WO2008155053A2 - Arretierungsvorrichtung für eine windturbine - Google Patents

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Georgios Pechlivanoglou
Jürgen Wagner
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    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the invention relates to a locking device for a wind turbine, wherein a rotor shaft of a drive train is rotatably provided on a machine carrier of the wind turbine, and the rotor shaft is connectable to a rotor.
  • a locking device for a wind turbine wherein a rotor shaft of a drive train is rotatably provided on a machine carrier of the wind turbine, and the rotor shaft is connectable to a rotor.
  • Locking device locking means in particular with a displaceable locking pin, whereby a rotationally fixed connection between the rotor or the rotor shaft and the machine frame can be generated by positive engagement.
  • a rotational position of the rotor shaft in a nominal position is automatically detected, and further, the locking means are automatically engageable upon reaching the desired position.
  • the device additionally comprises at least one brake device for acting on the drive train, whereby the rotational speed of the rotor and the rotor shaft can be braked.
  • DE 10 2004 013 624 A1 discloses such a device, wherein a locking pin can be inserted into receptacles of a locking disc. This is handled automatically when the rotor and a locking disk connected thereto are in a DESIRED position, so that the locking bolt and the recordings of the locking disk are aligned with each other. In this case, there is the fundamental problem that a stopping of the rotor in a defined and precise position with the inventive teaching and the disclosed features of said document is difficult to achieve.
  • a device is to be presented, which the use and Consideration of different influencing factors allows.
  • sensor means are provided for detecting a rotational speed of the rotor shaft.
  • the mass inertia of the rotor or of the entire rotating drive train can also be used in this estimation, since the braking energy to be applied essentially corresponds to the total rotational energy of the drive train and of the rotor, minus the friction losses.
  • a useful embodiment of the invention teaches that sensor means are provided for detecting a direction of rotation.
  • a deceleration of the rotor can be made when the rotor and drive train rotates counter to a main direction of rotation of the wind turbine.
  • the sensor means for detecting the position, the rotational speed and the rotational direction in the form of a plurality of rotor position sensors, preferably in particular by means of two rotor position sensors, be formed. These are to be provided at different locations on the circumference of the rotor shaft or the locking disc. Additional sensor means for detecting the position of the locking pin or locking means may be provided.
  • An embodiment of the invention includes that a braking device is designed as a friction brake device, and sensor means for detecting the status, that is, among other things, the actuating force, the actuating travel, the temperature and / or the actuating current, in an electric brake, are provided.
  • the drive train may include a transmission with a fast output shaft and a brake disk, wherein the fast output shaft can be acted upon by the braking device.
  • Control unit is provided, which is at least connected to the sensor means for detecting the position, rotational direction, rotational speed of the rotor shaft and optionally the status of the braking device.
  • This control unit brings together the data of the sensor means and performs the estimation or calculation for the deceleration of the drive train.
  • the control unit is with an aerodynamic - A -
  • the control unit is further connected to at least one of the following sensor means: sensor means for detecting the position of the locking means, respectively the Arret istsbolzens, sensor means for detecting the status of the friction brake device, sensor means for detecting the position and / or the rotational speed of the fast Output shaft or the brake disc, sensor means for detecting a wind speed and sensor means for detecting the angle of attack of at least one rotor blade.
  • a wind turbine which comprises a machine house rotatably mounted on a tower, and furthermore has a machine carrier and a locking device according to the aforementioned embodiments with completely or partially implemented features.
  • a method for operating a locking device for a wind turbine includes the steps of detecting a position, a rotational direction and a rotational speed of a rotor shaft of the wind turbine, comparing the current position of the rotor shaft with a target position of the rotor shaft, and driving at least one
  • Braking device to decelerate the rotor shaft to a standstill in the DESIRED position.
  • the status of the brake device can be detected.
  • a difference between the current position and the target position of the rotor shaft is determined, and in conjunction with the present rotational speed of the driveline, the instantaneous wind speed and the inertia of the rotating parts, a braking force and an operating force of the braking device is determined and adjusted to stop the rotor shaft in exactly the DESIRED position.
  • the aerodynamic braking device can be activated to support the friction brake device by after the detection of the wind speed, an angle of attack of at least one rotor blade is set so that this rotor blade is generated on the rotation axis retarding acting moment.
  • the target position is at least partially approached by alternating start and stop movements of the rotor shaft, or the fast output shaft. In this way, the rotor and the rotor shaft in small controlled steps to the target position approach.
  • the locking means for example a locking bolt, become , Engaged in such a way that the rotor shaft is rotatably connected by positive engagement with the machine frame.
  • FIG. 1 is a perspective view of an underside of a first embodiment of a machine carrier of a wind turbine, 2 is another view of the machine frame according to FIG. 1,
  • FIG. 3 is a front view of the machine frame according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 4 is a side view of the machine frame according to FIG. 1, FIG.
  • Fig. 5 is a schematic representation of the locking device of FIG. 1
  • Fig. 6 is a block diagram of the structure of the sensor means, the control unit and the actuator.
  • FIGs. 1 to 4 an embodiment of the invention is illustrated in different views.
  • the locking device 1 acts between a drive train 2 and a machine carrier 3 of the wind turbine not fully shown here.
  • a nacelle comprises the machine carrier 3 and is rotatably mounted on the tower, not shown, by means of an azimuth bearing (not shown). Openings 4 in the machine carrier 3 serve to accommodate azimuth drives which, in cooperation with a rotationally fixed ring gear of the azimuth bearing, represent the wind tracking of the machine house.
  • the essential parts of the drive train 2 are shown, wherein a rotor shaft 5 is rotatably supported about a rotor bearing 9 and a gear 10 about a rotation axis 6 on the machine frame 3.
  • the axis of rotation 6 of the rotor of the wind turbine applies in the following as a reference system for geometric information.
  • the transmission 10 serves to convert the incoming rotary motion 7 of the rotor shaft 5, which has a low speed and a high torque, into an outgoing rotary motion 12 with a lower torque and higher speed. This can be forwarded via a fast output shaft 1 1 to a not shown generator for generating electricity.
  • the transmission 10 acts as a torque support for the rotor shaft 5, wherein the housing of the transmission 10 is supported on the machine frame 3 via bearing blocks, not shown.
  • a shaft flange 8 is provided, on which the rotor hub of the rotor, not shown here, can be fastened by means of a plurality of screws.
  • the Arret istsusion 14 has a plurality of axially extending receptacles 15, and is - a simple replacement owed - executed in two parts.
  • the locking means 13 comprise a locking pin 16 which is mounted axially displaceably in a bolt guide 17 on the machine frame 2.
  • the locking pin 5 is preferably actuated electromechanically. This has the advantage over a hydraulic actuation that no leakage of an actuating medium - such as oil - can unintentionally get into the nacelle.
  • the fast output shaft 11 of the transmission 4 can be acted upon by a friction brake device 19.
  • This friction brake device 19 comprises a brake disc 9 axially encompassing brake caliper 21.
  • This is electromechanical - with the aid of an electric motor - with adjustable actuation force, zuspannbar. By measuring the current of the electric motor, a conclusion can be drawn on the operating force, since current and torque of the motor are in a known relationship to each other. Other measuring methods and elements for the actuating force can also be used.
  • a sensor means 101 which is designed as an integrated speed sensor 101, is provided directly on the rotor bearing 9. This can detect the position, the direction of rotation and the speed of the rotor shaft 5 on the basis of rotationally proportional signals, which are generated by non-rotatably connected to the rotor shaft donor means 22. It is conceivable in the shaft flange 8 or in the locking disc 14 more geometrical or magnetic variations 22, distributed over the circumference, structurally provided.
  • the sensor means 101 may be shown as a magnetic sensor 101, which detects a rotationally proportional fluctuation of a magnetic field and outputs a voltage proportional thereto. In Fig.
  • the sensor means 101 for measuring the rotational speed as cooperating position sensors 101 and 102 are formed at a fixed angular distance from each other.
  • the effect context of the locking device 1 is underlined here with reference to the schematic representation in Fig. 5 with the block diagram in Fig. 6.
  • the sensor means 101 and 102 allow the recording of the direction of rotation, position and rotational speed of the rotor shaft 5, the sensor means 103 provide the current position and state of the locking means 13 ready.
  • the rotational speed of the fast output shaft 11 or the brake disk 20 is measured by means of the sensor means 104.
  • the brake disk 20 and the locking disk 14 are geometrically interlocked with each other via the driveline 2 represented here by a dashed line.
  • the rotational speed of the rotor shaft 5 can also be determined via a speed sensor 104 on the friction brake device 19.
  • the measurement of the speed and the position on the fast output shaft causes a higher resolution of the measured data in terms.
  • sensor means 105 are represented by a block representing an anemometer 105 installed on the machine house.
  • the speed of the wind which acts on the rotor of the wind turbine, is a decisive factor to selectively decelerate and lock the rotor.
  • the wind speed mainly affects the effect of an aerodynamic braking device 24 when the rotor blades are turned against the wind braking.
  • the angle of attack 23 of the rotor blades is selected by means of a pitch drive so that one of the present rotary motion 7 counteracting rotor torque is generated.
  • the control unit 100 is furthermore connected to sensor means 106 designed as an angle sensor in order to know the angle of attack 23.
  • the sensor signals of the different sensor means 101, 102, 103, 104, 105 and 106 are brought together in a control unit 100, which selectively drives the individual components, in particular the aerodynamic brake or acceleration device 24 and the friction brake device 19, into a rotor shaft Move locking position and there to stop. Once the rotor shaft is in the TARGET position, the control unit 100 causes the locking of the wind turbine by means of the Verrieglungsstoff 13th
  • the sequence of a locking of the wind turbine is to be described as follows: If the locking of the rotor is caused by a user or by another initializing operation, the control unit 100 will receive the signals of the rotor
  • the control unit 100 calculates an acceleration and deceleration strategy for decelerating the rotor to the desired position. If the wind turbine is in spinning mode with little wind, the rotor and the rotor shaft 5 are first set in rotation by a favorable angle of attack 23 of the rotor blades. After a TARGET and ACTUAL comparison of the position of the rotor shaft 5 is made, the friction brake device 19 and the aerodynamic brake device 24 can be activated by the control unit 100.
  • the rotor shaft is stopped in a DESIRED position.
  • the operating force of the friction brake device 19 is monitored and adjusted accordingly.
  • the electromechanically operable friction brake device 19 is so fast and finely controlled that under certain circumstances, shortly before reaching the desired position of the rotor shaft 5 is passed from a continuous rotation 7 or 12 of the rotor shaft 5 or the output shaft 11 in a highly fine slip-stick rotary motion ,
  • the control unit 100 and the drive train 2 incrementally approach the desired position, in order then to decelerate completely and permanently when they reach the same.
  • This alternating start-stop movement of the rotor shaft 5 and / or the brake disk 20 and the output shaft 11 provides for the first time a fine opportunity to approach the TARGET position. Furthermore, in this case the elasticity of the drive train 2 or of the transmission 10 can be used, so that the rotor and the rotor shaft 5 move continuously to the desired position, but the output shaft 11 performs an alternating start-stop movement. If the receptacle 15 of the locking disc 14 is aligned with the locking pin 16, and the rotor shaft 5 is in the desired position, the control unit 100 starts the actual locking operation by the locking means 13 are approached. Specifically, the locking pin 100 is moved out of the bolt guide 17 and is inserted into the aligned receptacle 15 in the locking disc 14.
  • the control unit 100 outputs a corresponding signal to an interface 107 on.
  • This interface 107 can directly address a user, for example by a light or sound signal, or pass a signal to another control unit.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Arretierungsvorrichtung für eine Windturbine, wobei eine Rotorwelle eines Triebstrangs drehbar an einem Maschinenträger der Windturbine vorgesehen ist, und die Rotorwelle mit einem Rotor verbindbar ist. Um Wartungsarbeiten an der Windturbine vornehmen zu können, weist die Arretierungsvorrichtung Verriegelungsmittel, insbesondere mit einem verschiebbaren Arretierungsbolzen auf, womit eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor oder der Rotorwelle und dem Maschinenträger durch Formschluss erzeugbar ist. Dazu ist eine Drehstellung der Rotorwelle in einer SOLL-Position automatisch detektierbar, und weiterhin sind bei einem Erreichen der SOLL-Position die Verriegelungsmittel automatisch in Eingriff bringbar. Die Vorrichtung umfasst zusätzlich mindestens eine Bremsvorrichtung zur Beaufschlagung des Triebstrangs, wodurch die Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Rotorwelle abgebremst werden kann. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Arretierungsvorrichtung anzugeben, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs (1) gelöst, indem Sensormittel zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle vorgesehen sind. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erstmals ermöglicht, mittels eines Vergleichs der momentanen Position der Rotorwelle mit der SOLL-Position, bei Kenntnis der Drehgeschwindigkeit, eine Abschätzung oder Berechnung über die benötigte Bremsleistung und/oder den Bremsweg der Bremsvorrichtung vorzunehmen, und somit eine sichere, sanfte und präzise Abbremsung der Rotorwelle bis zum Stillstand in der SOLL-Position zu realisieren.

Description

Arretierungsvorrichtung für eine Windturbine
Die Erfindung betrifft eine Arretierungsvorrichtung für eine Windturbine, wobei eine Rotorwelle eines Triebstrangs drehbar an einem Maschinenträger der Windturbine vorgesehen ist, und die Rotorwelle mit einem Rotor verbindbar ist. Um Wartungsarbeiten an der Windturbine vornehmen zu können, weist die
Arretierungsvorrichtung Verriegelungsmittel, insbesondere mit einem verschiebbaren Arretierungsbolzen auf, womit eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor oder der Rotorwelle und dem Maschinenträger durch Formschluss erzeugbar ist. Dazu ist eine Drehstellung der Rotorwelle in einer SOLL-Position automatisch detektierbar, und weiterhin sind bei einem Erreichen der SOLL-Position die Verriegelungsmittel automatisch in Eingriff bringbar. Die Vorrichtung umfasst zusätzlich mindestens eine Bremsvorrichtung zur Beaufschlagung des Triebstrangs, wodurch die Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Rotorwelle abgebremst werden kann. Solcherlei Arretierungsvorrichtungen sind deshalb notwendig, da während Wartungsarbeiten der Rotor und der Triebstrang der Windturbine aus
Sicherheitsgründen formschlüssig festgestellt sein müssen. Dazu wird meist ein am Maschinenträger verschiebbar gelagerter Arretierungsbolzen in eine Aufnahme einer mit der Rotorwelle drehfest verbundenen Arretierungsscheibe eingeschoben. Dadurch werden der Rotor und die Rotorwelle drehfest mit dem Maschinenträger der Windturbine verbunden.
Die DE 10 2004 013 624 A1 offenbart eine derartige Vorrichtung, wobei ein Arretierungsbolzen in Aufnahmen einer Arretierungsscheibe eingeschoben werden kann. Dies wird automatisch bewältigt, wenn der Rotor und eine damit verbundene Arretierungsscheibe in einer SOLL-Position stehen, so dass der Arretierungs-bolzen und die Aufnahmen der Arretierungsscheibe miteinander fluchten. Dabei besteht das grundlegende Problem, dass ein Anhalten des Rotors in einer definierten und ortsgenauen SOLL-Position mit der erfindungsgemäßen Lehre und den damit offenbarten Merkmalen des genannten Dokuments schwerlich zu erreichen ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Arretierungsvorrichtung anzugeben, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll eine Vorrichtung dargestellt werden, welche die Verwendung und Berücksichtigung unterschiedlicher Einflussfaktoren ermöglicht. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Arretierungsvorrichtung, insbesondere zum definierten, sicheren und exakten Anhalten einer Rotorwelle in einer SOLL-Position, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem Sensormittel zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle vorgesehen sind. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erstmals ermöglicht, mittels eines Vergleichs der momentanen Position der Rotorwelle mit der SOLL- Position, bei Kenntnis der Drehgeschwindigkeit, eine Abschätzung oder Berechnung über die benötigte Bremsleistung und/oder den Bremsweg der Bremsvorrichtung vorzunehmen, und somit eine sichere, sanfte und präzise Abbremsung der Rotorwelle bis zum Stillstand in der SOLL-Position zu realisieren. Weiterhin kann bei dieser Abschätzung auch die Massenträgheit des Rotors bzw. des gesamten rotierenden Antriebstrangs verwendet werden, da die aufzubringende Bremsenergie im Wesentlichen der gesamten Rotationsenergie des Antriebstrangs und des Rotors, abzüglich der Reibungsverluste, entspricht.
Eine sinnvolle Ausgestaltung der Erfindung lehrt, dass Sensormittel zum Erfassen einer Drehrichtung vorgesehen sind. Somit kann auch eine Abbremsung des Rotors vorgenommen werden, wenn sich der Rotor und Antriebsstrang entgegen einer Hauptdrehrichtung der Windturbine dreht.
Vorteilhafter Weise können die Sensormittel zum Erfassen der Position, der Drehgeschwindigkeit und der Drehrichtung in Form von einer Vielzahl von Rotorpositionssensoren, vorzugsweise insbesondere mittels zwei Rotorpositionssensoren, ausgebildet sein. Dabei sind diese an unterschiedlichen Stellen am Umfang der Rotorwelle oder der Arretierungsscheibe vorzusehen. Es können zusätzliche Sensormittel zum Erfassen der Position des Arretierungsbolzens oder der Verriegelungsmittel vorgesehen sein.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass eine Bremsvorrichtung als Reibungsbremsvorrichtung ausgebildet ist, und Sensormittel zum Erfassen des Status, also unter Anderem der Betätigungskraft, des Betätigungsweges, der Temperatur und/oder des Betätigungsstroms, bei einer elektrischen Bremse, vorgesehen sind. Insbesondere kann dabei der Triebstrang ein Getriebe mit einer schnellen Abtriebswelle und einer Bremsscheibe umfassen, wobei die schnelle Abtriebswelle durch die Bremsvorrichtung beaufschlagbar ist. Dadurch werden das aufzubringende Bremsmoment und damit auch die Betätigungskraft der Bremsvorrichtung erheblich verringert.
Um ein besseres Funktionsverhalten der Arretierungsvorrichtung zu erreichen, können weitere Sensormittel zum Erfassen der Position und/oder der Drehgeschwindigkeit der schnellen Abtriebswelle oder der Bremsscheibe vorgesehen sein. Somit können durch Torsion verursachte Dehnungen und Schwingungen des Antriebsstrangs in die Abschätzungen des Abbremsvorgangs mit einfließen. Weiterhin stellt sich der Doppeleffekt ein, dass so das Funktionsverhalten des Getriebes überwacht werden kann.
Optimierend auf das Systemverhalten der Arretierungsvorrichtung wirkt es sich aus, wenn Sensormittel zum Erfassen einer Windgeschwindigkeit, zum Beispiel ein Anemometer, vorgesehen sind.
Mit diesen Daten ist es möglich, eine Abschätzung der benötigten Bremsleistung der Bremsvorrichtung vorzunehmen, da der Rotor je nach Anstellwinkel der Rotorblätter durch den Wind aerodynamisch angetrieben oder verlangsamt wird. Somit wird weiterhin die Möglichkeit eröffnet, den Anstellwinkel mindestens eines Rotorblatts des Rotors derart einzustellen, dass eine aerodynamische Bremsvorrichtung oder ein aerodynamischer Antrieb dargestellt wird. Somit ist ein auf den Triebstrang wirkendes, verzögerndes oder positiv beschleunigendes Moment erzeugbar, wobei Sensormittel zum Erfassen des Anstellwinkels vorzusehen sind.
Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung offenbart, dass eine
Steuereinheit vorgesehen ist, welche mindestens mit den Sensormitteln zum Erfassen der Position, Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle und optional des Status der Bremsvorrichtung verbunden ist. Diese Steuereinheit führt erfindungsgemäß die Daten der Sensormittel zusammen und führt die Abschätzung oder Berechnung für die Abbremsung des Triebstrangs durch. Die Steuereinheit ist mit einer aerodynamischen - A -
Brems- oder Beschleunigungs-vorrichtung - ergo mit mindestens einem Pitchantrieb eines Rotorblatts - und/oder mit einer auf Reibung basierenden Bremsvorrichtung verbunden und kann eine oder beide Bremsvorrichtungen ansteuern, um die Bremsung des Rotors bis zum Stillstand in der definierten SOLL-Position durchzuführen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit weiterhin mit mindestens einer der folgenden Sensormitteln verbunden ist: Sensormittel zum Erfassen der Position der Verriegelungsmittel, respektive des Arretierungsbolzens, Sensormittel zum Erfassen des Status der Reibungsbremsvorrichtung, Sensormittel zum Erfassen der Position und/oder der Drehgeschwindigkeit der schnellen Abtriebswelle oder der Bremsscheibe, Sensormittel zum Erfassen einer Windgeschwindigkeit und Sensormittel zum Erfassen des Anstellwinkels mindestens eines Rotorblattes.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Windturbine offenbart, welche ein auf einem Turm drehbar gelagertes Maschinenhaus umfasst, und weiterhin einen Maschinenträger und eine Arretierungsvorrichtung nach den voran aufgeführten Ausgestaltungen mit vollständig oder teilweise verwirklichten Merkmalen aufweist.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Arretierungsvorrichtung für eine Windturbine offenbart. Dieses umfasst die Schritte, Erfassen einer Position, einer Drehrichtung und einer Drehgeschwindigkeit einer Rotorwelle der Windturbine, Vergleichen der momentanen Position der Rotorwelle mit einer SOLL-Position der Rotorwelle, und Ansteuern mindestens einer
Bremsvorrichtung, um die Rotorwelle bis zum Stillstand in der SOLL-Position abzubremsen. Dabei kann zudem der Status der Bremsvorrichtung erfasst werden. Im Detail wird eine Differenz zwischen der momentanen Position und der SOLL-Position der Rotorwelle ermittelt, wobei im Zusammenhang mit der vorliegenden Drehgeschwindigkeit des Triebstrangs, der momentanen Windgeschwindigkeit und der Massenträgheit der rotierenden Teile, eine Bremskraft bzw. eine Betätigungskraft der Bremsvorrichtung ermittelt und eingestellt wird, um die Rotorwelle in exakt der SOLL- Position anzuhalten. Zusätzlich kann gleichzeitig die aerodynamische Bremsvorrichtung zur Unterstützung der Reibungsbremsvorrichtung aktiviert werden, indem nach dem Erfassen der Windgeschwindigkeit ein Anstellwinkel mindestens eines Rotorblatts derart eingestellt wird, so dass dieses Rotorblatt ein auf die Drehachse verzögernd wirkendes Moment erzeugt wird.
Dadurch eröffnet sich zudem die Möglichkeit, den Rotor einer sich im Trudelbetrieb befindlichen Windturbine zu arretieren, indem mit Hilfe eines oder mehrerer Rotorblätter der Rotor beschleunigt wird, um ihn dann mit Hilfe des oben genannten Verfahrens in der SOLL-Position anzuhalten. In diesem Kontext ist es denkbar, eine zusätzliche Drehbewegung in den Antriebsstrang einzukoppeln, beispielsweise mittels einer Handkurbel, eines Elektromotors oder sonstigen Antriebsmitteln.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es sinnvoll erscheinen, die Rotorwelle oder eine schnelle Abtriebswelle bereits vor dem Erreichen der SOLL- Position der Rotorwelle mindestens einmal automatisch bis zum Stillstand abzubremsen. Insbesondere ist dann die SOLL-Position zumindest teilweise durch alternierende Start- und Stoppbewegungen der Rotorwelle, oder der schnellen Abtriebswelle, anzufahren. Auf diese Weise tasten sich der Rotor und die Rotorwelle in kleinen kontrollierten Schritten an die SOLL-Position heran.
Nachdem mittels der Reibungsbremsvorrichtung und/oder der aerodynamischen Bremse, der Rotor und die Rotorwelle in SOLL-Position gebracht sind, und wenn die SOLL-Position der Rotorwelle (5) von einer Steuereinheit (100) detektiert ist, werden die Verriegelungsmittel, beispielsweise ein Arretierungsbolzen, derart in Eingriff gebracht, dass die Rotorwelle mittels Formschlusses drehfest mit dem Maschinenträger verbunden ist.
Die aufgeführten Schritte des Verfahrens sind nicht abschließend zu interpretieren. Vielmehr können sinnvolle zusätzliche Verfahrensmerkmale das erfindungsgemäße Verfahren noch erweitern und verbessern.
Weiter Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Sicht auf eine Unterseite einer ersten Ausführungsform eines Maschinenträgers einer Windturbine, Fig. 2 eine weitere Ansicht auf den Maschinenträger gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Frontansicht auf den Maschinenträger gemäß Fig. 1 ,
Fig. 4 eine Seitenansicht auf den Maschinenträger gemäß Fig. 1 ,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Arretierungsvorrichtung gemäß Fig. 1 , und Fig. 6 ein Blockschaltbild des Aufbaus der Sensormittel, der Steuereinheit und der Aktuatorik.
In den Fig. 1 bis 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Ansichten verdeutlicht. Die Arretierungsvorrichtung 1 wirkt zwischen einem Triebstrang 2 und einem Maschinenträger 3 der hier nicht vollständig dargestellten Windturbine. Ein Maschinenhaus umfasst den Maschinenträger 3 und ist mittels eines nicht dargestellten Azimutlagers drehbar auf dem nicht dargestellten Turm gelagert. Öffnungen 4 im Maschinenträger 3 dienen dazu, Azimutantriebe aufzunehmen, die im Zusammenwirken mit einem drehfesten Zahnkranz des Azimutlagers die Windnachführung des Maschinenhauses darstellen.
In den Figuren sind die wesentlichen Teile des Triebstrangs 2 dargestellt, wobei eine Rotorwelle 5 über ein Rotorlager 9 und über ein Getriebe 10 drehbar um eine Drehachse 6 auf dem Maschinenträger 3 gelagert ist. Die Drehachse 6 des Rotors der Windturbine gilt im Folgenden als Bezugsystem bei geometrischen Angaben. Das Getriebe 10 dient dazu, die eingehende Drehbewegung 7 der Rotorwelle 5, welche eine niedrige Drehzahl und ein hohes Moment aufweist, in eine ausgehende Drehbewegung 12 mit einem niedrigeren Moment und mit höherer Drehzahl umzuwandeln. Diese kann über eine schnelle Abtriebswelle 1 1 an einen hier nicht dargestellten Generator zur Stromgewinnung weitergeleitet werden. Dadurch bedingt, fungiert das Getriebe 10 als Drehmomentabstützung für die Rotorwelle 5, wobei das Gehäuse des Getriebes 10 sich über nicht dargestellte Lagerblöcke auf dem Maschinenträger 3 abstützt.
An der Rotorwelle 5 ist ein Wellenflansch 8 vorgesehen, an welchem die Rotomabe des hier nicht dargestellten Rotors mittels einer Vielzahl von Schrauben befestigbar ist. Direkt an den Wellenflansch 8 schließt sich eine mit der Rotorwelle 5 drehfest verbundene Arretierungsscheibe 14 der Verriegelungsmittel 13 an. Die Arretierungsscheibe 14 weist eine Vielzahl von axial verlaufenden Aufnahmen 15 auf, und ist - einem einfachen Austausch geschuldet - zweigeteilt ausgeführt. Neben der Arretierungsscheibe 14 mit den Aufnahmen 15 umfassen die Verriegelungsmittel 13 einen Arretierungsbolzen 16, der axial verschiebbar in einer Bolzenführung 17 am Maschinenträger 2 gelagert ist. Im verriegelten Zustand werden zum Teil erhebliche Kräfte über den Arretierungsbolzen 16 und über die Bolzenführung 17 in den Maschinenträger 2 eingeleitet, beispielsweise verursacht durch Windböen. Deshalb ist am Maschinenträger 3 im Bereich der Bolzenführung 17 eine Verstärkung 18 vorgesehen. Der Arretierungsbolzen 5 wird vorzugsweise elektromechanisch betätigt. Dies hat den Vorteil gegenüber einer hydraulischen Betätigung, dass keine Leckage eines Betätigungsmediums - wie zum Beispiel Öl - ungewollt in das Maschinenhaus gelangen kann.
Die schnelle Abtriebswelle 11 des Getriebes 4 ist mit einer Reibungsbrems-vorrichtung 19 beaufschlagbar. Diese Reibungsbremsvorrichtung 19 umfasst einen eine Bremsscheibe 9 axial umgreifenden Bremssattel 21. Dieser ist elektromechanisch - mit Hilfe eines Elektromotors - bei einstellbarerer Betätigungskraft, zuspannbar. Indem der Strom des Elektromotors gemessen wird, kann ein Rückschluss über die Betätigungskraft gezogen werden, da Strom und Drehmoment des Motors in einem bekannt Verhältnis zueinander stehen. Es können auch andere Messverfahren und - Elemente für die Betätigungskraft zum Einsatz kommen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 4 ist direkt am Rotorlager 9 ein Sensormittel 101 vorgesehen, welches als integrierter Geschwindigkeitssensor 101 ausgebildet ist. Dieser kann die Position, die Drehrichtung und die Geschwindigkeit der Rotorwelle 5 anhand von rotationsproportionalen Signalen detektieren, welche von drehfest mit der Rotorwelle verbundenen Gebermitteln 22 erzeugt werden. Denkbar ist es, in dem Wellenflansch 8 oder in der Arretierungsscheibe 14 mehrer geometrische oder magnetische Variationen 22, über den Umfang verteilt, baulich vorzusehen. Dazu können die Sensormittel 101 als magnetischer Sensor 101 dargestellt sein, der eine drehproportionale Fluktuation eines Magnetfeldes detektiert und eine dazu proportionale Spannung ausgibt. In Fig. 5 ist eine leicht variierte Ausführungsform angeführt, wobei die Sensormittel 101 zur Messung der Drehgeschwindigkeit als zusammenwirkende Positionssensoren 101 und 102 mit einem festen Winkelabstand zueinander ausgebildet sind. Weiterhin wird hier der Wirkungszusammenhang der Arretierungsvorrichtung 1 anhand der schematischen Darstellung in Fig. 5 mit dem Blockschaltbild in Fig. 6 unterstrichen. Die Sensormittel 101 und 102 ermöglichen die Aufnahme der Drehrichtung, Position und Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle 5, die Sensormittel 103 stellen die momentane Position und Zustand der Verriegelungsmittel 13 bereit. Die Drehgeschwindigkeit der schnellen Abtriebswelle 11 oder der Bremsscheibe 20 wird mit Hilfe der Sensormittel 104 gemessen. Die Bremsscheibe 20 und die Arretierungsscheibe 14 sind über den hier durch eine Strichlinie repräsentierten Triebstrang 2 geometrisch miteinander verschränkt. Somit kann die Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle 5 auch über einen Geschwindigkeitssensor 104 an der Reibungsbremsvorrichtung 19 bestimmt werden. Die Messung der Geschwindigkeit und der Position an der schnellen Abtriebswelle, bewirkt eine höhere Auflösung der Messdaten hinsichtlich.
In Fig. 6 werden Sensormittel 105 durch einen Block dargestellt, welcher ein auf dem Maschinenhaus installiertes Anemometer 105 repräsentiert. Die Geschwindigkeit des Windes, welcher den Rotor der Windturbine beaufschlagt, ist eine maßgebliche Größe, um den Rotor gezielt abzubremsen und zu arretieren. Denn die Windgeschwindigkeit beeinflusst hauptsächlich die Wirkung einer aerodynamischen Bremsvorrichtung 24, wenn die Rotorblätter bremsend gegen den Wind angestellt werden. Dabei wird mittels eines Pitchantriebs der Anstellwinkel 23 der Rotorblätter so gewählt, dass ein der vorliegenden Drehbewegung 7 entgegen wirkendes Rotormoment erzeugt wird. Die Steuereinheit 100 ist weiterhin mit als Winkelgeber ausgebildeten Sensormitteln 106 verbunden, um den Anstellwinkel 23 zu kennen.
Die Sensorsignale der unterschiedlichen Sensormittel 101 , 102, 103, 104, 105 und 106 werden in einer Steuereinheit 100 zusammengeführt, welche daraus die einzelnen Komponenten, insbesondere die aerodynamische Brems- oder Beschleunigungsvorrichtung 24 und die Reibungsbremsvorrichtung 19, gezielt ansteuert, um die Rotorwelle in eine Verriegelungsposition zu bewegen und dort anzuhalten. Sobald die Rotorwelle sich in der SOLL-Position befindet, veranlasst die Steuereinheit 100 die Arretierung der Windsturbine mit Hilfe der Verrieglungsmittel 13.
Im einzelnen ist der Ablauf einer Arretierung der Windturbine wie folgt zu beschreiben: Wird von einem Benutzer oder durch einen sonstigen initialisierenden Vorgang die Arretierung des Rotors veranlasst, so wird die Steuereinheit 100 die Signale der
Sensormittel 101 , 102, 103, 104, 105 und 106 aufnehmen und auswerten. Auf Basis der vorliegenden Position, der Drehrichtung und der Drehgeschwindigkeit des Rotors und der Rotorwelle 5, und auf Basis des Anstellwinkels 23 der Rotorblätter und der Windgeschwindigkeit, berechnet die Steuereinheit 100 eine Beschleunigungs- und Verzögerungsstrategie zur Abbremsung des Rotors in SOLL-Position. Befindet sich die Windturbine bei wenig Wind im Trudelbetrieb, so werden der Rotor und die Rotorwelle 5 durch einen günstigen Anstellwinkel 23 der Rotorblätter zuerst in Rotation versetzt. Nachdem ein SOLL- und IST-Vergleich der Position der Rotorwelle 5 vorgenommen ist, kann die Reibungsbremsvorrichtung 19 und die aerodynamische Bremsvorrichtung 24 von der Steuereinheit 100 aktiviert werden. Unter iterativer Beobachtung der Position des Rotors und Ansteuern der Bremsvorrichtungen 19, 24 - unter Umständen auch durch Vornehmen einer Abschätzung über den Abbremsvorgang - wird die Rotorwelle in einer SOLL-Position angehalten. Dabei wird auch die Betätigungskraft der Reibungsbremsvorrichtung 19 überwacht und entsprechend angepasst. Die elektromechanisch betätigbare Reibungsbremsvorrichtung 19 ist derart schnell und fein ansteuerbar, dass unter Umständen kurz vor Erreichen der SOLL-Position der Rotorwelle 5 von einer kontinuierliche Drehbewegung 7 oder 12 der Rotorwelle 5 oder der Abtriebswelle 11 in eine hoch feine Slip-Stick-Drehbewegung übergegangen wird. Dabei tastet sich die Steuereinheit 100 und der Triebstrang 2 inkremental an die SOLL- Position heran, um dann bei Erreichung derselben, vollständig und dauerhaft abzubremsen. Diese alternierende Start-Stop-Bewegung der Rotorwelle 5 und/oder der Bremsscheibe 20 bzw. Abtriebswelle 11 bietet erstmals eine feine Möglichkeit, die SOLL-Position anzufahren. Weiterhin kann hierbei die Elastizität des Triebstrangs 2 bzw. des Getriebes 10 genutzt werden, so dass sich der Rotor und die Rotorwelle 5 kontinuierlich zur SOLL-Position heranbewegen, jedoch die Abtriebswelle 11 eine alternierende Start-Stop-Bewegung durchführt. Wenn die Aufnahme 15 der Arretierungsscheibe 14 mit dem Arretierungsbolzen 16 fluchtet, und die Rotorwelle 5 in der SOLL-Position ist, startet die Steuereinheit 100 den eigentlichen Arretierungsvorgang, indem die Verriegelungsmittel 13 angefahren werden. Im Speziellen wird der Arretierungsbolzen 100 aus der Bolzenführung 17 herausgefahren und in die dazu fluchtende Aufnahme 15 in der Arretierungsscheibe 14 eingeführt wird. Mittels der Sensormittel 103 wird die Position der Verriegelungsmittel 13 überprüft, und wenn die Arretierungsvorrichtung 1 den Rotor 5 wirksam blockiert und feststellt, so gibt die Steuereinheit 100 ein entsprechendes Signal an eine Schnittstelle 107 weiter. Diese Schnittstelle 107 kann direkt einen Benutzer ansprechen, beispielsweise per Licht- oder Tonsignal, oder ein Signal an eine weitere Steuereinheit übergeben.
Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmals-kombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar.
Bezugszeichenliste
1 Arretierungsvorrichtung 18 Verstärkung
2 Triebstrang 19 Bremsvorrichtung
3 Maschinenträger 20 Bremsscheibe
4 Öffnungen 21 Bremssattel
5 Rotorwelle 22 Gebermittel
6 Drehachse 23 Anstellwinkel
7 Drehbewegung 24 Brems- oder
8 Wellenflansch Beschleunigungsvorrichtung
9 Rotorlager 100 Steuereinheit
10 Getriebe 101 Sensormittel
1 1 Abtriebswelle 102 Sensormittel
12 Drehbewegung 103 Sensormittel
13 Verriegelungsmittel 104 Sensormittel
14 Arretierungsscheibe 105 Sensormittel
15 Aufnahmen 106 Sensormittel
16 Arretierungsbolzen 107 Schnittstelle
17 Bolzenführung

Claims

Patentansprüche
1. Arretierungsvorrichtung für Windturbine,
- wobei eine Rotorwelle eines Triebstrangs drehbar an einem Maschinenträger der Windturbine vorgesehen ist, - die Rotorwelle mit einem Rotor verbindbar ist,
- mit Verriegelungsmitteln, mit welchen eine drehfeste Verbindung zwischen der Rotorwelle und dem Maschinenträger mittels eines Formschlusses erzeugbar ist,
- indem eine Drehstellung der Rotorwelle in einer SOLL-Position automatisch detektierbar ist, - und bei einem Erreichen der SOLL-Position die Verriegelungsmittel automatisch in Eingriff bringbar sind,
- und mit mindestens einer Bremsvorrichtung zur Beaufschlagung des Triebstrangs, dadurch gekennzeichnet, dass Sensormittel (101 , 102, 104) zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle (5) vorgesehen sind.
2. Arretierungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
Sensormittel (101 , 102, 104) zum Erfassen einer Drehrichtung vorgesehen sind.
3. Arretierungsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (101 , 102) zum Erfassen der Position, der Drehgeschwindigkeit und der Drehrichtung, eine Vielzahl von Rotorpositionssensoren (101 , 102), insbesondere zwei, umfassen.
4. Arretierungsvorrichtung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsmittel (13) einen verschiebbaren Arretierungsbolzen (16) umfassen, und Sensormittel (103) zum Erfassen der Position des Arretierungsbolzens (16) vorgesehen sind.
5. Arretierungsvorrichtung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (19) als Reibungsbremsvorrichtung (19) ausgebildet ist, und Sensormittel zum Erfassen des Status der Reibungsbremsvorrichtung (19) vorgesehen sind.
6. Arretierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebstrang (2) ein Getriebe (10) mit einer schnellen Abtriebswelle (11 ) und eine Bremsscheibe (20) umfasst, welche von der Bremsvorrichtung (19) beaufschlagbar ist.
7. Arretierungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
Sensormittel (104) zum Erfassen der Position und/oder der Drehgeschwindigkeit der schnellen Abtriebswelle (11 ) oder der Bremsscheibe (20) vorgesehen sind.
8. Arretierungsvorrichtung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensormittel (105) zum Erfassen einer Windgeschwindigkeit vorgesehen sind.
9. Arretierungsvorrichtung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anstellwinkel (23) mindestens eines Rotorblatts variierbar ist, wobei Sensormittel (106) zum Erfassen des Anstellwinkels (23) vorgesehen sind.
10. Arretierungsvorrichtung nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (100) vorgesehen ist, welche mindestens mit den Sensormitteln (101 , 102, 103, 104) zum Erfassen der Position, Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle (5) und des Status der Bremsvorrichtung (19) verbunden ist.
11. Arretierungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (100) mittels Sensordaten der Sensormittel (101 , 102, 103, 104, 105, 106) mindestens eine Bremsvorrichtung (19, 24) derart ansteuert, dass die Rotorwelle (5) zum kompletten Stillstand in der SOLL-Position abgebremst wird.
12. Windturbine mit einem auf einem Turm drehbar gelagerten Maschinenhaus, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenhaus einen Maschinenträger (3) mit einer Arretierungsvorrichtung (1 ) nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche umfasst.
13. Verfahren zum Betrieb einer Arretierungsvorrichtung für eine Windturbine, gekennzeichnet durch die Schritte,
- Erfassen einer Position, einer Drehrichtung und einer Drehgeschwindigkeit einer Rotorwelle (5) der Windturbine, - Vergleichen der Position der Rotorwelle (5) mit einer SOLL-Position der
Rotorwelle (5), und
- Ansteuern mindestens einer Bremsvorrichtung (19, 24), um die Rotorwelle (5) bis zum vollständigen Stillstand in der SOLL-Position abzubremsen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Status der Bremsvorrichtung (19, 23) erfasst wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch die Schritte,
- Erfassen einer Windgeschwindigkeit, und
- Verstellen eines Anstellwinkels (23) mindestens eines Rotorblatts, so dass ein auf den Triebstrang (2) wirkendes, verzögerndes oder antreibendes Moment erzeugt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei Verriegelungsmittel (13) umfassend ein Arretierungsbolzen (16) derart in Eingriff gebracht werden, dass die Rotorwelle (5) mittels Formschluss drehfest mit dem Maschinenträger (3) verbunden wird, wenn die SOLL-Position der Rotorwelle (5) von einer Steuereinheit (100) detektiert wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangestellten Ansprüche 13 bis 16, wobei die Rotorwelle (5) oder eine schnelle Abtriebswelle (1 1 ) bereits vor dem Erreichen der SOLL-Position der Rotorwelle (5) mindestens bis zum Stillstand abgebremst wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die SOLL-Position zumindest teilweise durch alternierende Start- und Stoppbewegungen der Rotorwelle (5) oder der schnellen
Abtriebswelle (11 ) erreicht wird.
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