DE202017100294U1

DE202017100294U1 - Windkraftanlage

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Publication number: DE202017100294U1
Application number: DE202017100294.2U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2027-01-21

Abstract

Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Turm (1), der ein oberes und ein unteres Ende aufweist, einem an dem oberen Ende des Turms (1) angeordneten Rotor (2), wenigstens einem Generator (10), der am oberen Ende des Turms (1) angeordnet ist und der mechanisch mit dem Rotor (2) gekoppelt ist, und einem Riemengetriebe (8) zwischen Rotor und Generator, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zwischen Rotor (2) und Generator (10) ein mechanisches Getriebe (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage nach Anspruch 1 bei der am oberen Ende eines Turms Rotor und Generator angeordnet ist. Der Rotor ist über ein Getriebe mechanisch mit dem Generator gekoppelt.
Bei den meisten im Einsatz befindlichen Windkraftanlagen ist der Generator mit dem Rotor am oberen Ende des Turms 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 WO2015/121478A1 oder der DE4301342C1 bekannt.
Ausgehend von der WO2015/121478A1 ist es Aufgabe der Erfindung das Kopfgewicht einer Windkraftanlage bei gleicher elektrischer Leistung zu verringern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Durch die Kombination eines vergleichsweise kleinen mechanischen Getriebes mit einem ein- oder mehrstufigen Riemengetriebe können zum einen hohe Drehzahlen an der Generatorwelle erreicht werden, was die Verwendung von kleineren und leichteren Generatoren ermöglicht. Zum anderen sind durch den Einsatz von zwei Getrieben jeweils kleinere Übersetzungen pro Getriebe möglich. Die Verwendung eines mechanischen Getriebes erlaubt den Rückgriff auf bewährte und ausgereifte Technologie, wobei Gewicht und Baugröße vergleichsweise klein bleiben können, da das mechanische Getriebe nur einen Teil der Übersetzung leisten muss. Der zweite Teil der Übersetzung erfolgt durch das mechanisch einfache und leichte Riemengetriebe. Insbesondere schnelllaufende mechanische Getriebe reagieren empfindlich auf Schläge, die von den auf den Rotor einwirkenden Windlasten herrühren. Wenn das mechanische Getriebe dem Riemengetriebe nachgeschaltet ist, werden die durch Windlasten am Rotor verursachten Schläge durch das Riemengetriebe gedämpft, so dass das mechanische Getriebe weniger beansprucht wird. Dadurch verringern sich sowohl, die Investitions- als auch die Wartungskosten für das mechanische Getriebe. Das vorgeschaltet Riemengetriebe reagiert vergleichsweise unempfindlich auf die durch Windlasten am Rotor erzeugten Schläge. Die Investitions- und Wartungskosten für das Riemengetriebe sind im Vergleich zu mechanischen Getrieben wesentlich geringer.
Vorzugsweise ist das mechanische Getriebe dem Riemengetriebe vorgeschaltet. Dadurch kann ein langsam laufendes mechanisches Getriebe eingesetzt werden, das standfester ist und insbesondere nicht so empfindlich auf Schläge durch Windlasten am Rotor reagiert. Das mechanische Vorschaltgetriebe weist vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis von 1:3 bis 1:10 auf. Mit dem nachgeschalteten Riemengetriebe entfällt der Einsatz von schnelllaufenden und damit wartungsintensiven mechanischen Getrieben. Das Übersetzungsverhältnis für das nachgeschaltete Riemengetriebe liegt zwischen 1:4 und 1:10. Die Investitions- und Wartungskosten für das Riemengetriebe sind im Vergleich zu mechanischen Getrieben mit hoher Drehzahl wesentlich geringer.
Besonders eignet sich ein Planetengetriebe als mechanisches Getriebe, da es eine kompakte Bauform ermöglicht und sich auch in ein Wellenrad des Riemengetriebes integrieren lässt.
Ein einstufiges Riemengetriebe ist einfach aufgebaut und umfasst ein großes und kleines Wellenrad, die über einen oder mehrere Treibriemen miteinander verbunden sind. Es lassen sich mehrere solch einfache Getriebestufen hintereinanderschalten, um die gewünschte Drehzahl an der Generatorwelle zu erreichen.
Die Treibriemen sind vorzugsweise Zahnriemen und die Kraftübertragung zwischen den Wellenräder ohne Schlupf zu gewährleisten. Auch Treibriemen mit Noppen und komplementären Ausnehmungen in den Wellenrädern oder Wellenräder mit Noppen oder Zähnen, die in komplementäre Ausnehmungen im Treibriemen eingreifen, sind geeignet. Bei Verwendung von Glattriemen müssten diese mit sehr hohen Vorspannkräften montiert werden, um Schlupf zu verhindern. Diese hohen Vorspannkräfte verringern die Standzeit von Glattriemen.
Durch eine Kühleinrichtung, z. B. in Form eines Gebläses, lassen sich das mechanische und/oder das Riemengetriebe kühlen.
Als Treibriemen eignen sich besonders Treibriemen aus hochfesten faserverstärktem Kunststoff oder Titan. Geeignete Kunststoffe sind insbesondere Polyamid, mit Carbonfasern verstärkte Kunststoffe und Aramide (z. B, Kevlar).
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigt:

1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform mit einem vorgeschaltetem Planetengetriebe und einem nachgeschalteten zweistufigen Riemengetriebe,
2 eine Seitenansicht der ersten Ausführungsform,
3 eine Schnittdarstellung entlang A-A in 2,
4 eine Schnittdarstellung entlang B-B in 2,
5 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform, bei der das Planetengetriebe in das erste Wellenrad des Riemengetriebes integriert ist,
6 eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsform,
7 eine Schnittdarstellung entlang A-A in 6, und
8 eine Schnittdarstellung entlang B-B in 6.

1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung und zwar das obere Ende eines Turms 1 mit einem Rotor 2, einem Rotorlager 4, einem Planetengetriebe 6, einem zweistufigen Riemengetriebe 8 und ein Generator 10. Das Generatorlager 2, das Planetengetriebe 6, das zweistufige Riemengetriebe 8 und der Generator 10 sind auf einem Fundament 12 angeordnet, dass Teil einer nicht vollständig dargestellten Gondel bzw. Maschinengondel ist. Das Fundament 12 wiederum ist am oberen Ende des Turms 1 befestigt. Die nicht dargestellte Gondel mit dem Fundament 12 lässt sich durch einen Drehantrieb 14 verdrehen, so dass der Rotor 2 in den Wind ausgerichtet werden kann. Der Rotor 2 ist über eine Rotorwelle 16 mit dem Planetengetriebe 6 verbunden. Die Rotorwelle 16 und damit der Rotor 2 sind in dem Rotorlager 4 gelagert. Das Rotorlager 4 ist vergleichsweise stabil ausgelegt, sodass die am Rotor durch Windlast auftretenden Verwindungskräfte nicht oder nur gedämpft an das Planetengetriebe übertragen werden. Die Ausgangsseite des Planetengetriebes 6 ist über eine erste Getriebewelle 18 mit einem ersten Wellenrad 20 des zweistufigen Riemengetriebes 8 verbunden. Über zwei nebeneinander angeordnete Zahnriemen 24 ist das erste Wellenrad 20 mit einem zweiten Wellenrad 24 über den ersten Wellenrad 20 verbunden. Das zweite Wellenrad 24 sitzt auf einer zweiten Welle 26 und verbindet das zweite Wellenrad 24 mit einem dritten Wellenrad 28. Die zweite Getriebewelle 26 ist in einer Halterung 30 gelagert, die mit dem Gondelfundament 12 verbunden ist. Das dritte Wellenrad 28 ist wiederum über einen Zahnriemen 22 mit einem unter dem dritten Wellenrad 24 angeordneten vierten Wellenrad 32 verbunden. Das vierte Wellenrad 32 sitzt auf einer Generatorwelle 34 und ist damit mit dem Generator 10 verbunden. Die vier Wellenräder 20, 24, 28, 32 sind als Zahnriemenscheiben ausgebildet. Der Durchmesser des ersten Wellenrades 20 ist größer als der des zweiten Wellenrades 24 und der Durchmesser des dritten Wellenrades 28 ist größer als der Durchmesser des vierten Wellenrades 32. Auf diese Weise liegt an der Generatorwelle 34 die höchstmögliche Drehzahl vor.
Der Durchmesser des ersten und dritten Wellenrades 20, 28 beträgt 4000mm. Der Durchmesser des zweiten und vierten Wellenrades 24, 32 beträgt 800mm. Die Breite der drei Treibriemen 22 beträgt 450mm. Der Abstand der Drehachsen des ersten und zweiten sowie des dritten und vierten Wellenrades beträgt 2800mm.
Die 5 bis 8 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, dass das Planetengetriebe 6 in das erste Wellenrad 20 integriert ist. Auf diese Weise ergibt sich ein kompakterer und leichterer Aufbau. Um die Montage der Anlage zu vereinfachen, sind die Rotorwelle 16 und die erste Getriebewelle 18 über einen Verbindungsflansch 19 miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Turm
2: Rotor
4: Rotorlager
6: Planetengetriebe
8: zweistufiges Riemengetriebe
10: Generator
12: Gondelfundament
14: Drehantrieb Gondel
16: Rotorwelle
18: erste Getriebewelle
19: Verbindungsflansch
20: erstes Wellenrad
22: Zahnriemen
24: zweites Wellenrad
26: zweite Getriebewelle
28: drittes Wellenrad
30: Halterung von 26
32: viertes Wellenrad
34: Generatorwelle

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 2015/121478 A1 [0002, 0003]
DE 4301342 C1 [0002]

Claims

Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Turm (1), der ein oberes und ein unteres Ende aufweist, einem an dem oberen Ende des Turms (1) angeordneten Rotor (2), wenigstens einem Generator (10), der am oberen Ende des Turms (1) angeordnet ist und der mechanisch mit dem Rotor (2) gekoppelt ist, und einem Riemengetriebe (8) zwischen Rotor und Generator, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zwischen Rotor (2) und Generator (10) ein mechanisches Getriebe (6) angeordnet ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Getriebe (6) dem Riemengetriebe (8) vorgeschaltet ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Getriebe ein Planetengetriebe (6) ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Riemengetriebe (8) eine erste Getriebestufe umfasst, die ein erstes Wellenrad (20) und ein zweites Wellenrad (24) aufweist, die über einen Treibriemen (22) mechanisch gekoppelt sind, dass das erste Wellenrad (20) über eine Rotorwelle (16) direkt oder mit einer ersten Getriebewelle (18) und dem mechanischen Getriebe (6) mit dem Rotor (2) gekoppelt ist, dass der Durchmesser des ersten Wellenrades (20) größer ist als der Durchmesser des zweiten Wellenrades (24), dass das zweite Wellenrad (24) über eine Generatorwelle (34) direkt oder indirekt über das mechanische Getriebe (6) mit dem Generator (10) gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Riemengetriebe (8) wenigstens eine weitere Getriebestufe umfasst, die ein drittes und ein viertes Wellenrad (28, 32) aufweist, die über einen Treibriemen (22) mechanisch gekoppelt sind, dass das dritte Wellenrad (28) über ein zweite Getriebewelle (26) mit dem zweiten Wellenrad (24) gekoppelt ist, dass der Durchmesser des dritten Wellenrades (28) größer ist als der Durchmesser des vierten Wellenrades (32), dass das vierte Wellenrad (32) über die Generatorwelle (34) direkt oder indirekt mit dem Generator gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (22) mit Noppen oder Zähnen und komplementären Ausnehmungen auf den Wellenrädern (20, 24, 28, 32) oder mit Noppen oder Zähnen auf den Wellenrädern mit komplementären Ausnehmungen im Treibriemen (22) versehen sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Getriebe (6) in das erste Wellenrad (20) integriert ist.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Wellenrad (20, 24) und/oder das dritte und vierte Wellenrad (28, 32) über mehrere nebeneinander angeordnete Treibriemen (22) miteinander verbunden sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Riemengetriebes (8) und/oder des mechanischen Getriebes (6).
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibriemen (22) wenigstens teilweise aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Titan bestehen.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenräder (20, 24, 28, 32) wenigstens teilweise aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Titan bestehen.
Windkraftanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkten Kunststoffe Carbon- oder Kevlarfasern aufweisen.