WO2020074484A1 - Windenergieanlage mit triebstrang - Google Patents

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WO2020074484A1
WO2020074484A1 PCT/EP2019/077174 EP2019077174W WO2020074484A1 WO 2020074484 A1 WO2020074484 A1 WO 2020074484A1 EP 2019077174 W EP2019077174 W EP 2019077174W WO 2020074484 A1 WO2020074484 A1 WO 2020074484A1
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WO
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bearing
rotor
generator
azimuth
wind turbine
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/077174
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Eusterbarkey
Original Assignee
Senvion Gmbh
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Publication date
Application filed by Senvion Gmbh filed Critical Senvion Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D15/00Transmission of mechanical power
    • F03D15/20Gearless transmission, i.e. direct-drive
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D80/00Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/70Bearing or lubricating arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00Application
    • F05B2220/70Application in combination with
    • F05B2220/706Application in combination with an electrical generator
    • F05B2220/7066Application in combination with an electrical generator via a direct connection, i.e. a gearless transmission
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind power plant with a gearless drive train comprising a rotor shaft and a generator.
  • Gearless wind turbines which are also referred to as wind turbines with direct drive, are known in the prior art.
  • a rotor that can be rotated about an essentially horizontal axis can be set in rotation by wind.
  • the rotor is gear-free connected to a generator for converting the rotational energy of the rotor into electrical energy, so that the rotor is driven at the rotational speed of the rotor.
  • the generator must therefore be designed for the rotational speeds of the rotor, which regularly results in large diameters of the rotor and stator.
  • EP 2 372 150 A1 shows a wind power plant with a direct drive, in which both the rotor of the wind power plant and the rotor of the generator are each mounted on journals which are made separately from one another and are thus connected to one another via a shaft which runs coaxially through both journals are that about this wave exclusively
  • a disadvantage of this prior art is the complex structure of the wind power plant in the area of its nacelle.
  • the object of the present invention is to provide a wind power plant with a gearless drive train which has a simpler and more cost-effective design than the prior art. This task is solved by a wind turbine according to the main claim. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.
  • the invention relates to a wind power plant with a gearless drive train comprising a rotor shaft and a generator with a stator and a rotor separated therefrom by a generator air gap, the rotor shaft being fixedly connected to the rotor of the generator without play, the rotor shaft facing away from the generator -
  • the third side is mounted in a main structure in a main rotor bearing, and the rotor of the generator is mounted opposite the stator via a torque bearing, the stator being connected to the supporting structure via at least three elastic suspension elements arranged in a ring around the rotor axis.
  • a connection is considered to be “firm and free of play” if there is practically no relative movement between the components connected in this way when the connection is expected to be subjected to loads.
  • torque bearing refers to a rotary bearing that enables the transmission of axial and radial forces and the absorption of moments that do not act around the axis of rotation.
  • a torque bearing can absorb bending moments acting on a shaft mounted therein.
  • a "one-sided" bearing always exists if a bearing is only provided on one side of the component to be stored, so that the component to be stored does not lie between two bearings.
  • both the main rotor bearing and the rotor bearing of the generator can be used as a fixed bearing for the drive train.
  • the rotor bearing of the generator can be regarded as a floating bearing with sufficient flexibility of the elastic suspension elements, in the latter - and preferred - the elasticity of the suspension elements is to be chosen such that the rotor bearing can be regarded as a fixed bearing for the drive train.
  • the rotor bearing of the generator in this case not only responsible for maintaining the generator air gap between the rotor and the stator, but also for absorbing all of the rotor thrust exerted by the wind on the drive train, as well as any bending moments, and introducing them into the supporting structure via the elastic suspension elements.
  • the rotor bearing is then designed as an axially and angularly movable floating bearing and, in addition to absorbing weight forces, essentially serves to absorb pitch and yaw moments acting on the drive train.
  • the rotor bearing of the generator although configured as a torque bearing, can follow bending deformation occurring in the drive train and in particular the rotor shaft, at least to a certain extent, and in particular as determined by the elasticity of the suspension elements.
  • the inventive design of the rotor bearing of the generator as a torque bearing achieves precise axial guidance between the rotor and the stator of the generator, so that the required generator air gap is maintained permanently even when the rotor shaft is deformed by bending.
  • Drivetrain as is often required in the prior art in order to keep deformation of the rotor shaft away from the generator, can be dispensed with.
  • main rotor bearing is designed as an axially and angularly movable bearing, it is extremely robust with respect to angular errors and axial play, which is why the preferred bearing arrangement does not require a highly precise alignment of the floating bearing with respect to the rotor bearing of the generator, which then acts as a fixed bearing. Possible deviations from a theoretically ideal alignment are usually easily compensated for by the floating bearing. The same applies to any change in position due to possible deformation of the elastic suspension elements during the operation of the wind turbine.
  • the rotor shaft is fixed to the support structure at the end remote from the main rotor bearing, before the tight and play-free connection between the rotor shaft and generator is released and the generator can be dismantled as a single assembly unit. Then a new generator, for example also with regard to its performance data of a different type, or the previously dismantled generator, for example after a repair, can be installed again without problems.
  • the rotor of the wind turbine must not be dismantled. As a result of this and since the generator can be (dis) assembled as a single fixed assembly unit, the generator can be replaced easily and inexpensively.
  • the rotor of the generator is supported on one side with respect to the stator via the torque bearing.
  • a support bearing designed as a floating bearing for the rotor on the side opposite to the moment bearing but it has been shown that the one-sided bearing is supported by a bending moment that possibly takes up the rotor thrust and any bending moments acting on the drive train trained torque bearing is usually sufficient to ensure the generator air gap between the rotor and stator. The additional weight of a support bearing can thus be saved.
  • the support structure is in several parts, the main rotor bearing being fastened in a first support structure part and the stator of the generator being connected to a second support structure part, the first and second support structure parts preferably being detachably attached to a machine support.
  • a multi-part design of the supporting structure results in geometries of the individual structural parts which are easier to manufacture and which can then be combined to form the supporting structure.
  • the suspension elements preferably being uniformly distributed over the circumference. With an appropriate number and arrangement of elastic suspension elements, the flow of force through the housing can be well distributed and particularly high force peaks in the housing can be avoided.
  • the elastic suspension elements are elastomer elements which are preferably arranged rotationally symmetrically and / or with their longitudinal axis parallel to the rotor axis.
  • a rotationally symmetrical design regularly enables simple and inexpensive production with a high load-bearing capacity, in particular in the radial direction.
  • a cylindrical shape, a conical shape and / or a barrel shape are particularly suitable as the rotationally symmetrical design.
  • the conical shape can facilitate disassembly during repair work.
  • the cylindrical design is also known as the Ultra socket.
  • the elasticity of the elastic suspension elements is configured in a direction-dependent manner in such a way that there is sufficient rigidity in the circumferential direction to guide the generator torque completely into the supporting structure solely via the suspension elements.
  • a corresponding design of the suspension elements makes it possible to dispense with a separate torque support for the generator.
  • the torque bearing can be a plain bearing or a roller bearing. If a roller bearing is provided, it is preferred if it is a two-row tapered roller bearing with an inclined position in an X or O arrangement. Corresponding torque bearings allow a play-free and highly resilient bearing, in which the necessary bracing of the individual bearing components is essentially insensitive to any temperature effects due to the short bracing length. Compared to a comparable bearing with an X arrangement, the O arrangement is characterized by an even higher torque capacity. If the main rotor bearing is to be a floating bearing, it is preferably a toroidal roller bearing.
  • a toroidal roller bearing - also called “CARB bearing” or “CARB toroidal roller bearing” - is a single-row roller bearing with symmetrical, relatively long, slightly spherical rollers and toroidal shaped raceways. Corresponding bearings can only absorb radial loads, but are also extremely robust against angular errors and axial play.
  • the support structure is preferably designed for connection to an azimuth bearing arranged on the tower of the wind energy installation, in order to achieve a rotation of the support structure and the rotor axis, which is regularly arranged stationary, in the azimuth direction.
  • azimuth drives for securing the supporting structure in a certain azimuth position there are azimuth brakes, usually in the form of azimuth brake calipers intended.
  • the machine support is regularly designed for connection to the azimuth bearing.
  • the support structure or the machine support has a flange with a hole pattern identical to the hole pattern of the azimuth bearing of the wind energy installation and a support plate is provided for receiving at least six azimuth drives, where the support plate has a hole pattern identical to the hole pattern of the azimuth bearing and is arranged between the support structure or machine support and the azimuth bearing in such a way that the screw connection of the support structure or the machine support to the azimuth bearing is guided through the hole pattern of the support plate.
  • the support plate is characterized by a hole pattern that corresponds to the hole patterns on the flange of the support structure or the machine support and the azimuth bearing, so that the support plate can be easily clamped in by the screw connection provided for fastening the support structure or the machine support to the azimuth bearing and no special attachment is required.
  • the carrier plate also has a number of receptacles for it that go beyond the usual number of azimuth drives, which are preferably also all provided with an azimuth drive.
  • the additional azimuth drives can reduce the reaction forces applied to the individual drives in the carrier plate and the resulting carding moments, so that the carrier plate can have a smaller thickness than a plate with only four azimuth drives.
  • the carrier plate is designed to accommodate eight or more azimuth drives. It also applies here that an azimuth drive is preferably provided in each receptacle provided for the carrier plate.
  • the carrier plate can have at least five, preferably at least eight receptacles for azimuth brakes, where an azimuth brake is preferably provided in each receptacle provided for this purpose.
  • Figure 1 is a schematic partial representation of the gearless drive train
  • Embodiment of a wind turbine according to the invention Embodiment of a wind turbine according to the invention.
  • the drive train 1 comprises a rotor shaft 2 designed as a hollow shaft, at one end 3 of which the rotor of the wind energy installation, of which only the rotor hub 4 is shown, is fastened.
  • a generator 10 is arranged at the other end 5 of the rotor shaft 2.
  • the generator 10 comprises a rotor 11 and a stator 12, a circumferential generator air gap 13 being provided between the two components 11, 12.
  • the rotor shaft 2 is supported in the region of one end 3 by a main rotor bearing 7 on a first ring-shaped support structure part 21 which completely surrounds the rotor shaft 2.
  • the main rotor bearing 7 is an axially and angularly movable toroidal roller bearing and thus a floating bearing.
  • the rotor shaft 2 is firmly connected to the rotor 11 of the generator 10 via the indicated screw connection 6 and without play.
  • the stator 12 is connected to a second support structure part 22 via a total of sixteen elastomer elements distributed uniformly over the circumference as elastic suspension elements 24.
  • the elastomer elements have a cylindrical shape in the connection area, the respective longitudinal axes being aligned parallel to the rotor axis 9.
  • the first support structure part 21 and the second support structure part 22 are connected to a machine support 23 designed as a cast part.
  • the support structure parts 21, 22 and the machine support 23 form the support structure 20.
  • the second support structure part 22 has a locking flange 25 which runs around the rotor shaft 2 and on which the rotor shaft 2 can be fixed if necessary. If the rotor shaft 2 is fixed accordingly, the generator 10 can be dismantled without problems.
  • the mounting of the drive train 1 shown in FIG. 1 achieves a fixed-loose mounting, wherein the torque bearing 14 integrated in the generator 10 not only achieves fixed mounting, but also ensures that the generator air gap 13 is maintained .
  • the generator air gap 13 is also maintained in particular when the drive train 1 is deformed due to wind loads acting on the rotor, a certain bending deformation of the rotor shaft 2 being made possible by the elastic suspension elements 24.
  • the transmission of vibrations of the drive train 1 to the second support structure 22 can also be minimized.
  • the machine carrier 23 On its underside, the machine carrier 23 has a flange 26 with a hole pattern which corresponds to that of the azimuth bearing 30, on which the machine carrier 23 is fastened to the azimuth bearing 30 in a known manner.
  • a carrier plate 31 is also provided, which likewise has a hole pattern which corresponds to the hole pattern of the machine carrier 23 or that of the azimuth bearing 30.
  • the carrier plate 31 can therefore be arranged between the machine carrier 23 and the azimuth bearing 30 such that the known screw connection of the machine carrier 23 to the azimuth bearing 30 is guided through the hole pattern of the carrier plate 31, with which the carrier plate 31 is securely fastened.
  • a total of twelve azimuth drives 32 (only six of which are shown) are arranged on the support plate 31 in receptacles provided for this purpose, by means of which the azimuth adjustment of the wind power installation is accomplished.
  • azimuth brakes 33 designed as brake calipers can also be provided, with which the Wind turbine can be secured in a predetermined azimuth position. In Figure 1, only one azimuth brake 33 is shown as an example.
  • the arrangement of the azimuth drives 32 and the azimuth brakes 33 on the carrier plate 31 makes it possible to dispense with a more complex and thus more cost-intensive design of the machine carrier 23.
  • the carding moments acting on the carrier plate 31 can be kept low by the respectively selected number of azimuth drives 32 and azimuth brakes 33, so that neither a particularly large thickness of the carrier plate 31 nor complex reinforcements of the carrier plate 31 are required.
  • the rotor 11 of the generator 10 is arranged inside the stator 12.
  • the rotor 11 it is of course also possible for the rotor 11 to engage around the stator 12 from the outside in order to improve the electrical design of the generator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem getriebelosen Triebstrang (1) umfassend eine Rotorwelle (2) und einen Generator (10) mit einem Stator (12) und einem davon durch einen Generatorluftspalt (13) getrennten Rotor (11). Die Rotorwelle (2) fest und spielfrei mit dem Rotor (11) des Generators (10) verbunden und auf der von dem Generator (10) abgewandten Seite in einem Rotorhauptlager (7) in einer T ragstruktur (20, 21) gelagert. Der Rotor (11) des Generators (10) über ein Momentenlager (14) gegenüber dem Stator (12) gelagert, wobei der Stator (12) über wenigstens drei ringförmig um die Rotorachse (9) angeordnete elastische Aufhängungselemente (24) mit der TragStruktur (20, 22) verbunden ist.

Description

Windenergieanlage mit Triebstrang
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem getriebelosen Triebstrang umfas- send eine Rotorwelle und einen Generator.
Im Stand der Technik sind getriebelose Windenergieanlagen, die auch als Windenergieanla- gen mit Direktantrieb bezeichnet werden, bekannt. Bei entsprechenden Windenergieanlagen lässt sich ein um eine im Wesentlichen horizontale Achse drehbarer Rotor durch Wind in Ro- tation versetzen. Der Rotor ist dabei getriebefrei mit einem Generator zur Umwandlung der Rotationsenergie des Rotors in elektrische Energie verbunden, sodass der Rotor mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors angetrieben wird. Der Generator muss demzufolge auf die Drehgeschwindigkeiten des Rotors ausgelegt sein, was regelmäßig große Durchmesser von Rotor und Stator zur Folge hat.
Für den zuverlässigen Betrieb eines Generators ist es wesentlich, den Generatorluftspalt zwischen Rotor und Stator, der selbst bei Generatoren mit bis zu 12 Metern Durchmesser nur wenige Millimeter beträgt, genau einzuhalten. In der Folge ist es erforderlich, den Gene- rator so von der aufgrund der Windlasten auf den Rotor auftretenden Verformungen des Triebstrangs zu entkoppeln, dass der Generatorluftspalt dauerhaft eingehalten wird.
Aus der EP 2 372 150 A1 ist eine Windenergieanlage mit Direktantrieb gezeigt, bei der so- wohl der Rotor der Windenergieanlage als auch der Rotor des Generators jeweils auf ge- trennt voneinander ausgeführten Zapfen gelagert und über eine koaxial durch beide Zapfen verlaufende Welle so miteinander verbunden sind, dass über diese Welle ausschließlich
Drehmomente übertragen werden. In der Folge werden auftretenden Verformungen des Ro- tors aufgrund von Windlasten nicht auf den Generator übertragen.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist der komplexe Aufbau der Windenergieanlage im Bereich ihrer Gondel. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windenergieanlage mit einem getriebelosen Triebstrang zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik einen einfacheren und kos- tengünstigeren Aufbau hat. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Windenergieanlage gemäß dem Hauptanspruch. Vor- teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Demnach betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage mit einem getriebelosen Triebstrang umfassend eine Rotorwelle und einen Generator mit einem Stator und einem davon durch einen Generatorluftspalt getrennten Rotor, wobei die Rotorwelle fest und spielfrei mit dem Rotor des Generators verbunden ist, die Rotorwelle auf der von dem Generator abgewand- ten Seite in einem Rotorhauptlager in einer Tragstruktur gelagert ist, und der Rotor des Ge- nerators über ein Momentenlager gegenüber dem Stator gelagert ist, wobei der Stator über wenigstens drei ringförmig um die Rotorachse angeordnete elastische Aufhängungsele- mente mit der T ragstruktur verbunden ist.
Zunächst werden einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert:
Eine Verbindung gilt dann als„fest und spielfrei“, wenn bei üblicherweise zu erwartenden Be- lastungen der Verbindung praktisch keine Relativbewegung zwischen den so verbundenen Komponenten auftritt. Der Begriff„Momentenlager“ bezeichnet ein Drehlager, welches die Übertragung von axialen und radialen Kräften sowie die Aufnahme von Momenten, die nicht um die Drehachse wir- ken, ermöglicht. Insbesondere kann ein Momentenlager auf eine darin gelagerte Welle ein- wirkende Biegemomente aufnehmen.
Eine„einseitige“ Lagerung besteht immer dann, wenn nur auf einer Seite des zu lagernden Bauteils eine Lagerung vorgesehen ist, sodass das zu lagernde Bauteil also insbesondere nicht zwischen zwei Lagern liegt.
Die Erfindung hat erkannt, dass eine Fest-Los-Lagerung des Triebstrangs vorteilhaft ist, bei dem die Rotorwelle fest und spielfrei mit dem Rotor des Generators verbunden ist. Dabei kann grundsätzlich sowohl das Rotorhauptlager als auch das Rotorlager des Generators als Festlager für den Triebstrang genutzt werden. Im erstgenannten Fall kann das Rotorlager des Generators bei ausreichender Nachgiebigkeit der elastischen Aufhängungselemente als Loslager angesehen werden, im letztgenannten - und bevorzugten - Fall ist die Elastizität der Aufhängungselemente derart zu wählen, dass das Rotorlager als Festlager für den Triebstrang angesehen werden kann. In anderen Worten ist das Rotorlager des Generators in diesem Fall nicht nur dafür verantwortlich, den Generatorluftspalt zwischen Rotor und Sta- tor einzuhalten, sondern auch um sämtliche vom Wind auf den Triebstrang ausgeübten Ro- torschub sowie evtl. Biegemomente aufzunehmen und über die elastischen Aufhängungsele- mente in die Tragstruktur einzuleiten. Das Rotorlager ist dann als axial- und Winkel beweg li- che Loslager auszuführen und dient neben der Aufnahme von Gewichtskräften im Wesentli- chen zur Aufnahme von auf den Triebstrang einwirkenden Nick- und Giermomenten.
Aufgrund der elastischen Aufhängungselemente kann das Rotorlager des Generators, ob- wohl als Momentenlager ausgestaltet, im Triebstrang und insbesondere der Rotorwelle auf- tretende Biegeverformung wenigstens im gewissem und insbesondere durch die Elastizität der Aufhängungselemente vorgegebenen Umfang folgen. Gleichzeitig wird durch die erfin- dungsgemäße Ausbildung des Rotorlagers des Generators als Momentenlager aber eine ge- naue axiale Führung zwischen Rotor und Stator des Generators erreicht, sodass der erfor- derliche Generatorluftspalt selbst bei Biegeverformung der Rotorwelle dauerhaft eingehalten wird. Auf eine Kupplung oder eine sonst wie geartete besondere Ausgestaltung des
Triebstrangs, wie im Stand der Technik häufig erforderlich, um Verformungen der Rotorwelle vom Generator fernzuhalten, kann verzichtet werden.
Ist das Rotorhauptlager als axial- und winkelbewegliches Lager ausgeführt, ist es äußerst ro- bust gegenüber Winkelfehlern und Axialspiel, weshalb die bevorzugte Lageranordnung keine hochgenaue Ausrichtung des Loslagers gegenüber dem dann als Festlager wirkenden Ro- torlager des Generators erforderlich ist. Mögliche Abweichungen von einer theoretisch idea- len Ausrichtung werden in der Regel durch das Loslager problemlos ausgeglichen. Gleiches gilt für etwaige Lageveränderung durch mögliche Verformung der elastischen Aufhängungs- elemente während des Betriebs der Windenergieanlage.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist weiterhin ein einfacher Austausch des Gene- rators möglich. Dazu wird die Rotorwelle am vom Rotorhauptlager entfernten Ende durch ge- eignete Mittel an der Tragstruktur fixiert, bevor die fest- und spielfreie Verbindung zwischen Rotorwelle und Generator gelöst und der Generator als einzelne Montageeinheit demontiert werden kann. Anschließend kann dann ein neuer Generator, bspw. auch hinsichtlich seiner Leistungsdaten anderen Typs, oder aber der zuvor demontierte Generator, bspw. nach einer Instandsetzung, wieder problemlos montiert werden. Der Rotor der Windenergieanlage muss dabei nicht demontiert werden. Dadurch und da der Generator als einzelne feste Montage- einheit (de-)montierbar ist, ist ein einfacher und kostengünstiger Austausch des Generators möglich.
Es ist bevorzugt, wenn der Rotor des Generators über das Momentenlager einseitig gegen- über dem Stator gelagert ist. Zwar ist grundsätzlich auch denkbar, auf der vom Momentenla- ger gegenüberliegenden Seite ein als Loslager ausgebildetes Stützlager für den Rotor vorzu- sehen, jedoch hat sich gezeigt, dass die einseitige Lagerung durch ein ggf. zur Aufnahme des Rotorschubs und etwaiger auf den Triebstrang einwirkenden Biegemomente ausgebilde- tes Momentenlager regelmäßig ausreichend ist, um den Generatorluftspalt zwischen Rotor und Stator zu gewährleisten. Das zusätzliche Gewicht eines Stützlagers kann somit einge- spart werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Tragstruktur mehrteilig ist, wobei das Rotorhauptlager in einem ersten Tragstrukturteil befestigt ist und der Stator des Generators mit einem zweiten Trags- trukturteil verbunden ist, wobei der erste und der zweite Tragstrukturteil vorzugsweise lösbar an einem Maschinenträger befestigt sind. Durch eine mehrteilige Ausgestaltung der Trags- truktur ergeben sich einfacher zu fertigende Geometrien der einzelnen Strukturteile, die an- schließend zu der Tragstruktur zusammengefügt werden können.
Es ist bevorzugt, wenn sechs oder mehr, weiter vorzugsweise sechzehn oder mehr elasti sche Aufhängungselemente vorgesehen sind, wobei die Aufhängungselemente vorzugs- weise über den Umfang gleichverteilt sind. Durch eine entsprechende Anzahl und Anord- nung an elastischen Aufhängungselementen kann der Kraftfluss durch das Gehäuse gut ver- teilt und besonders hohe Kraftspitzen im Gehäuse vermieden werden.
Es ist möglich, die elastischen Aufhängungselemente als geeignet angeordnete Pendelstüt- zen auszuführen. Bevorzugt ist es aber, wenn die elastischen Aufhängungselemente Elasto- merelemente sind, die vorzugsweise rotationssymmetrisch und/oder mit ihrer Längsachse parallel zur Rotorachse angeordnet sind. Eine rotationssymmetrische Bauform ermöglicht re- gelmäßig eine einfache und kostengünstige Herstellung bei gleichzeitiger hoher Lastaufnah- mekapazität, insbesondere in Radialrichtung. Durch eine Anordnung der rotationssymmetri- schen Elastomerelemente mit ihren Längsachsen parallel zur Rotorachse wird eine gute Auf- nähme von Nick-, Gier- und Drehmomenten ermöglicht, wobei der Rotorschub in Axialrich- tung durch die Elastomerelemente aufgenommen wird. Außerdem kann durch die genannte Anordnung in der Regel eine einfache Austauschbarkeit auch einzelner Elastomerelemente gewährleistet werden.
Als rotationssymmetrische Bauform kommen insbesondere eine zylindrische Form, eine ko- nische Form und/oder eine Tonnenform in Betracht. Insbesondere die konische Form kann eine evtl. Demontage bei Reparaturarbeiten erleichtern. Die zylindrische Bauform ist auch unter der Bezeichnung Ultra-Buchse bekannt.
Es ist bevorzugt, wenn die Elastizität der elastischen Aufhängungselemente richtungsabhän- gig derart ausgestaltet ist, dass in Umfangsrichtung eine ausreichende Steifigkeit vorhanden ist, um das Generatormoment allein über die Aufhängungselemente vollständig in die Trags- truktur zu leiten. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Aufhängungselemente kann auf eine separate Drehmomentstütze für den Generator verzichtet werden.
Bei dem Momentenlager kann es sich um ein Gleitlager oder ein Wälzlager handeln. Ist ein Wälzlager vorgesehen, ist bevorzugt, wenn es sich um ein zweireihiges Kegelrollenlager mit Schrägstellung in X- oder O-Anordnung handelt. Entsprechende Momentenlager gestatten eine spielfreie und hoch belastbare Lagerung, bei der auch die nötige Verspannung der ein- zelnen Lagerkomponenten aufgrund der geringen Verspannungslänge im Wesentlichen un- empfindlich gegen etwaige Temperatureffekte ist. Die O-Anordnung zeichnet sich gegenüber einem vergleichbaren Lager mit X-Anordnung durch eine noch höhere Momentenaufnahme- fähigkeit aus. Soll das Rotorhauptlager ein Loslager sein, ist es vorzugsweise ein Toroidalrollenlager. Bei einem Toroidalrollenlager - auch„CARB-Lager“ oder„CARB-Toroidalrollenlager“ genannt - handelt es sich um einreihige Wälzlager mit symmetrischen, relativ langen, leicht balligen Rollen und Torus-förmig profilierten Laufbahnen. Entsprechende Lager können ausschließ- lich Radiallasten aufnehmen, sind aber gleichzeitig äußerst robust gegenüber Winkelfehlern und Axialspiel.
Die T ragstruktur ist vorzugsweise zur Anbindung an ein an einem auf dem T urm der Wind- energieanlage angeordneten Azimutlager ausgebildet, um eine Drehung der Tragstruktur und der dazu regelmäßig ortsfest angeordneten Rotorachse in Azimutrichtung zu erreichen. Zur letztendlichen Drehung sind Azimutantriebe, zur Sicherung der Tragstruktur in einer be- stimmten Azimutposition sind Azimutbremsen, in der Regel in Form von Azimutbremszangen vorgesehen. Im Falle der bevorzugten mehrteiligen Ausgestaltung der Tragstruktur mit meh- reren Tragstrukturteilen und einem Maschinenträger ist regelmäßig der Maschinenträger zur Anbindung an das Azimutlager ausgebildet.
Dabei ist bevorzugt, wenn die Tragstruktur oder der Maschinenträger einen Flansch mit ei- nem Lochbild identisch zum Lochbild des Azimutlagers der Windenergieanlage aufweist und eine Trägerplatte zur Aufnahme von wenigstens sechs Azimutantrieben vorgesehen ist, wo bei die Trägerplatte ein Lochbild identisch zum Lochbild des Azimutlagers aufweist und der- art zwischen Tragstruktur bzw. Maschinenträger und Azimutlager angeordnet ist, dass die Verschraubung der Tragstruktur bzw. des Maschinenträgers am Azimutlager durch das Lochbild der Trägerplatte geführt ist.
Die Befestigung der Azimutantriebe erfolgt also nicht mehr unmittelbar an der T ragstruktur oder dem Maschinenträger, bei denen es sich regelmäßig um Gussteile handelt, welche ggf. aufwendig und kostenintensiv mit geeigneten, besonders ausgestalteten Halterungen für die Azimutantriebe versehen werden müssen, sondern vielmehr über die erfindungsgemäß vor- gesehene Trägerplatte.
Die Trägerplatte zeichnet sich durch ein Lochbild aus, welches den Lochbildern am Flansch der Tragstruktur bzw. des Maschinenträgers sowie des Azimutlagers entspricht, sodass die Trägerplatte durch die zur Befestigung der Tragstruktur bzw. des Maschinenträgers am Azi- mutlager vorgesehene Verschraubung ohne Weiteres mit eingespannt werden kann und es keiner gesonderten Befestigung bedarf.
Die Trägerplatte weist darüber hinaus noch eine über die übliche Anzahl von Azimutantrie- ben hinausgehende Anzahl an Aufnahmen dafür auf, die vorzugsweise auch alle mit einem Azimutantrieb versehen sind. Durch die zusätzlichen Azimutantriebe können die an den ein- zelnen Antrieben in die Trägerplatte eingebrachten Reaktionskräfte und daraus resultierende Krempelmomente reduziert werden, sodass die Trägerplatte eine gegenüber einer Platte mit nur vier Azimutantrieben geringere Dicke aufweisen kann.
Es ist bevorzugt, wenn die Trägerplatte zur Aufnahme von acht oder mehr Azimutantrieben ausgestaltet ist. Auch hier gilt, dass vorzugsweise jeweils ein Azimutantrieb in jeder dafür vorgesehenen Aufnahme der Trägerplatte vorgesehen ist. Auf der von der Aufnahme der Azimutantriebe abgewandten Seite kann die T rägerplatte we nigstens fünf, vorzugsweise wenigstens acht Aufnahmen für Azimutbremsen aufweisen, wo bei vorzugsweise jeweils eine Azimutbremse in jeder dafür vorgesehenen Aufnahme vorge- sehen ist. Die Erfindung wird nun anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 : eine schematische Teildarstellung des getriebelosen Triebstrangs eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage.
In Figur 1 ist der getriebelose Triebstrang 1 einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage schematisch mit den für die Erfindung relevanten Teilen dargestellt.
Der Triebstrang 1 umfasst eine als Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle 2, an deren einen Ende 3 der Rotor der Windenergieanlage, von dem lediglich die Rotornabe 4 dargestellt ist, befes- tigt ist. Am anderen Ende 5 der Rotorwelle 2 ist ein Generator 10 angeordnet. Der Generator 10 umfasst einen Rotor 1 1 und einen Stator 12, wobei zwischen den beiden Komponenten 1 1 , 12 ein umlaufender Generatorluftspalt 13 vorgesehen ist.
Die Rotorwelle 2 ist im Bereich des einen Endes 3 durch ein Rotorhauptlager 7 an einem ersten, ringförmigen und die Rotorwelle 2 vollständig umschließenden Tragstrukturteil 21 ge- lagert. Bei dem Rotorhauptlager 7 handelt es sich um ein axial- und winkelbewegliches Toroidalrollenlager und somit ein Loslager. Am anderen Ende 5 ist die Rotorwelle 2 über die angedeutete Verschraubung 6 fest und spielfrei mit dem Rotor 11 des Generators 10 verbun- den.
Im Generator 10 ist zur Führung des Rotors 11 gegenüber dem Stator 12 ein Momentenlager 14, nämlich ein zweireihiges Kegelrollenlager mit Schrägstellung in O-Anordnung, vorgese- hen, über welches zum einen der Generatorluftspalt 13 trotz nur einseitiger Lagerung des Rotors 11 gegenüber dem Stator 12 sicher eingehalten wird, zum anderen eine Festlagerung des Triebstrangs 1 erreicht wird. Um Letztere zu erreichen, ist der Stator 12 über insgesamt sechszehn gleichmäßig über den Umfang verteilte Elastomerelemente als elastische Aufhän- gungselemente 24 mit einem zweiten Tragstrukturteil 22 verbunden. Die Elastomerelemente weisen im Verbindungsbereich eine zylindrische Form auf, wobei die jeweiligen Längsach- sen parallel zur Rotorachse 9 ausgerichtet sind.
Das erste Tragstrukturteil 21 und das zweite Tragstrukturteil 22 sind mit einem als Gussteil ausgeführten Maschinenträger 23 verbunden. Die Tragstrukturteile 21 , 22 und der Maschi- nenträger 23 bilden dabei die Tragstruktur 20. Der zweite Tragstrukturteil 22 weist dabei ei- nen um die Rotorwelle 2 umlaufenden Feststellflansch 25 auf, an dem die Rotorwelle 2 bei Bedarf fixiert werden kann. Ist die Rotorwelle 2 entsprechend fixiert, lässt sich der Generator 10 problemlos demontieren.
Durch die in Figur 1 gezeigte Lagerung des Triebstrangs 1 wird eine Fest-Los-Lagerung er- reicht, wobei durch das in den Generator 10 integrierte Momentenlager 14 nicht nur die Fest- lagerung erreicht wird, sondern gleichzeitig auch die Einhaltung des Generatorluftspalts 13 gewährleistet wird. Der Generatorluftspalt 13 wird insbesondere auch dann eingehalten, wenn sich der Triebstrang 1 aufgrund von auf den Rotor einwirkenden Windlasten verformt, wobei eine gewisse Biegeverformung der Rotorwelle 2 durch die elastischen Aufhängungs- elemente 24 ermöglicht wird. Auch kann die Übertragung von Vibrationen des Triebstrangs 1 auf die zweite Tragstruktur 22 minimiert werden.
An seiner Unterseite weist der Maschinenträger 23 einen Flansch 26 mit einem Lochbild auf, welches mit demjenigen des Azimutlagers 30 übereinstimmt, an dem der Maschinenträger 23 auf bekannte Art und Weise an dem Azimutlager 30 befestigt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist weiterhin eine Trägerplatte 31 vorgesehen, die ebenfalls ein Lochbild aufweist, welches dem Lochbild des Maschinenträgers 23 bzw. demje- nigen des Azimutlagers 30 entspricht. Die Trägerplatte 31 kann daher derart zwischen Ma- schinenträger 23 und Azimutlager 30 angeordnet werden, dass die bekannte Verschraubung des Maschinenträgers 23 am Azimutlager 30 durch das Lochbild der Trägerplatte 31 geführt ist, womit die Trägerplatte 31 sicher befestigt ist.
An der Trägerplatte 31 sind insgesamt zwölf Azimutantriebe 32 (von denen nur sechs darge- stellt sind) in dafür vorgesehene Aufnahmen angeordnet, über welche die Azimutverstellung der Windenergieanlage bewerkstelligt wird. Auf der Unterseite der Trägerplatte 31 können weiterhin als Bremszangen ausgebildete Azimutbremsen 33 vorgesehen sein, mit der die Windenergieanlage in einer vorgegebenen Azimutstellung gesichert werden kann. In Figur 1 ist exemplarisch nur eine Azimutbremse 33 dargestellt.
Durch die Anordnung der Azimutantriebe 32 und der Azimutbremsen 33 an der Trägerplatte 31 kann auf eine komplexere und damit in der Herstellung kostenintensivere Formgebung des Maschinenträgers 23 verzichtet werden. Gleichzeitig können durch die jeweils gewählte Anzahl an Azimutantrieben 32 und Azimutbremsen 33 die auf die Trägerplatte 31 einwirken- den Krempelmomente gering gehalten werden, sodass weder eine besonders große Dicke der Trägerplatte 31 noch aufwendige Verstärkungen der Trägerplatte 31 erforderlich sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 1 1 des Generators 10 innerhalb des Sta- tors 12 angeordnet. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, dass der Rotor 1 1 den Sta- tor 12 zur Verbesserung der elektrischen Auslegung des Generators von außen umgreift.

Claims

Patentansprüche
1. Windenergieanlage mit einem getriebelosen Triebstrang (1 ) umfassend eine Rotor- welle (2) und einen Generator (10) mit einem Stator (12) und einem davon durch einen Generatorluftspalt (13) getrennten Rotor (11 ) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rotorwelle (2) fest und spielfrei mit dem Rotor (1 1 ) des Generators (10) verbunden ist, die Rotorwelle (2) auf der von dem Generator (10) abgewandten Seite in einem Ro- torhauptlager (7) in einer Tragstruktur (20) gelagert ist, und der Rotor (11 ) des Genera- tors (10) über ein Momentenlager (14) gegenüber dem Stator (12) gelagert ist, wobei der Stator (12) über wenigstens drei ringförmig um die Rotorachse angeordnete elasti sche Aufhängungselemente (24) mit der Tragstruktur (20) verbunden ist.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rotor (1 1 ) über das Momentenlager (14) einseitig gegenüber dem Stator (12) gela- gert ist.
3. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Tragstruktur (20) mehrteilig ist, wobei das Rotorhauptlager (7) in einem ersten Tragstrukturteil (21 ) befestigt ist und der Stator (12) mit einem zweiten Tragstrukturteil (22) verbunden ist, wobei der erste und der zweite Tragstrukturteil (21 , 22) vorzugs- weise lösbar an einem Maschinenträger (23) befestigt sind.
4. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sechs oder mehr, vorzugsweise sechzehn oder mehr elastische Aufhängungselemente (24) vorgesehen sind, wobei die Aufhängungselemente (24) vorzugsweise über den
Umfang gleichverteilt sind.
5. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elastischen Aufhängungselemente (24) Elastomerelemente sind und vorzugsweise rotationssymmetrisch und/oder mit ihrer Längsachse parallel zur Rotorachse (9) ange- ordnet sind.
6. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elastizität der elastischen Aufhängungselemente (24) richtungsabhängig derart ausgestaltet ist, dass in Umfangsrichtung der Rotorachse (9) eine ausreichende Stei figkeit vorhanden ist, um das Generatormoment allein über die Aufhängungselemente vollständig in die Tragstruktur (20) zu leiten.
7. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Momentenlager (14) ein Wälzlager, vorzugsweise ein zweireihiges Kegelrollenla- ger mit Schrägstellung in X- oder O-Anordnung, ist.
8. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rotorhauptlager (7) ein axial- und winkelbewegliches Loslager, vorzugsweise ein
Toroidalrollenlager ist.
9. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Tragstruktur (20) einen Flansch (26) mit einem Lochbild identisch zum Lochbild des Azimutlagers (30) der Windenergieanlage aufweist und eine Trägerplatte (31 ) zur Auf- nahme von wenigstens sechs Azimutantrieben (32) vorgesehen ist, wobei die Träger- platte (31 ) ein Lochbild identisch zum Lochbild des Azimutlagers (30) aufweist und der- art zwischen Tragstruktur (20) und Azimutlager (30) angeordnet ist, dass die Ver- schraubung der Tragstruktur (20) am Azimutlager (30) durch das Lochbild der Träger- platte (31 ) geführt ist.
10. Windenergieanlage nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerplatte (31 ) zur Aufnahme von acht oder mehr Azimutantrieben (32) ausge- staltet ist und/oder jeweils ein Azimutantrieb (32) in jeder dafür vorgesehenen Auf- nähme der T rägerplatte (31 ) vorgesehen ist.
1 1. Windenergieanlage nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die T rägerplatte (31 ) auf der von der Aufnahme der Azimutantriebe (32) abgewandten Seite wenigstens fünf, vorzugsweise wenigstens acht Aufnahmen für Azimutbremsen (33) aufweist, wobei vorzugsweise jeweils eine Azimutbremse (33) in jeder dafür vorge- sehenen Aufnahme vorgesehen ist.
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