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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windturbinengetriebe, insbesondere ein Windturbinengetriebe mit einem externen Ölreservoir.
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In Windkraftanlagen mit nicht direkt angetriebenen Generator ist das Getriebe die zentrale Komponente des Antriebs, die eine niedrige Drehzahl der Rotorwelle zumeist über mehrere Stufen in eine hohe Drehzahl der Abtriebswelle übersetzt, wobei die Abtriebswelle über eine Kupplung den Läufer des Generators antreibt.
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Windturbinengetriebe werden gekühlt und mit Öl geschmiert. Da sich die Qualität der Schmierung als ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer der Getriebe herausgestellt hat, werden Windturbinengetriebe heute meist von einem aktiven Ölkreislauf versorgt, der neben Pumpen auch eine Filterung und einen Ölkühler enthält.
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DE3702088A1 offenbart ein solches Windturbinengetriebe, bei dem die Betriebsschmierung von einer Ölumlaufanlage aufrechterhalten wird, wobei der normale Ölstand im Getriebe bei Unterschreitung einer einstellbaren Drehzahl auf eine für die Tauchschmierung notwendige Höhe gebracht wird, indem die dazu erforderliche Ölmenge in das Getriebe gegeben wird.
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Die zur Schmierung eines Windturbinengetriebes benötigte Ölmenge hängt vom Betriebszustand der Windturbine und von der Umgebungstemperatur ab.
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Bei niedriger Umgebungstemperatur oder nach längerer Standzeit der Windturbine liegt die Öltemperatur unterhalb der optimalen Öltemperatur, so dass das Öl sehr zähflüssig ist. Es muss Energie zugeführt werden, um das Öl zu erwärmen.
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Wird die Windturbine im kalten Zustand und mit sehr zähflüssigem Öl betrieben, dann wird außerdem das Getriebeöl stark belastet, wodurch die Lebensdauer des Öls sinkt. Um trotzdem längere Ölwechselintervalle realisieren zu können, muss eine entsprechend hohe Ölmenge vorgehalten werden.
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Eine Windturbine arbeitet im Nominalbetrieb, wenn die Temperatur des Getriebeöls die Betriebstemperatur, z.B. ca. 60–70°C, überschreitet. Der Ölfilm auf den mechanischen Bauteilen hat dann seine optimale Dicke und es ist nicht erforderlich, die Turbine weiter aufzuwärmen.
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Im Hochtemperaturbetrieb ist die vom Getriebe erzeugte Wärmemenge höher als die, ohne Zwangskühlung, abführbare Wärmemenge. Die Windturbine muss gekühlt werden, um Schäden zu vermeiden. Je höher die Temperatur, desto geringer ist die Viskosität des Getriebeöls. Das bedeutet, dass bei höherer Temperatur der Ölfilm dünner wird. Die mechanischen Bauteile benötigen deshalb eine größere Menge Getriebeöl zur Gewährleistung einer stabilen Schmierung.
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Diese verschiedenen Betriebszustände der Windturbine werden bisher bei der Auslegung der Schmiersysteme von Windturbinengetrieben nicht situationsabhängig berücksichtigt.
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Aus diesem Grund wird in Windturbinengetrieben derzeit eine höhere Ölmenge vorgehalten, als für die Schmierung selbst erforderlich wäre.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Windturbinengetriebe bereitzustellen, das mit einer geringeren Ölmenge betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Es ist ein Windturbinengetriebe vorgesehen, das ein Getriebegehäuse und eine Ölwanne zur Aufnahme von Getriebeöl sowie ein externes Ölreservoir umfasst, welches ebenfalls zur Aufnahme von Getriebeöl ausgelegt ist. Die Ölwanne ist im Inneren des Getriebegehäuses und das externe Ölreservoir außerhalb des Getriebegehäuses angeordnet. Außerdem ist das externe Ölreservoir mit der Ölwanne über eine öldichte Verbindung verbunden, die eine Regeleinrichtung aufweist. Diese Regeleinrichtung regelt den Ölfluss aus dem externen Ölreservoir in die Ölwanne in Abhängigkeit von der Öltemperatur.
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Die Regeleinrichtung ist so ausgelegt, dass sie öffnet, wenn mehr Öl benötigt wird, z.B. wenn eine vorgegebene Öltemperatur überschritten ist. Auf diese Weise kann auch bei hohen Betriebstemperaturen ein optimaler Ölfüllstand im Getriebe gehalten werden.
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Vorteilhafterweise kann das Windturbinengetriebe, im Vergleich zu bekannten Getrieben dieser Art, mit einer geringeren Ölmenge beaufschlagt werden. Aufgrund der geringeren Ölmenge wird auch der Aufwärmvorgang des Getriebes beschleunigt. Außerdem werden die Kaltbetriebsphasen des Öls reduziert und so die Dauerhaltbarkeit des Öls erhöht.
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Der Aufwärmvorgang dieses Getriebes erfordert weniger Energie und somit erhöht sich Effizienz der Windturbine.
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Zudem kann das Gewicht des Getriebes reduziert werden, da eine kleinere Ölwanne ausreichend ist, wobei für den Betrieb im Winter trotzdem eine ausreichende Ölmenge in der Ölwanne vorhanden ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist durch ein externes Ölreservoir mit einer geringeren Wandstärke, bzw. Wanddicke, als das Getriebegehäuse gekennzeichnet. Zudem kann das externe Ölreservoir aus einem Material bestehen, dass ein geringeres spezifisches Gewicht hat als das Material des Getriebegehäuses. Durch diese Ausgestaltungen der Erfindung verringert sich außerdem das Gewicht des Windturbinengetriebes.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das externe Ölreservoir mit dem Getriebegehäuse thermisch gekoppelt ist. Zudem kann die Form des externen Ölreservoirs an die Form des Getriebegehäuses angepasst sein. Dadurch wird die Abwärme des Getriebegehäuses zur Erwärmung des Öls genutzt. Außerdem wird die Wärmespeicherung im Getriebegehäuse unterstützt, da das externe Ölreservoir das Getriebe zumindest teilweise nach außen isoliert.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein segmentiertes externes Ölreservoir. Dies ermöglicht, die geometrische Form des Getriebes so zu verändern, dass ein geringerer Bauraum benötigt wird als bei bekannten Windturbinengetrieben. Zudem kann das Ölreservoir an vorhandene Bauraumrestriktionen angepasst werden. Bei paralleler Verschaltung der Segmente des externen Ölreservoirs können auch einzelne Segmente abgeschaltet und so die Größe des externen Ölreservoirs variiert werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Windturbinengetriebes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit thermisch gesteuertem Ventil
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2: eine schematische Darstellung eines Windturbinengetriebes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit elektrisch gesteuertem Ventil
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3: eine Schnittzeichnung eines Windturbinengetriebes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Ansicht von der Generator- zur Rotorseite)
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Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts eines Antriebsstrangs einer Windkraftanlage. Schematisch dargestellt sind eine Hauptwelle 14, eine Welle-Nabe-Verbindung 15, ein Getriebe 1, welches hier beispielhaft eine Planetenstufe 16 und zwei Stirnradstufen 17a, 17b umfasst, sowie eine Schnelllaufwelle 18.
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Das Getriebe 1 ist von einem Getriebegehäuse 2 umschlossen. Zur Schmierung des Getriebes 1 dient ein System zur Druckölschmierung, das ein Ölbad 13 und einen mit dem Ölbad 13 verbundenen Ölkreislauf umfasst.
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Der Ölkreislauf weist eine Ölfiltervorrichtung 5 und eine Ölkühlvorrichtung 7 auf, um einerseits Verschmutzungen und andererseits zu hohe Öltemperaturen zu vermeiden. Zudem umfasst der Ölkreislauf eine Pumpvorrichtung 6.
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Über ein Einspritzschmiersystem 3 gelangt das Getriebeöl zu den mechanischen Bauteilen des Getriebes 1, z.B. den Lagern und Zahneingriffen.
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Im Getriebegehäuse 2 befindet sich zudem unterhalb von beweglichen Getriebeteilen eine Ölwanne 13. Im gezeigten Beispiel ist die Ölwanne 13 unterhalb der Stirnradstufen 17a, 17b angeordnet.
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Die mögliche Änderung des Ölstands in der Ölwanne 13 wird in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet.
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Außerhalb des Getriebegehäuses 2 ist ein externes Ölreservoir 8 angeordnet, welches mit der Hochdruckseite des Schmiersystems verbunden ist, so dass das Öl gereinigt und gegebenenfalls durch die Ölkühlvorrichtung 7 gekühlt in das externe Ölreservoir 8 gelangt.
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Über eine öldichte Verbindung 9, vorzugsweise einen Öleinlasskanal, gelangt Getriebeöl aus dem externen Ölreservoir 8 in die Ölwanne 13.
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Zwischen dem externen Ölreservoir und der Ölwanne 13 ist eine Regeleinrichtung 10 angeordnet, mittels derer der Ölfluss vom externen Ölreservoir 8 in die Ölwanne 13 geregelt wird.
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Die Regeleinrichtung 10 ist so ausgelegt, dass sie die öldichte Verbindung 9 für den Ölfluss öffnet, wenn die Öltemperatur einen vorgegebenen Wert übersteigt. Dazu umfasst die Regeleinrichtung 10 einen Durchflussbegrenzer. Ist die öldichte Verbindung für den Ölfluss geöffnet, dann kann Öl vom externen Ölreservoir 8 in die Ölwanne 13 fließen.
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„Öltemperatur“ kann sich hier sowohl auf auf die Temperatur des Getriebeöls in der Ölwanne 13 beziehen, als auch auf die Öltemperatur an den Einspritzdüsen des Einspritzschmiersystems 3 oder auf die Temperatur an einer anderen, für die Auswertung geeigneten Stelle im Windturbinengetriebe 1.
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Anstelle der Öltemperatur auch die in der Ölwanne vorherrschende Temperatur verwendet werden, um in Abhängigkeit von dieser Temperatur den Ölfluss in die Ölwanne 13 zu regeln.
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Die Regeleinrichtung 10 schließt, wenn kein weiteres Öl benötigt wird bzw. wenn ein optimaler Ölstand für den folgenden Temperaturzustand vorliegt.
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Die Ölwanne 13 ist mit einem Ölauslasskanal 4 verbunden, so dass das externe Ölreservoir 8 vom Ölrückfluss aus dem Getriebe 1 gespeist wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Regeleinrichtung 10 in Form eines thermisch gesteuerten Ventils ausgeführt.
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Das thermisch gesteuerte Ventil ist, wie in 1 gezeigt, zwischen dem externen Ölreservoir 8 und der Ölwanne 13 angeordnet.
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Es befindet sich somit in der öldichten Verbindung 9, beispielsweise an einem Ende des Öleinlasskanals 9, wie in 1 dargestellt.
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Das thermisch gesteuerte Ventil kann ein Bimetallventil, d.h. ein Ventil mit Bimetallschalter, sein, welches z.B. einen Bimetallstreifen oder eine Bimetallplatte aufweist. Das Bimetallventil öffnet bei einer vorgegebenen Temperatur selbsttätig.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Regeleinrichtung 10 ein elektrisch steuerbares Ventil aufweist, welches mit mindestens einem Sensor 20 zur Messung der Öltemperatur verbunden ist.
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Darüber hinaus kann das elektrisch steuerbare Ventil mit einer Recheneinheit, wie beispielsweise einem Mikrocontroller, zum Auslesen und/oder Auswerten der von dem Sensor gemessenen Temperaturdaten verbunden sein. Diese Recheneinheit kann entweder räumlich getrennt von dem elektrisch steuerbaren Ventil angeordnet oder auch in das elektrisch steuerbare Ventil integriert sein.
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Außerdem kann auch der Sensor 20 mit einer Recheneinheit, wie beispielsweise einem Mikrocontroller, zum Auslesen und/oder Auswerten der von dem Sensor 20 gemessenen Temperaturdaten verbunden sein. Hierbei kann die Recheneinheit kann entweder räumlich getrennt von dem Sensor 20 angeordnet oder auch in den Sensor 20 integriert sein.
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Das elektrisch steuerbare Ventil ist zwischen dem externen Ölreservoir 8 und der Ölwanne 13 angeordnet.
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Der Sensor 20 zur Messung der Temperatur ist vorzugsweise in der Ölwanne 13 angeordnet. Er könnte sich aber auch an einer anderen, für die Auswertung der Öltemperatur geeigneten, Stelle im Getriebegehäuse 2 befinden, beispielsweise an den Einspritzdüsen des Einspritzsystems 3.
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In Abhängigkeit von der von dem Sensor 20 gemessenen Temperatur öffnet das elektrisch steuerbare Ventil, so dass Öl vom externen Ölreservoir 8 in die Ölwanne 13 fließen kann.
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Im Folgenden soll nun das externe Ölreservoir 8 näher beschrieben werden.
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Das externe Ölreservoir 8 ist vorzugsweise mit dem Getriebegehäuse 2 thermisch gekoppelt, könnte aber auch beabstandet von dem Getriebegehäuse 2 angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das externe Ölreservoir 8 an der Außenseite des Getriebegehäuses 2 angeordnet. Vorzugsweise ist es so geformt und angeordnet, dass es einen Teil des Getriebegehäuses 2 bedeckt. Auf diese Weise kann Wärme vom Getriebe 1 auf das externe Ölreservoir 8 übertragen werden.
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Die Form des externen Ölreservoirs 8 ist so an die Form des Getriebegehäuses angepasst, dass sich eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Getriebegehäuse 2 und dem externem Ölreservoir 8 bildet, so dass die Abwärme des Getriebes 1 zur Erwärmung des Öls genutzt wird.
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Um die Wärmeübertragung vom Getriebe 1 auf das externe Ölreservoir 8 weiter zu verbessern, kann zwischen dem Getriebegehäuse 2 und dem externen Ölreservoir 8 eine wärmeleitende Schicht 19 angeordnet sein. Diese Schicht 19 umfasst einen wärmeleitenden Klebstoff, beschichtetes Papier, eine Wärmeleitpaste und/oder ein anderes Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit.
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Die wärmeleitende Schicht 19 ist entweder bereits vor der Montage auf der Außenseite des Ölreservoirs 8 beziehungsweise auf der Außenseite des Getriebegehäuses 2 angeordnet oder sie wird während der Montage aufgebracht.
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Das externe Ölreservoir 8 besteht aus einem ölresistenten Material, das vorzugsweise auch eine gute thermische Leitfähigkeit besitzt, beispielsweise ein metallisches Material oder auch ein Kunststoff.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Heizvorrichtung 12 zur Aufwärmung des Öls vorgesehen. Mit Hilfe dieser Heizvorrichtung 12 kann nach längeren Stillstandszeiten und/oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen, z.B. in den Wintermonaten, das Öl in der Ölwanne vor dem Anlaufen der Anlage erwärmt werden. Die Heizvorrichtung 12 ist vorzugsweise in der Ölwanne 13, wie in 1 und 2 gezeigt, oder alternativ auch am Getriebegehäuse 2 angeordnet.
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Ziel der Bauweise des Ölreservoirs 8 ist es, das Öl im Getriebe möglichst schnell auf die gewünschte Temperatur zu bringen, so dass weniger Öl in die Ölwanne 13 eingefüllt werden muss. Weiteres Öl wird im externen Ölreservoir 8 belassen und erst bei Bedarf zugegeben. Das externe Ölreservoir 8 kann zudem ebenfalls mit einer Heizvorrichtung versehen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das externe Ölreservoir 8 aus einem Material, dass ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als das Material, aus dem das Getriebegehäuse 2 besteht.
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Zudem kann das Material des externen Ölreservoirs 8 ein Material sein, das kostengünstiger ist, als das Material des Getriebegehäuses 2. Da im erfindungsgemäßen Windturbinengetriebe 1 außerdem eine kleinere Ölwanne 13 verwendet werden kann, verringern sich auch die Herstellkosten des Getriebes 1 im Vergleich zu den Herstellkosten anderer Getriebe dieser Art.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung haben die Wände des Ölreservoirs 8 eine geringere Wandstärke, als die Wände des Getriebegehäuses 2. So wird ein niedrigeres Gesamtgewicht des Getriebes 1 erreicht. Die Wandstärke des Ölreservoirs 8 kann beispielsweise nur ein Zehntel der Wandstärke des Getriebegehäuses 2 betragen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist ein externes Ölreservoir 8 auf, dass zwei oder mehr Segmente umfasst, die öldicht miteinander verbunden sind. Diese Segmente können auch als Teilreservoire bezeichnet werden.
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In 3 ist eine solche Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittzeichnung mit Blick vom Generator in Richtung des Rotors schematisch dargestellt. Das externe Ölreservoir 8 umfasst in dem hier gezeigten Beispiel drei Segmente 8a, 8b, 8c.
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Die Segmente 8a, 8b, 8c des externen Ölreservoirs 8 sind am äußeren Umfang des Getriebegehäuses 2 angeordnet und über Ölleitungen 11 in Serie oder parallel zusammengeschaltet. Eine parallele Zusammenschaltung ermöglicht das Abschalten einzelner Segmente 8a, 8b, 8c. Auf diese Weise kann die Ölmenge im externen Ölreservoir verändert, bzw. an die Bedingungen unter denen die Windturbine betrieben wird, angepasst werden.
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Im gezeigten Beispiel, erstreckt sich ein erstes Segment 8a des Ölreservoirs 8 von der Oberseite des Getriebegehäuses 2 bis auf dessen Seitenflächen, während ein zweites 8b und ein drittes Segment 8c des externen Ölreservoirs 8 an der Unterseite des Getriebegehäuses 2 angeordnet sind.
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Die Form der Segmente 8a, 8b, 8c ist so an die äußere Kontur des Getriebegehäuses 2 angepasst, dass eine hohe Wärmeübertragung auf die Segmente 8a, 8b, 8c gewährleistet ist. Außerdem entsteht durch die, an der Außenseite des Getriebegehäuses 2 angeordneten Segmente 8a, 8b, 8c des externen Ölreservoirs 8, ein Effekt der Wärmespeicherung im Getriebe 1 beziehungsweise der Wärmeisolierung des Getriebegehäuses 2 nach außen.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform sind das zweite und dritte Segment 8b, 8c des externen Ölreservoirs außerdem so ausgebildet, dass der unterhalb des Getriebegehäuses 2 vorhandene Bauraum weitestgehend zur Speicherung von Öl genutzt werden kann. Die Form und Größe des oberen Segments 8a sind ebenfalls an den vorhandenen Bauraum angepasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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