DE102011008029A1 - Windenergieanlage - Google Patents
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Abstract
Description
- Es wird eine Windenergieanlage angegeben.
- In der Druckschrift
EP 1 327 073 B1 ist eine Windenergieanlage beschrieben, die in einem Maschinenträger eine doppelt gelagerte Rotorwelle und eine Generatorwelle aufweist, die integral mit der Rotorwelle ausgebildet oder mit dieser starr verbunden ist, so dass beide Wellen unter der Wirkung von Biegemomenten einer gemeinsamen Biegebewegung folgen. Der Generator ist als Innenläufer ausgebildet, Stator und Läufer sind auf der drehbaren Rotor- und Generatorwelle so gelagert, dass der Generator Biegebewegungen der Antriebswelle folgen kann. Eine nicht drehbare Kupplung fixiert den Stator des Generators gegen Drehbewegungen am Maschinenträger und erlaubt es, dass der Generator den Biegebewegungen der Antriebswelle relativ zum Maschinenträger folgen kann, wodurch ein konstanter Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Stator des Generators ermöglicht werden soll. Eine derartige Ausgestaltung und Befestigung des Generators ist konstruktiv sehr aufwändig, wodurch ein hohes Gewicht der Windenergieanlage im Verhältnis zur erzeugten Leistung folgen kann. - Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Windenergieanlage anzugeben, die einen einfacheren Aufbau ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Windenergieanlage einen Maschinenträger auf. Der Maschinenträger kann insbesondere auf einem Turm drehbar gelagert angeordnet sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Windenergieanlage einen Rotor auf. Der Rotor, der am Maschinenträger drehbar um eine Rotornabe gelagert sein kann, dient dazu, die Bewegungsenergie des Windes in eine Rotationsenergie umzuwandeln und zumindest über eine Rotorwelle an einen Generator zu übertragen. Weiterhin weist die Windenergieanlage einen Generator auf, der die Rotationsenergie über eine Generatorwelle aufnehmen kann und in elektrische Energie umwandeln kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Rotor und der Generator an gegenüberliegenden Seiten des Maschinenträgers angeordnet, was beispielsweise den Vorteil einer besseren Gewichtsverteilung der Massen des Maschinenträgers, des Rotors und des Generators im Vergleich zu Windenergieanlagen aufweist, bei denen der Generator zwischen dem Turm beziehungsweise Maschinenträger und dem Rotor angeordnet ist. Diese bessere Verteilung der Turmkopfmasse führt zu einer geringeren Materialbeanspruchung und zu einem reduziertem Wartungsaufwand sowie einer höheren Verfügbarkeit der Windenergieanlage. Darüber hinaus kann sich eine höhere Modularität der Windenergieanlage und damit ein reduzierter Wartungs- und/oder Reparaturaufwand ergeben, da beispielsweise der Generator ohne Demontage des Rotors von der Anlage entfernt werden kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Windenergieanlage eine Kupplung auf, die zwischen der Rotorwelle und der Generatorwelle angeordnet ist und die die Rotorwelle und die Generatorwelle aneinander koppelt, so dass die Drehbewegung der Rotorwelle an die Generatorwelle übertragen werden kann. Besonders bevorzugt sind die Rotorwelle und die Generatorwelle mittels der Kupplung getriebelos aneinander gekoppelt. Mit anderem Worten kann dadurch eine Drehbewegung der Rotorwelle direkt und ohne zwischengeschaltetes Getriebe an die Generatorwelle übertragen werden.
- Im Vergleich zu bekannten Windenergieanlagen mit zwischengeschaltetem Getriebe entfallen dadurch mit Vorteil der Wartungs- und Reparaturaufwand für das Getriebe sowie ein durch den Getriebeverschleiß bedingter Getriebewechsel während der gesamten Betriebszeit der Windenergieanlage.
- Gemaß einer weiteren Ausführungsform ist der Generator als Außenläufer ausgebildet. Der Generator weist dazu einen Stator sowie einen Läufer auf, der außen um den Stator herum drehbar angeordnet ist. Im Vergleich zu bekannten Windenergieanlagen, die als Innenläufer ausgebildete Generatoren aufweisen, kann es mit Vorteil möglich sein, bei nahezu gleichem Gewicht höhere Generatorleistungen zu erreichen, wodurch sich ein wirtschaftlicherer Betrieb ergeben kann.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform überträgt die Kupplung Drehbewegungen der Rotorwelle an die Generatorwelle, während die Generatorwelle durch die Kupplung von Biegebewegungen der Rotorwelle zumindest teilweise entkoppelt ist. Derartige Biegebewegungen können durch Kräfte hervorgerufen werden, die beispielsweise am Rotor beziehungsweise der Rotornabe durch unterschiedliche Windverhältnisse an den Rotorblättern auftreten. Für einen dauerhaften Betrieb ist es unerlässlich sicherzustellen, dass sich die Biegebewegungen nicht derart zum Generator fortsetzen, dass der Abstand beziehungsweise Luftspalt zwischen Erreger und Abnehmer des Generators, die am Stator beziehungsweise am Läufer angeordnet sind, verändert wird. Durch die zumindest teilweise mechanische Entkopplung der Rotorwelle von der Generatorwelle, die beispielsweise durch eine Beweglichkeit der Kupplung in einer oder mehreren Ebenen parallel zu den Achsen der Rotorwelle und der Generatorwelle erreicht werden kann, kann mit Vorteil erreicht werden, dass eine Übertragung von Biegebewegungen von der Rotorwelle auf die Generatorwelle vermindert oder ganz verhindert werden kann. Beispielsweise kann die Kupplung eine Verkippung und/oder Verschiebung der Achse der Rotorwelle relativ zur Achse der Generatorwelle zulassen.
- Besonders bevorzugt ist die Kupplung derart ausgebildet, dass im Wesentlichen, also zu einem überwiegenden Maße, nur Drehbewegungen um die Achse der Rotorwelle auf die Generatorwelle übertragen werden, während Biegebewegungen der Rotorwelle nicht oder nur in einem sehr geringen Maße auf die Generatorwelle übertragen werden.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Generatorwelle an einer dem Rotor abgewandten Rückseite des Generators über eine Verbindung, bevorzugt eine Flanschverbindung oder eine Schweißverbindung, befestigt.
- Weiterhin kann die Generatorwelle durch die Verbindung mit der Rückseite des Generators im Wesentlichen vom Generator getragen werden. Mit anderen Worten kann sich die Generatorwelle an der Rückseite des Generators derart abstützen, dass keine weiteren Elemente zur Lagerung oder Befestigung der Generatorwelle vorhanden sein müssen. Insbesondere kann es möglich sein, dass die Kupplung im Wesentlichen keine tragende Wirkung auf die Generatorwelle haben muss und im Wesentlichen nur eine Durchbiegung der Generatorwelle unter ihrem Eigengewicht verhindert. Im Vergleich dazu weisen bekannte Windenergieanlagen oft Generatorwellen auf, die den Generator zumindest teilweise tragen und auf denen sich der Generator zumindest teilweise abstützt. Dabei muss die Generatorwelle beispielsweise am Maschinenträger stabil sein und für große Lasten ausgelegt gelagert sein.
- Insbesondere kann die Generatorwelle direkt an der Kupplung und der Verbindung an der Rückseite des Generators angeordnet und mit diesen verbunden sein und dazwischen berührungslos von der Kupplung durch den Generator hindurch oder durch den Generator und einen Teil des Maschinenträgers hindurch bis zur Rückseite des Generators ragen. Mit Vorteil kann zwischen der Generatorwelle und dem Generator beziehungsweise zwischen der Generatorwelle und dem Maschinenträger ein Spalt vorgesehen sein, so dass sich die Generatorwelle berührungsfrei innerhalb des Spalts relativ zum Maschinenträger bewegen kann.
- Weiterhin kann die Generatorwelle als Hohlwelle ausgebildet sein. Dies kann insbesondere dadurch möglich sein, dass die Generatorwelle keine tragende Funktion in der Windenergieanlage hat, wodurch die Dimensionierung der Generatorwelle gewichtsoptimiert ausgelegt sein kann. So kann beispielsweise ein Verhältnis der äußeren Abmessungen wie etwa Länge und/oder Durchmesser der Generatorwelle im Verhältnis zur Wandstärke derart ausgebildet sein, dass sich die Generatorwelle unter ihrem eigenen Gewicht sowie beispielsweise auch unter dem Gewicht von Servicepersonal gerade nicht verbiegt. Insbesondere kann das Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke größer oder gleich 10:1, bevorzugt größer oder gleich 20:1 und besonders bevorzugt größer oder gleich 100:1 sein. Weist die Generatorwelle beispielsweise einen Durchmesser von etwa 2 m auf, kann die Wandstärke sehr viel geringer sein und besonders bevorzugt im Bereich von größer oder gleich 2 cm und kleiner oder gleich 5 cm liegen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Windenergieanlage als getriebelose, direkt angetriebenen Windenergieanlage ausgebildet, bei der der Generator bezüglich des Turmes und/oder des Maschinenträgers auf der gegenüberliegenden Seite der Rotornabe beziehungsweise des Rotors angeordnet ist und bei der der Generator als Außenläufer ausgebildet ist. Weiterhin kann die Übertragung von Biegemomenten von der Rotorwelle auf die Generatorwelle weitestgehend vermieden werden.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den
1 bis3 beschriebenen Ausführungsformen. - Dabei zeigen die
1 bis3 schematische Schnittdarstellungen von Windenergieanlagen gemäß mehreren Ausführungsbeispielen. - In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
- Die folgende Beschreibung bezieht sich, soweit nicht explizit darauf hingewiesen wird, auf alle
1 bis3 . - In den
1 bis3 sind Ausführungsbeispiele für jeweils eine Windenergieanlage gezeigt, die als direkt angetriebene Windenergieanlage ausgebildet ist, deren Triebstrang einen modularen Aufbau aufweist und bei welcher der Generator bezüglich des Turms auf der der Rotornabe gegenüber liegenden Seite angeordnet ist. - Die Windenergieanlage weist wenigstens einen Generator
10 und eine Rotornabe30 eines Rotors mit wenigstens einem oder mehreren Rotorblättern (nicht gezeigt) auf, der an einem Maschinenträger20 angebracht ist. - Die Windenergieanlage weist weiterhin einen Turm
40 auf, auf dem der Maschinenträger20 drehbar angeordnet ist. Der Maschinenträger20 ist gegenüber dem Turm40 mittels einer Azimutdrehverbindung80 in einem Azimutlager81 drehbar gelagert, so dass die Rotornabe30 mit den daran befestigten Rotorblättern unter Verwendung wenigstens eines Azimutantriebs82 , der in eine am Azimutlager81 vorhandene Verzahnung eingreift, in ihrer horizontalen Orientierung der Windrichtung nachgeführt werden kann. Wahlweise kann der Maschinenträger20 am Außen- oder am Innenring des Azimutlagers81 verschraubt werden. - Die Rotornabe
30 ist an einer als Hohlwelle ausgeformten Rotorwelle60 befestigt und drehbar in wenigstens einem Lager21 ,22 ,23 gegenüber dem Maschinenträger20 gelagert. - Weiterhin weist die Windenergieanlage eine als Hohlwelle ausgeformte Generatorwelle
70 sowie eine Kupplung50 auf, durch welche die Rotorwelle60 und die Generatorwelle70 miteinander verbunden sind. - Der Generator
10 ist als Außenläufer mit einem außen liegenden Läufer11 , der auch als Rotor des Generators bezeichnet werden kann, und einem innen liegenden Stator12 ausgebildet. - Der Stator
12 ist mit dem Maschinenträger20 starr verbunden. Besonders bevorzugt ist der Stator12 und damit der Generator10 durch eine Flanschverbindung gehalten. - Der Läufer
11 ist mittels Lagern14 , die zwischen Stator12 und Laufer11 angeordnet sind, drehbar am Stator12 gelagert. Wie in den Figuren gezeigt weisen der Stator12 eine Außenwand und der Läufer11 eine Innenwand auf, zwischen denen zwei Lager14 derart angeordnet sind, dass der Stator12 bezüglich einer Drehachse des Läufers11 zwischen den Lagern14 angeordnet ist. Der Stator12 ist dazu besonders bevorzugt vorgesehen zwei Lager14 aufzunehmen, deren innere Lagerringe am Stator12 und deren äußere Lagerringe am Läufer11 so befestigt sind, dass der Läufer11 gegenüber dem Stator12 drehbar gelagert ist. Besonders bevorzugt sind generatorseitig, also auf der dem Generator10 zugewandten Seite der Kupplung50 die zwei Lager14 als einzige Lager vorgesehen. - Weiterhin weist der Läufer
11 eine vom Maschinenträger20 abgewandt angeordnete Ruckseite, eine Mantelseite und eine dem Maschinenträger zugewandte Vorderseite mit einer Öffnung auf und umschließt den Stator bis auf die Öffnung allseitig. Die Öffnung weist einen Durchmesser auf, der kleiner oder gleich einem Außendurchmesser eines an der Öffnung angeordneten Lagers14 zwischen dem Stator12 und dem Läufer11 ist. - Die Generatorwelle
70 ist auf der dem Maschinenträger20 gegenüberliegenden beziehungsweise abgewandten Seite, also der Rückseite des Generators10 , durch eine Verbindung15 mit dem Läufer11 des Generators10 in einer solchen Weise verbunden, dass die Generatorwelle70 im Wesentlichen in den Lagern14 auf dem Stator12 gelagert ist. Die Verbindung15 ist beispielsweise als Flanschverbindung oder als Schweißverbindung ausgebildet. - Die Kupplung
50 ist im Wesentlichen torsionssteif und axial sowie radial relativ weich ausgebildet, so dass im Wesentlichen nur Drehmomente von der Rotorwelle60 auf die Generatorwelle70 übertragen werden, und kann beispielsweise als hydraulische Elastomer-Kupplung ausgebildet sein. - Rotorwelle
60 und Generatorwelle70 sind aus Masse- und Servicegründen bevorzugt mit einem großen Wellendurchmesser und geringen Wandstärken realisiert. In einer bevorzugten Ausführung beträgt der Durchmesser der Rotorwelle60 und Generatorwelle70 beispielsweise 2 m. - Die Rotorwelle
60 kann bevorzugt wenigstens eine radiale Öffnung61 aufweisen, die als Zugang zur Rotornabe für Wartungsarbeiten dienen kann. Über die Kupplung50 kann von der Rotorwelle60 auch die Generatorwelle70 betretbar sein. - Der umliegende Bereich der wenigstens einen Öffnung
61 der Rotorwelle60 kann mit versteifenden Elementen62 versehen sein. - Darüber hinaus weist die Rotorwelle
60 bevorzugt einen Flansch zum Befestigen eines Schleifrings auf (nicht gezeigt), über welchen eine elektrische Versorgung von sowie eine Kommunikation mit in der Rotornabe30 befindlichen Komponenten, wie beispielsweise den Blattverstellantrieben (nicht gezeigt), realisiert werden kann. - Ein weiterer Flansch (nicht gezeigt) im der Rotornabe
30 zugewandten Bereich der Rotorwelle60 kann dazu dienen, ein Rotor-Lock-System zum Arretieren der Rotornabe30 sowie der Rotorwelle60 gegen den Maschinenträger20 aufzunehmen. - Ein weiterer Flansch (nicht gezeigt) im der Kupplung
50 zugewandten Bereich der Rotorwelle60 kann dazu dienen, eine Haltebremse zum Abbremsen der Rotornabe30 sowie der Rotorwelle60 gegen den Maschinenträger20 aufzunehmen. - Zur optimalen mechanischen Anbindung von Rotornabe
30 und Generator10 kann der Maschinenträger20 im unteren Bereich kegelstumpfförmig (vertikal) und im oberen Bereich rohrförmig (im Wesentlichen entlang der Achse der Rotorwelle20 und/oder der Generatorwelle70 ausgerichtet) ausgeformt sein. Dadurch kann der Maschinenträger20 generatorseitig als Flansch zum Verschrauben des Generators10 ausgebildet sein. Nabenseitig kann der Maschinenträger20 rohrförmig als klassischer Lagersitz oder als Flansch für anschraubbare Lager ausformt sein. - Aufgrund der Rohrform eignet sich eine solche Ausführung sehr gut für die Verwendung von Momentenlagern. Verschiedene Beispiele für die Ausführung der Lager
21 ,22 ,23 sind in den Figuren dargestellt.1 zeigt eine direkt angetriebene Windenergieanlage, bei welcher die Lager21 der Rotorwelle60 als einreihige Kegelrollenlager ausgebildet sind,2 zeigt eine direkt angetriebene Windenergieanlage, bei welcher die Lager22 der Rotorwelle60 als Pendelrollenlager ausgebildet sind,3 zeigt eine direkt angetriebene Windenergieanlage, bei welcher das Lager23 der Rotorwelle60 als ein Momentenlager ausgebildet ist. - Der Generator
10 ist bevorzugt als permanent-erregter Synchrongenerator ausgeformt und der Stator12 mit einer Statorwicklung13 versehen. Im der Statorwicklung13 zugewandten Innenbereich des Läufers11 sind Permanentmagnete (nicht gezeigt) befestigt, die üblicherweise nur wenige 1 bis wenige 10 mm stark sind. - Die Generatorwelle
70 wird wie oben beschrieben im Wesentlichen indirekt über den Stator12 , die Lager14 und den Läufer11 vom Maschinenträger20 getragen, wobei die Generatorwelle70 zusammen mit dem Stator12 und dem Läufer11 Biegebewegungen des Maschinenträgers20 folgen kann, ohne dass sich der Luftspalt zwischen Erreger am Läufer11 und Statorwicklungen13 ändert. - Unter der Verwendung der beschriebenen Merkmale lässt sich beispielsweise eine direkt angetriebene Windenergieanlage mit einer Nennleistung von mehreren MW fertigen, die ein vorteilhaftes Verhältnis von Turmkopfmasse und Nennleistung aufweist.
- Durch eine Ausführung des Generators als Außenläufer sind gegenüber einem als Innenläufer ausgeformten Generator bei nahezu gleichem Gewicht höhere Generatorleistungen realisierbar, wodurch sich ein Kostenvorteil ergibt. Die bessere Verteilung der Turmkopfmasse gegenüber Triebstrangaufbauten, bei welchen der Generator nabenseitig angeordnet ist, führt zu einer geringeren Materialbeanspruchung und dadurch zu einem reduzierten Wartungsaufwand sowie einer höheren Verfügbarkeit der Windenergieanlage. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der hohen Modularität des Triebstrangaufbaus. Der in sich selbst gelagerte Generator kann nach Lösen der Verbindungsschnittstellen von Maschinenträger und Stator sowie der Kupplung zwischen Rotorwelle und Generatorwelle, sowie der Kabel und Kühlungsleitungen etc., vollständig von der Anlage entfernt werden. Während bei Aufbauten, bei welchen der Generator zwischen Rotornabe und Turm angeordnet ist, für eine Demontage des Generators auch der Rotorstern umfassend Rotornabe und Rotorblätter demontiert werden muss, ist bei der hier beschriebenen Windenergieanlage eine voneinander unabhängige Wartung der Komponenten möglich. Dies führt insbesondere bei Offshore-Windenergieanlagen zu einem nicht unerheblichen Kostenvorteil, da jeweils nur eine Hubinsel beziehungsweise ein Schwimmkran, auch als „jack-up rig” oder „jack-up barge” bezeichnet, für Wartungsarbeiten erforderlich ist. Durch die wenigstens eine radiale Öffnung der Rotorwelle ist es möglich, die Rotornabe für Wartungsarbeiten durch den Maschinenraum von innen zu betreten, was zu einer verbesserten Sicherheit des Wartungs- und Servicepersonals gegenüber einem Betreten der Rotornabe von der Außenseite führt.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- EP 1327073 B1 [0002]
Claims (11)
- Windenergieanlage, aufweisend einen Maschinenträger (
20 ) und an einander gegenüberliegenden Seiten des Maschinenträgers (20 ) einen Rotor und einen Generator (10 ), wobei der Rotor und der Generator (10 ) über eine Rotorwelle (60 ) und eine Generatorwelle (70 ) und eine dazwischen angeordnete Kupplung (50 ) getriebelos aneinander gekoppelt sind und wobei der Generator (10 ) als Außenläufer ausgebildet ist. - Windenergieanlage nach Anspruch 1, wobei die Kupplung (
50 ) Drehbewegungen der Rotorwelle (60 ) an die Generatorwelle (70 ) überträgt und die Generatorwelle (70 ) von Biegebewegungen der Rotorwelle (60 ) zumindest teilweise entkoppelt. - Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Generatorwelle (
70 ) an einer dem Rotor abgewandten Rückseite des Generators (10 ) über eine Verbindung (15 ), bevorzugt eine Flanschverbindung oder eine Schweißverbindung, befestigt ist. - Windenergieanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Generatorwelle (
70 ) direkt an der Kupplung (50 ) und der Verbindung (15 ) an der Rückseite des Generators (10 ) angeordnet ist und dazwischen berührungslos von der Kupplung (50 ) durch den Generator (10 ) hindurch bis zur Rückseite des Generators (10 ) hindurchragt. - Windenergieanlage nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Generatorwelle (
70 ) im Wesentlichen durch die Verbindung (15 ) mit der Rückseite des Generators (10 ) getragen wird. - Windenergieanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Generatorwelle (
70 ) als Hohlwelle ausgebildet ist. - Windenergieanlage nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Generatorwelle (
70 ) ein Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke von größer oder gleich 10:1 aufweist. - Windenergieanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Generator (
10 ) nur vom Maschinenträger (20 ), bevorzugt durch eine Flanschverbindung, gehalten wird. - Windenergieanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Generator (
10 ) einen Stator (12 ) und einen Läufer (11 ) aufweist und der Läufer (11 ) mittels Lager (14 ), die zwischen dem Stator (12 ) und dem Läufer (11 ) angeordnet sind, drehbar um den Stator (12 ) herum gelagert ist. - Windenergieanlage nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Stator (
12 ) eine Außenwand und der Läufer (11 ) eine Innenwand aufweisen, zwischen denen zwei Lager (14 ) derart angeordnet sind, dass der Stator (12 ) bezüglich einer Drehachse des Läufers (11 ) zwischen den Lagern (14 ) angeordnet ist. - Windenergieanlage nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Läufer (
11 ) eine vom Maschinenträger (20 ) abgewandt angeordnete Rückseite, eine Mantelseite und eine dem Maschinenträger (20 ) zugewandte Vorderseite mit einer Öffnung aufweist und den Stator (12 ) bis auf die Öffnung allseitig umschließt.
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