DE10318945B3

DE10318945B3 - Getriebeanordnung für Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE10318945B3
Application number: DE10318945A
Authority: DE
Inventors: Sönke Dipl.-Ing. Siegfriedsen
Original assignee: AERODYN GmbH
Current assignee: AERODYN GmbH
Priority date: 2003-04-26
Filing date: 2003-04-26
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-04-27

Abstract

Planetengetriebe für eine Windenergieanlage (WEA), mit einem Getriebegehäuse (14), einem in dem Getriebegehäuse (14) gelagerten, rotierenden Planetenhohlrad (16), das fest mit dem Antriebselement (10) der WEA verbunden ist, auf in einer Planetenträgerplatte (24) befestigten mindestens einem oder mehreren Planetenbolzen (22) gelagerten Planetenrädern (18) und einem Sonnenrad (32), bei der die vordere Getriebelagerung (12) des Planetenhohlrades (16) in der Ebene der Getriebeverzahnung der ersten Getriebestufe angeordnet ist, die Planetenträgerplatte (24) fest mit dem Getriebegehäuse (14) verbunden ist und die Planetenräder (18) auf den mit der Planetenträgerplatte (24) fest verbundenen Planetenbolzen (22) taumelgelagert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung für eine Windenergieanlage (WEA), mit einem rotierenden, gelagerten Planetenhohlrad, auf in einer feststehenden Planetenträgerplatte befestigten Planetenbolzen gelagerten Planetenrädern und einem Sonnenrad, die den besonderen Anforderungen hinsichtlich der Zahneingriffsgüte aufgrund der großen äußeren Kräfte und Momente gerecht wird.

Die Entwicklung von WEA in den letzten Jahrzehnten führte zu stetig steigenden Leistungen, wobei der Trend zu immer kompakteren und leichteren Einheiten anhielt. Dieser Trend hat dazu geführt, dass die in der WEA eingebauten Komponenten zunehmend größeren Verformungen auch in lastübertragenden Teilen ausgesetzt werden. Diese größeren Verformungen, insbesondere unter dynamischen Belastungen, führen vor allem bei Lagern und Getriebeteilen zu örtlich teilweise unzulässig starken lokalen Spannungsüberhöhungen. Und diese wiederum haben eine deutlich Verminderung der Lebensdauer der Komponenten zur Folge. Bei Lagern und Getrieberädern können schon ein Versatz in der Verzahnung oder eine Laufbahnabweichung der Wälzkörper von 10 bis 25 μm durch Verkippungen aufgrund von äußeren Kräften und Momenten zu einer so großen Überlastung führen, das die Bauteile schon nach sehr kurzer Zeit versagen und damit zu erheblichen finanziellen Schäden führen. Ferner hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass eine gezielte Schmierung der Zahneingriffe und der Lager notwendig ist, um die gewünschte Lebensdauer zu erreichen. Getriebe- und Lagerschäden haben in den vergangenen Jahren einige WEA-Hersteller an den Rand des Konkurses geführt. Auch Betreiber von WEA und Versicherer sind von den Schäden finanziell betroffen.

Gerade bei der zunehmenden Größe der WEA ist es notwendig, wirksame Abhilfemaßnahmen gegen die unvermeidlichen Verformungen bei gleichzeitiger Kompaktheit des Maschinensatzes zu realisieren. Dazu sind in der Vergangenheit schon verschiedene Vorschläge gemacht worden.

Durch die WO 02/14690 A1 wird eine Rotorlagerung vorgeschlagen, bei der der Innenring fest über das Getriebehohlrad mit dem Maschinenträger und der Außenring mit der Rotornabe und dem Planetenträger verbunden ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass der Planetenträger und damit die Planetenräder rotieren und dadurch Verzahnungen und Planetenlager nur unzureichend geschmiert werden können, da die Schmierölübertragung auf das rotierende Teil aufwendig und störanfällig ist. Ferner werden die äußeren Lasten über das Hohlrad auf den Maschinenträger abgeleitet, was dadurch verformt wird und damit einen negativen Einfluss auf die Zahneingriffsgüte zwischen Hohlrad und Planetenrad hat.

Die WO 02/79644 A1 schlägt doppelte Planetenräder vor, die an einer nachgiebigen Scheibe gelagert sind, um dadurch ungleichmäßigen Zahneingriffbedingungen ausweichen zu können. Auch bei dieser Lösung sind die o. g. Nachteile gegeben, wobei der Bauaufwand noch deutlich erhöht ist.

Mit der EP 1184567 A2 wird eine Lösung vorgeschlagen, bei der ein Stufenplanetengetriebe verwendet wird und der Rotor direkt im Getriebegehäuse gelagert wird. Die Lagerung soll als Gleitlager ausgeführt werden. Diese geometrische Anordnung hat zur Folge, dass die Rotorkräfte zu Verschiebungen in der Verzahnung führen, die sich auf die Lebensdauer nachteilig auswirken. Weiterhin benötigt die Ausführung eine große Anzahl von Bauteilen, die teilweise extrem genau zueinander positioniert werden müssen, um einen akzeptablen Lastverteilungsfaktor der Drehmomentanteile der einzelnen Planetenräder zu erreichen. Dieses machen die Konstruktion aufwendig, schwer und teuer.

In der WO 96/11338 A1 wird ebenfalls die Rotorlagerung über den Planetenträgern des Getriebes vorgeschlagen. Dabei wirken sich auch hier die sich aus den äußeren Rotorbelastungen ergebenden Verformungen negativ auf den Verzahnungseingriff aus. Eine Ausgleichsmaß nahme ist nicht vorgesehen, so dass mit einem frühzeitigen Verschleiß der Verzahnungen aufgrund von örtlicher Überbelastung zu rechnen ist.

Im Verlauf der Hannover Messe im April 2003 wurde ein Technical Paper: G.P. Fox und E. Jallat, "Use of the integrated Flexpin bearing for improving the performance of epicyclical gear systems" vorgestellt. Darin wird ein zweistufiges Planetengetriebe vorgeschlagen, das sehr kompakt aufgebaut ist, aber den Nachteil hat, dass durch die geometrische Anordnung der beiden Planetenstufen zur Antriebslagerung ein starker Einfluss der äußeren Belastung auf die Zahneingriffsgüte vorliegt. Auch die vorgeschlagene Verwendung von sog. IFB (Integrated Flexpin Bearing) gibt zwar Abhilfe für die Vergleichmäßigung der Belastungen aus Drehmomentübertragung über 5 bzw. 7 Planetenräder, aber nur einen unzureichenden Ausgleich für die vorliegenden Verformungen aus Rotorbelastungen.

Alle diese Vorschläge schaffen keine vollkommene Abhilfe für die o.g. Probleme.

Die Grenzen der fertigungstechnischen Machbarkeit für Großlager und Getriebeverzahnungen für WEA ist mit der 4–5 MW-Klasse in herkömmlicher Bauweise erreicht worden. Rotorlager und Hohlräder von Planetengetrieben mit ca. 3 m Außendurchmesser und Breiten von ca. 500 mm stellen derzeit das Maximum der Herstellbarkeit dar. Mit diesen Abmessungen kann bei Verwendung von drei Planetenrädern maximal das Drehmoment einer ca. 5 MW-Anlage übertragen werden. Die große Zahnbreite führt zu Problemen des gleichmäßigen Eingriffes der Verzahnung über die gesamte Breite der Zähne wenn äußere Belastungen auf diese Bauteile einwirken. Dadurch ist es erforderlich, dass die Planetenräder der ihr aufgezwungenen Verformung, vor allem der Verkippung um die Achsen senkrecht zur Rotationsachse der Planetenräder, ausweichen können, um die Zahneingriffe in allen Lastsituation möglichst optimal also gleichmäßig über die Zahnbreite stattfinden zu lassen.

Ferner besteht bei herkömmlichen Planentengetrieben das Problem, dass die Planetenräder rotieren und damit eine kontrollierte Versorgung der Planetenlager und der Zahneingriffe mit dem Schmierstoff schwierig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der gewünschten Kompaktheit der Triebstrangeinheit, bestehend aus Rotorlagerung und Getriebe, die negative Wirkung der äußeren Rotorbelastungen auf die Lager und die Getriebekomponenten zu minimieren, um die vorgesehene Lebensdauer zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass sich die vordere Getriebelagerung des Planetenhohlrades in einer Ebene oder nahezu in einer Ebene mit der Mittelebene der Getriebeverzahnung angeordnet ist, die Planetenträgerplatte fest mit dem Getriebegehäuse verbunden ist und die Planetenräder auf den mit der Planetenträgerplatte fest verbundenen Planetenbolzen taumelgelagert sind. Dabei können die Planetenräder senkrecht zu ihrer Rotationsachse begrenzte Verdrehungen ausführen.

Das vordere Getriebelager, das die Lasteinleitung der Querkräfte und ggf. der Axialkräfte und Biegemomente in das Getriebegehäuse vornimmt, ist so angeordnet, dass der Außenring des Lagers mit dem Gehäuse ortsfest verbunden ist und der Innenring des Lagers in einer Ebene, möglichst mittig zur Verzahnung direkt oder indirekt mit dem Hohlrad der ersten Getriebestufe verbunden ist. Somit wird das Hohlrad direkt durch die Nabe oder die Antriebswelle vom Rotor der WEA angetrieben. Durch diese geometrische Anordnung wirken sich vor allem die Biegemomente des Rotors so aus, dass es nur zu einer geringen Verkippung des Hohlrades quer zur Rotationsachse führt, ohne dass es zu größeren radialen Verschiebungen in dem Bereich der Zahneingriffe kommt. Damit ist die Voraussetzung geschaffen, dass nur noch ein geringfügiger Winkelausgleich der Planetenrädereinstellung erfolgen muss, um den Zahneingriff unter allen Lastsituationen optimal stattfinden zu lassen. Die Planetenräder der ersten Stufe sind dabei über eine Drehlagerung in Verbindung mit einem Taumellagerelement auf dem Planetenbolzen angebracht, wobei diese wiederum ortsfest in einer Planetenträgerplatte befestigt sind, die wiederum mit dem Gehäuse verbunden ist. Zweck des Taumellagerelements ist es, dem Planetenrad bei Verkippen des Hohlrades eine gleichsinnige Bewegung zu ermöglichen. Das dafür notwendige Moment auf das Taumellagerelement entsteht durch die nicht konstante Linienbelastung am Zahneingriff während des Kantentragens. So kann sich das Planetenrad bei Winkelabweichungen zwischen den Achsen sauber zu dem Hohlrad positionieren und stellt eine relativ gleichmäßige Linienlast ein. Die Sonne wiederum passt sich den Planetenrädern an und gewährleistet so ebenfalls ein konstantes Tragen. Mit Hilfe eines solchen Taumellagerelementes kann das schädliche Kantentragen der Verzahnung effektiver vermieden werden. Die Drehlagerung der Planetenräder kann durch Wälzlager oder Gleitlager realisiert werden. Um die erforderliche taumelnde Drehfähigkeit der Planetenräder zu erreichen, ist z. B. eine sphärische Gleitlagerlagerung oder die Verwendung einer Elastomerbuchse in Verbindung mit einem separaten Drehlager vorteilhaft. Die sphärische Gleitlagerung zeichnet sich aufgrund der großen Gleitfläche durch hohe radiale Steifigkeit und aufgrund der ungehinderten Drehfähigkeit durch geringe Rückstellmomente bei Taumelbewegungen aus. Die Verwendung von Elastomerbuchsen mit separaten Drehlagern zeichnet sich durch eine geringfügige radiale Ausgleichsfähigkeit aus, wodurch bei der Verwendung einer Vielzahl von Planetenrädern ein wirksamer Ausgleich von Fertigungstoleranzen der Bauteile stattfindet und es zu einer Vergleichmäßigung der Lastverteilung unter der Vielzahl der Planetenräder kommt. Beide Lagerungen ermöglichen das Verkippen der Planetenräder quer zu ihrer Rotationsachse, wodurch sie sich den Verformungen des Hohlrades problemlos einstellen, ohne dass größere Bauteilbeanspruchungen in den Komponenten auftreten oder ungleichmäßiges Flankentragen der Zahneingriffe mit den beschriebenen Nachteilen stattfindet. Durch die ortsfest stehenden Planetenbolzen kann auf einfache und betriebssichere Weise die Planetenverzahnung und die Planetenlagerung mit dem erforderlichen Schmierstoff versorgt werden, ohne aufwendige Dreheinführung in rotierende Teile verwenden zu müssen. Damit ist eine Konstruktion geschaffen, die einen optimalen Lastenausgleich schafft, zu minimalen Strukturbeanspruchungen führt und eine exakte Schmierung der Planetenlagerungen und Zahneingriffe ermöglicht und damit eine hohe Betriebssicherheit und lange Lebensdauer gewährleistet.

In den meisten der Anwendungsfälle von Planetengetrieben werden drei Planetenräder eingesetzt, da dadurch einfach eine gleichmäßige Lastverteilung sichergestellt werden kann. Wenn es aber gelingt, eine größere Anzahl von Planetenrädern konstruktiv so unterzubringen, dass eine gute Lastverteilung gegeben ist, können bei gegebenem Hohlraddurchmesser und Zahnbreite deutlich höhere Drehmomente und Leistungen übertragen werden. Oder es kann bei gegebenen Drehmoment und Hohlraddurchmesser die Zahnbreite vermindert werden, was zu einer Verminderung der Probleme mit einem exakten Zahneingriff unter äußeren Lasten führt.

Nachteilig bei der Verwendung einer größeren Anzahl von Planetenrädern ist die Abnahme des möglichen Übersetzungsverhältnisses. Wenn also eine höhere Übersetzung erforderlich ist muss eine zweite Stufe, sinnvoller Weise eine weitere Planetenstufe dahinter geschaltet werden. Dabei wird z. B. das Sonnenrad der ersten Stufe mit dem Hohlrad der zweiten Stufe verbunden. Dadurch hat dann auch die zweite Stufe ortsfeste Planetenräder, die einfach und wirkungsvoll geschmiert werden können.

Wenn das vordere Getriebelager als Momentenlager ausgeführt wird, das in der Lage ist, die Rotorkräfte und -momente alleine zu übertragen, baut die komplette Rotorlager- und Getriebeeinheit sehr kompakt, leicht und kostengünstig. Das Getriebegehäuse wird dann gleichzeitig zum Maschinengehäuse der kompletten WEA, an dem dann auch alle weiteren Komponenten angebaut werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergebenden Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
1 ein einstufiges Planetengetriebe,
2 ein zweistufiges Planetengetriebe,
3 ein Beispiel eines taumelnden Drehlagerelements,
4 ein weiteres Beispiel eines taumelnden Drehlagerelements und
5 die komplette Gondel einer mit einem solchen Getriebe versehenen Gondel.
1 zeigt eine erste Planetengetriebestufe mit dem Antriebselement 10, das die Antriebswelle oder die Rotornabe der WEA sein kann, dem vorderen Getriebelager 12, dessen feststehender Außenring mit dem Getriebegehäuses 14 und dessen rotierender Innenring mit dem Planetenhohlrads 16 verbunden ist. Das Getriebelager 12 liegt dabei in der Mittelebene 13 der Planetenverzahnung 18. Die Planetenräder 18 sind über taumelnde Drehlagerelemente 20 auf den jeweiligen Planetenbolzen 22 befestigt. Die Planetenbolzen 22 sind in einer Planetenträgerplatte 24 befestigt, die wiederum mit dem Getriebegehäuse 14 fest verbunden sind. Eine vordere Dichtung 26, die Dichtplatte 28 und die hintere Dichtung 30 schließen den ölbeaufschlagten Getrieberaum nach außen ab. Das Sonnenrad 32 überträgt die Antriebsleistung an die nachfolgenden Elemente des Abtriebsstrangs.
2 zeigt eine zweistufige Ausführung des Planetengetriebes. Dabei sind in der ersten Stufe die gleichen Elemente vorhanden wie in der 1. Zusätzlich wird das Sonnenrad der ersten Stufe 32 über einen Verbindungsflansch 34 mit dem Hohlrad einer zweiten Stufe 36 verbunden, wobei diese Baugruppe über ein Fixierungslager 38 und die Planetenträgerplatte 24 im Getriebegehäuse 14 gelagert ist. Das Hohlrad der zweiten Stufe 36 treibt die Planetenräder 40 an, die wiederum über taumelnde Drehelemente 42 auf den Planetenbolzen 44 gelagert sind. Die Planetenbolzen 44 sind in einer Planetenträgerplatte 46 befestigt, die wiederum mit dem Getriebegehäuse 14 verbunden ist. Über eine einfach- oder doppeltkardanische Sonnenradaufhängung 48 wird die Antriebsleistung an die folgenden Elemente wie Generator oder ein weiteres Getriebe übertragen. Die hintere Dichtung 30 schließt den ölbeaufschlagten Getrieberaum ab.
3 zeigt das Detail eines Ausführungsbeispiels eines taumelnden Drehlagerelementes mit einer Elastomerbuchse 50, die mit ihrer Innenseite auf dem Planetenbolzen 44 angeordnet ist und auf ihrer Außenseite das Drehlager 52 trägt. Die Anordnung des Elastomers ermöglicht dem Planetenrad 18 die gewünschte taumelnde Bewegung bei relativ geringen Rückstellkräften und gleichzeitig hoher radialer Steifigkeit. Das Drehlager 52 stellt die Verbindung zum Planetenrad 18 mit der Außenverzahnung 54 her und kann als Wälz- oder Gleitlager ausgeführt werden. Die Anordnung von Elastomerbuchse 50 und Drehlager 52 kann auch in radial umgekehrter Weise ausgeführt werden. Über die Ölzuführungsbohrung 56 wird das Schmiermittel durch die Versorgungsbohrungen 58a, 58b in das Drehlager 52 und die Verzahnung 54 geführt.
4 zeigt das Detail einer alternativen Ausbildung des taumelnden Drehlagerelementes, das als sphärisches Gleitlager 60 mit Innenkugelelement 62 und Außenelement 64 ausgeführt ist. Auf dem Außenelement 64 ist das Planetenrad 18 mit der Verzahnung 54 angeordnet. Die Ölzuführungsbohrung 56 versorgt über die Versorgungsbohrungen 58 das sphärische Gleitlager 60 und die Verzahnung 54 mit dem notwendigen Schmiermittel.
5 zeigt eine komplette WEA-Gondel mit der erfindungsgemäßen Getriebeanordnung, wobei das vordere Getriebelager 12 als Momentenlager ausgeführt ist, das alle Rotorlasten aus Kräften und Momenten übernehmen und auf den Maschinenträger 14 übertragen kann. Ein separates Getriebegehäuse kann entfallen. Das Antriebselement 10 ist in diesem Fall direkt die Rotornabe der WEA, die mit dem Planetenhohlrad 16 verbunden ist. Das Hohlrad 16 ist mit dem Innenring 66 des Momentenlagers verbunden und der Außenring 68 mit dem Maschinenträger 14. Die vordere Dichtung 26, die Dichtplatte 28 und die hintere Dichtung 30 schließen den ölbeaufschlagten Getrieberaum nach außen ab. Auf der dem Rotor entgegengesetzten Seite ist der Generator 70 in den Maschinenträger 14 integriert. Dadurch wird eine sehr kompakte und leichte Einheit realisiert. Der Generator 70 besteht aus dem feststehenden Stator 72, der über das Generatorgehäuse 86 mit dem Maschinenträger 14 fest verbunden ist. Der Rotor 74 des Generators 70 ist über ein Kupplungselement 76 mit der Generatorwelle 78 verbunden, die wiederum durch die Lagerung 80 gelagert ist. Die Verbindung zwischen der Getriebeabtriebswelle 82 und der Generatorwelle 78 wird durch eine Verbindungswelle 84 hergestellt.

Claims

Planetengetriebe für eine Windenergieanlage (WEA), mit einem Getriebegehäuse (14), einem in dem Getriebegehäuse (14) gelagerten, rotierende Planetenhohlrad (16), das fest mit dem Antriebselement (10) der WEA verbunden ist und mit auf mindestens einer in einer Planetenträgerplatte (24) befestigten Planetenbolzen (22) gelagerten Planetenrädern (18) und einem Sonnenrad (32), dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Getriebelagerung (12) des Planetenhohlrades (16) in der Ebene der Getriebeverzahnung der ersten Getriebestufe angeordnet ist, die Planetenträgerplatte (24) fest mit dem Getriebegehäuse (14) verbunden ist und die Planetenräder (18) auf den mit der Planetenträgerplatte (24) fest verbundenen Planetenbolzen (22) taumelgelagert sind.
Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Getriebelagerung (12) des Planetenhohlrades (16) in der Mittelebene der Getriebeverzahnung der ersten Getriebestufe angeordnet ist.
Planetengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (10) direkt die Rotornabe der Windenergieanlage ist.
Planetengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebegehäuse (14) der Maschinenträger für die ganze WEA ist.
Planetengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Getriebelager (12) ein Momentenlager ist.
Planetengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (18) über Elastomerbuchsen (50) auf den Planetenbolzen (22) taumelgelagert sind.
Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (18) über ein sphärisches Gleitlager (60) auf den Planetenbolzen (22) taumelgelagert sind.
Planetengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenbolzen mit Schmierstoffzufuhrbohrungen (56, 58) versehen sind.
Planetengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Planetengetriebestufe, wobei das Sonnenrad (32) der ersten Stufe über einen Verbindungsflansch (34) mit den Hohlrad (36) der zweiten Stufe verbunden ist, die Planetenräder (40) der zweiten Stufe ortsfest sind und das zweite Sonnenrad (48) den langsam drehenden Generator der WEA antreibt.
Planetengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Planetenräder > 3 ist.