DE102020202904A1

DE102020202904A1 - Gondel für eine Windkraftanlage und Windkraftanlage mit einer solchen Gondel

Info

Publication number: DE102020202904A1
Application number: DE102020202904.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gondel für eine Windkraftanlage mit einem geringeren Gewicht und eine Windkraftanlage mit einer solchen Gondel. Durch die Kombination eines vergleichsweise kleinen mechanischen Getriebes mit einem ein- oder mehrstufigen Hybridgetriebe, mit Zahnrädern und Riemen zur Kraftübertragung ergibt sich ein geringeres Gewicht als bei einem reinen Riemengetriebe, da die Wellenräder mit den Treibriemen erheblich kleinere Durchmesser und damit ein geringeres Gewicht aufweisen. Durch die lösbare mechanische Kupplung zwischen den beiden Getriebeeinheiten werden diese konstruktionstechnisch voneinander entkoppelt und können unabhängig voneinander optimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gondel für eine Windkraftanlage nach Anspruch 1 und eine Windkraftanlage mit einer solchen Gondel nach Anspruch 12.
Bei den meisten im Einsatz befindlichen Windkraftanlagen ist der Generator mit dem Rotor am oberen Ende des Turms einer drehbaren Gondel 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 W02015/121487A1 oder der DE4301342C1 bekannt.
Aus der W02018/134413 A1 ist es bekannt in dieser Gondel eine Getriebeanordnung mit einer ersten und einer zweiten Getriebeeinheit vorzusehen, wobei die erste Getriebeeinheit ein Zahnradgetriebe und die zweite Getriebeeinheit ein Riemengetriebe ist. Durch die Kombination eines vergleichsweise kleinen Zahnradgetriebes mit einem ein- oder mehrstufigen Riemengetriebe können hohe Drehzahlen an der Generatorwelle erreicht werden, was die Verwendung von kleineren und leichteren Generatoren ermöglicht. Allerdings eine solche Getriebeanordnung und damit auch die Gondel immer noch vergleichsweise schwer.
Ausgehend von der W02018/134413 A1 ist es Aufgabe der Erfindung das Gewicht der Gondel weiter zu verringern. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Windkraftanlage mit einer solchen Gondel anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 12.
Durch die Kombination eines vergleichsweise kleinen mechanischen Getriebes mit einem ein- oder mehrstufigen Hybridgetriebe, mit Zahnrädern und Riemen zur Kraftübertragung ergibt sich ein geringeres Gewicht als bei einem reinen Riemengetriebe, da die Wellenräder mit den Treibriemen erheblich kleinere Durchmesser und damit ein geringeres Gewicht aufweisen. Durch die lösbare mechanische Kupplung zwischen den beiden Getriebeeinheiten werden diese konstruktionstechnisch voneinander entkoppelt und können unabhängig voneinander optimiert werden.
Durch die vorteilhafte Elastomerkupplung bzw. Klauenkupplung nach Anspruch 2 werden Windstöße auf den Rotor von der zweiten Getriebeeinheit abgekoppelt-Zusätzlich können Fertigungs- und Montagetoleranzen zwischen den beiden Getriebeeinheiten in axialer Richtung und quer zur axialen Richtung ausgeglichen werden. Der Elastomerkranz kann auch aus Gummi oder einem anderen Kunststoff bestehen.
Die vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 bis 5 stellen eine kostengünstige Getriebekupplung dar, da Laderreifen oder Reifen von großen Baustellenfahrzeugen äußerst robust und kostengünstig sind. Die Gummireifen weisen üblicherweise eine Karkasse aus Stahl auf. Auch Karkassen aus GFK oder Karbonfasern sind vorteilhaft. Die Klauenelemente greifen in das Profil der Laderreifen ein und Erzeugen den notwendigen Kraftschluss. Durch Einquetschen des Laderreifens zwischen den beiden Klauenelementen wird zusätzlich ein Reibschluss zur Kraftübertragung erzeugt. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von Luftreifen besteht darin, dass durch den Luftdruck im Reifen die Steifigkeit und damit die Möglichkeit der größeren Kraftübertragung durch Reib- und Formschluss zwischen den beiden Klauenelementen eingestellt werden kann.
Gemäß den vorteilhaften Ausgestaltungen nach Anspruch 8 bis 13 eignet sich insbesondere ein Hybridgetriebe gemäß der W02018/134413 A1 als zweite Getriebeeinheit. Dieses bekannte Hybridgetriebe zeichnet sich durch eine ideale Verschmelzung der Eigenschaften eines Zahnrad-Planetengetriebes mit einem Riemengetriebe aus. Insoweit wird auf die Offenbarung der W02018/134413 A1 vollinhaltlich Bezug genommen.
Die Elastomerkupplung nach Anspruch 3- 5 kann für die Verbindung von beliebigen Wellen genutzt werden - Anspruch 15 und 16.
Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine Seitenansicht der ersten Ausführungsform;
3 ist eine Ansicht von oben der ersten Ausführungsform;
4 ist eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine perspektivische Detaildarstellung der zweiten Getriebeeinheit und des Generators der ersten Ausführungsform von einer Seite;
6 ist eine perspektivische Detaildarstellung der zweiten Getriebeeinheit und des Generators der ersten Ausführungsform von der anderen Seite;
7 ist eine perspektivische Detaildarstellung der zweiten Getriebeeinheit und der zwei Generatoren der zweiten Ausführungsform von einer Seite;
8 ist eine perspektivische Detaildarstellung der zweiten Getriebeeinheit und der zwei Generatoren der ersten Ausführungsform von der anderen Seite; und
9 zeigt eine Tabelle mit verschiedenen Leistungsklassen des Hybridgetriebes der zweiten Getriebeeinheit.

Die 1 bis 3 und 5 und 6 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einer Gondel 100 die drehbar auf dem Turm 102 einer Windkraftanlage angeordnet ist. Die Gondel 100 umfasst einen Rotor 104, der über eine Rotorwelle 105 eingangsseitig mit einer Getriebeanordnung 106 verbunden ist. Die Getriebeanordnung 16 ist ausgangsseitig mit einem Generator 34 verbunden.
Die Getriebeanordnung 106 umfasst eine erste und eine zweite Getriebeeinheit 110, 112. Die erste Getriebeeinheit 110 ist ein Planetengetriebe und ist eingangsseitig mit der Rotorwelle 105 verbunden. Die zweite Getriebeeinheit 112 ist ein Hybridgetriebe wie es aus der W02018/134413 A1 bekannt ist. Insofern wird auf die Offenbarung der W02018/134413 A1 vollinhaltlich Bezug genommen.
Die 5 und 6 zeigen das Hybridgetriebe 112 der ersten Ausführungsform der Gondel 100 mit einem Sonnenrad bzw. Sonnenzahnrad 1, zwei Planten-Einheiten 6 und einer Schnellläufer-Einheiten 14, die einen Generatoren 34 antreiben. Das Sonnenrad 2 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Halteplatte 22-1, 22-2 auf einer langsam drehenden Getriebewelle 4 angeordnet, die in den beiden Halteplatten 22-1, 22-2 gelagert ist. Die beiden Halteplatten 22-1, und 22-2 bilden einen gemeinsamen Rahmen oder Träger 22. Die zwei Planeten-Einheiten 6 umfassen jeweils ein Planetenzahnrad 8 und ein Planetenwellenrad 10, die auf einer gemeinsamen Planetenwelle 12 in den Halteplatten 22-1, 22-2 gelagert sind. Die kleineren Planetenzahnräder 8 kämmen mit dem Sonnenrad 2 und drehen die größeren Planetenwellenräder, die damit eine erste Getriebestufe bilden. Eine Planeten-Einheiten 6 ist in der ersten Halteplatte 22-1 gelagert und die zweite Planeten-Einheiten 6 ist in der zweiten Halteplatte 22-2 gelagert. Beiden Planten-Einheit 6 sind über einen Treibriemen 20 mit der Schnellläufer-Einheit 14 gekoppelt. Die Schnellläufer-Einheit 14 umfasst eine schnell drehende Getriebewelle 18, die in der ersten und zweiten Halteplatte 22-1, 22-2 gelagert ist. Die Schnellläufer-einheit 14 umfasst ein Schnellläuferwellenrad 16, das auf der Außenseite der Halteplatte 22-2 im Endbereich der schnell drehenden Getriebewelle 18 angeordnet ist. Die Treibriemen 20 koppeln die zwei Planetenwellenräder 10 mit den zwei Schnellläuferwellenrädern 16. Der Durchmesser der Planetenwellenräder 10 ist größer als der Durchmesser der Schnellläuferwellenräder 16, wodurch eine zweite Getriebestufe gebildet ist. Die schnell drehende Getriebewelle 18 treibt den Generator 34 an.
Die beiden Getriebeeinheiten 110, 112 sind über eine lösbare Elastormer- oder Klauenkupplung 114 miteinander verbunden. Die Elastormerkupplung 114 umfasst ein erstes und ein zweites Klauenelement 116, 117, die über einen elastischen Zahnkranz 118 in Form eines Laderreifens ineinandergreifen. Die langsam drehende Getriebewelle 4 ist über die Elastomerkupplung 114 mit dem Ausgang des Planetengetriebes verbunden.
Die 4 und 7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einer Gondel 100 die drehbar auf dem Turm 102 einer Windkraftanlage angeordnet ist. Die Gondel 100 umfasst einen Rotor 104, der über eine Rotorwelle 105 eingangsseitig mit einer Getriebeanordnung 106 verbunden ist. Die Getriebeanordnung 16 ist ausgangsseitig mit zwei Generatoren 34 verbunden.
Die 7 bis 8 zeigen das Hybridgetriebe der zweiten Ausführungsform der Gondel 100 mit einem Sonnenrad bzw. Sonnenzahnrad 1, vier Planten-Einheiten 6 und zwei Schnellläufer-Einheiten 14, die jeweils über eine dritte Getriebestufe zwei Generatoren 34 antreiben. Das Sonnenrad 2 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Halteplatte 22-1, 22-2 auf einer langsam drehenden Getriebewelle 4 angeordnet, die in den beiden Halteplatten 22-1, 22-2 gelagert ist. Die beiden Halteplatten 22-1, und 22-2 bilden einen gemeinsamen Rahmen oder Träger 22. Die vier Planeten-Einheiten 6 umfassen jeweils ein Planetenzahnrad 8 und ein Planetenwellenrad 10, die auf einer gemeinsamen Planetenwelle 12 in den Halteplatten 22-1, 22-2 gelagert sind. Die kleineren Planetenzahnräder 8 kämmen mit dem Sonnenrad 2 und drehen die größeren Planetenwellenräder, die damit eine erste Getriebestufe bilden. Zwei Planeten-Einheiten 6 sind in der ersten Halteplatte 22-1 gelagert und zwei Planeten-Einheiten 6 sind in der zweiten Halteplatte 22-2 gelagert. Jeweils eine in der ersten und zweiten Halteplatte 22-1, 22-2 gelagerte Planten-Einheit 6 ist über einen Treibriemen 20 mit einer der beiden Schnellläufer-Einheiten 14 gekoppelt. Die Schnellläufer-Einheiten 14 umfassen jeweils eine schnell drehende Getriebewelle 18, die in der ersten und zweiten Halteplatte 22-1, 22-2 gelagert sind. Jede Schnellläufer-einheit 14 umfasst zwei Schnellläuferwellenräder 16, die auf den Außenseiten der beiden Halteplatten 22-1 und 22-2 im Endbereich der jeweiligen schnell drehenden Getriebewelle 18 angeordnet sind. Die Treibriemen 20 koppeln die vier Planetenwellenräder 10 mit den zwei Schnellläuferwellenrädern 16. Der Durchmesser der Planetenwellenräder 10 ist größer als der Durchmesser der Schnellläuferwellenräder 16, wodurch eine zweite Getriebestufe gebildet ist. Auf den den Generatoren 24 zugewandten Enden der beiden schnell drehenden Getriebewellen 18 ist jeweils ein erstes Wellenrad 24 der dritten Getriebestufe angeordnet, das über einen Treibriemen 20 mit einem zweiten Wellenrad 26 der dritten Getriebestufen gekoppelt ist. Das zweite Wellenrad 26 weist einen kleineren Durchmesser als das erste Wellenrad 24 auf. Das zweite Wellenrad 26 der dritten Getriebestufe ist auf einer weiteren schnelllaufenden Getriebewelle 28 angeordnet, die die Generatorwelle bildet und die beiden Generatoren 34 antreibt.
9 zeigt eine Tabelle mit verschiedenen Leistungsklassen des Hybridgetriebes 112 der zweiten Getriebeeinheit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/121487 A1 [0002]
DE 4301342 C1 [0002]
WO 2018/134413 A1 [0003, 0004, 0009, 0013]

Claims

Gondel (100) für eine Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Rotor (104), der mit einer Rotorwelle (105) verbunden ist, einer Getriebeanordnung (106) und wenigstens einem Generator (34), wobei die Rotorwelle (105) eingangsseitig und der Generator (34) ausgangsseitig mit einer Getriebeanordnung (106) gekoppelt ist, wobei die Getriebeanordnung (106) eine erste und eine zweite Getriebeeinheit (110, 112) umfasst, wobei die erste Getriebeeinheit (110) ein Zahnradgetriebe ist, und wobei die zweite Getriebeeinheit (112) Riemen (20) zur Kraftübertragung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Getriebeeinheit (112) zusätzlich Zahnräder (2, 8) zur Kraftübertragung umfasst, und dass die erste und zweite Getriebeeinheit (110, 112) über eine mechanische Kupplung (114) lösbar miteinander verbunden sind.
Gondel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kupplung (114) zwischen den beiden Getriebeeinheiten (110, 112) eine Elastomerkupplung ist, und dass die Elastormerkupplung (114) einen elastischen Zahnkranz (118), ein erstes Klauenelement (116) und ein zweitens Klauenelement (117) aufweist, und dass die beiden Klauenelemente (116, 117) mit dem elastischen Zahnkranz (118) dazwischen ineinandergreifen.
Gondel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Zahnkranz (118) ein Luftreifen von Baufahrzeugen und insbesondere ein Laderreifen ist.
Gondel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Klauenelemente (116, 117) am Profil des Reifens (118) angreifen und dass die beiden Klauenelemente (116, 117) den Reifen (118) zwischen sich einklemmen.
Gondel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen (118) eine Karkasse aus Stahl, GFK oder Karbonfasern aufweist.
Gondel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Getriebeeinheit (110) ein Planetengetriebe ist.
Gondel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (105) eingangsseitig mit der ersten Getriebeeinheit (110) verbunden ist und dass die zweite Getriebeeinheit (112) ausgangsseitig mit dem wenigstens einen Generator (34) verbunden ist.
Gondel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Getriebeeinheit (112) umfasst: ein Sonnenzahnrad (2), das auf einer langsam drehenden Getriebewelle (4) montiert ist, wenigstens einer Planeten-Einheit (6), die ein Planetenzahnrad (8) und ein wenigstens ein Planetenwellenrad (10) umfasst, die nebeneinander auf einer Planetenwelle (12) montiert sind, wobei der Durchmesser der Planetenwellenräder (10) größer als der Durchmesser des Planetenzahnrads (8) ist, wobei das Planetenzahnrad (8) mit dem Sonnenzahnrad (2) in Eingriff steht, und wobei der Durchmesser des Sonnenzahnrads (2) größer ist als der Durchmesser der Planetenwellenräder (10), wenigstens einer Schnellläufer-Einheit (14) mit einer schnell drehenden Getriebewelle (18) auf der wenigstens ein Schnellläuferwellenrad (16) montiert ist, wobei der Durchmesser des wenigstens einen Schnellläuferwellenrads (16) kleiner ist als der Durchmesser der Planetenwellenräder (10), und einer Mehrzahl von Treibriemen (20), die jeweils mit einem Planetenwellenrad (10) und dem wenigstens einen Schnellläuferwellenrad (16) in Eingriff stehen, wobei die langsam drehende Getriebewelle (4) und die Planetenwellen (12) parallel und mit Abstand zueinander angeordnet sind, und wobei die schnell drehende Getriebewelle mit dem Generator gekoppelt ist.
Gondel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Planeten-Einheiten (6) vorgesehen ist, die jeweils ein Planetenzahnrad (8) und wenigstens ein Planetenwellenrad (10) umfassen, die nebeneinander auf der Planetenwelle (12) montiert sind.
Gondel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der schnell drehenden Getriebewelle (18) der wenigstens einen Schnellläufer-Einheit (14) ein erstes Wellenrad (24) einer dritten Getriebestufe montiert ist, dass ein zweites Wellenrad (26) der dritten Getriebestufe auf einer weiteren schnell laufenden Getriebewelle (28) montiert ist und dass ein weiterer Treibriemen (20) das erste und zweite Wellenrad (24, 26) der dritten Getriebestufe umschlingt und mit den beiden Wellenrädern (24, 26) in Eingriff steht.
Gondel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der schnell laufenden Getriebewelle (18) der wenigstens einen Schnellläufer-Einheit (14) im Abstand zueinander zwei Schnellläuferwellenräder (16) montiert sind, die jeweils mit den Treibriemen (20) unterschiedlicher Planeten-Einheiten (6) in Eingriff stehen.
Gondel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Planeten-Einheiten (6) jeweils ein erstes und ein zweites Planetenwellenrad (10) umfassen, die auf der Planetenwelle (12) montiert sind, dass das Planetenzahnrad (8) zwischen den beiden Planetenwellenrädern montiert ist, dass die wenigstens eine Schnellläufer-Einheit (14) ein erstes und ein zweites Schnellläuferwellenrad (16) umfasst, die im Abstand zueinander auf der schnell drehenden Getriebewelle montiert sind.
Gondel nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schnellläufer-Einheiten (14) vorgesehen sind, die mit einem ersten und mit einem zweiten Generator verbunden sind.
Windkraftanlage mit einem Turm (102) und einer am oberen Ende des Turms (102) drehbar angeordneten Gondel (100), gekennzeichnet durch eine Gondel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Klauen- bzw. Elastomerkupplung zur Verbindung von zwei Drehwellen, mit einem ersten Klauenelement (116), einem zweiten Klauenelement (117) und einem zwischen den beiden Klauenelement eingeklemmten elastischem Kopplungselement in Form eines Laderreifens oder eines Reifens von Baufahrzeugen mit Profil, wobei die Klauenelemente in das Profil des Reifens eingreifen.
Klauen- bzw. Elastomerkupplung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen (118) eine Karkasse aus Stahl, GFK oder Karbonfasern aufweist.
Klauen- bzw. Elastomerkupplung nach anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen (118) ein Luftreifen ist.