DE60131764T2 - Windmühle - Google Patents
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage nach der Einleitung von Anspruch 1.
- Stand der Technik und seine Schwachpunkte
- Eine überragende technische Herausforderung bei Gestaltung und Entwicklung von Windkraftanlagen ist es sicherzustellen, dass das Biegemoment, das von den Blättern auf die Turbinennabe einwirkt, in der übrigen Struktur keine schädigenden Verformungen schafft. Dieses bezieht sich insbesondere auf Verformungen, die den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator beeinflussen können, wenn die Turbinenwelle einen elektrischen Generator ohne zwischenliegendes Getriebe trägt, oder Verformungen, die die Räder des Getriebes beanspruchen und die Lebensdauer vermindern, wenn ein Getriebe zwischen der Turbinenwelle und dem Generator verwendet wird.
- Es ist bekannt, eine Windturbine bereitzustellen, die einen Generator antreibt, an der Spitze einer Säule oder eines Turms angeordnet zu haben. Eine Lösung ist, die Nabe der Windturbine direkt mit dem Rotor zu verbinden. Der Rotor wird wiederum von einer Basis getragen, die mit der Spitze des Turms verbunden ist, und der Stator wird von der Basis getragen, ohne eine Anstrengung zu unternehmen, die Bewegungen des Rotors und des Stators zu koordinieren. Die Erfahrung zeigt, dass diese Gestaltung nicht die erforderliche Kontrolle über den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator bei einer Biegemomentbelastung ergibt, die von der Nabe der Windturbine auf die Turbinenwelle gebracht wird. Auch kann der Generator vor der Montage nicht für die Verwendung fertig gemacht werden. Eine andere Lösung ist in der
deutschen Patentveröffentlichung 44 02 184 A1 vorgeschlagen, in der die Nabe der Windturbine direkt mit dem Rotor des Generators ohne ein verbindendes Getriebe verbunden ist, und wobei der Rotor und der Stator durch zwei Lager verbunden sind, die eine koordinierte Bewegung bereitstellen. Diese Lösung erlaubt das Vormontieren des Generators als eine vollständige Einheit in einer Fabrik und das Testen vor der Montage an Ort und Stelle. - Berechnungen haben gezeigt, dass sogar diese Gestaltung keinen wünschenswert konstanten Luftspalt bereitstellen wird, wenn die Windturbine eine bestimmte Größe an Leistung und Gewicht überschreitet, ohne die Abmessungen der tragenden Basis unnötig groß zu machen.
- Es ist auch vorgeschlagen worden, den Generator auf der gegenüberliegenden Seite der Windturbine relativ zur Spitze des Turms anzuordnen und die Windturbine über eine Turbinenwelle zwischen der Nabe und dem Rotor des Generators mit dem Generator zu verbinden – entweder in einer festen Verbindung oder über eine Kupplung, die kein Biegemoment überträgt, und ohne zwischenliegendes Getriebe – und wobei die Turbinenwelle und der Generator in einer Trägeranordnung mit zwei oder mehr Lagern gelagert sind, die in die Trägeranordnung integriert sind. Der Zweck dieser Anordnung ist es, das Biegen, das auf den Teil der Welle angrenzend an den Generator wirkt, zu vermindern, in dem die Welle durch radiale Rückstellkräfte vom Lager zurück in eine in Bezug auf das Biegen der Welle ohne diese Anordnung neutrale Position zu zwingen, um einen so dicht wie möglichen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zu haben. Bei dieser Lösung unterliegen die Lager hohen Lagerkräften und überdies erfordert diese Gestaltung eine sehr feste Basis, um die vergrößerte Lagerstelle aufzunehmen.
- Die
WO 0159296 3 ) an einer nicht rotierenden Achse (15 ) fixiert ist. Die Achse (15 ) rotiert nicht, weil sie mit einer Trägeranordnung (4 ) verbunden ist. Eine Turbinennabe (12 ) hat eine Verbindungsvorrichtung (14 ), die sie ohne oder mit nur unbedeutender gleichzeitiger Übertragung vom Biegemoment mit dem Rotor koppelt. Wenn der Achsenteil (16 ) Biegen unterworfen wird, wird das auftretende Biegemoment nicht auf den Rotor (6 ) übertragen werden, sodass der Rotor (6 ) folglich keiner schädlichen Verformung unterworfen werden wird. Dieser Stand der Technik bezieht sich nicht auf eine Windkraftanlage, in welcher sich der Generator zusammen mit der Turbinenwelle frei in alle Richtungen der Kraft mit Ausnahme der Drehmomentrichtung der Turbinenwelle bewegen kann. Dieser Stand der Technik sorgt nicht dafür, dass der Stator und der Rotor durch die drehbare Generator-/Turbinenwelle getragen werden, um zu ermöglichen, dass der Generator dem Biegemoment der Turbinenwelle mit minimaler Kraftübertragung zwischen den jeweiligen Wellen in allen Richtungen außer der Drehmomentrichtung folgen kann. - Aufgabe
- Die Hauptaufgabe der Erfindung ist, eine Windkraftanlage bereitzustellen, bei der der Stator und der Rotor während des Betriebs ihren wechselseitigen Abstand (Luftspalt) unabhängig von der Krümmung der Turbinenwelle auf Grund des Biegemoments, das auf die Nabe der Windturbine in Fällen wirkt, in denen die Turbinenwelle direkt mit dem Generator verbunden ist, beizubehalten. In den Ausführungsformen, in denen ein Getriebe zwischen der Turbinenwelle und dem Generator angeordnet ist, sollte die Erfindung das Getriebe von unerwarteten Kräften entlasten, die die Betriebsdauer im Verhältnis zur Norm vermindern können.
- Die Erfindung
- Die vorliegende Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Dieser kann in verschiedenen Wegen und Ausführungsformen verkörpert sein, die an die verschiedenen Größen von Windturbinen und verschiedenen Gestaltungen von Generatoren anpassbar sind.
- Die vorliegende Erfindung betrifft das Lagern der Turbinenwelle in einer Windkraftanlage, die von einer Windturbine an einem Ende der Welle angetrieben wird, und bei der ein elektrischer Generator mit der Welle, entweder relativ zu den zwei Lagergehäusen außen verbunden ist, oder zwischen einem Lagergehäuse, das der Windturbine gegenüber liegt, und einem rückwärtigen Lagergehäuse, um die Wirkung des Biegemoments, das auf die Welle wegen Kräften, die auf die Nabe der Windturbine wirken, auf den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Generators unter Verwendung einer Lagerung gemäß Patentanspruch 1 zu vermindern.
- Dies stellt eine vorteilhafte Kombination einer einfachen Struktur und vorteilhaften Lagereigenschaften bereit, die dazu beiträgt, den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator des Generators so klein und konstant wie möglich während des Betriebs der Windkraftanlage zu halten, und ohne die Lager übermäßig auf Grund der Kräfte zu belasten, die durch das Biegemoment erzeugt werden, das auf die Nabe wirkt.
- Dies ermöglicht eine Übertragung des Drehmoments von der Turbinenwelle auf den Rotor, und von dem Rotor durch das elektrische Feld auf den Stator und mittels einer nicht drehbaren Kupplung auf eines oder beide Lagergehäuse, oder direkt auf die Basis.
- Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind in Ansprüchen 2–10 angegeben.
- Wenn ein Getriebe verwendet wird, das zwischen die Turbinenwelle und den Generator zwischengestellt ist, ermöglicht die Erfindung eine direkte Befestigung der Antriebswelle des Getriebes an die Turbinenwelle, die dann das Getriebe trägt, welches wiederum eine Generatorbasis trägt, die den Generator stützt, und wobei der Rotor des Generators mit der Abtriebswelle des Getriebes mit einer festen oder elastischen Kupplung verbunden ist. Die Übertragung des Drehmoments von dem Rotor auf den Stator und von dort auf die Basis wird auch in diesem Fall durch die nicht drehbare Kupplung ausgeführt werden, die für den direkt angetriebenen Generator beschrieben werden wird.
- Beispiele
- Die Erfindung wird unten weiter mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 einen vertikalen Schnitt durch eine Ausführungsform mit einer 2-seitigen Lagerung des Stators auf der Welle zeigt, -
2 eine vertikalen Schnitt einer entsprechenden Ausführungsform mit einer einseitigen Lagerung des Stators auf der Welle zeigt, -
3 einen vertikalen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform mit einer 2-seitigen Lagerung des Stators zeigt, welcher von der Welle getragen ist, -
4 eine vertikalen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei der Generator zwischen zwei Lagern angeordnet ist, -
5 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer nicht drehbaren Kupplung zeigt, -
6 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform zeigt, in der ein Getriebe mit der Turbinenwelle verbunden ist, wobei ein Generator weiter auf einem Generatorträger angeordnet ist, der von dem Getriebe in Verlängerung gestützt wird, und bei der die Übertragung des Drehmoments auf die Hauptbasis durch eine angepasste nicht drehbare Kupplung bereitgestellt wird und -
7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform zeigt, in der ein Getriebe mit der Turbinenwelle verbunden ist, und mit einem Generator, der auf einer von dem Getriebe über der Turbinenwelle getragenen Generatorbasis angeordnet ist, und in der die Übertragung des Drehmoments auf die Hauptbasis durch eine angepasste nicht drehbare Kupplung bereitgestellt wird. - Die in
1 erläuterte Erfindung beruht auf der Kopplung der Turbinenwelle direkt am Generator. Sie zeigt einen vertikalen Schnitt langst durch ein Wellenlager gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. An der Spitze eines Turms1 ist ein horizontaler Zahnkranz2 befestigt, der zum Drehen der höheren Teile einer Windkraftanlage verwendet wird, die in größeren Einzelheiten unten beschrieben ist. Über dem Zahnkranz ist eine feste Basis4 , die als ein Träger für die Welle dient. Die Basis4 ist relativ zu den Zahnkranz2 um seine vertikale Welle durch ein geeignetes Lager drehbar. Die Drehung wird durch einen Motor3 , der an der Seite der Basis4 mit einer abhängigen Welle angeordnet ist, aktiviert, wobei ein Mechanismus5 in den Zahnkranz2 eingreift. - Die Basis
4 stellt die Stütze für zwei Lagergehäuse bereit, ein vorderes Lagergehäuse6 , das der Turbine gegenüber liegt, und ein hinteres Lagergehäuse7 . Die Lagergehäuse tragen zusammen die Turbinenwelle8 , die wiederum einen vollständigen Generator11 trägt. Jedes Lagergehäuse enthält ein Lager9 ,10 und ist mit Bolzen21 an der Basis4 befestigt. - Der Generatorrotor wird von einer Generatorwelle
22 getragen, die eine Fortsetzung der Turbinenwelle8 sein kann. Das Statorgehäuse17 wird von den Lagern15 ,16 auf der Welle8 getragen. Die Lager15 ,16 stellen einen Luftspalt18 bereit, der zwischen dem Stator19 und dem Rotor12 unabhängig von der Biegung der Welle so konstant und klein wie möglich ist. - Das Drehmoment von der Turbinenwelle
8 , welches durch das elektrische Feld auf das Statorgehäuse17 übertragen wird, wird mittels einer nicht drehbaren Kupplung20 auf die Basis übertragen. - In
6 und7 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein Getriebe ist zwischen der Turbinenwelle8 und dem Generator31 angeordnet, von denen beide im Wesentlichen der vorherigen Beschreibung entsprechen. Das Getriebe29 , die Generatorbasis30 und der Generator31 können alle frei den Bewegungen der Turbinenwelle8 in der Öffnung zwischen dem Lagergehäuse7 und seiner Verbindung mit dem Getriebe29 folgen, außer in der Richtung des Drehmoments. Eine nicht drehbare Kupplung33 stellt die Übertragung des Drehmoments von der Turbinenwelle mittels des Getriebes29 auf den Generator31 und die Hauptbasis4 bereit und begrenzt oder löscht schädigende Kräfte vollständig aus, welche ansonsten zu schädigenden Verformungen des Getriebes und des Generators führen können. Die nicht drehbare Kupplung33 umfasst einen Träger34 in der Form zweier Arme, die sich von der Hauptbasis4 auf den Generator31 erstrecken. Der Träger34 ist starr mit der Hauptbasis verbunden und an einem freien Ende mit einem Querjoch35 verbunden. An dem freien Ende ist weiter ein Winkelverbinder mit zwei verbundenen Armen36 ,37 mit dem Ende des Trägers oder Jochs35 verbunden, und an einem Träger38 an der Seite des Getriebes29 . Ein entsprechender, symmetrisch angeordneter Winkelverbinder kann auf der gegenüberliegenden Seite bereitgestellt sein. - Funktion
- Die Funktion dieser Anordnung ist hauptsächlich durch die Beschreibung und
1 beschrieben. Das Gewicht von und die Kräfte, die auf die Welle8 und den Generator11 wirken, werden von den Lagern9 ,10 getragen und auf die Basis4 übertragen. Die Turbinenwelle8 überträgt das Drehmoment direkt auf den Rotor12 des Generators. Das Statorgehäuse17 wird direkt auf der Turbinenwelle getragen. Eine geeignete Größe der Welle in der Nähe des Generators11 stellt eine ausreichende Steifigkeit bereit, um schließlich einen konstanten und kleinen Luftspalt18 zwischen dem Rotor12 und Stator19 zu halten. Eine nicht drehbare Kupplung20 in der Form einer ringförmigen Scheibe mit einem zentralen Umfangsfalz erhöht die Biegsamkeit in einer axialen Richtung, führt zur Übertragung des Drehmoments, das auf Grund des elektrischen Feldes von dem Rotor12 auf das Statorgehäuse17 wirkt, mit minimalen Biegemoment auf die Basis4 . - Die nicht drehbare Kupplung
20 ist gestaltet und bemessen, um nur das Drehmoment von der Windturbine ohne Biegung der Generatorwelle22 aufgrund des Drehmoments, das auf die Nabe der Windturbine wirkt, zu übertragen. - Das Statorgehäuse
17 wird daher den Bewegungen des Rotors12 und der Generatorwelle22 folgen und der Luftspalt18 wird hauptsächlich konstant beibehalten. - Die Gesamtstruktur erlaubt das Testen der Windturbine und des Generators als eine vollständige Einheit vor der Montage vor Ort, und sie an die Spitze des Turms zu hissen und als eine vorgefertigte Einheit zu montieren.
- Abwandlungen
- In
2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, wobei ähnliche Teile mit identischen Bezugsziffern wie in1 versehen sind, und bei der die Generatorwelle22 von einer doppelt gelagerten Hülse23 getragen wird, die eine Statornabe bereitstellt, welche mit einem anderen Lager24 den Rotor12 trägt. Die Generatorwelle22 hat an dem freien Ende eine Scheibe25 am Rotor12 zum Übertragen von Drehmoment auf diesen befestigt. - In
3 ist eine weitere Ausführungsform auf Basis des gleichen Prinzips gezeigt. In diesem Fall ist eine Statorscheibe17 mit einer Nabe von der Generatorwelle22 mit einem doppelten Lager (16 ) getragen und erstreckt sich auf einer Seite in einen Flansch, der die aktiven Statorteile trägt. - In
4 , in welcher die gleichen Bezugsziffern wie in den voranstehen Figuren verwendet werden, wird eine Ausführungsform gezeigt, welche von den Ausführungsformen der1 –3 dadurch abweicht, dass der Generator zwischen den Lagergehäusen6 ,7 angeordnet ist. Die nicht drehbare Kupplung20 ist entsprechend an dem Lagergehäuse6 angrenzend an die Windturbine befestigt. - Allgemein kann die nicht drehbare Kupplung
20 an einem willkürlichen Lagergehäuse oder an der Basis4 befestigt sein. - In
5 ist eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Basis4 und der Lagereinheiten6 ,7 gezeigt. In diesem Fall ist der Stator19 mit einem radialen Paar von Armen26 versehen, die sich an der Basis4 horizontal erstrecken. Die Basis4 trägt einen Balken27 , welcher parallel zu dem Paar von Armen26 angeordnet ist. An beiden Enden ist das Paar von Armen und der Balken mit einem Dämpfungselement28 verbunden, welches Drehmoment aufnehmen kann, jedoch kein Biegemoment und Axialkräfte. Die Dämpfungselemente28 sind bereitgestellt, um mögliche Stoßmomente aufzunehmen, z. B. aufgrund eines Kurzschlusses. -
6 und7 zeigen die Verwendung der Erfindung, wobei ein Getriebe29 zwischen der Turbinenwelle8 und Generator31 angeordnet ist. Andere Ausführungsformen der nicht drehbaren Kupplung zur Übertragung des Drehmoments von der Turbinenwelle mittels des Getriebes29 und des Generators31 , solange für eine minimale Kraftübertragung zwischen der Turbinenwelle8 und denselben Elementen in allen Richtungen außer der Richtung des Drehmoments gesorgt ist.
Claims (5)
- Windkraftanlage mit einer Windturbine, die eine drehbare Turbinenwelle (
8 ) und eine Generatorwelle (22 ) umfasst, welche eine Verlängerung der Turbinenwelle (8 ) sein kann und welche mit dem Rotor (12 ) eines elektrischen Generators (11 ) verbunden ist, wobei der Rotor (12 ) radial von einem Stator (19 ) umgeben ist, die Turbinenwelle (8 ) in zwei Lagergehäusen (6 ,7 ) gelagert ist, wobei die Lager (8 ,9 ) auf einer Basis (4 ) an der Spitze eines Turms (1 ) angeordnet sind und die Generatorwelle (22 ) integral mit der drehbaren Turbinenwelle (8 ) ausgebildet oder mit dieser starr verbunden ist, um sich mit Turbinenwelle unter Biegemomenten zu verbiegen, die von der Nabe auf die Turbinenwelle einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (19 ) und Rotor (12 ) von der drehbaren Generator-/Turbinenwelle (22 ,8 ) so getragen werden, dass der Generator (11 ) der Biegebewegung der Turbinenwelle (8 ) folgen kann und der Stator (19 ) durch eine nicht drehbare Kupplung (20 ) gegen Drehung verriegelt ist, welche im wesentlichen kein Biegemoment oder Axialkraft überträgt, die gegen die Biegung der Turbinenwelle (8 ) wirkt, wobei die Lager (9 ,10 ) eingerichtet sind, eine Biegung der Turbinenwelle (8 ) zu erlauben. - Windkraftanlage nach Anspruch 1, bei der der Generator (
11 ) auf einer Seite der Basis (4 ) gegenüber der Windturbine oder zwischen den Lagergehäusen (6 ,7 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit einer nicht drehbaren Kupplung (20 ) verbunden ist, die eingerichtet ist, Drehmoment zu übertragen und im wesentlichen kein Biegemoment, vorzugsweise eine ringförmige Scheibe mit einem Umfangsfalz, welche den Stator mit einem Lagergehäuse verbindet. - Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht drehbare Kupplung (
20 ) vorgesehen ist, die bei einem Kurzschluss des Generators erzeugten Drehmoment- und Dämpfungskräfte zu übertragen. - Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (
19 ) an der Generatorwelle (22 ) an einem seiner Enden oder mit einem Doppellager angebracht ist, und dass der Rotor (12 ) direkt an der Generatorwelle angebracht ist, oder mit einer Scheibe an dem Ende der Generatorwelle. - Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (
11 ) auf beiden Seiten mit Seitenelementen (17 ) getragen ist, die den Stator nicht biegbar haltern.
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