Leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe

Die vorliegende Erfindung betrifft ein leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe zur übertragung eines von einer Rotornabe erzeugten Drehmoments auf eine relativ hierzu schneller drehende Abtriebswelle zum Antrieb eines elektrischen Generators, wobei mindestens zwei parallel geschaltete Planetenstufen zur getriebeinternen leistungsverzweigten übersetzung vorgesehen sind.

Bei einer Windkraftanlage der hier interessierenden Art ist im Leistungsfluss zwischen einem die Windenergie in eine Drehbewegung umsetzenden Rotor und einem die Drehbewegung in elektrische Energie umwandelnden Generator ein Getriebe mit einer übersetzung ins Schnelle angeordnet. Da die Baugruppen der Windkraftanlage meist innerhalb einer Kapsel an der Spitze eines Turmes platziert werden, sind möglichst kompakte Getriebe mit geringer Masse wünschenswert. Diese Forderung steht allerdings im Zielkonflikt mit dem Trend nach immer größeren Windkraftanlagen höherer Leistung, was unter anderem auch leistungsfähigere Getriebe bedarf. Um deren Masse in Grenzen zu halten, werden in jüngster Zeit die hier interessierenden leistungsverzweigten Windkraftgetriebe eingesetzt.

Aus der EP 1 240 443 Al geht ein gattungsgemäßes leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe hervor. Dieses besteht im Wesentlichen aus einer antriebsseitig symmetrisch aufgebauten Planetengetriebeeinheit, welche aus mindestens zwei gleich dimensionierten parallel geschalteten leistungsverzweigenden Planetenstufen besteht. Zum abtriebsseitigen

Zusammenführen des durch die Planetenstufen geteilten Momentenflusses ist eine LD 40129 / LK:

lastausgleichende Differenzialgetriebestufe nachgeschaltet, welche entweder nach Art eines passiven Differenzials oder auch als aktives Differenzial in Form eines Ausgleichsplanetengetriebes ausgebildet sein kann. Daneben kann das aktive Differenzial auch eine axial weich gelagerte und entgegengesetzt schrägverzahnte Ausgleichsstirnradpaarung sein.

Bei allen Ausführungsformen ist eingangsseitig dieses leistungsverzweigten Windkraftgetriebes eine normale Antriebswelle vorgesehen, woran per Welle-Nabe- Verbindung entweder direkt der Rotor der Windkraftanlage oder eine distanzüberbrückende Rotorwelle anschließbar ist. Getriebeinnenseitig ist die Antriebswelle an den gemeinsamen Planetenträger der parallel geschalteten Planetenstufen angekoppelt. Die Festlegung dieser Konstruktion auf eine normale Welle als getriebeeingangsseitige Antriebswelle führt jedoch - falls der Rotor direkt am Windkraftgetriebe angebracht werden soll - zu dem Problem, den relativ großen Durchmesser einer Rotornabe auf den kleinen Durchmesser der Antriebswelle zu führen. Der Kraftfluss müsste von der Rotornabe kommend, also zunächst von außen nach innen auf die Antriebswelle geleitet werden. Der Rotor einer Windkraftanlage liefert jedoch nicht allein ein reines Drehmoment. Wegen eigener Gewichtskräfte und durch den Wind verursachte Wechselkräfte und -momente am Rotorblatt und dergleichen ist die Antriebswelle insbesondere auch störenden Biegemomenten und Querkräften ausgesetzt. Diese können neben extremen Lagerbelastungen bei der Antriebswelle auch zu Störungen im Zahneingriff im Getriebe führen und damit zu erhöhtem Verschleiß.

Aus der WO 02/14690 geht eine technische Lösung hervor, welche die vorstehend erläuterten Probleme versucht dadurch zu lösen, in dem unter Verzicht auf eine normale Antriebswelle die Rotornabe mit dem gegebenen großen Durchmesser direkt an einen Planetenträger einer getriebeeingangsseitigen Planetenstufe angebracht ist, welcher auf einen entsprechenden Durchmesser nach radial außen erweitert worden ist. Der nach radial außen über den Durchmesser des Hohlrades der eingangsseitigen Planetenstufe erweiterte Planetenträger stellt

weiterhin auch die Verbindung zu einem Großwälzlager her, über welches der Rotor am ortsfesten Getriebegehäuse oder anderen Trägerstrukturen gelagert ist. Durch dieses Konstruktion wird der Vorteil erzielt, dass störende Lastkräfte - wie Biegemomente und Querkräfte - über die Rotornabe direkt in das Großwälzlager eingeleitet werden und hierüber in die ortsfeste Trägerstruktur, wogegen das Drehmoment - hiervon befreit - von der Rotornabe in den Planententräger und von hieraus in die erste Planetenstufe eingeleitet wird. Angetrieben wird hier also der Planetenträger, wogegen das Hohlrad nicht drehbar mit der tragenden Struktur gekoppelt ist. Den Abtrieb der Planetenstufe bildet das Sonnenrad. Durch den gewählten Aufbau der beiden in Reihe geschalteten Planetenstufen findet keine Leistungsverzweigung innerhalb der beiden Planetenstufen statt, sondern jede einzelne Stufe ist für die gesamte vom Rotor zur Verfügung gestellte Leistung zu dimensionieren. Dies steht einer Durchmesserreduzierung des Hohlrades und damit indirekt des Außendurchmessers des Getriebes entgegen, weil das Prinzip der bei gekoppelten Planetengetrieben vorteilhafterweise auftretenden eingangsseitigen Leistungsverzweigung nicht genutzt wird.

Zwar werden bei dieser technischen Lösung konstruktionsbedingt wegen der Krafteinleitung auf einen großen Durchmesser die störenden Biegemomente und Querkräfte abgeschwächt, allerdings nicht gänzlich eliminiert, so dass sich die störenden Verformungen der Bauelemente, die im Kraftfluss liegen, über den Planetenträger auf die Verzahnung zwischen Planetenrädern und Hohl- sowie Sonnenrad auswirken.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches zur direkten Ankopplung an einen Rotor geeignet ist, und sich durch eine minimale Baugröße auszeichnet.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem leistungsverzweigten Windkraftgetriebe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

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Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Ankopplung der Rotornabe mittels eines getriebeeingangsseitigen Verbindungsringelements erfolgt, das über ein Großwälzlager drehbar an einem drehfesten Getriebegehäuse gelagert ist, indem der Lagerinnenring des Großwälzlagers am Verbindungsringelement angebracht ist, wogegen der Lageraußenring des Großwälzlagers an dem drehfesten Getriebegehäuse angebracht ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass hierdurch eine verschleißarme Windkraftanlage mit direkt am Windkraftgetriebe angekoppelten Rotor eine höhere Leistungsklasse darstellbar ist. Das Konstruktionsprinzip mit integriertem Großwälzlager auf Niveau des Rotornabendurchmessers gestattet eine kompakte Bauform.

Zudem kann im Sinne einer Funktionsintegration das Verbindungsringelement neben der Funktion in Bezug auf die Rotorlagerung auch das von der Rotornabe erzeugte Drehmoment an angeschlossene Hohlräder der parallelgeschalteten Planetenstufen verteilen, womit die Leistungsverzweigung eingeleitet wird.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass der Anschluss mindestens einer der Hohlräder am Verbindungsringelement über biegeweiche Anschlussmittel zum Ausgleich von Verkippungen und Verschiebungen aufgrund rotorseitiger Getriebebelastung erfolgt. Durch diese speziellen getriebeeingangsseitigen Anschlussmittel werden störende äußere Kräfte und Momente von dem zu übertragenden Drehmoment getrennt und in das Getriebegehäuse eingeleitet.

Vorzugsweise sind die biegeweichen Anschlussmittel nach Art einer kardanischen Entkopplungseinheit ausgebildet. Durch eine vorzugsweise doppelkardanische Anbindung der beiden Hohlräder der parallelgeschalteten Planetenstufen können Wälzlagerverformungen am

Großwälzlager aufgrund der störenden äußeren Kräfte und Momente nicht zur Verzahnung der beiden Planetenstufen gelangen, welche somit verschleißminimal mit optimalem Zahneingriff das wirksame Antriebsdrehmoment umsetzen können.

Die kardanische Entkopplungseinheit kann durch eine Innenverzahnung des Verbindungsringelementes mit einer korrespondierenden Hohlradaußenverzahnung gebildet sein, indem diese Verzahnungen nach Art einer Bogenzahnkupplung zusammenwirken. Diese Bogenzahnkupplung toleriert Verkippungen und Verschiebungen aufgrund der rotorseitigen Getriebebelastung. Durch die hierdurch geschaffene doppelkardanische Anbindung der Hohlräder wird allein das zu übertragende Drehmomentgetriebe eingangsseitig weitergegeben. Es ist jedoch auch denkbar, die Wirkung einer kardanischen Entkopplung durch andere Konstruktionselemente, wie beispielsweise flexible Lamellenelemente oder nachgiebige Hülsenfedern und dergleichen zu erzielen.

Zur Gewährleistung eines günstigen Kraftflusses sollte der Außendurchmesser der Rotornabe in etwa dem Außendurchmesser des Verbindungsringelementes entsprechen. Unter dieser Voraussetzung kann die Verbindungsstelle zwischen beiden Bauteilen nach Art einer Flanschverbindung ausgebildet werden, so dass der Rotor über die Rotornabe mit dem die Eingangswelle des Getriebes bildenden Verbindungsringelement verschraubbar ist.

Ebenfalls vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Großwälzlager nach Art eines Momentenlagers ausgebildet; speziell eignet sich hierfür ein Doppel- Kegelrollenlager. Anstelle eines einzigen Großwälzlagers ist es natürlich auch denkbar, mehrere Einzellager in Reihe anzuordnen. Im Falle eines einzigen Großwälzlagers ist der Lagerinnenring vorzugsweise zur Anbringung am Verbindungsringelement vorgesehen. Insoweit ist das Großwälzlager über den Lagerinnenring auf das Verbindungselement aufgeschoben. Der Lageraußenring des Großwälzlagers ist an dem gegenüber ortsfesten Getriebegehäuse angebracht. Die Anbringung des Lageraußenrings am Getriebegehäuse erfolgt vorzugsweise

durch eine flanschartige Verschraubung, so dass das Großwälzlager erforderlichenfalls auf einfache Weise ausgetauscht werden kann. Durch die gewählte Art der Anbindung mit stehendem Lageraußenring und drehendem Lagerinnenring wird im Gegensatz zum eingangs angeführten Stand der Technik das gesamte Werkstoffvolumen des Lagerinnenringes durch die im Großwälzlager auftretende Umfangslast beansprucht und nicht nur ein Teil hiervon, da der in herkömmlicher Weise stehende Lagerinnenring eine Punktlast erhält.

Erfindungsgemäß wird der getriebeeingangsseitige Drehmomentenfluss zwecks Leistungsverzweigung über mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei Planetenstufen geleitet, indem die beiden Hohlräder der beiden Planetenstufe angetrieben werden, wobei die beiden Planetenstufen über die Sonnenradwelle der ausgangsseitigen Planetenstufe mit dem Planetensteg der eingangsseitigen Planetenstufe gekoppelt sind. Der Planetenträger der einen Planetenstufe wird hierbei über das Sonnenrad der anderen Planetenstufe angetrieben. Der Planetenträger der zweiten Planetenstufe ist dem gegenüber ortsfest angeordnet. Damit das abtriebsseitig der zweiten Planetenstufe angeordnete Sonnenrad das Drehmoment zum Planetenträger der ersten Planetenstufe übertragen kann, wird vorgeschlagen, dieses als Hohlwelle auszubilden, wobei vom Sonnenrad der ersten Planentenstufe eine Sonnenradwelle ausgeht, die sich durch diese Hohlwelle hindurch erstreckt. Hierdurch wird eine insgesamt kompakte Bauform erzielt.

Um eine möglichst kompakte Bauform zu erhalten wird vorgeschlagen, das Hohlrad der einen Planetenstufe innerhalb des vom Verbindungsringelement gebildeten Ringraumes angeordnet ist, wogegen das Hohlrad der anderen Planetenstufe in Axialrichtung dem Großwälzlager nachgeordnet ist.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass der zentralen Sonnenradwelle eine abtriebsseitige Stirnradstufe nachgeschaltet ist, welche eine weitere übersetzungsstufe darstellt. An einem gegenüber der zentralen Sonnenwelle

achsversetzten Abtriebsritzel dieser Stirnradstufe wird der elektrische Generator angeschlossen.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher dargestellt. Die Figuren 1 und 2 zeigen einen schematischen Teilschnitt durch ein leistungsverzweigtes Windkraftgetriebe.

Gemäß Figur 1 wird eine Rotornabe 1 eines - nicht weiter dargestellten - Rotors an einem getriebeeingangsseitiges Verbindungsringelement 2 angebracht. Der Außendurchmesser der Rotornabe 1 entspricht hier in etwa dem Außendurchmesser des Verbindungsringelementes 2, welcher wiederum in etwa dem Außendurchmesser bzw. den äußeren Abmessungen eines die Getriebebauteile enthaltenen Getriebegehäuses 3 entspricht. Das Getriebegehäuse 3 ist ortsfest mit - einer nicht weiter dargestellten - Trägerstruktur der Kabine an der Spitze eines Turms einer Windkraftanlage verbunden.

Das getriebeeingangsseitige Verbindungsringelement 2 ist über ein Großwälzlager 5 drehbar am drehfesten Getriebegehäuse 3 gelagert, und zwar über dessen Lageraußenring. Der Lagerinnenring des Großwälzlagers 5 nimmt dagegen das Verbindungsringelement 2 auf.

Das Großwälzlager 5 erfüllt die Funktion eines Momentenlagers, wobei das antriebsseitige Drehmoment über das hierin eingesetzte Verbindungsringelement 2 an Hohlräder 6a und 6b zweier parallel geschalteter leistungsverzweigender Planetenstufen 10a bzw. 10b weiterleitet. Neben dem Hohlrad 6a der ersten Planetenstufe 10a ist ebenfalls der Planetenträger der ersten Planetenstufe 10a angetrieben - und zwar über die zweite Planetenstufe 10b - so dass ein abtriebsseitiges Sonnenrad 8a den Kraftfluss weiterleitet. Diese Weiterleitung erfolgt über eine vom Sonnenrad 8a ausgehende zentrale Sonnenradwelle 9.

Die Planetenräder 14a am Planetenträger 7a der ersten Planetenstufe 10a werden über ein abtriebsseitiges Innenrad 8b der zweiten Planetenstufe 10b angetrieben. Im Rahmen der zweiten Planetenstufe 10b ist der die Planetenräder 14b aufweisende Planetenträger 7b ortsfest mit dem Gehäuse 3 ausgebildet. Das Sonnenrad 8b der zweiten Planetenstufe 10b ist als Hohlwelle ausgebildet, so dass sich die Sonnenradwelle 9 koaxial hindurch erstrecken kann.

Der zentralen Sonnenradwelle 9 ist eine abtriebsseitige Stirnradstufe 10c nachgeschaltet. Die Stirnradstufe 10c besteht aus einem drehfest mit der Sonnenradwelle 9 verbundenen Abtriebszahnrad 11 , das mit einem achsversetzt zur Sonnenwelle 9 angeordneten Abtriebsritzel 12 kämmt. Das Abtriebsritzel 12 geht antriebsseitig dem - nicht weiter dargestellten - elektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischem Wechselstrom zu.

Zum Entkoppeln der vorstehend beschriebenen Getriebeteile von störenden, vom Rotor eingebrachten Biegemomenten und dergleichen sind kardanische Entkopplungsmittel zwischen dem Verbindungsringelement 2 und den beiden hierüber angetriebenen Hohlrädern 6a und 6b der parallel geschalteten Planetenstufen 10a und 10b vorgesehen.

Nach Figur 2 sind die kardanischen Entkopplungsmittel nach Art einer Bogenzahnkupplung 15 a, 15b ausgebildet. Zu diesem Zwecke besitzt das Verbindungsringelement 2 zwei zueinander axial beabstandet angebrachte Innenverzahnungen 13a und 13b, welche mit korrespondierenden Außenverzahnungen an den Hohlrädern 6a bzw. 6b kämmen. Die Zahngeometrie entspricht hierbei der einer üblichen Bogenzahnkupplung. Hierdurch werden Verkippungen und Verschiebungen aufgrund der rotorseitigen Getriebebelastung ausgeglichen. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die kardanischen Entkopplungsmittel zur Neutralisierung der rotorseitigen Getriebebelastung auf andere Weise auszubilden, z. B. mittels Lammellenelementen oder dergleichen. Weiterhin ist es auch möglich, die über parallel geschaltete Planetenstufen umgesetzte Leistungsverzweigung durch eine andere, geeignete Verschaltung der Getriebeelemente umzusetzen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die nachgeschaltete Stirnradstufe bei Bedarf auch weggelassen werden kann.

Bezugszeichenliste

Rotornabe

Verbindungsringelement

Getriebegehäuse

Trägerkonstruktion

Großwälzlager

Hohlrad

Planetenträger

Sonnenrad

Sonnenradwelle a erste Planetenstufe b zweite Planetenstufe c Stirnradstufe

Abtriebszahnrad

Abtriebsritzel

Innenverzahnung

Planetenrad

Bogenzahnkupplung