DE60131764T3

DE60131764T3 - Windmühle

Info

Publication number: DE60131764T3
Application number: DE60131764.5T
Authority: DE
Inventors: Torolf Pettersen; Anders WICKSTRÖM; Mikael Lindberg
Original assignee: GE Wind Energy Norway AS
Current assignee: GE Wind Energy Norway AS
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: EP1327073B2; LT2003029A; CA2426407A1; LV13054B; CN1228543C; CA2426407C; RU2280786C2; EP1327073A1; AU2002215259B2; LT5126B; NO20005273L; ES2296821T3; NO20005273D0; DK1327073T3; ES2296821T5; CN1469972A; JP2004511723A; AU1525902A; DE60131764D1; DE60131764T2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage nach der Einleitung von Anspruch 1.
Stand der Technik und seine Schwachpunkte
Eine überragende technische Herausforderung bei Gestaltung und Entwicklung von Windkraftanlagen ist es sicherzustellen, dass das Biegemoment, das von den Blättern auf die Turbinennabe einwirkt, in der übrigen Struktur keine schädigenden Verformungen schafft. Dieses bezieht sich insbesondere auf Verformungen, die den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator beeinflussen können, wenn die Turbinenwelle einen elektrischen Generator ohne zwischenliegendes Getriebe trägt, oder Verformungen, die die Räder des Getriebes beanspruchen und die Lebensdauer vermindern, wenn ein Getriebe zwischen der Turbinenwelle und dem Generator verwendet wird.
Es ist bekannt, eine Windturbine bereitzustellen, die einen Generator antreibt, an der Spitze einer Säule oder eines Turms angeordnet zu haben. Eine Lösung ist, die Nabe der Windturbine direkt mit dem Rotor zu verbinden. Der Rotor wird wiederum von einer Basis getragen, die mit der Spitze des Turms verbunden ist, und der Stator wird von der Basis getragen, ohne eine Anstrengung zu unternehmen, die Bewegungen des Rotors und des Stators zu koordinieren. Die Erfahrung zeigt, dass diese Gestaltung nicht die erforderliche Kontrolle über den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator bei einer Biegemomentbelastung ergibt, die von der Nabe der Windturbine auf die Turbinenwelle gebracht wird. Auch kann der Generator vor der Montage nicht für die Verwendung fertig gemacht werden. Eine andere Lösung ist in der deutschen Patentveröffentlichung 44 02 184 A1 vorgeschlagen, in der die Nabe der Windturbine direkt mit dem Rotor des Generators ohne ein verbindendes Getriebe verbunden ist, und wobei der Rotor und der Stator durch zwei Lager verbunden sind, die eine koordinierte Bewegung bereitstellen. Diese Lösung erlaubt das Vormontieren des Generators als eine vollständige Einheit in einer Fabrik und das Testen vor der Montage an Ort und Stelle.
Berechnungen haben gezeigt, dass sogar diese Gestaltung keinen wünschenswert konstanten Luftspalt bereitstellen wird, wenn die Windturbine eine bestimmte Größe an Leistung und Gewicht überschreitet, ohne die Abmessungen der tragenden Basis unnötig groß zu machen.
Es ist auch vorgeschlagen worden, den Generator auf der gegenüberliegenden Seite der Windturbine relativ zur Spitze des Turms anzuordnen und die Windturbine über eine Turbinenwelle zwischen der Nabe und dem Rotor des Generators mit dem Generator zu verbinden entweder in einer festen Verbindung oder über eine Kupplung, die kein Biegemoment überträgt, und ohne zwischenliegendes Getriebe- und wobei die Turbinenwelle und der Generator in einer Trägeranordnung mit zwei oder mehr Lagern gelagert sind, die in die Trägeranordnung integriert sind. Der Zweck dieser Anordnung ist es, das Biegen, das auf den Teil der Welle angrenzend an den Generator wirkt, zu vermindern, in dem die Welle durch radiale Rückstellkräfte vom Lager zurück in eine in Bezug auf das Biegen der Welle ohne diese Anordnung neutrale Position zu zwingen, um einen so dicht wie möglichen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zu haben. Bei dieser Lösung unterliegen die Lager hohen Lagerkräften und überdies erfordert diese Gestaltung eine sehr feste Basis, um die vergrößerte Lagerstelle aufzunehmen.
Die WO 0159296 stellt eine Anordnung einer Windkraftanlage bereit, in welcher der Stator (3) an einer nicht rotierenden Achse (15) fixiert ist. Die Achse (15) rotiert nicht, weil sie mit einer Trägeranordnung (4) verbunden ist. Eine Turbinennabe (12) hat eine Verbindungsvorrichtung (14), die sie ohne oder mit nur unbedeutender gleichzeitiger Übertragung vom Biegemoment mit dem Rotor koppelt. Wenn der Achsenteil (16) Biegen unterworfen wird, wird das auftretende Biegemoment nicht auf den Rotor (6) übertragen werden, sodass der Rotor (6) folglich keiner schädlichen Verformung unterworfen werden wird. Dieser Stand der Technik bezieht sich nicht auf eine Windkraftanlage, in welcher sich der Generator zusammen mit der Turbinenwelle frei in alle Richtungen der Kraft mit Ausnahme der Drehmomentrichtung der Turbinenwelle bewegen kann. Dieser Stand der Technik sorgt nicht dafür, dass der Stator und der Rotor durch die drehbare Generator-/Turbinenwelle getragen werden, um zu ermöglichen, dass der Generator dem Biegemoment der Turbinenwelle mit minimaler Kraftübertragung zwischen den jeweiligen Wellen in allen Richtungen außer der Drehmomentrichtung folgen kann.
Aufgabe
Die Hauptaufgabe der Erfindung ist, eine Windkraftanlage bereitzustellen, bei der der Stator und der Rotor während des Betriebs ihren wechselseitigen Abstand (Luftspalt) unabhängig von der Krümmung der Turbinenwelle auf Grund des Biegemoments, das auf die Nabe der Windturbine in Fällen wirkt, in denen die Turbinenwelle direkt mit dem Generator verbunden ist, beizubehalten.
Die Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Dieser kann in verschiedenen Wegen und Ausführungsformen verkörpert sein, die an die verschiedenen Größen von Windturbinen und verschiedenen Gestaltungen von Generatoren anpassbar sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Lagern der Turbinenwelle in einer Windkraftanlage, die von einer Windturbine an einem Ende der Welle angetrieben wird, und bei der ein elektrischer Generator mit der Welle, entweder relativ zu den zwei Lagergehäusen außen verbunden ist, oder zwischen einem Lagergehäuse, das der Windturbine gegenüber liegt, und einem rückwärtigen Lagergehäuse, um die Wirkung des Biegemoments, das auf die Welle wegen Kräften, die auf die Nabe der Windturbine wirken, auf den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Generators unter Verwendung einer Lagerung gemäß Patentanspruch 1 zu vermindern.
Dies stellt eine vorteilhafte Kombination einer einfachen Struktur und vorteilhaften Lagereigenschaften bereit, die dazu beiträgt, den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Generators so klein und konstant wie möglich während des Betriebs der Windkraftanlage zu halten, und ohne die Lager übermäßig auf Grund der Kräfte zu belasten, die durch das Biegemoment erzeugt werden, das auf die Nabe wirkt.
Dies ermöglicht eine Übertragung des Drehmoments von der Turbinenwelle auf den Rotor, und von dem Rotor durch das elektrische Feld auf den Stator und mittels einer nicht drehbaren Kupplung auf eines oder beide Lagergehäuse, oder direkt auf die Basis.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beispiele
Die Erfindung wird unten weiter mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. einen vertikalen Schnitt durch eine Ausführungsform mit einer 2-seitigen Lagerung des Stators auf der Welle zeigt,
2 einen vertikalen Schnitt einer entsprechenden Ausführungsform mit einer einseitigen Lagerung des Stators auf der Welle zeigt,
3 einen vertikalen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform mit einer 2-seitigen Lagerung des Stators zeigt, welcher von der Welle getragen ist,
4 einen vertikalen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei der Generator zwischen zwei Lagern angeordnet ist,
5 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer nicht drehbaren Kupplung zeigt,
6 eine perspektivische Ansicht eines alternativen Beispiels zeigt, das nicht in den Geltungsbereich der Ansprüche fällt, in dem ein Getriebe mit der Turbinenwelle verbunden ist, wobei ein Generator weiter auf einem Generatorträger angeordnet ist, der von dem Getriebe in Verlängerung gestützt wird, und bei dem die Übertragung des Drehmoments auf die Hauptbasis durch eine angepasste nicht drehbare Kupplung bereitgestellt wird und
7 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels zeigt, das nicht in den Geltungsbereich der Ansprüche fällt, in dem ein Getriebe mit der Turbinenwelle verbunden ist, und mit einem Generator, der auf einer von dem Getriebe über der Turbinenwelle getragenen Generatorbasis angeordnet ist, und in dem die Übertragung des Drehmoments auf die Hauptbasis durch eine angepasste nicht drehbare Kupplung bereitgestellt wird.
Die in 1 erläuterte Erfindung beruht auf der Kopplung der Turbinenwelle direkt am Generator. Sie zeigt einen vertikalen Schnitt langst durch ein Wellenlager gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. An der Spitze eines Turms 1 ist ein horizontaler Zahnkranz 2 befestigt, der zum Drehen der höheren Teile einer Windkraftanlage verwendet wird, die in größeren Einzelheiten unten beschrieben ist. Über dem Zahnkranz ist eine feste Basis 4, die als ein Träger für die Welle dient. Die Basis 4 ist relativ zu den Zahnkranz 2 um seine vertikale Welle durch ein geeignetes Lager drehbar. Die Drehung wird durch einen Motor 3, der an der Seite der Basis 4 mit einer abhängigen Welle angeordnet ist, aktiviert, wobei ein Mechanismus 5 in den Zahnkranz 2 eingreift.
Die Basis 4 stellt die Stütze für zwei Lagergehäuse bereit, ein vorderes Lagergehäuse 6, das der Turbine gegenüber liegt, und ein hinteres Lagergehäuse 7. Die Lagergehäuse tragen zusammen die Turbinenwelle 8, die wiederum einen vollständigen Generator 11 trägt. Jedes Lagergehäuse enthält ein Lager 9, 10 und ist mit Bolzen 21 an der Basis 4 befestigt.
Der Generatorrotor wird von einer Generatorwelle 22 getragen, die eine Fortsetzung der Turbinenwelle 8 sein kann. Das Statorgehäuse 17 wird von den Lagern 15, 16 auf der Welle 8 getragen. Die Lager 15, 16 stellen einen Luftspalt 18 bereit, der zwischen dem Stator 19 und dem Rotor 12 unabhängig von der Biegung der Welle so konstant und klein wie möglich ist.
Das Drehmoment von der Turbinenwelle 8, welches durch das elektrische Feld auf das Statorgehäuse 17 übertragen wird, wird mittels einer nicht drehbaren Kupplung 20 auf die Basis übertragen.
In 6 und 7 ist ein alternatives Beispiel, das nicht in den Geltungsbereich der Ansprüche fällt, gezeigt. Ein Getriebe ist zwischen der Turbinenwelle 8 und dem Generator 31 angeordnet, von denen beide im Wesentlichen der vorherigen Beschreibung entsprechen. Das Getriebe 29, die Generatorbasis 30 und der Generator 31 können alle frei den Bewegungen der Turbinenwelle 8 in der Öffnung zwischen dem Lagergehäuse 7 und seiner Verbindung mit dem Getriebe 29 folgen, außer in der Richtung des Drehmoments. Eine nicht drehbare Kupplung 33 stellt die Übertragung des Drehmoments von der Turbinenwelle mittels des Getriebes 29 auf den Generator 31 und die Hauptbasis 4 bereit und begrenzt oder löscht schädigende Kräfte vollständig aus, welche ansonsten zu schädigenden Verformungen des Getriebes und des Generators führen können. Die nicht drehbare Kupplung 33 umfasst einen Träger 34 in der Form zweier Arme, die sich von der Hauptbasis 4 auf den Generator 31 erstrecken. Der Träger 34 ist starr mit der Hauptbasis verbunden und an einem freien Ende mit einem Querjoch 35 verbunden. An dem freien Ende ist weiter ein Winkelverbinder mit zwei verbundenen Armen 36, 37 mit dem Ende des Trägers oder Jochs 35 verbunden, und an einem Träger 38 an der Seite des Getriebes 29. Ein entsprechender, symmetrisch angeordneter Winkelverbinder kann auf der gegenüberliegenden Seite bereitgestellt sein.
Funktion
Die Funktion dieser Anordnung ist hauptsächlich durch die Beschreibung und 1 beschrieben. Das Gewicht von und die Kräfte, die auf die Welle 8 und den Generator 11 wirken, werden von den Lagern 9, 10 getragen und auf die Basis 4 übertragen. Die Turbinenwelle 8 überträgt das Drehmoment direkt auf den Rotor 12 des Generators. Das Statorgehäuse 17 wird direkt auf der Turbinenwelle getragen. Eine geeignete Größe der Welle in der Nähe des Generators 11 stellt eine ausreichende Steifigkeit bereit, um schließlich einen konstanten und kleinen Luftspalt 18 zwischen dem Rotor 12 und Stator 19 zu halten. Eine nicht drehbare Kupplung 20 in der Form einer ringförmigen Scheibe mit einem zentralen Umfangsfalz erhöht die Biegsamkeit in einer axialen Richtung, führt zur Übertragung des Drehmoments, das auf Grund des elektrischen Feldes von dem Rotor 12 auf das Statorgehäuse 17 wirkt, mit minimalen Biegemoment auf die Basis 4.
Die nicht drehbare Kupplung 20 ist gestaltet und bemessen, um nur das Drehmoment von der Windturbine ohne Biegung der Generatorwelle 22 aufgrund des Drehmoments, das auf die Nabe der Windturbine wirkt, zu übertragen.
Das Statorgehäuse 17 wird daher den Bewegungen des Rotors 12 und der Generatorwelle 22 folgen und der Luftspalt 18 wird hauptsächlich konstant beibehalten.
Die Gesamtstruktur erlaubt das Testen der Windturbine und des Generators als eine vollständige Einheit vor der Montage vor Ort, und sie an die Spitze des Turms zu hissen und als eine vorgefertigte Einheit zu montieren.
Abwandlungen
In 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, wobei ähnliche Teile mit identischen Bezugsziffern wie in 1 versehen sind, und bei der die Generatorwelle 22 von einer doppelt gelagerten Hülse 23 getragen wird, die eine Statornabe bereitstellt, welche mit einem anderen Lager 24 den Rotor 12 trägt. Die Generatorwelle 22 hat an dem freien Ende eine Scheibe 25 am Rotor 12 zum übertragen von Drehmoment auf diesen befestigt.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform auf Basis des gleichen Prinzips gezeigt. In diesem Fall ist eine Statorscheibe 17 mit einer Nabe von der Generatorwelle 22 mit einem doppelten Lager (16) getragen und erstreckt sich auf einer Seite in einen Flansch, der die aktiven Statorteile trägt.
In 4, in welcher die gleichen Bezugsziffern wie in den voranstehen Figuren verwendet werden, wird eine Ausführungsform gezeigt, welche von den Ausführungsformen der 1–3 dadurch abweicht, dass der Generator zwischen den Lagergehäusen 6, 7 angeordnet ist. Die nicht drehbare Kupplung 20 ist entsprechend an dem Lagergehäuse 6 angrenzend an die Windturbine befestigt.
Allgemein kann die nicht drehbare Kupplung 20 an einem willkürlichen Lagergehäuse oder an der Basis 4 befestigt sein.
In 5 ist eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Basis 4 und der Lagereinheiten 6, 7 gezeigt. In diesem Fall ist der Stator 19 mit einem radialen Paar von Armen 26 versehen, die sich an der Basis 4 horizontal erstrecken. Die Basis 4 trägt einen Balken 27, welcher parallel zu dem Paar von Armen 26 angeordnet ist. An beiden Enden ist das Paar von Armen und der Balken mit einem Dämpfungselement 28 verbunden, welches Drehmoment aufnehmen kann, jedoch kein Biegemoment und Axialkräfte. Die Dämpfungselemente 28 sind bereitgestellt, um mögliche Stoßmomente aufzunehmen, z. B. aufgrund eines Kurzschlusses.
6 und 7 zeigen die Verwendung der Beispiele, die nicht in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wobei ein Getriebe 29 zwischen der Turbinenwelle 8 und Generator 31 angeordnet ist. Andere Beispiele der nicht drehbaren Kupplung zur Übertragung des Drehmoments von der Turbinenwelle mittels des Getriebes 29 und des Generators 31, solange für eine minimale Kraftübertragung zwischen der Turbinenwelle 8 und denselben Elementen in allen Richtungen außer der Richtung des Drehmoments gesorgt ist.

Claims

Windkraftwerksanlage mit einer Windturbine, die eine drehbare Turbinenwelle (8) und eine Generatorwelle (22) umfasst, welche eine Verlängerung der Turbinenwelle (8) sein kann und die mit dem Rotor (12) eines elektrischen Generators (11) verbunden ist, wobei der Rotor (12) radial von einem Stator (19) umgeben ist, die Turbinenwelle (8) in zwei Lagergehäusen (6, 7) gelagert ist, wobei die Lager (9, 10) an einer Basis (4) an der Oberseite eines Turms (1) angeordnet sind, und die Generatorwelle (22) mit der drehbaren Turbinenwelle (8) integral ausgebildet oder mit dieser starr verbunden ist, um sich mit der Turbinenwelle unter Biegemomenten zu verbiegen, welche auf die Turbinenwelle über deren Nabe einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (19) und Rotor (12) durch die drehbare Generator-/Turbinenwelle (22, 8) so getragen werden, dass der Generator (11) der Biegebewegung der Turbinenwelle (8) folgen kann, und der Stator (19) gegen eine Drehung durch eine nicht drehbare Kupplung (20) verriegelt ist, welche im Wesentlichen kein Biegemoment oder keine Axialkraft überträgt, die gegen die Biegung der Turbinenwelle (8) wirkt, wobei die Lager (9, 10) so vorgesehen sind, dass sie eine Biegung der Turbinenwelle (8) gestatten.
Windkraftwerksanlage nach Anspruch 1, wobei der Generator (11) auf einer Seite der Basis (4) gegenüber der Windturbine oder zwischen den Lagergehäusen (6, 7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit einer nicht drehbaren Kupplung (20) verbunden ist, die vorgesehen ist, um ein Drehmoment und im wesentlichen kein Biegemoment zu übertragen, vorzugsweise einer ringförmigen Scheibe mit einem Umfangsfalz, welche den Stator mit einem Lagergehäuse verbindet.
Windkraftwerksanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht drehbare Kupplung (20) dazu vorgesehen ist, das bei einem Kurzschluß des Generators erzeugte Drehmoment und Dämpfungskräfte zu übertragen.
Windkraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (19) an der Generatorwelle (22) an einem seiner Enden oder mit einem Doppellager angebracht ist, und dass der Rotor (12) direkt an der Generatorwelle oder mit einer Scheibe an dem Ende der Generatorwelle angebracht ist.
Windkraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) auf beiden Seiten von Seltenelementen (17) getragen ist, welche den Stator (11) nicht biegbar haltern, der sich relativ zu der Generatorwelle (22) nicht biegt, und die Turbinenwelle (8) an Lagern (15, 16) angebracht ist, die durch die Generatorwelle getragen sind.