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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorblattnabe für eine Windenergieanlage, mit einem Anschlussabschnitt zur drehmomentübertragenden Kopplung der Rotorblattnabe mit einer Hauptwelle der Windenergieanlage. Die Erfindung betrifft ferner eine Windenergieanlage mit einer solchen Rotorblattnabe, einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Generator einen Generatorrotor und einen Generatorstator aufweist, und wobei der Generatorrotor und die Rotorblattnabe mit einer Hauptwelle gekoppelt sind.
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Windenergieanlagen der vorbezeichneten Art sind allgemein bekannt. Im Stand der Technik haben sich einerseits Windenergieanlagen etabliert, bei denen die Rotorblattnabe mittels eines häufig mehrstufigen Getriebes mit dem Generator gekoppelt ist, wobei das mehrstufige Getriebe eine Übersetzung der von der Rotorblattnabe vorgegebenen Antriebsbewegung in eine höhere Drehzahl umsetzt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Getriebe zeigen in hohen Belastungssituationen eine erhöhte Anfälligkeit für Störungen und Defekte. Windenergieanlagen mit getriebebehaftetem Antriebsstrang weisen üblicherweise einen Asynchrongenerator auf, der prinzipbedingt hohe Drehzahlen benötigt. Windenergieanlagen mit Getriebesind typischerweise so ausgeführt, dass die Nabe abtriebsseitig mit der zum Getriebe führenden Hauptwelle verbunden ist. Diese Hauptwelle überträgt nicht nur das Antriebsmoment der Windturbine, sondern auch die aus dem Wind, den Turbulenzen, der Dynamik und dem Eigengewicht der Nabe resultierenden Belastungen. Als umlaufendes Teil wird die Hauptwelle dadurch erheblichen Wechselbelastungen ausgesetzt und ist entsprechend zu dimensionieren.
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Demgegenüber haben sich im Stand der Technik insbesondere von der Anmelderin getriebelose Windenergieanlagen etabliert, die einen langsam drehenden, vielpoligen Synchrongenerator einsetzen. Getriebelose Anlagen werden typischerweise direkt innerhalb der Nabe auf einem feststehenden Achszapfen gelagert, wodurch Äußere Belastungen über weitgehend feststehende strukturelle Elemente in den Turm abgeleitet werden.
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Langsam drehende, vielpolige Synchrongeneratoren sind wartungsfreundlich und zuverlässig, erfordern aber prinzipbedingt große Generatordurchmesser, um aufgrund der geringeren Drehzahlen dennoch ausreichende elektrische Energieerzeugung gewährleisten zu können. Aufgrund des Trends zu immer größeren Leistungsklassen deutlich oberhalb von 4 Megawatt besteht diesbezüglich Verbesserungsbedarf.
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Demzufolge lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotorblattnabe der eingangs bezeichneten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehend genannten Nachteile möglichst weitgehend vermieden werden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotorblattnabe der eingangs bezeichneten Art dahingehend zu verbessern, dass sie die Verwendung in Kombination mit kleiner und leichter bauenden Generatoren ermöglicht, wobei die Vorteile des feststehenden Triebstrangkonzeptes möglichst erhalten bleiben sollten. Ferner sollte möglichst die Effizienz in der Gewinnung elektrischer Energie nicht beeinträchtigt werden.
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Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe bei einer Rotorblattnabe der eingangs bezeichneten Art, indem diese mit den Merkmalen von Anspruch 1 ausgebildet ist. Insbesondere schlägt die Erfindung eine Rotorblattnabe vor, die ein einstufiges Getriebe aufweist, welches antriebsseitig drehfest an der Rotorblattnabe montiert ist, und abtriebsseitig den Anschlussabschnitt aufweist. In dem Anschlussabschnitt ist vorzugsweise eine Welle/Nabe-Verbindung zwischen dem einstufigen Getriebe und der Hauptwelle vorgesehen.
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Die Erfindung setzt am Triebstrang der Windenergieanlage an. Die Platzierung eines einstufigen Getriebes direkt an der Rotorblattnabe ermöglicht einen bislang unerreichten Vorteil hinsichtlich der Wartung und des Austauschs des Getriebes. Der weitere Triebstrang in Richtung des Generators kann unverändert bleiben, es muss lediglich an der Rotorblattnabe das Getriebe bearbeitet werden. Ferner wird durch das Integrieren eines einstufigen Getriebes in die Rotorblattnabe ein Paradigmenwechsel möglich. Bislang wurden, insbesondere langsam drehende, Synchrongeneratoren ausschließlich getriebelos betrieben. Es ist im Stand der Technik sogar prinzipiell abgelehnt worden, an Windenergieanlagen mit Synchrongenerator, insbesondere mit langsam drehendem Synchrongenerator, ein Getriebe vorzusehen, weil dies nicht erforderlich war.
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Es hat sich jedoch überraschend herausgestellt, dass durch Auswahl eines lediglich einstufigen Getriebes, welches eine überschaubare Übersetzungsänderung mit sich bringt, eine Erhöhung der Effizienz bezüglich der Erzeugung elektrischer Energie erreicht werden kann. Im Vergleich zu konventionellen Windenergieanlagen können mit der erfindungsgemäßen Rotorblattnabe kleinere Generatoren infolge der Übersetzung des einstufigen Getriebes mit einer höheren Umdrehungszahl betrieben werden. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu den konventionellen Anlagen einer bestimmten Leistungsklasse nun für die gleiche Leistungsklasse kleinere und signifikant leichter bauende Generatoren in der Windenergieanlage zum Einsatz kommen können, während die Vorteile des getriebelosen Triebstrangs erhalten bleiben.
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Das einstufige Getriebe ist vorzugsweise ein übersetzendes Getriebe mit einer Übersetzung in einem Bereich von 1:1,5 bis 1:10.
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Das einstufige Getriebe ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildet, welches ein Sonnenrad, einen Planetenträger mit einer Anzahl von Planetenrädern, und ein Hohlrad aufweist, wobei die Planetenräder mit dem Sonnenrad und mit dem Hohlrad in Eingriff stehen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Sonnenrad des Planetengetriebes abtriebsseitig drehfest mit dem Anschlussabschnitt verbunden bzw. weist diesen Anschlussabschnitt auf. Planetengetriebe haben den Vorteil, dass sie robust sind, wenig Bauraum, insbesondere in axialer Richtung, beanspruchen und moderatere Reibungsverluste mit sich bringen. Eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades in der Gewinnung elektrischer Energie durch Verwendung eines Planetengetriebes wird durch die Steigerung der Energieerzeugung aufgrund der höheren Drehzahl kompensiert.
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Zum Antrieb der Hauptwelle mittels des einstufigen Getriebes bestehen verschiedene gleichermaßen bevorzugte Optionen. Gemäß einer ersten bevorzugten Option ist der Planetenträger des Planetengetriebes antriebsseitig drehfest mit der Rotorblattnabe verbunden. Weiter vorzugsweise ist der Anschlussabschnitt ein erster Anschlussabschnitt, und das Hohlrad weist ferner einen zweiten Anschlussabschnitt zur drehfesten Verbindung mit einem Achszapfen der Windenergieanlage auf. Der Achszapfen wird vorzugsweise dazu genutzt, die Rotorblattnabe in allgemein bekannter Weise zu lagern. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die gesamte Aufnahme der Gewichtskräfte und Windlasten in bekannter Weise durch den Achszapfen gewährleistet wird, so dass das einstufige Getriebe und die Hauptwelle ausschließlich das Drehmoment von der Rotorblattnabe auf den Generator übertragen müssen.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlussabschnitt ein erster Anschlussabschnitt, und der Planetenträger weist einen zweiten Anschlussabschnitt zur drehfesten Verbindung mit einem Achszapfen der Windenergieanlage auf. Weiter vorzugsweise ist dann das Hohlrad des Planetengetriebes antriebsseitig drehfest mit der Rotorblattnabe verbunden.
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Die vorstehenden Ausführungen bezogen sich auf ein Planetengetriebe. Erfindungsgemäß lässt sich ein einstufiges Getriebe allerdings auch vorzugsweise mittels eines Magnetgetriebes realisieren. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist demnach das einstufige Getriebe als Magnetgetriebe ausgebildet, welches anstelle des Sonnenrades einen inneren permanentmagnetischen Ring, anstelle des Planetenträgers einen ferromagnetischen Zwischenring, und anstelle des Hohlrades einen äußeren permanentmagnetischen Ring aufweist. Vorzugsweise ist der innere magnetische Ring des Magnetgetriebes abtriebsseitig drehfest mit dem Anschlussabschnitt verbunden. Weiter vorzugsweise ist der ferromagnetische Ring des Magnetgetriebes antriebsseitig drehfest mit der Rotorblattnabe verbunden. Der Anschlussabschnitt ist vorzugsweise ein erster Anschlussabschnitt, und der äußere permanentmagnetische Ring weist einen zweiten Anschlussabschnitt zur drehfesten Verbindung mit dem Achszapfen der Windenergieanlage auf. Alternativ dazu ist der Anschlussabschnitt ein erster Anschlussabschnitt, und der ferromagnetische Ring weist einen zweiten Anschlussabschnitt zur drehfesten Verbindung mit einem Achszapfen der Windenergieanlage auf. Vorzugsweise ist dann der äußere permanentmagnetische Ring des Magnetgetriebes antriebsseitig drehfest mit der Rotorblattnabe verbunden.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines ersten Aspekts mit Bezug auf die Rotorblattnabe selbst beschrieben. Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe bei einer Windenergieanlage der eingangs bezeichneten Art, indem die Rotorblattnabe nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist. Der Generator ist besonders bevorzugt ein Synchrongenerator. Weiter vorzugsweise ist der Synchrongenerator als langsam drehender, vielpoliger Synchrongenerator ausgebildet. Besonders bevorzugt ist er ein Ringgenerator.
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Unter einem langsam drehenden Generator wird ein Generator verstanden, der mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 100 Umdrehungen/Minute oder weniger rotiert.
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Unter einem vielpoligen Generator werden erfindungsgemäß Generator mit wenigsten 48, 96, insbesondere wenigsten 192 Rotorpolen verstanden.
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Unter einem Ringgenerator wird verstanden, dass die magnetisch aktiven Bereiche des Läufers und Stators, nämlich besonders die Blechpakete des Stators und Läufers, in einem ringförmigen Bereich um den Luftspalt angeordnet, der Läufer und Stator trennt. Dabei ist der Generator in einem inneren Bereich mit einem Radius von wenigstens 50% des mittleren Luftspaltradius frei vom magnetisch wirksamen Bereich.
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Ein Ringgenerator kann auch dadurch definiert werden, dass die radiale Stärke der magnetisch aktiven Teile, oder, anders ausgedrückt, des magnetisch aktiven Bereichs, nämlich die radiale Dicke vom Innenrand des Polrads bis zum Außenrand des Stators, bzw. vom Innenrand des Stators bis zum Außenrand des Läufers, im Falle eines Außenläufers, kleiner als der Luftspaltradius ist, insbesondere dass die radiale Stärke des magnetisch aktiven Bereichs des Generators weniger als 30%, insbesondere weniger als 25% des Luftspaltradius beträgt. Außerdem oder alternativ können Ringgeneratoren dadurch definiert werden, dass die Tiefe, nämlich die axiale Ausdehnung des Generators kleiner als der Luftspaltradius ist, insbesondere dass die Tiefe weniger als 30%, insbesondere weniger als 25% des Luftspaltradius beträgt.
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In bevorzugten Ausgestaltungen, die sich aus den vorstehenden Ausführungen zum ersten Aspekt betreffend die Rotorblattnabe ergeben, ist die Rotorblattnabe mittels eines Anschlussabschnitts drehmomentübertragend mit der Hauptwelle der Windenergieanlage gekoppelt, indem die Rotorblattnabe ein einstufiges Getriebe aufweist, welches antriebsseitig drehfest an der Rotorblattnabe montiert ist, und abtriebsseitig drehfest mit der Hauptwelle verbunden ist. Vorzugsweise weist die Windenergieanlage einen Achszapfen auf. Weiter vorzugsweise ist der Achszapfen drehfest mit dem Planetenträger oder Hohlrad des Planetengetriebes, oder drehfest mit dem ferromagnetischen Ring oder dem äußeren permanentmagnetischen Ring eines Magnetgetriebes verbunden.
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Die Windenergieanlage weist vorzugsweise einen Maschinenträger auf, wobei die Rotorblattnabe auf einer ersten Seite des Maschinenträgers angeordnet ist, der Generator auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Maschinenträgers angeordnet ist, und die Hauptwelle, die vorzugsweise eine Hohlwelle ist, durch den Maschinenträger hindurchgeführt und drehfest mit dem Generatorrotor verbunden ist. Durch die gegenüberliegende Anordnung von Rotorblattnabe und Generator kompensieren sich die von beiden Einheiten ausgeübten Kippmomente, die auf den Maschinenträger wirken, wodurch insgesamt eine weitere Gewichtsersparnis aufgrund der Verwendung kleinerer Lager ermöglicht wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung weist die Windenergieanlage einen Maschinenträger und einen Achszapfen auf, wobei der Generator als Generatormodul direkt an dem Maschinenträger montiert ist, der Achszapfen an dem Generatormodul oder an dem Maschinenträger montiert ist, und die Rotorblattnabe drehbar auf dem Achszapfen gelagert wird. Die Hauptwelle wird hierbei auch durch den Achszapfen hindurchgeführt. In dieser Ausgestaltung wird an der konventionellen Anordnung von Generator und Rotorblattnabe auf derselben Seite bezogen auf den Maschinenträger festgehalten. Als Vorteil wird angesehen, dass auf die bewährten Lagerkonzepte hinsichtlich des Achszapfens, der Rotorblattnabe und der Lagerung der Rotorblattnabe zurückgegriffen werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das einstufige Getriebe der Rotorblattnabe als Vorsatzgetriebe ausgebildet und an einer dem Maschinenträger abgewandten Seite der Rotorblattnabe montiert. Durch diese Konstellation ist das einstufige Getriebe an der vorderen Stirnseite der Rotorblattnabe angeordnet. Das erleichtert nochmals den Zugang zum einstufigen Getriebe von außen, um dies zu warten, instandzusetzen oder auszutauschen. Ferner wird der Wechsel des einstufigen Getriebes und Austausch durch ein einstufiges Getriebe mit anderer Übersetzung bei unverändertem Generator zur Anpassung der Leistungsklasse der Windenergieanlage konstruktiv erleichtert. Dies führt zu einer größeren Gleichteilezahl über verschiedene Leistungsklassen von Windenergieanlagen hinweg und birgt Energievorteile hinsichtlich der Kosten, Fertigung und Lagerhaltung.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische räumliche Ansicht einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung,
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2 eine schematische Querschnittansicht durch die Gondel der Windenergieanlage gemäß 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel, und
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3 eine schematische Querschnittansicht durch eine Gondel der erfindungsgemäßen Windenergieanlage aus 1 einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage 100 gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage 100 durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen Generatorrotor oder Läufer 115 (2) eines Generators 113 (2), welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator 113 ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie.
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In 2 ist das Innenleben der Gondel 104 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die in 1 gezeigten Rotorblätter 108 sind mit einer Rotorblattnabe 1 verbunden. Die Rotorblattnabe 1 ist drehbar auf einem Achszapfen 112 gelagert. Die Rotorblattnabe 1 weist ein einstufiges Getriebe 3 auf, welches über einen korrespondierenden Anschluss 5 mit der Rotorblattnabe 1 verbunden ist. Das einstufige Getriebe 3 weist abtriebsseitig einen Anschlussabschnitt 7 auf, an welchem das einstufige Getriebe 3 mit einer Hauptwelle 111 der Windenergieanlage 104 drehfest gekoppelt ist. Die Hauptwelle 111 bildet den Triebstrang zu dem Generator 113 aus.
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Das einstufige Getriebe 3 weist ein Hohlrad 9 auf. Ein Planetenträger 11 wird mittels einer Anzahl von Planetenrädern 13, die in Eingriff mit dem Hohlrad stehen, relativ zu dem Hohlrad 9 bewegt. Hierdurch wird ein Sonnenrad 15 des einstufigen Getriebes 3, welches den Anschlussabschnitt zur Hauptwelle 111 aufweist, übersetzt angetrieben. Vorzugsweise liegt die Übersetzung des einstufigen Getriebes im Bereich von 1:2,5 bis 1:5.
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Die Hauptwelle 111 ist durch den Achszapfen 112 und einen Maschinenträger 114 der Windenergieanlage 100 hindurchgeführt und drehfest mit dem Generatorrotor 115 des Generators 113 verbunden. Der Generatorrotor 115 wird relativ zu einem Stator 117 umlaufend mittels der Nabe 1 angetrieben, wobei das einstufige Getriebe 3 eine moderate Übersetzung und Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Generatorrotors 115 relativ zur Rotorblattnabe 1 herbeiführt.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Generator 113 relativ zu dem Maschinenträger 114 gegenüberliegend zu der Rotorblattnabe 1 angeordnet. Der Generator 113 ist mittels eines ersten Anschlussflansches 119 an dem Maschinenträger 114 befestigt, während der die Rotorblattnabe 1 lagernde Achszapfen 112 an einem gegenüberliegenden zweiten Anschlussflansch 118 an den Maschinenträger 114 angebunden ist. Der Maschinenträger 114 ist, vorzugsweise mittels einer (nicht dargestellten) Drehverbindung, mit dem Turm 102 verbunden. Mit dem Bezugszeichen A ist die Rotationsachse der Rotorblattnabe 1 und des Generatorrotors 115 gekennzeichnet.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das einstufige Getriebe an dem Sonnenrad 15 mittels eines ersten Anschlussabschnitts 7 mit der Hauptwelle verbunden, und das Hohlrad 9 ist mittels eines zweiten Anschlussabschnitts 17 mit dem Achszapfen 112 drehfest verbunden, so dass sich das Hohlrad 9 nicht um die Achse A dreht. Der Planetenträger 11 rotiert infolge der Verbindung an dem Anschluss 5 mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit wie die mit der Rotorblattnabe 1 verbundenen Rotorblätter um die Achse A. Mittels der Planetenräder 13 wird eine Getriebeübersetzung auf das Sonnenrad 15 bewirkt.
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3 ähnelt strukturell dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, insbesondere bezüglich der Anordnung des Generators 113 relativ zu der Rotorblattnabe 1 auf unterschiedlichen Seiten des Maschinenträgers 114. Was das Ausführungsbeispiel der 3 von dem Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet, ist die Anbindung des einstufigen Getriebes 3. In der Ausführungsform gemäß 3 ist das Hohlrad 9 direkt mittels des Anschlussabschnitts 5 mit der Rotorblattnabe 1 verbunden und mit diese synchronisiert, während der Planetenträger 11 mittels des zweiten Anschlussabschnitts 17 mit dem Achszapfen 112 verbunden und somit festgelegt ist. In dieser Variante wird über eine Rotation des Hohlrades 9 und eine Rotation der ansonsten stationären Planetenräder 13 eine Übersetzung auf das Sonnenrad 15 bewirkt, welches die Hauptwelle 111 mit im Vergleich zu der Rotationsgeschwindigkeit der Rotorblätter 108 erhöhten Geschwindigkeit antreibt.
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In beiden Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 ist das einstufige Getriebe 3 als Vorsatzgetriebe 10 stirnseitig an der Rotorblattnabe 1 angeordnet und somit ohne Beeinflussung des übrigen Triebstrangs jederzeit von der Stirnseite her zugänglich.
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Wie vorstehend ausführlich erläutert wurde, ermöglicht der Einsatz des einstufigen Getriebes 3, insbesondere in seiner Ausführungsform als Vorsatzgetriebe 10, das unkomplizierte Anpassen der jeweils erforderlichen Übersetzung an die Aufstellbedingungen und die gewünschte Leistungsklasse der Windenergieanlage 100, wobei verschiedenen Übersetzungen in Verbindung mit immer demselben Generator 113 zu unterschiedlicher Energieausbeute führen können. Im Vergleich zu einem direkten Antrieb ohne Übersetzung können für die gleiche Leistungsklasse kleinere Generatoren verwendet werden, was massive Einsparungen hinsichtlich der Kosten und des Gewichts der Windenergieanlage 100, insbesondere der Gondel 104 mit sich bringt. Auch die Montagekosten, insbesondere in Verbindung mit den hierfür benötigten Kränen und der Montagezeit sinken aufgrund der Verwendung des einstufigen Getriebes 3, da geringere Lasten zur Gondel 104 der Windenergieanlage 100 hinauf befördert werden müssen.
