrung 29 gehalten. Axialer Toleranzausgleich ist
durch die Elastizität
der Kupplungshülse 33 gegeben.
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Schließlich weist
die erste Kupplung 20 in ihrem Kupplungsflansch 21 und
dem zugehörigen Spannring 24 miteinander
fluchtende Wartungsbohrungen 34 auf, die mit einem Stopfen 35 verschließbar sind
und Zugang zu Spannbolzen 65 der zweiten Kupplung 50 gewähren.
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Die
zweite Kupplung ist insgesamt mit der Bezugsziffer 50 versehen.
Sie umfasst zunächst
einen antriebsseitigen Tragkörper 51,
der Gewindebohrungen 52 zur Halterung der Kupplungsbolzen 30 der
ersten Kupplung 20 bereithält. Über einen Flanschring 53 ist
vermittels Distanzhülsen 54 ein
Bremselement in Form einer Bremsscheibe 55 am antriebsseitigen
Tragkörper 51 angeordnet
und mittels Schraubbolzen 56 gesichert, die in Gewindebohrungen 57 des
Flanschrings 53 eingreifen.
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Der
antriebsseitige Tragkörper 51 ist
größtenteils
innerhalb des abtriebsseitigen Tragkörpers 58 der zweiten
Kupplung 50 angeordnet. Der abtriebsseitige Tragkörper 58 weist
einen innenliegenden Ringflansch 59 auf, der mit Reibbelägen 60 versehen
ist.
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Eine
Reibscheibe 61 ist auf Gleitbolzen 62 axial beweglich
gelagert. Die Gleitbolzen 62 sind im antriebsseitigen Tragkörper 51 angeordnet.
Tellerfedern 63 pressen die Reibscheibe 61 gegen
den mit Reibbelägen 60 versehenen
Ringflansch 59. Der Anpressdruck der Tellerfedern 63 wird
mittels einer Spannscheibe 64 reguliert, welche mittels
Spannbolzen 65 gegen den antriebsseitigen Tragkörper 51 verspannbar
ist. Die Spannbolzen 65 sind über die vorerwähnten Wartungsbohrungen 34 der
ersten Kupplung 20 zugänglich.
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Aus
statischen Gründen
und Gründen
der Montage ist der antriebsseitige Tragkörper 51 der Kupplung 50 zweiteilig
ausgebildet. Er umfasst neben dem eigentlichen Tragkörper 51 zusätzlich noch einen
Tragring 66, der am Tragkörper 51 befestigt
ist. Ein Abtriebsflansch 67 dient der Kopplung mit dem anzutreibenden
Aggregat, beispielsweise zur Kopplung mit dem Generator einer Windkraftanlage.
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Der
antriebsseitige Tragkörper 51 mit
seinem Tragring 66 ist vermittels Gleitlagern im abtriebseitigen
Tragkörper 58 drehbeweglich
gehalten. Alternative Lager wie Wälzlager sind denkbar.
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Der
Kraftfluss durch die Vorrichtung 10 läuft ausgehend von der Welle 11 über den
Spannsatz der ersten Kupplung 20 und den Kupplungsbolzen 30 über den
antriebsseitigen Tragkörper 51 und
die aus Reibscheibe 61 und Ringflansch 59 bestehende Überlasteinheit
an den abtriebsseitigen Tragkörper 58 und
von dort zum angetriebenen Aggregat, beispielsweise einem Generator.
Insofern ist, wenn von antriebsseitigen und abtriebsseitigen Bauelementen die
Rede ist, dass antriebsseitige Bauelement entsprechend dem Kraftfluss
nahe der Welle 11, das abtriebsseitige Bauelement entsprechend
dem Kraftfluss fern der Antriebswelle 11 angeordnet.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist die Vorrichtung 10 – mit Ausnahme
der Bremsscheibe 55 – in
einem Ringraum um die Antriebswelle 11 angeordnet, so dass
für die
Vorrichtung 10 kein axialer Bauraum notwendig ist. Die
Anordnung des Bremselementes in Form der Bremsscheibe 55 ist
lediglich der konkreten technischen Ausgestaltung innerhalb einer
konkreten Anlage geschuldet. Durch entsprechend geänderte Anordnung,
beispielsweise dem Verzicht auf Distanzhülsen 54, ist auch
eine Anordnung der Bremsscheibe 55 im Ringraum der Antriebswelle 11 möglich.
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Die
erste Kupplung 20 mit ihren Kupplungsbolzen 30,
die von elastischen Kupplungshülsen 33 umgeben
sind, dient einerseits der Dämpfung
von radial gerichteten Vibrationen des Antriebsstrangs bzw. einem
möglichen
radialen und winkligen Versatz von An- und Abtrieb. Darüber hinaus
erlauben die gleitgelagerten Kupplungsbolzen 30 in ihrer
Elastizität
Axialversatz auszugleichen.
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Die
zweite Kupplung 50 stellt als Überlastkupplung eine Schutzfunktion
für das
angetriebene Aggregat, beispielsweise einen Generator, zur Verfügung. Sie
ist konkret als Rutschkupplung ausgebildet. Die Kraftübertragung
von der ersten Kupplung 20 über die zweite Kupplung 50 zum
angetriebenen Aggregat erfolgt durch den Reibschluss zwischen der Reibscheibe 61 und
dem mit Reibbelägen 60 versehenen
Ringflansch 59. Der Reibschluss wird reguliert durch die
Spannung der Tellerfedern 64. So ist ein gewisses Grenzdrehmoment
in der Überlasteinheit eingestellt,
ab welchem der Reibschluss zur Kraftübertragung nicht mehr ausreichend
ist und die Kupplung 50 durchrutscht. In Folge dessen wird
dass das Grenzdrehmoment überschreitende
Moment, welches beispielsweise durch Rückkopplungen aus dem elektrischen
Leitungsnetz entstehen kann, nicht an das Getriebe übertragen.
Insoweit ist ein wirksamer Aggregatschutz unter wesentlicher axialer
Bauraumminimierung realisiert.
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Des
Weiteren dient die Vorrichtung 10 selbst als zweites Auflager
für die
Welle 11. Ein erstes Auflager der Welle 11 wird
durch das antreibende Aggregat, beispielsweise das Getriebe einer
Windkraftanlage, gebildet. Die Vorrichtung 10 selbst ist über ihr Abtriebsflansch 67 mit
dem anzutreibenden Aggregat verbunden und über diese Verbindung zumindest
indirekt an einem statischen, sich nicht bewegenden Bauteil gehalten.
Die Vorrichtung 10 übernimmt
darüber
hinaus die abtriebsseitige Lagerung der Welle 11 durch
die spezielle Ausgestaltung der zweiten Kupplung 50. Durch
die Anordnung des antriebsseitigen Tragkörpers 51 – inklusive
des Tragrings 66 – innerhalb
des hülsenartig
ausgebildeten abtriebsseitigen Tragkörpers 58 unter Vermittlung
von Gleitlagern 68 ist die abtriebsseitige Lagerung der
Welle 11 über die
Verbindung durch die erste Kupplung 20 realisiert. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 10 trägt in Folge
dessen die radial wirkenden Lagerkräfte der Antriebswelle 11.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- antriebsseitige
Welle
- 20
- erste
Kupplung
- 21
- Kupplungsflansch
- 22
- Kragen
von 21
- 23
- konische
Außenumfangsfläche von 22
- 24
- Spannring
von 20
- 25
- Innenumfangsfläche von 24
- 26
- Schraubbolzen
- 27
- Bohrungen
- 28
- Gewindebohrungen
- 29
- Koppelbohrung
von 21
- 30
- Kupplungsbolzen
- 31
- Schraubbolzen
- 32
- Traghülse
- 33
- Kupplungshülse
- 34
- Wartungsbohrung
von 20
- 35
- Stopfen
- 50
- zweite
Kupplung
- 51
- antriebsseitiger
Tragkörper
- 52
- Gewindebohrungen
- 53
- Flanschring
- 54
- Distanzhülsen
- 55
- Bremsscheibe
- 56
- Schraubbolzen
- 57
- Gewindebohrung
- 58
- abtriebsseitiger
Tragkörper
- 59
- Ringflansch
von 58
- 60
- Reibbeläge von 58
- 61
- Reibscheibe
- 62
- Gleitbolzen
- 63
- Tellerfeder
- 64
- Spannscheibe
- 65
- Spannbolzen
- 66
- Tragring
- 67
- Abtriebsflansch
- 68
- Gleitlager