DE202018100231U1

DE202018100231U1 - Windkraftanlage mit Riemengetriebe

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Publication number: DE202018100231U1
Application number: DE202018100231.7U
Authority: DE
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Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: WO2019141715A1

Abstract

Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, mit
einem Turm (1), der ein oberes und ein unteres Ende (2, 3) aufweist,
einer an dem oberen Ende (2) des Turms (1) drehbar angeordneten Plattform (4),
einem auf der Plattform montierten Rotor (2) mit einer Rotorwelle (8),
einem Riemengetriebe (10), das auf der Plattform (4) montiert ist,
wobei das Riemengetriebe (10) eine erste Getriebewelle (8) mit einem ersten Wellenrad (26) und eine zweite Getriebewelle (22) mit einem zweiten Wellenrad (28) umfasst,
wobei die beiden Wellenräder (26,28) über eine erste Riemenanordnung (30) mechanisch miteinander gekoppelt sind,
wobei der Durchmesser des ersten Wellenrades (26) größer ist als der Durchmesser des zweiten Wellenrades (28), und
wobei die beiden Getriebewellen (8, 22) in einem ersten und einem zweiten Lagerbock (18, 20) gelagert sind, und
wobei die beiden Lagerböcke (18, 20) auf der Plattform (4) befestigt sind, und einem Generator (12), der auf der Plattform (4) montiert und über das Riemengetriebe (8) mechanisch mit dem Rotor (6) gekoppelt ist,
wobei die erste Getriebewelle (8) des Riemengetriebes (10) die Rotorwelle (8) ist, so dass der Rotor (6) in den beiden Lagerböcken (18, 20) gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit Riemengetriebe nach Anspruch 1 bei der am oberen Ende eines Turms Rotor, Riemengetriebe und Generator angeordnet ist. Der Rotor ist über ein Riemengetriebe 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. Durch den Einsatz von Riemengetrieben ergibt sich gegenüber mechanischen Getrieben mit Zahnrädern eine Gewichtsersparnis. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der US2016/016927A1 oder der DE4301342C1 bekannt.
Ausgehend von der US2016/016927A1 ist es Aufgabe der Erfindung das Kopfgewicht einer Windkraftanlage bei gleicher elektrischer Leistung weiter zu verringern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch, dass die Lagerung des Rahmengetriebes gleichzeitig auch die Lagerung des Rotors mit Rotorwelle ist, erübrig sich ein zusätzliches Lager für den Rotor mit Rotorwelle, wodurch sich eine Reduzierung des Kopfgewichts der Windkraftanlage ergibt.
Das Riemengetriebe ist vorzugsweise mehrstufig aufgebaut, um hohe Drehzahlen im Bereich zwischen 1400 und 2000 Umdrehungen pro Minute zu erreichen, die den Einsatz von leichteren Generatoren ermöglichen. Das Übersetzungsverhältnis für das Riemengetriebe liegt zwischen 1:4 und 1:2000. Beispielsweise 1:4 für die erste und zweite Getriebestufe und 1:3 für die dritte und vierte Getriebestufe. Insgesamt ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von 1:440. Vier Getriebestufen haben sich als vorteilhaft erwiesen.
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.
Um die hohen Kräfte des sich langsam drehenden Rotors aufzunehmen, werden in der Getrieberiemenanordnung der ersten Getriebestufe mehrere Getrieberiemen parallel zueinander eingesetzt.
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 der Windkraftanlage mit einem dreistufigen Riemengetriebe;
2 eine perspektivische Detailansicht des oberen Ende des Turms mit Rotor, Plattform, Riemengetriebe und Generator;
3 eine Seitenansicht der Darstellung nach 2;
4 eine Schnittdarstellung durch die von den Getriebewellen aufgespannten Ebene der ersten Ausführungsform; und
5 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform mit einer Haltevorrichtung für den Rotor.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Turm 1, der ein oberes und ein unteres Ende 2, 3 umfasst. Am oberen Ende 2 des Turms 1 ist einer Plattform 4 angeordnet. Aus der Detaildarstellung nach 2 und 3 ist zu ersehen, dass auf der Plattform 4 ein Rotor 6 mit einer Rotorwelle 8, ein Riemengetriebe 10 und ein Generator 12 montiert sind. Der Rotor 6 umfasst drei Rotorblätter 14, die an einer Rotornabe 16 montiert sind. Die Rotornabe 16 ist drehfest mit der Rotorwelle 8 verbunden.
Das Riemengetriebe 10 ist vierstufig ausgebildet. Die erste Getriebestufe umfasst die Rotorwelle 8 als erste Getriebewelle, die in einem ersten und einem zweiten Lagerbock 18, 20 gelagert ist. Die beiden Lagerböcke 18, 20 sind fest mit der Plattform 4 verbunden. Die Rotorwelle 8 durchsetzt daher den ersten Lagerbock 18 und endet im zweiten Lagerbock 20. Im Abstand zu der ersten Getriebewelle bzw. Rotorwelle 8 ist in den beiden Lagerböcken 18, 20 eine zweite Getriebewelle 22 gelagert, die in dem ersten Lagerbock 18 endet und sich mit einem überstehenden Ende 24 durch den zweiten Lagerbock 20 hindurch erstreckt. Zwischen den beiden Lagerböcken 18, 20 ist auf der ersten Getriebewelle 8 ein mehrteiliges erstes Wellenrad 26 und auf der zweiten Getriebewelle 22 ein zweites mehrteiliges Wellenrad 28 angeordnet. Die beiden Wellenräder 18, 20 und damit die beiden Getriebewellen 8, 22 werden durch eine erste Riemenanordnung 30 mechanisch miteinander gekoppelt. Die erste Riemenanordnung 30 umfasst vier gleiche, nebeneinander angeordnete Getrieberiemen 32. Der Durchmesser des ersten Wellenrades 26 ist größer als der Durchmesser des zweiten Wellenrades 28.
Die zweite Getriebestufe umfasst ein drittes Wellenrad 34, das an dem den zweiten Lagerbock 20 durchsetzenden Ende 24 der zweiten Getriebewelle 22 montiert ist. Über eine zweite Riemenanordnung 36 mit einem einzigen Getrieberiemen 32 ist das dritte Wellenrad 34 mit einem vierten Wellenrad 38 mechanisch gekoppelt. Das vierte Wellenrad 38 ist auf einer dritten Getriebewelle 40 angeordnet, die parallel und axial versetzt zu der zweiten Getriebewelle 22 in einem dritten und einem vierten Lagerbock 42, 44 gelagert ist. Der Durchmesser des dritten Wellenrades 34 ist größer als der Durchmesser des zweiten Wellenrades 28 und größer als der Durchmesser des vierten Wellenrades 38.
Die dritte Getriebestufe umfasst ein fünftes Wellenrad 46, das zwischen dem dritten und vierten Lagerbock 42, 44 auf der dritten Getriebewelle 40 montiert ist. Über eine dritte Riemenanordnung 48 mit einem einzigen Getrieberiemen 32 ist das fünfte Wellenrad 46 mit einem sechsten Wellenrad 50 mechanisch gekoppelt. Das sechste Wellenrad 50 ist auf einer vierten Getriebewelle 52 angeordnet, die parallel und axial versetzt zu der dritten Getriebewelle 40 in dem vierten 42 und einem fünften Lagerbock 54 gelagert ist. Der Durchmesser des fünften Wellenrades 46 ist größer als der Durchmesser des vierten Wellenrades 38 und größer als der Durchmesser des sechsten Wellenrades 50.
Die vierte Getriebestufe umfasst ein siebtes Wellenrad 56, das zwischen dem vierten und fünften Lagerbock 44, 54 auf der vierten Getriebewelle 52 montiert ist. Über eine vierte Riemenanordnung 58 mit einem einzigen Getrieberiemen 32 ist das siebte Wellenrad 56 mit einem achten Wellenrad 60 mechanisch gekoppelt. Das achte Wellenrad 60 ist auf einer fünften Getriebewelle 62 angeordnet, die parallel und axial versetzt zu der vierten Getriebewelle 52 in dem vierten und fünften Lagerbock 44, 54 gelagert ist. Die fünfte Getriebewelle 62 führt als Generatorwelle in den Generator 12. Der Durchmesser des siebten Wellenrades 56 ist größer als der Durchmesser des sechsten Wellenrades 50 und größer als der Durchmesser des achten Wellenrades 60.
Zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse ist in 2 ein Mensch 64 neben dem Generator 12 gezeigt. Die Plattform 4 ist zum Schutz der auf der Plattform 4 montierten Komponenten von einer nicht dargestellten Ummantelung umgeben. In Fig. Sind beispielhafte Bemaßungen für die acht Wellenräder 26, 28, 34, 38, 46, 50, 56, 60 angegeben:

Wellenrad Durchmesser in mm

Erstes - 26 2000

Zweites - 28 500

Drittes - 34 2000

Viertes - 38 500

Fünftes - 46 1500

Sechstes - 50 500

Siebtes - 56 1500

Achtes - 60 500
Mit diesen Bemaßungen der acht Wellenräder 26, 28, 34, 38, 46, 50, 56, 60 ergibt sich eine Gesamtübersetzung des Riemengetriebes 10 von 1:144. D. h. bei einer Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle 8 von 10 U/min dreht sich die Generatorwelle 62 mit einer Drehgeschwindigkeit von 1440 U/min. In allen Getriebestufen werden gleiche Getrieberiemen 32 eingesetzt.
Da der erste und der zweite Lagerbock 18, 20 nicht nur die erste Getriebestufe des Riemengetriebes 10 lagern, sondern auch den Rotor 6 mit Rotornabe 16 und Rotorwelle 8, muss insbesondere bei Wartungsarbeiten dafür Sorge getragen werden, dass der Rotor 6 nicht abmontiert werden muss. Hierzu ist eine U-förmige Rotorhaltevorrichtung 66 vorgesehen, die zwischen Rotornabe 16 und erstem Lagerbock 18 auf der Plattform 4 montiert ist. Mittels Bolzen oder Schrauben 68 kann damit der Rotor 6 vorübergehend an der Rotorhaltevorrichtung 66 und damit an der Plattform 4 befestigt werden.
Alternativ ist es auch möglich die Rotorhaltevorrichtung in den ersten Lagerbock 18 zu integrieren.
Bezugszeichenliste

1: Turm
2: oberes Ende von 1
3: unteres Ende von 1
4: Plattform
6: Rotor
8: Rotorwelle, erste Getriebewelle
10: Riemengetriebe
12: Generator
14: Rotorblätter
16: Rotornabe
18: erster Lagerbock
20: zweiter Lagerbock
22: zweite Getriebewelle
24: überstehendes Ende von 22
26: erstes Wellenrad
28: zweites Wellenrad
30: erste Riemenanordnung
32: Getrieberiemen
34: drittes Wellenrad
36: zweite Riemenanordnung
38: viertes Wellenrad
40: dritte Getriebewelle
42: dritter Lagerbock
44: vierter Lagerbock
46: fünftes Wellenrad
48: dritte Riemenanordnung
50: sechstes Wellenrad
52: vierte Getriebewelle
54: fünfter Lagerbock
56: siebtes Wellenrad
58: vierte Riemenanordnung
60: achtes Wellenrad
62: fünfte Getriebewelle, Generatorwelle
64: Mensch
66: Rotorhaltevorrichtung
68: Bolzen, Schrauben an 66

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

US 2016016927 A1 [0002, 0003]
DE 4301342 C1 [0002]

Claims

Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Turm (1), der ein oberes und ein unteres Ende (2, 3) aufweist, einer an dem oberen Ende (2) des Turms (1) drehbar angeordneten Plattform (4), einem auf der Plattform montierten Rotor (2) mit einer Rotorwelle (8), einem Riemengetriebe (10), das auf der Plattform (4) montiert ist, wobei das Riemengetriebe (10) eine erste Getriebewelle (8) mit einem ersten Wellenrad (26) und eine zweite Getriebewelle (22) mit einem zweiten Wellenrad (28) umfasst, wobei die beiden Wellenräder (26,28) über eine erste Riemenanordnung (30) mechanisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Durchmesser des ersten Wellenrades (26) größer ist als der Durchmesser des zweiten Wellenrades (28), und wobei die beiden Getriebewellen (8, 22) in einem ersten und einem zweiten Lagerbock (18, 20) gelagert sind, und wobei die beiden Lagerböcke (18, 20) auf der Plattform (4) befestigt sind, und einem Generator (12), der auf der Plattform (4) montiert und über das Riemengetriebe (8) mechanisch mit dem Rotor (6) gekoppelt ist, wobei die erste Getriebewelle (8) des Riemengetriebes (10) die Rotorwelle (8) ist, so dass der Rotor (6) in den beiden Lagerböcken (18, 20) gelagert ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Riemengetriebe (8) wenigstens eine weitere Getriebestufe umfasst, die ein drittes und ein viertes Wellenrad (34, 38) aufweisen, die über eine zweite Riemenanordnung (36) mechanisch miteinander gekoppelt sind, dass die zweite Getriebewelle (22) sich über den zweiten Lagerbock (20) hinauserstreckt (24), dass das dritte Wellenrad (34) auf der zweiten Getriebewelle angeordnet ist, dass das vierte Wellenrad (38) auf einer dritten Getriebewelle (40) angeordnet ist, die in einem dritten und vierten Lagerbock (42, 44) gelagert ist, dass der Durchmesser des dritten Wellenrades (34) größer ist als der Durchmesser des zweiten und vierten Wellenrades (28, 38), und dass die dritte Getriebewelle (40) direkt oder über eine weitere Getriebestufe indirekt mit dem Generator (12) gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Riemengetriebe (10) vier Getriebestufen umfasst.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Riemenanordnungen (30, 36, 48, 58) Getrieberiemen (32) umfasst, die mit Noppen oder Zähnen und komplementären Ausnehmungen auf den Wellenrädern (26, 28, 38, 46, 50, 60) oder mit Noppen oder Zähnen auf den Wellenrädern (26, 28, 38, 46, 50, 60) mit komplementären Ausnehmungen an den Getrieberiemen (32) versehen sind.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Riemenanordnung (30) der ersten Getriebestufe eine Mehrzahl von parallel nebeneinander angeordneten Getrieberiemen (32) umfasst.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Riemengetriebes (10).
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Getrieberiemen (32) wenigstens teilweise aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Titan bestehen.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenräder (26, 28, 38, 46, 50, 60) wenigstens teilweise aus hochzugfestem faserverstärktem Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Titan bestehen.
Windkraftanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkten Kunststoffe Carbon- oder Kevlarfasern aufweisen.
Windkraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6) eine Rotornabe (16) aufweist, die mit der Rotorwelle (8) verbunden ist, und dass zwischen erstem Lagerbock (18) und der Rotornabe (16) eine Rotorhaltevorrichtung (66) angeordnet ist, die für Montage- und Wartungsarbeiten lösbar mit der Rotornabe (16) verbindbar ist.