WO2006032236A1 - Windenergieanlage mit vollintegriertem maschinensatz - Google Patents

Windenergieanlage mit vollintegriertem maschinensatz Download PDF

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WO2006032236A1
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Sönke Siegfriedsen
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Aerodyn Energiesysteme Gmbh
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    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind energy plant with a tower, a rotatably mounted on the tower about its axis, a gear, a generator, a Schleif ⁇ ring assembly and a brake receiving machine housing and a rotor mounted in the machine housing with at least one rotor blade.
  • Wind energy technology has developed very dynamically over the last few decades, although this only applies to medium to very large systems for grid parabolic operation.
  • the development of small kilowatt-scale systems has not progressed in the last twenty years.
  • these systems continue to be very expensive and therefore do not find market access.
  • the use of wind energy to supply the 2 billion people without access to electricity could play an important role here.
  • there is a great need for systems in the power class 1 kW to 10 kW but this can only be developed if the systems are extremely robust and cost-effective and easy to set up and work largely maintenance-free.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a wind turbine of the type mentioned, in which all components are optimally matched to each other and all components are compactly assembled, so that a lighter and above all cheaper machine set can be realized.
  • this object is achieved by the realization of a fully integrated machine set, wherein all components are compactly combined into a cast component.
  • These components are the vertical bearing, the slip ring gear, the gearbox, the generator, the brake and the rotor bearing. All components are geometrically arranged so that a very small and lightweight machine housing results. It is particularly advantageous if the machine housing is produced as a cast component in aluminum.
  • Fig.l the complete wind turbine with tower, nacelle and rotor, in by
  • Fig. 2 is a perspective view of the machine housing
  • Fig. 3 is a sectional view of the machine housing with all components.
  • Fig. 1 shows the wind turbine with tower 10 and the Turmabhard 12.
  • the nacelle 14 On the tower 10, the nacelle 14 is arranged rotatably about its axis.
  • the rotor 16 is mounted, the lee finger, ie on the side facing away from the wind of the Tur ⁇ 10 rotates.
  • FIG. 2 shows the machine housing 18 in a perspective view, the rotor shaft 20 being visible on the front side and the cooling ribs 22 on the sides of the machine housing 18.
  • Fig. 3 shows the machine housing 18 as a sectional drawing.
  • the machine housing accommodates a gear 24, a generator 26, a vertical bearing 28, a slip ring transmitter 30 and a brake 32.
  • the machine housing 18 is as a
  • Cast component formed and has a plurality of bearing seats for receiving the er ⁇ required storage.
  • the machine set In order to enable the tracking of the nacelle 14 in wind direction changes, the machine set must be rotatably mounted about the tower longitudinal axis 34. This ge happens via a lower bearing 36 and an upper bearing 38, which are placed on the bolted to the tower 10 journals 40. To transfer the electrical energy from the generator 26 to a cable which is fixedly mounted on the tower 10, a slip ring transformer 30 is needed. This slip ring transmitter 30 is disposed between the bearings 36 and 38 on the journal 40.
  • the rotor shaft 20 is rotatably supported by a front bearing 42 and a rear bearing 44 in Ma ⁇ housing 18.
  • the rotor shaft 20 carries the rotor 16 (not shown in FIG. 3) and the gear toothed wheel 46.
  • the gear 24 is designed as a single-stage helical gear, the gear tooth 46 meshing with the gear tooth 48.
  • the gear 48 is fixedly connected to the generator shaft 50 and thus drives the generator 26 at.
  • the gearwheel 46 runs in an oil sump 52 formed in the machine housing 18.
  • the generator shaft 50 is mounted on a front bearing 54 and a rear bearing 56 gela ⁇ .
  • the front bearing 54 is pressed in the machine housing 18 and the rear bearing in the brake 32.
  • the front bearing 54 is lubricated with the lubricant of Getrie ⁇ bes 24 and the rear bearing 56 with a separate grease.
  • the brake 32 with the rear bearing 56 is screwed to the machine housing 18 and thereby closes the generator room against environmental influences.
  • This structure allows an extremely compact and lightweight design of the entire machine set.
  • the gear 24 has been brought as close as possible to the vertical bearing 28 and the generator has been arranged above the oil sump 52 and the vertical bearing 28.
  • the length of the machine housing 18 is characterized particularly small.
  • the machine housing 18 is very inexpensive to produce. It is advantageous if the rotor axis 58 is at right angles to the tower axis 34. The machine housing is particularly easy if an aluminum alloy is used as the material. In addition, the Tru ⁇ unit is limited to a minimum, which also has a positive effect on the cost and reliability of the system.
  • a brake 32 is mounted on the free end of the generator shaft 50 Fliehkraft ⁇ brake whose abutment is fixedly connected to the block, or as electrically aus ⁇ dissolved disc brake, the fifth bearing 54 is arranged on the generator shaft an ⁇ order, reduce the otherwise required equipment, especially in cases where the at least one rotor blade is not adjustable.

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Abstract

Windenergieanlage mit einem Turm (10), einem auf dem Turm (10) um dessen Achse (34) drehbar angeordneten, ein Getriebe (24), einen Generator (26), eine Schleifringanordnung (30) und eine Bremse (32) aufnehmenden Maschinengehäuse (18) und einem in dem Maschinengehäuse (18) gelagerten Rotor (16) mit wenigstens einem Rotorblatt, wobei das Getriebe (24), der Generator (26), die Vertikallagerung (28), der Schleifringübertrager (30) und Rotorlagerung in dem Maschinengehäuse (18) integriert sind.

Description

Windenergieanlage mit vollintegriertem Maschinensatz
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Turm, einem auf dem Turm um dessen Achse drehbar angeordneten, ein Getriebe, einen Generator, eine Schleif¬ ringanordnung und eine Bremse aufnehmenden Maschinengehäuse und einem in dem Maschinengehäuse gelagerten Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt.
Die Windenergietechnologie hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr dynamisch weiter entwickelt, wobei sich dieses nur auf mittlere bis sehr große Anlagen für den Netzpara- lell-betrieb bezieht. Die Entwicklung von kleinen Anlagensystemen im Kilowattbereich ist hingegen in den letzten zwanzig Jahren nicht weiter voran gekommen. Dadurch sind diese Anlagen weiterhin sehr teuer und finden daher nicht den Marktzugang. Dabei könnte die Windenergienutzung zur Versorgung der 2 Milliarden Menschen ohne Zu¬ gang zu Elektrizität ein wichtige Rolle spielen. Für diese Anwendung besteht ein großer Bedarf an Anlagen in der Leistungsklasse 1 kW bis 10 kW, der aber nur erschlossen werden kann, wenn die Anlagen extrem robust und kostengünstig sowie einfach aufzu¬ stellen sind und weitestgehend wartungsfrei arbeiten.
Bestehende Kleinanlagen können diese Anforderungen allerdings nicht erfüllen, da die¬ se zu teuer und/oder zu störanfällig sind. Ein besonderes Problem besteht darin, die ein¬ zelnen erforderlichen Komponenten optimal aufeinander abgestimmt auszulegen und in geeigneter Art und Weise zusammenzufügen. Nur wenn diese Anforderung konsequent umgesetzt wird, kann eine zuverlässige Anlage entwickelt werden. Ferner ist es von entscheidender Bedeutung, dass alle Komponenten mit Hilfe von CNC-Maschinen ko¬ stengünstig zu produzieren sind und sich einfach und schell montieren lassen. Um eine einfache Aufstellung zu ermöglichen ist von großem Vorteil, wenn die Anlage über eine geringe Kopfmasse verfügt. Die meisten der heute auf dem Markt angebotenen Kleinanlagen sind aus einzelnen Standardkomponenten aufgebaut, die mit einem Maschinenrahmen verschraubt werden. Dieses führt zu relativ großen Baugruppen, die dadurch meist sehr schwer sind. Diese Komponenten sind dann nicht auf die spezifischen Belange der Windenergienutzung abgestimmt und genügen damit nicht den Belangen von Lebensdauer und Belastungen. Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie über ein hohes Kopfgewicht verfügen, teuer sowie auch störanfällig sind und sich daher nicht für eine größere Verbreitung eignen. Zum Stand der Technik ist insbesondere auf die Patentschrift DE 890 480 aus den Jahr 1954 hinzuweisen. Darin ist ein Anlageaufbau zu erkennen der bereits zum Teil integriert ist, aber über zu viele verschraubende Teile verfügt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind und alle Bauteile kompakt zusammengefügt werden, so das ein leichter und vor al- lern kostengünstiger Maschinensatz realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Realisierung eines vollintegrier¬ ten Maschinensatzes, wobei alle Komponenten in einen Gussbauteil kompakt zusam- mengefasst werden. Diese Komponenten sind die Vertikallagerung, der Schleifringüber- trager, das Getriebe, der Generator, die Bremse und die Rotorlagerung. Alle Bauteile sind geometrisch so angeordnet, dass sich ein sehr kleines und leichtes Maschinenge¬ häuse ergibt. Besonders vorteilhaft ist es wenn das Maschinengehäuse als Gussbauteil in Aluminium hergestellt wird.
Die Erfindung wird anhand folgender Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
Fig.l die komplette Windenergieanlage mit Turm, Gondel und Rotor, bei durch
Pfeil angedeutem Windeinfall,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Maschinengehäuses, und
Fig. 3 eine Schnittzeichnung des Maschinengehäuses mit allen Komponenten.
Fig. 1 zeigt die Windenergieanlage mit Turm 10 und der Turmabspannung 12. Auf dem Turm 10 ist um dessen Achse drehbar die Gondel 14 angeordnet. In der Gondel 14 ist der Rotor 16 gelagert, der leeseitig, also auf der dem Wind abgewandten Seite des Tur¬ mes 10 dreht.
Fig. 2 zeigt das Maschinengehäuse 18 in perspektivischer Darstellung, wobei an der Frontseite die Rotorwelle 20 und an den Seiten des Maschinengehäuses 18 die Kühlrip¬ pen 22 zu sehen sind.
Fig. 3 zeigt das Maschinengehäuse 18 als Schnittzeichnung. Das Maschinengehäuse nimmt ein Getriebe 24, einen Generator 26, eine Vertikallagerung 28, einen Schleifring- Übertrager 30 und eine Bremse 32 auf. Das Maschinengehäuse 18 ist dabei als ein
Gussbauteil ausgebildet und weist eine Vielzahl von Lagersitzen zur Aufnahme der er¬ forderlichen Lager auf.
Um die Nachführung der Gondel 14 bei Windrichtungsänderungen zu ermöglichen, muss der Maschinensatz um die Turmlängsachse 34 drehbar gelagert sein. Dieses ge¬ schieht über ein unteres Lager 36 und ein oberes Lager 38, die auf dem mit dem Turm 10 verschraubten Achszapfen 40 aufgesetzt sind. Zur Übertragung der elektrischen Energie von dem Generator 26 auf ein Kabel, das am Turm 10 fest angebracht ist, wird ein Schleifringübertrager 30 benötigt. Dieser Schleifringübertrager 30 ist zwischen den Lagern 36 und 38 auf den Achszapfen 40 angeordnet.
Die Rotorwelle 20 ist über ein vorderes Lager 42 und ein hinteres Lager 44 im Ma¬ schengehäuse 18 drehbar gelagert. Die Rotorwelle 20 trägt den Rotor 16 ( in Fig.3 nicht dargestellt ) und das Getriebezahnrad 46. Das Getriebe 24 ist in diesem Ausführungs- beispiel als einstufiges Stirnradgetriebe ausgebildet, wobei das Getriebezahnrad 46 mit dem Getrieberitzel 48 kämmt. Das Getrieberitzel 48 ist mit der Generatorwelle 50 fest verbunden und treibt damit den Generator 26 an. Zur Versorgung des Getriebes 24 mit Schmierstoff läuft das Getriebezahnrad 46 in einer in dem Maschinengehäuse 18 aus¬ gebildeten Ölwanne 52.
Die Generatorwelle 50 ist über ein vorderes Lager 54 und ein hinteres Lager 56 gela¬ gert. Das vordere Lager 54 ist dabei im Maschinengehäuse 18 und das hintere Lager in der Bremse 32 eingepresst. Das vordere Lager 54 wird mit den Schmierstoff des Getrie¬ bes 24 und das hintere Lager 56 mit einer separaten Fettfüllung geschmiert. Die Bremse 32 mit dem hinteren Lager 56 wird mit dem Maschinengehäuse 18 verschraubt und schließt dadurch den Generatorraum gegen Umwelteinwirkungen ab. Dieser Aufbau ermöglicht eine extrem kompakte und leichte Ausführung des gesamten Maschinensatzes. Das Getriebe 24 ist dabei so dicht wie möglich an die Vertikallage¬ rung 28 herangebracht und der Generator oberhalb der Ölwanne 52 und der Vertikalla- gerung 28 angeordnet worden. Die Baulänge des Maschinengehäuses 18 wird dadurch besonders klein. Als Gussteil ausgeführt, dass auf einem CNC- Bearbeitungszentrum in einer Aufspannung komplett bearbeitet werden kann, ist das Maschinengehäuse 18 sehr preisgünstig zu produzieren. Von Vorteil ist dabei, wenn die Rotorachse 58 im rechten Winkel zur Turmachse 34 steht. Besonders leicht wird das Maschinengehäuse, wenn als Material eine Aluminiumlegierung Verwendung findet. Außerdem ist die Gesamt¬ heit der Bauteile auf ein Minimum beschränkt, was sich ebenfalls positiv auf die Kosten und die Zuverlässigkeit der Anlage auswirkt.
Die Windenergieanlage bei der das Maschinengehäuse 18 ein als Gussteil ausgebildeter Block ist, in den der Außenring eines unteren ersten Lagers 36 zur unteren Lagerung ei¬ nes mit der Spitze des Turms 10 verschraubten Achszapfens 4O5 der Außenring eines oberen zweiten Lagers 38 zur oberen Lagerung des Achszapfens 40, der Außenring ei¬ nes dritten Lagers 42 zur Lagerung der Rotorwelle 20, der Außenring eines vierten La¬ gers 44 zur Lagerung des in das Maschinengehäuse 18 eingesetzten, das Getriebezahn- rad 46 tragenden Endes der Rotorwelle 20, der Außenring eines fünften Lagers 54 zur
Lagerung des vorderen Endes der Generatorwelle 50, und der Außenring eines sechsten Lagers 56 zur Lagerung des hinteren Endes der Generatorwelle 50 eingearbeitet sind, ist zudem leichter, was den Gesamtaufwand der Errichtung der Windenergieanlage inklu¬ sive Turms bedeutend günstiger macht.
Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass das Getrieberitzel 48 des Getriebes 24 in die Ge¬ neratorwelle 50 eingepresst ist, und auch, daß der Schleiftingübertrager 30 auf dem Achszapfen 40 aufsitzt.
Eine Bremse 32 als auf das freie Ende der Generatorwelle 50 aufsitzender Fliehkraft¬ bremse ist, deren Widerlager mit dem Block fest verbunden ist, oder als elektrisch aus¬ gelöste Scheibenbremse, die das fünfte Lager 54 umgebend auf der Generatorwelle an¬ geordnet ist, verringern den sonst erforderlichen apparativen Aufwand, insbesondere in Fällen, in denen das wenigstens eine Rotorblatt nicht verstellbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Windenergieanlage mit einem Turm (10), einem auf dem Turm (10) um dessen
Achse (34) drehbar angeordneten, ein Getriebe (24), einen Generator (26), eine Schleif- ringanordnung (30) und eine Bremse (32) aufnehmendes Maschinengehäuse (18) und einem in dem Maschinengehäuse (18) gelagerten Rotor (16) mit wenigstens einem Ro¬ torblatt, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (24), der Generator (26), die Verti- kallagerung (28), der Schleifringübertrager (30) und die Rotorlagerung in dem Maschi¬ nengehäuse (18) integriert sind.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (18) als Gussbauteil ausgeführt ist.
3. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass als Gusswerkstoff für des Maschinengehäuse (18) eine Aluminiumlegie- rung zum Einsatz kommt.
4. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (24) ein einstufiges Stirnradgetriebe ist
5. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Generator (26) im Maschinengehäuse (18) oberhalb der Vertikallage¬ rung (28) angeordnet ist.
6. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Getriebezahnrad (46) des Getriebes (24) in einer in dem Maschinen¬ gehäuse (18) ausgebildeten Ölwanne (52) läuft.
7. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorachse (58) rechtwinklig zur Turmachse (34) ausgeführt ist.
8. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Rotor (16) leeseitig zur Turmachse (34) angeordnet ist.
9. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das hintere Generatorwellenlager (56) in die Bremse (32) integriert ist und die Bremse fest mit dem Maschinengehäuse (18) verbunden ist.
10. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Maschinengehäuse (18) außen mit Kühlrippen (22) versehen sind.
11. Windenergieanlage mit Turm (10), einem auf dem Turm (10) um dessen
Achse drehbar angeordneten, ein Getriebe (24), einen Generator (26), eine Schleifring- anordnung (30) und eine Bremse (30) aufnehmenden Maschinengehäuse (18) und ei¬ nem von dem Maschinengehäuse (18) getragenen Rotor (16) mit wenigstens einem Ro¬ torblatt, wobei das Maschinengehäuse (18) ein als Gussteil ausgebildeter Block ist, in den der Außenring eines unteren ersten Lagers (36) zur unteren Lagerung eines mit der Spitze des Turms (10) verschraubten Achszapfens (40),
der Außenring eines oberen zweiten Lagers (38) zur oberen Lagerung des Achszapfens (40),
- der Außenring eines dritten Lagers (42) zur Lagerung der Rotorwelle (20),
der Außenring eines vierten Lagers (44) zur Lagerung des in das Maschi¬ nengehäuse (18) eingesetzten, das Getriebezahnrad (46) tragenden Endes der Rotorwelle (20), der Außenring eines fünften Lagers (54) zur Lagerung des vorderen Endes der Generatorwelle (50), und
der Außenring eines sechsten Lagers (56) zur Lagerung des hinteren Endes der Generatorwelle (50)
eingearbeitet sind.
12. Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe¬ ritzel (48) des Getriebes (24) in die Generatorwelle (50) eingepresst ist.
13. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Schleifringübertrager (30) auf dem Achszapfen (40) aufsitzt.
14. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Bremse (32) eine auf das freie Ende der Generatorwelle (50) aufsit- zende Fliehkraftbremse ist, deren Widerlager mit dem Block fest verbunden ist.
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