WO2018134413A1 - Windkraftanlage - Google Patents

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Peter Lutz
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Peter Lutz
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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
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine according to claim 1 in which the rotor and generator is arranged at the upper end of a tower.
  • the rotor is mechanically coupled to the generator via a gearbox.
  • the generator is arranged with the rotor at the top of the tower and the generated electrical
  • Rotors range between 0 and 12 revolutions per minute. For such low rotational speeds suitable generators - direct runners - are very difficult. Therefore, a gear is usually connected between the rotor and the generator in order to enable the use of fast-running generators having less weight. Such an arrangement is for example from the
  • the mechanical transmission is connected upstream of the belt transmission.
  • a slow-moving mechanical transmission can be used, which is more stable and, in particular, is less sensitive to impacts caused by wind loads on the rotor.
  • the mechanical ballast preferably has one
  • Belt transmission is between 1: 4 and 1:10.
  • the investment and maintenance costs for the belt transmission are much lower compared to mechanical gearboxes with high speed.
  • the generator can also be arranged between the upper and lower end of the tower and in particular at the lower end of the tower.
  • Transmission and the belt transmission are arranged at the upper end of the tower 1.
  • the second gear, the mechanical transmission or the belt transmission are connected via a traction drive with drive belt with the arranged below the upper end of the tower generator.
  • a planetary gear as a mechanical transmission, as it allows a compact design and also in a shaft of the
  • a single-stage belt transmission is simple in design and includes a large and small shaft wheel, which are interconnected via one or more drive belts. Several such simple gear stages can be connected in series to achieve the desired speed on the generator shaft.
  • the drive belts are preferably to ensure toothed belt and the power transmission between the wave wheels without slippage. Also, drive belt with nubs and complementary recesses in the wave wheels or wave wheels with knobs or teeth that engage in complementary recesses in the drive belt are suitable. When using smooth belts, they would need to be mounted with very high preload forces to prevent slippage. These high preload forces reduce the life of smooth belts.
  • a cooling device for. B. in the form of a blower, can be the mechanical and / or belt drive cool.
  • Drive belts made of high-strength are particularly suitable as drive belts
  • Suitable plastics are, in particular, polyamide, plastics reinforced with carbon fibers and aramids (for example, Kevlar).
  • Fig .1 is a perspective view of a first embodiment with an upstream planetary gear and a downstream two-stage
  • FIG. 3 is a sectional view along AA in Fig. 2
  • 4 is a sectional view along BB in Fig. 2
  • FIG. 5 is a perspective view of a second embodiment in which the planetary gear is integrated into the first shaft of the belt drive
  • Fig. 7 is a sectional view taken along A-A in Fig. 6, and
  • FIG. 1 shows a perspective view of a first embodiment of the invention, namely the upper end of a tower 1 with a rotor 2, a rotor bearing 4, a planetary gear 6, a two-stage belt transmission 8 and a generator 10.
  • the generator bearing 2, the planetary gear 6, the two-stage belt transmission 8 and the generator 10 are arranged on a foundation 12 that is part of a nacelle or nacelle not fully illustrated.
  • the foundation 12 in turn is attached to the upper end of the tower 1.
  • the nacelle, not shown, with the foundation 12 can be rotated by a rotary drive 14, so that the rotor 2 can be aligned in the wind.
  • the rotor 2 is connected to the planetary gear 6 via a rotor shaft 16.
  • the rotor shaft 16 and thus the rotor 2 are mounted in the rotor bearing 4.
  • the rotor bearing 4 is designed to be comparatively stable, so that the torsional forces occurring on the rotor due to wind load are not transferred or only attenuated to the planetary gear.
  • Planetary gear 6 is connected via a first transmission shaft 18 with a first shaft 20 of the two-stage belt transmission 8.
  • the first wave wheel 20 is connected to a second wave wheel 24 via the first shaft 20 wheel.
  • the second wave wheel 24 is seated on a second shaft 26 and connects the second wave wheel 24 with a third wave wheel 28.
  • the second drive shaft 26 is mounted in a holder 30 which is connected to the gondola foundation 12.
  • the third wave wheel 28 is in turn connected via a toothed belt 22 to a fourth wave wheel 32 arranged below the third wave wheel 24.
  • the fourth wave wheel 32 sits on a generator shaft 34 and is thus with the
  • the four wave wheels 20, 24, 28, 32 are as
  • Timing pulleys formed.
  • the diameter of the first wave wheel 20 is greater than that of the second wave wheel 24 and the diameter of the third
  • Shaft wheel 28 is larger than the diameter of the fourth wave wheel 32. In this way, the generator shaft 34 is at the highest possible speed.
  • the diameter of the first and third wave wheels 20, 28 is 4000mm.
  • the diameter of the second and fourth wave wheels 24, 32 is 800mm.
  • the width of the three drive belt 22 is 450mm.
  • the distance of the axes of rotation of the first and second as well as the third and fourth wave wheel is 2800mm.
  • FIGS. 5 to 8 show a second embodiment of the present invention
  • the generator 10 may also be arranged between the upper and lower ends of the tower and in particular at the lower end of the tower.
  • the mechanical transmission 6 and the belt transmission 8 are arranged at the upper end of the tower 1.
  • Belt transmissions 8 are connected via a traction drive with drive belt with the arranged below the upper end of the tower 1 generator 10.

Abstract

Bei den meisten im Einsatz befindlichen Windkraftanlagen ist der Generator mit dem Rotor am oberen Ende des Turms angeordnet und die erzeugte elektrische Energie wird über Kabel nach unten geführt. Um das Kopfgewicht, d. h. das Gewicht von Rotor mit Maschinengondel, zu reduzieren, wird zwischen Rotor und Generator üblicherweise ein Getriebe geschaltet, um die Verwendung von schnell laufenden und leichteren Generatoren zu ermöglichen. Aufgabe der Erfindung ist es, das Kopfgewicht einer Windkraftanlage bei gleicher elektrischer Leistung zu verringern. Die Kombination eines vergleichsweise kleinen mechanischen Getriebes mit einem ein- oder mehrstufigen Riemengetriebe ermöglicht hohe Drehzahlen an der Generatorwelle und damit kleinere und leichtere Generatoren. Bei zwei Getrieben sind jeweils kleinere Übersetzungen pro Getriebe möglich. Wenn das mechanische Getriebe dem Riemengetriebe nachgeschaltet ist, werden die durch Windlasten am Rotor verursachten Schläge durch das vergleichsweise unempfindliche Riemengetriebe gedämpft. Dadurch wird das mechanische Getriebe weniger beansprucht und verursacht geringere Investitions- und Wartungskosten.

Description

Beschreibung
Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach Anspruch 1 bei der am oberen Ende eines Turms Rotor und Generator angeordnet ist. Der Rotor ist über ein Getriebe mechanisch mit dem Generator gekoppelt.
Bei den meisten im Einsatz befindlichen Windkraftanlagen ist der Generator mit dem Rotor am oberen Ende des Turms angeordnet und die erzeugte elektrische
Energie wird über Kabel nach unten geführt. Dies führt bei hohen elektrischen
Leistungen im Megawattbereich zu sehr hohen Kopfgewichten - Gewicht von Rotor mit Maschinengondel - im Bereich von 100 t bis 750 t. Die Drehgeschwindigkeit der
Rotoren liegt im Bereich zwischen 0 und 12 von Umdrehungen pro Minute. Für solche niedrigen Drehgeschwindigkeiten geeignete Generatoren - Direktläufer - werden sehr schwer. Daher wird zwischen Rotor und Generator üblicherweise ein Getriebe geschaltet, um die Verwendung von schnell laufenden Generatoren zu ermöglichen, die weniger Gewicht aufweisen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der
WO2015/121478A1 oder der DE4301342C1 bekannt.
Ausgehend von der WO2015/121478A1 ist es Aufgabe der Erfindung das
Kopfgewicht einer Windkraftanlage bei gleicher elektrischer Leistung zu verringern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 .
Durch die Kombination eines vergleichsweise kleinen mechanischen Getriebes mit einem ein- oder mehrstufigen Riemengetriebe können zum einen hohe Drehzahlen an der Generatorwelle erreicht werden, was die Verwendung von kleineren und leichteren Generatoren ermöglicht. Zum anderen sind durch den Einsatz von zwei Getrieben jeweils kleinere Übersetzungen pro Getriebe möglich. Die Verwendung eines
mechanischen Getriebes erlaubt den Rückgriff auf bewährte und ausgereifte
Technologie, wobei Gewicht und Baugröße vergleichsweise klein bleiben können, da das mechanische Getriebe nur einen Teil der Übersetzung leisten muss. Der zweite Teil der Übersetzung erfolgt durch das mechanisch einfache und leichte Riemengetriebe. Insbesondere schnelllaufende mechanische Getriebe reagieren empfindlich auf
Schläge, die von den auf den Rotor einwirkenden Windlasten herrühren. Wenn das mechanische Getriebe dem Riemengetriebe nachgeschaltet ist, werden die durch Windlasten am Rotor verursachten Schläge durch das Riemengetriebe gedämpft, so dass das mechanische Getriebe weniger beansprucht wird. Dadurch verringern sich sowohl, die Investitions- als auch die Wartungskosten für das mechanische Getriebe. Das vorgeschaltet Riemengetriebe reagiert vergleichsweise unempfindlich auf die durch Windlasten am Rotor erzeugten Schläge. Die Investitions- und Wartungskosten für das Riemengetriebe sind im Vergleich zu mechanischen Getrieben wesentlich geringer.
Vorzugsweise ist das mechanische Getriebe dem Riemengetriebe vorgeschaltet. Dadurch kann ein langsam laufendes mechanisches Getriebe eingesetzt werden, das standfester ist und insbesondere nicht so empfindlich auf Schläge durch Windlasten am Rotor reagiert. Das mechanische Vorschaltgetriebe weist vorzugsweise ein
Übersetzungsverhältnis von 1 :3 bis 1 :10 auf. Mit dem nachgeschalteten
Riemengetriebe entfällt der Einsatz von schnelllaufenden und damit wartungsintensiven mechanischen Getrieben. Das Übersetzungsverhältnis für das nachgeschaltete
Riemengetriebe liegt zwischen 1 :4 und 1 :10. Die Investitions- und Wartungskosten für das Riemengetriebe sind im Vergleich zu mechanischen Getrieben mit hoher Drehzahl wesentlich geringer.
Der Generator kann auch zwischen dem oberen und unteren Ende des Turms und insbesondere am unteren Ende des Turms angeordnet sein. Das mechanische
Getriebe und das Riemengetriebe sind am oberen Ende des Turms 1 angeordnet. Die zweite Getriebestufe, das mechanische Getriebe oder das Riemengetriebe sind über einen Zugmitteltrieb mit Treibriemen mit dem unterhalb des oberen Endes des Turms angeordneten Generator verbunden.
Besonders eignet sich ein Planetengetriebe als mechanisches Getriebe, da es eine kompakte Bauform ermöglicht und sich auch in ein Wellenrad des
Riemengetriebes integrieren lässt. Ein einstufiges Riemengetriebe ist einfach aufgebaut und umfasst ein großes und kleines Wellenrad, die über einen oder mehrere Treibriemen miteinander verbunden sind. Es lassen sich mehrere solch einfache Getriebestufen hintereinanderschalten, um die gewünschte Drehzahl an der Generatorwelle zu erreichen.
Die Treibriemen sind vorzugsweise Zahnriemen und die Kraftübertragung zwischen den Wellenräder ohne Schlupf zu gewährleisten. Auch Treibriemen mit Noppen und komplementären Ausnehmungen in den Wellenrädern oder Wellenräder mit Noppen oder Zähnen, die in komplementäre Ausnehmungen im Treibriemen eingreifen, sind geeignet. Bei Verwendung von Glattriemen müssten diese mit sehr hohen Vorspannkräften montiert werden, um Schlupf zu verhindern. Diese hohen Vorspannkräfte verringern die Standzeit von Glattriemen.
Durch eine Kühleinrichtung, z. B. in Form eines Gebläses, lassen sich das mechanische und/oder das Riemengetriebe kühlen.
Als Treibriemen eignen sich besonders Treibriemen aus hochfesten
faserverstärktem Kunststoff oder Titan. Geeignete Kunststoffe sind insbesondere Polyamid, mit Carbonfasern verstärkte Kunststoffe und Aramide (z. B, Kevlar).
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig .1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform mit einem vorgeschaltetem Planetengetriebe und einem nachgeschalteten zweistufigen
Riemengetriebe,
Fig. 2 eine Seitenansicht der ersten Ausführungsform,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang A-A in Fig. 2, Fig. 4 eine Schnittdarstellung entlang B-B in Fig. 2,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform, bei der das Planetengetriebe in das erste Wellenrad des Riemengetriebes integriert ist,
Fig. 6 eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsform,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung entlang A-A in Fig. 6, und
Fig. 8 eine Schnittdarstellung entlang B-B in Fig. 6.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung und zwar das obere Ende eines Turms 1 mit einem Rotor 2, einem Rotorlager 4, einem Planetengetriebe 6, einem zweistufigen Riemengetriebe 8 und ein Generator 10. Das Generatorlager 2, das Planetengetriebe 6, das zweistufige Riemengetriebe 8 und der Generator 10 sind auf einem Fundament 12 angeordnet, dass Teil einer nicht vollständig dargestellten Gondel bzw. Maschinengondel ist. Das Fundament 12 wiederum ist am oberen Ende des Turms 1 befestigt. Die nicht dargestellte Gondel mit dem Fundament 12 lässt sich durch einen Drehantrieb 14 verdrehen, so dass der Rotor 2 in den Wind ausgerichtet werden kann. Der Rotor 2 ist über eine Rotorwelle 16 mit dem Planetengetriebe 6 verbunden. Die Rotorwelle 16 und damit der Rotor 2 sind in dem Rotorlager 4 gelagert. Das Rotorlager 4 ist vergleichsweise stabil ausgelegt, sodass die am Rotor durch Windlast auftretenden Verwindungskräfte nicht oder nur gedämpft an das Planetengetriebe übertragen werden. Die Ausgangsseite des
Planetengetriebes 6 ist über eine erste Getriebewelle 18 mit einem ersten Wellenrad 20 des zweistufigen Riemengetriebes 8 verbunden. Über zwei nebeneinander angeordnete Zahnriemen 24 ist das erste Wellenrad 20 mit einem zweiten Wellenrad 24 über den ersten Wellenrad 20 verbunden. Das zweite Wellenrad 24 sitzt auf einer zweiten Welle 26 und verbindet das zweite Wellenrad 24 mit einem dritten Wellenrad 28. Die zweite Getriebewelle 26 ist in einer Halterung 30 gelagert, die mit dem Gondelfundament 12 verbunden ist. Das dritte Wellenrad 28 ist wiederum über einen Zahnriemen 22 mit einem unter dem dritten Wellenrad 24 angeordneten vierten Wellenrad 32 verbunden. Das vierte Wellenrad 32 sitzt auf einer Generatorwelle 34 und ist damit mit dem
Generator 10 verbunden. Die vier Wellenräder 20, 24, 28, 32 sind als
Zahnriemenscheiben ausgebildet. Der Durchmesser des ersten Wellenrades 20 ist größer als der des zweiten Wellenrades 24 und der Durchmesser des dritten
Wellenrades 28 ist größer als der Durchmesser des vierten Wellenrades 32. Auf diese Weise liegt an der Generatorwelle 34 die höchstmögliche Drehzahl vor.
Der Durchmesser des ersten und dritten Wellenrades 20, 28 beträgt 4000mm. Der Durchmesser des zweiten und vierten Wellenrades 24, 32 beträgt 800mm. Die Breite der drei Treibriemen 22 beträgt 450mm. Der Abstand der Drehachsen des ersten und zweiten sowie des dritten und vierten Wellenrades beträgt 2800mm.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, dass das Planetengetriebe 6 in das erste Wellenrad 20 integriert ist. Auf diese Weise ergibt sich ein kompakterer und leichterer Aufbau. Um die Montage der Anlage zu vereinfachen, sind die Rotorwelle 16 und die erste Getriebewelle 18 über einen
Verbindungsflansch 19 miteinander verbunden.
Alternativ kann der Generator 10 auch zwischen dem oberen und unteren Ende des Turms und insbesondere am unteren Ende des Turms angeordnet sein. Das mechanische Getriebe 6 und das Riemengetriebe 8 sind am oberen Ende des Turms 1 angeordnet. Die zweite Getriebestufe, das mechanische Getriebe oder das
Riemengetriebe 8 sind über einen Zugmitteltrieb mit Treibriemen mit dem unterhalb des oberen Endes des Turms 1 angeordneten Generator 10 verbunden.
Bezugszeichenliste
1 Turm
2 Rotor
4 Rotorlager
6 Planetengetriebe
8 zweistufiges Riemengetriebe
10 Generator
12 Gondelfundament
14 Drehantrieb Gondel
16 Rotorwelle
18 erste Getriebewelle
19 Verbindungsflansch
20 erstes Wellenrad
22 Zahnriemen
24 zweites Wellenrad
26 zweite Getriebewelle
28 drittes Wellenrad
30 Halterung von 26
32 viertes Wellenrad
34 Generatorwelle

Claims

Ansprüche
Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, mit
einem Turm (1 ), der ein oberes und ein unteres Ende aufweist,
einem an dem oberen Ende des Turms (1 ) angeordneten Rotor (2),
wenigstens einem Generator (10), der mechanisch mit dem Rotor (2) gekoppelt ist, und
einem Riemengetriebe (8), das am oberen Ende des Turms (1 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich am oberen Ende des Turms (1 ) ein mechanisches Getriebe (6) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (10) zwischen dem oberen und dem unteren Ende des Turms (1 ) und
insbesondere am unteren Ende des Turms (1 ) angeordnet ist, und dass das Riemengetriebe (8) oder das mechanische Getriebe (6) über einen Zugmitteltrieb mit dem Generator (10) verbunden ist
Windkraftanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Generator am oberen Ende des Turms (1 ) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das mechanische Getriebe (6) dem Riemengetriebe (8) vorgeschaltet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das mechanische Getriebe ein Planetengetriebe (6) ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
dass das Riemengetriebe (8) eine erste Getriebestufe umfasst, die ein erstes Wellenrad (20) und ein zweites Wellenrad (24) aufweist, die über einen
Treibriemen (22) mechanisch gekoppelt sind,
dass das erste Wellenrad (20) über eine Rotorwelle (16) direkt oder mit einer ersten Getriebewelle (18) und dem mechanischen Getriebe (6) mit dem Rotor (2) gekoppelt ist, dass der Durchmesser des ersten Wellenrades (20) größer ist als der Durchmesser des zweiten Wellenrades (24),
dass das zweite Wellenrad (24) über eine Generatorwelle (34) direkt oder indirekt über das mechanische Getriebe (6) mit dem Generator (10) gekoppelt ist.
7. Windkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Riemengetriebe (8) wenigstens eine weitere Getriebestufe umfasst, die ein drittes und ein viertes Wellenrad (28, 32) aufweist, die über einen
Treibriemen (22) mechanisch gekoppelt sind,
dass das dritte Wellenrad (28) über ein zweite Getriebewelle (26) mit dem zweiten Wellenrad (24) gekoppelt ist,
dass der Durchmesser des dritten Wellenrades (28) größer ist als der
Durchmesser des vierten Wellenrades (32),
dass das vierte Wellenrad (32) über die Generatorwelle (34) direkt oder indirekt mit dem Generator gekoppelt ist.
8. Windkraftanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (22) mit Noppen oder Zähnen und komplementären Ausnehmungen auf den Wellenrädern (20, 24, 28, 32) oder mit Noppen oder Zähnen auf den Wellenrädern mit komplementären Ausnehmungen im Treibriemen (22) versehen sind.
9. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Getriebe (6) in das erste Wellenrad (20) integriert ist.
10. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Wellenrad (20, 24) und/oder das dritte und vierte Wellenrad (28, 32) über mehrere nebeneinander angeordnete Treibriemen (22) miteinander verbunden sind.
1 1 . Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Riemengetriebes (8) und/oder des mechanischen Getriebes (6).
12. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (22) und/oder der Zugmitteltrieb wenigstens teilweise aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Titan bestehen.
13. Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenräder (20, 24, 28, 32) wenigstens teilweise aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Titan bestehen.
14. Windkraftanlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkten Kunststoffe Carbon- oder Kevlarfasern aufweisen.
PCT/EP2018/051477 2017-01-20 2018-01-22 Windkraftanlage WO2018134413A1 (de)

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DE202017100442.2 2017-01-27
DE202017100442 2017-01-27

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