EP1442215A1 - Rotorwellen/naben-einheit für eine windenergieanlage - Google Patents

Rotorwellen/naben-einheit für eine windenergieanlage

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Publication number
EP1442215A1
EP1442215A1 EP02782741A EP02782741A EP1442215A1 EP 1442215 A1 EP1442215 A1 EP 1442215A1 EP 02782741 A EP02782741 A EP 02782741A EP 02782741 A EP02782741 A EP 02782741A EP 1442215 A1 EP1442215 A1 EP 1442215A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
hub
shaft
wind turbine
blade
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02782741A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Schmidt
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Aerodyn Engineering GmbH
Original Assignee
Aerodyn Engineering GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Aerodyn Engineering GmbH filed Critical Aerodyn Engineering GmbH
Publication of EP1442215A1 publication Critical patent/EP1442215A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F03D1/065—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D1/0658—Arrangements for fixing wind-engaging parts to a hub
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a rotor shaft / hub unit for a wind turbine with a rotor hub connected to a blade or blade bearing connection and provided with a rotor bearing seat.
  • the Energyerzeuqunq by a wind turbine basie v L on the energy conversion of translatory movement of air in Rotatio ⁇ senargi, d. ⁇ on the Rotorbl t ⁇ ter occurs.
  • the rotor blades together with the rotor hub form the rotor, by means of which the rotational energy in the rotor hub is converted into mechanical energy in the form of a torque.
  • This torque is transmitted from the rotor hub to the red shaft and from there via the gearbox to the generator, in which the mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the hub and shaft are loaded with bending moments, torsional moments, axial and transverse forces, both statically and dynamically.
  • the rotor hub and rotor shaft are usually manufactured as individual components from spheroidal graphite cast iron or tempered steel and then screwed together for assembly.
  • This design has several disadvantages.
  • a disadvantage is that the individual components are very heavy due to the properties of the materials used, which makes component assembly difficult.
  • Another disadvantage is the need to screw the individual components together. For this, elaborate connection places with very tight manufacturing tolerances.
  • the design of screw connections of two individual components in general and especially under alternating loads makes it necessary to oversize the components locally at the connection point, which in turn has a negative effect on the component costs.
  • a rotor is also known in which a pair of rotor blades are held together with a connecting rod. Furthermore, from US BI 6,227,803 a wind turbine with a plastic nacelle box is known, which is attached to a partially elastic tower. The propeller blades of the rotor consist of a c -section and a 1- section section.
  • the invention has for its object to provide a rotor in which the rotor is light and easy to assemble.
  • this task is solved by the rotor hub and rotor being made in one piece from fiber composite materials.
  • the blade or blade bearing connection can be designed as metallic inserts integrated in the laminate of the rotor hub.
  • the rotor bearing seat can be designed as a bushing integrated in the laminate of the rotor shaft.
  • the invention thus proposes a component combination in which the individual components of the rotor hub and the rotor shaft are combined to form an integral component made of fiber composite materials.
  • the combination of the two individual components to form an integral component and the use of fiber composite materials lead to a number of technical and economic advantages.
  • fiber composite materials Compared to the commonly used metallic materials, fiber composite materials have a very high specific strength and rigidity, which means that a lighter component can be realized if the same requirements are met.
  • Fiber composites are all materials that consist of one or more fiber types and a resin matrix with or without additives.
  • a particular advantage of the use of fiber composite materials is that any fibers can be used with any orientation, the direction-dependent mechanical properties of the material thereby precisely to the Bela c ..tungsart and a vote direction. This enables a more extensive weight optimization of the component compared to the use of metallic materials.
  • the combination of the two individual components to form an integral component eliminates the need to provide interfaces with narrow manufacturing tolerances that would be required for screwing the Eir17.ej.baute.ile. Local component oversizing to enable screwing is also eliminated. The assembly effort that would be required to screw the two individual components together is also eliminated.
  • the weight saving also contributes to further scaling up of the wind energy plants enable, because the tower head mass of the wind turbine is a critical aspect in this regard.
  • the invention is explained below with reference to a drawing.
  • the single figure shows a schematic cross section through the rotor shaft / hub combination.
  • the component body which consists of the main areas rotor hub 3 and rotor shaft 6, is made of fiber composite.
  • the blade or blade bearing connection 1 serves to connect the rotor blade directly or via a bearing to the hub 3.
  • This connection consists of metallic inserts with blind hole threads which are integrated into the laminate of the rotor hub 3.
  • At the front in the rotor hub 3 there is an access hole 2 so that the interior of the rotor hub 3 is accessible.
  • a rotor locking disk 4 is used to lock the rotor of the wind turbine during maintenance work and is connected directly to the rotor hub 3 or to the rotor bearing seat 5 by means of an adhesive or screw connection.
  • the rotor locking disk 4 consists of + - either from a conventional material or a fiber composite material.
  • the rotor bearing seat 5 serves to receive the rotor bearing and is designed in the form of a bush made of metal, plastic or a fiber composite material. This bushing is either integrated into the laminate of the rotor shaft 6 or connected to the laminate of the rotor shaft 6 from the outside by gluing and / or screwing. Spring washer and guide fit 7 are used to connect the rotor shaft 6 to the gearbox.

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Abstract

Rotorwellen/naben-Einheit für eine Windenergieanlage mit einer mit einem Blatt- oder Blattlageranschluss (1) versehenen Rotornabe (3) und einer mit der Rotornabe (3) verbundenen, mit einem Rotorlagersitz (5) versehenen Rotorwelle (6), bei der Rotornabe (3) und Rotorwelle (6) einstückig aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt ausgebildet sind

Description

Rotorwellen/naben-Einheit für eine Windenergieanlage
Die Erfindung betrifft eine Rotorwellen/naben-Einheit für eine Wj_ndenergieanlage mit einer mit einem Blatt- oder Blattlageranschluß versehenen Rotornabe verbundenen, mit einem Rotorlagersitz versehenen Rotorwelle.
Die Energieerzeuqunq durch ein Windenergieanlage basiev L auf der Energiewandlung von translatorischer Luftbewegung in Rotatioπsenargi , d.ϊε über die Rotorbl^t ter erfolgt. Die Rotorblätter bilden gemeinsam mit der Rotornabe den Rotor, durch den die Rotationsenergie in der Rotornabe in mechanische Energie in Form eines Drehmoments u yewandelc wird. Dieses Drehmoment wird von der Rotornabe in die Rot rwel e übertragen und von dort, über das Getriebe, dem Generator zugeführt, in dem die mechanische Energie, in elektrische Energie umgewandelt wird. Hierbei werden Nabe und Welle mit Biegemomenten, Torsionsmomenten, axialen Kräften und Querkräften sowohl statisch als auch dynamisch belastet.
Üblicherweise werden Rotornabe und Rotorwelle als einzelne Bauteile aus Kugelgraphitguß oder Vergütungsstahl gefertigt und anschließend zur Montage miteinander verschraubt. Diese Bauweise hat verschiedene Nachteile. Ein Nachteil liegt darin, daß die einzelnen Bauteile aufgrund der Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe sehr schwer sind, wodurch die Bauteilmontage erschwert wird. Ein weiterer Nachteil liegt in der Notwendigkeit, die Einzelbauteile miteinander zu verschrauben. Hierfür müssen an den jeweiligen Einzelbauteilen aufwendige Verbindungsschnitt- stellen mit sehr engen Fertigungstoleranzen vorgesehen werden. Die Auslegung von Verschraubungen zweier Einzelbauteile im allgemeinen und speziell unter Wechselbela- stungen macht eine lokale Überdimensionierung der Bauteile an der Verbindungsstelle erforderlich, was wiederum eine negative Auswirkung auf die Bauteilkosten hat.
Aus der DE C2 35 02 963 ist weiter ein Rotor bekannt, bei dem ein Paar Rotorflügel mit einem Verbindungsstab zusammengehalten werden. Weiter ist aus der US BI 6,227,803 eine Windenergieanlage mit einem Gondelkasten aus Kunststoff bekannt, der auf einem teilelastischen Turm befestigt ist. Die Propellerflügel des Rotors bestehen dabei aus einem c tangenartigen Abschnitt und einem pla1- tenir- tiegen Abschnitt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor zu schaffen, bei dem der Rotor leicht und einfach zu montieren ist.
lfinάnngsgemäß wird diese Aufg e dedυrch gelost, daß Rotornabe und Rotor einstückig aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt ausgebildet sind.
Blatt oder Blattlageranschluß können als in dem Laminat der Rotornabe integrierte metallische Inserts ausgebildet sein. Der Rotorlagersitz kann als in dem Laminat der Rotorwelle integrierte Buchse ausgebildet sein.
Durch die Erfindung wird also eine Bauteilkombination vorgeschlagen, in der die Einzelbauteile Rotornabe und Rotorwelle zu einem integralen, in Faserverbundwerkstoffen gefertigten Bauteil kombiniert werden. Die Kombination der beiden Einzelbauteile zu einem integralen Bauteil und die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen führen zu einer Anzahl technischer und wirtschaftlicher Vorteile. Im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten metallischen Werkstoffen weisen Faserverbundwerkstoffe eine sehr hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit auf, wodurch sich bei Erfüllung der gleichen Anforderungen ein leichteres Bauteil verwirklichen läßt. Als Faserverbundwerkstoffe werden alle Werkstoffe bezeichnet, die aus einem oder mehreren Fasertypen und einer Harzmatrix mit oder ohne Zusätzen bestehen. Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen liegt darin, daß beliebige Fasern mit beliebiger Orientierung eingesetzt werden können, wodurch sich die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes genau auf die Belac..tungsart und -richtung abstimmen lassen. Dies ermöglicht eine weitgehendere Gewichtsoptimierung des Bauteils im Vergleich zur Verwendung von metallischen Werkstoffen.
Durch die Kombination der beiden Einzelbauteile zu einem integralen Bauteil entfällt die Notwendigkeit, Schnittstel en mit engen Fertigungstoleranzen vorzusehen, die für die Verschraubung der Eir17.ej.baute.ile erforderlieh wären. Auch eine lokale Bauteilüberdimensionierung zur Ermöglichung einer Verschraubung entfällt. Ebenso entfällt der Montageaufwand, der für die Verschraubung der beiden Einzelbauteile erforderlich wäre.
Aufgrund der besseren Nutzung von Werkstoffen mit höheren spezifischen mechanischen Eigenschaften und der Bauteilintegration ergibt sich ein höheres wirtschaftliches Potential im Vergleich zu den miteinander verschraubten, aus metallischen Werkstoffen hergestellten Einzelbauteilen.
Die Gewichtseinsparung leistet außerdem einen Beitrag dazu, das weitere Hochskalieren der Windenergieanlagen zu ermöglichen, da diesbezüglich speziell die Turmkopfmasse der Windenergieanlage ein kritischer Aspekt ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Rotorwellen/Naben-Kombination.
Der Bauteilkörper, der aus den Hauptbereichen Rotornabe 3 und Rotorwelle 6 besteht, ist aus Faserverbundstoff hergestellt. Der Blatt- bzw. Blattlageranschluß 1 dient zur Verbindung des Rotorblattes direkt oder über ein Lager mit der Nabe 3. Diese Verbindung besteht aus metallischen Inserts mit Sacklochgewinden, die in das Laminat der Rot- ornabe 3 integriert sind. Vorne in der Rotornabe 3 befindet sich ein Zugangsloch 2, damit das Innere der Rotornabe 3 zugänglich ist. Eine Rotorarretierscheibe 4 dient zur Arretierung des Rotors der Windenergieanlage bei Wartungsarbeiten und ist durch eine Verklebung oder Verschraubung direkt mit der Rotornabe 3 oder mit dem Rotorlagersitz 5 verbunden. Di^ Rotorarretierscheibe 4 besteh+- entweder aus einem üie a iischen Werkstoff oder einest Faserverbundwerkstoff. Der Rotorlagersitz 5 dient zur Aufnahme des Rotorlagers und ist in Form einer Buchse aus Metall, Kunststoff oder einem Faserverbundwerkstoff ausgeführt. Diese Buchse wird entweder in das Laminat der Rotorwelle 6 integriert oder von außen durch Verklebung und/oder Verschraubung mit dem Laminat der Rotorwelle 6 verbunden. Spannscheiben- und Führungspassung 7 dienen zur Verbindung der Rotorwelle 6 mit dem Getriebe.

Claims

Patentansprüche
1. Rotorwellen/naben-Einheit für eine Windenergieanlage mit einer mit einem Blatt- oder Blattlageranschluß (1) versehenen Rotornabe (3) und einer mit der Rotornabe (3) verbundenen, mit einem Rotorlagersitz (5) versehenen Rotorwelle (6) ,
dadurch gekennzeichnet, daß otornabe (3) und Rotorwel- le (6) einstückig aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt ausgebildet sind.
2. Rotorweilen 'naben-Einheit nach Anspruch 1 dadiUTh gekennzeichnet, daß der Blatt- oder Blattlageranschluß (1) als in dem Laminat der Rotornabe (3) integrierte metallische Inserts ausgebildet ist.
3. Rotorwellen/naben-Einheit nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorlagersitz (5) als in dem Laminat der Rotorwelle (6) integrierte Buchse ausgebildet ist.
EP02782741A 2001-10-31 2002-10-22 Rotorwellen/naben-einheit für eine windenergieanlage Withdrawn EP1442215A1 (de)

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