Windkraftanlage mit Riemengetriebe

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit Riemengetriebe nach Anspruch 1 bei der am oberen Ende eines Turms Rotor, Riemengetriebe und Generator angeordnet ist. Der Rotor ist über das Riemengetriebe mechanisch mit dem Generator gekoppelt.

Bei den meisten im Einsatz befindlichen Windkraftanlagen ist der Generator mit dem Rotor am oberen Ende des Turms angeordnet und die erzeugte elektrische Ener- gie wird über Kabel nach unten geführt. Dies führt bei hohen elektrischen Leistungen im Megawattbereich zu sehr hohen Kopfgewichten - Gewicht von Rotor mit Maschi- nengondel - im Bereich von 100 1 bis 750 t. Die Drehgeschwindigkeit der Rotoren liegt im Bereich zwischen 0 und 12 von Umdrehungen pro Minute. Für solche niedrigen Drehgeschwindigkeiten geeignete Generatoren - Direktläufer - werden sehr schwer. Daher wird zwischen Rotor und Generator üblicherweise ein Getriebe geschaltet, um die Verwendung von schnell laufenden Generatoren zu ermöglichen, die weniger Ge- wicht aufweisen. Durch den Einsatz von Riemengetrieben ergibt sich gegenüber me- chanischen Getrieben mit Zahnrädern eine Gewichtsersparnis. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der US2016/0169207A1 oder der DE4301342C1 bekannt.

Ausgehend von der US2016/0169207A1 ist es Aufgabe der Erfindung das Kopf- gewicht einer Windkraftanlage bei gleicher elektrischer Leistung weiter zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch, dass die Lagerung des Rahmengetriebes gleichzeitig auch die Lagerung des Rotors mit Rotorwelle ist, erübrig sich ein zusätzliches Lager für den Rotor mit Ro- torwelle, wodurch sich eine Reduzierung des Kopfgewichts der Windkraftanlage ergibt. Vorzugsweise ist die Lageranordnung zwischen Rotor und den Wellenrädern des Riemengetriebes vorgesehen, wodurch sich der Austausch von Treibriemen verein- facht.

Vorzugsweise kann das Riemengetriebe auch eine mechanische Getriebestufe umfassen. Ein derartiges Hybridgetriebe ist aus der DE202018102326.8 bekannt.

Das Riemengetriebe ist vorzugsweise mehrstufig aufgebaut, um hohe Drehzahlen im Bereich zwischen 1400 und 2000 Umdrehungen pro Minute zu erreichen, die den Einsatz von leichteren Generatoren ermöglichen. Das Übersetzungsverhältnis für das Riemengetriebe liegt zwischen 1 :4 und 1 :2000. Beispielsweise 1 :4 für die erste und zweite Getriebestufe und 1 :3 für die dritte und vierte Getriebestufe. Insgesamt ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von 1 :440. Vier Getriebestufen haben sich als vorteil haft erwiesen.

Die Getriebewellen, die verschieden Getriebestufen miteinander verbinden sind vorzugsweise lösbar ausgestaltet, so dass ein Austausch von Treibriemen und Repara- turen allgemein vereinfacht werden. Auch die mechanische Kopplung zwischen Getrie- be und Generator ist vorzugsweise lösbar ausgestaltet.

Die Treibriemen sind vorzugsweise Zahnriemen und die Kraftübertragung zwi- schen den Wellenräder ohne Schlupf zu gewährleisten. Auch Treibriemen mit Noppen und komplementären Ausnehmungen in den Wellenrädern oder Wellenräder mit Nop- pen oder Zähnen, die in komplementäre Ausnehmungen im Treibriemen eingreifen, sind geeignet. Bei Verwendung von Glattriemen müssten diese mit sehr hohen Vor- spannkräften montiert werden, um Schlupf zu verhindern. Diese hohen Vorspannkräfte verringern die Standzeit von Glattriemen.

Um die hohen Kräfte des sich langsam drehenden Rotors aufzunehmen, werden in der Getrieberiemenanordnung der ersten Getriebestufe mehrere Getrieberiemen pa- rallel zueinander eingesetzt. Durch eine Kühleinrichtung, z. B. in Form eines Gebläses, lassen sich das me- chanische und/oder das Riemengetriebe kühlen.

Als Treibriemen eignen sich besonders Treibriemen aus hochfesten faserverstärk- tem Kunststoff oder Titan. Geeignete Kunststoffe sind insbesondere Polyamid, mit Car- bonfasern verstärkte Kunststoffe und Aramide (z. B, Kevlar).

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig.1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Wind- kraftanlage mit einem dreistufigen Riemengetriebe;

Fig. 2 eine perspektivische Detailansicht des oberen Ende des Turms mit Rotor, Plattform, Riemengetriebe und Generator;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Darstellung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch die von den Getriebewellen aufgespannten Ebene der ersten Ausführungsform;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform mit einer Flaltevorrichtung für den Rotor;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform mit Kopp- lungseinrichtungen zwischen zwei Getriebestufen und zwischen Getriebe und Genera- tor; und

Fig. 7 die dritte Ausführungsform nach Fig. 6, wobei die Kopplungseinrichtung zwischen den zwei Getriebestufen geöffnet ist. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Er- findung mit einem Turm 1 , der ein oberes und ein unteres Ende 2, 3 umfasst. Am obe- ren Ende 2 des Turms 1 ist einer Plattform 4 angeordnet. Aus der Detaildarstellung nach Fig. 2 und 3 und der Schnittdarstellung nach Fig. 4 ist zu ersehen, dass auf der Plattform 4 ein Rotor 6 mit einer Rotorwelle 8, ein Riemengetriebe 10 und ein Generator 12 montiert sind. Der Rotor 6 umfasst drei Rotorblätter 14, die an einer Rotornabe 16 montiert sind. Die Rotornabe 16 ist drehfest mit der Rotorwelle 8 verbunden.

Das Riemengetriebe 10 ist vierstufig ausgebildet. Die erste Getriebestufe umfasst die Rotorwelle 8 als erste Getriebewelle, die in einer Lagervorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Lagerbock 18, 20 gelagert ist. Die Lagervorrichtung bzw. die beiden Lagerböcke 18, 20 sind fest mit der Plattform 4 verbunden. Die Rotorwelle 8 durchsetzt daher den ersten Lagerbock 18 und endet im zweiten Lagerbock 20. Im Abstand zu der ersten Getriebewelle bzw. Rotorwelle 8 ist in den beiden Lagerböcken 18, 20 eine zwei- te Getriebewelle 22 gelagert, die in dem ersten Lagerbock 18 endet und sich mit einem überstehenden Ende 24 durch den zweiten Lagerbock 20 hindurch erstreckt. Zwischen den beiden Lagerböcken 18, 20 ist auf der ersten Getriebewelle 8 ein mehrteiliges ers- tes Wellenrad 26 und auf der zweiten Getriebewelle 22 ein zweites mehrteiliges Wellen- rad 28 angeordnet. Die beiden Wellenräder 18, 20 und damit die beiden Getriebewellen 8, 22 werden durch eine erste Riemenanordnung 30 mechanisch miteinander gekop- pelt. Die erste Riemenanordnung 30 umfasst vier gleiche, nebeneinander angeordnete Getrieberiemen 32. Der Durchmesser des ersten Wellenrades 26 ist größer als der Durchmesser des zweiten Wellenrades 28.

Die zweite Getriebestufe umfasst ein drittes Wellenrad 34, das an dem den zwei- ten Lagerbock 20 durchsetzenden Ende 24 der zweiten Getriebewelle 22 montiert ist. Über eine zweite Riemenanordnung 36 mit einem einzigen Getrieberiemen 32 ist das dritte Wellenrad 34 mit einem vierten Wellenrad 38 mechanisch gekoppelt. Das vierte Wellenrad 38 ist auf einer dritten Getriebewelle 40 angeordnet, die parallel und axial versetzt zu der zweiten Getriebewelle 22 in einem dritten und einem vierten Lagerbock 42, 44 gelagert ist. Der Durchmesser des dritten Wellenrades 34 ist größer als der Durchmesser des zweiten Wellenrades 28 und größer als der Durchmesser des vierten Wellenrades 38. Die dritte Getriebestufe umfasst ein fünftes Wellenrad 46, das zwischen dem drit ten und vierten Lagerbock 42, 44 auf der dritten Getriebewelle 40 montiert ist. Über eine dritte Riemenanordnung 48 mit einem einzigen Getrieberiemen 32 ist das fünfte Wellen- rad 46 mit einem sechsten Wellenrad 50 mechanisch gekoppelt. Das sechste Wellenrad 50 ist auf einer vierten Getriebewelle 52 angeordnet, die parallel und axial versetzt zu der dritten Getriebewelle 40 in dem vierten 42 und einem fünften Lagerbock 54 gelagert ist. Der Durchmesser des fünften Wellenrades 46 ist größer als der Durchmesser des vierten Wellenrades 38 und größer als der Durchmesser des sechsten Wellenrades 50.

Die vierte Getriebestufe umfasst ein siebtes Wellenrad 56, das zwischen dem vier- ten und fünften Lagerbock 44, 54 auf der vierten Getriebewelle 52 montiert ist. Über eine vierte Riemenanordnung 58 mit einem einzigen Getrieberiemen 32 ist das siebte Wellenrad 56 mit einem achten Wellenrad 60 mechanisch gekoppelt. Das achte Wellen- rad 60 ist auf einer fünften Getriebewelle 62 angeordnet, die parallel und axial versetzt zu der vierten Getriebewelle 52 in dem vierten und fünften Lagerbock 44, 54 gelagert ist. Die fünfte Getriebewelle 62 führt als Generatorwelle in den Generator 12. Der Durchmesser des siebten Wellenrades 56 ist größer als der Durchmesser des sechsten Wellenrades 50 und größer als der Durchmesser des achten Wellenrades 60.

Zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse ist in Fig. 2 ein Mensch 64 neben dem Generator 12 gezeigt. Die Plattform 4 ist zum Schutz der auf der Plattform 4 montierten Komponenten von einer nicht dargestellten Ummantelung umgeben. In Fig. Sind bei spielhafte Bemaßungen für die acht Wellenräder 26, 28, 34, 38, 46, 50, 56, 60 angege- ben:

Wellenrad Durchmesser in mm

Erstes - 26 2000

Zweites - 28 500

Drittes - 34 2000

Viertes - 38 500

Fünftes - 46 1500

Sechstes - 50 500 Siebtes - 56 1500

Achtes - 60 500

Mit diesen Bemaßungen der acht Wellenräder 26, 28, 34, 38, 46, 50, 56, 60 ergibt sich eine Gesamtübersetzung des Riemengetriebes 10 von 1 :144. D. h. bei einer Dreh- geschwindigkeit der Rotorwelle 8 von 10 U/min dreht sich die Generatorwelle 62 mit einer Drehgeschwindigkeit von 1440 U/min. In allen Getriebestufen werden gleiche Ge- trieberiemen 32 eingesetzt.

Da der erste und der zweite Lagerbock 18, 20 nicht nur die erste Getriebestufe des Riemengetriebes 10 lagern, sondern auch den Rotor 6 mit Rotornabe 16 und Ro- torwelle 8, muss insbesondere bei Wartungsarbeiten dafür Sorge getragen werden, dass der Rotor 6 nicht abmontiert werden muss. Hierzu ist, wie in Fig. 5 dargestellt, eine U-förmige Rotorhaltevorrichtung 66 vorgesehen, die zwischen Rotornabe 16 und ers- tem Lagerbock 18 auf der Plattform 4 montiert ist. Mittels Bolzen oder Schrauben 68 kann damit der Rotor 6 vorübergehend an der Rotorhaltevorrichtung 66 und damit an der Plattform 4 befestigt werden.

Alternativ ist es auch möglich die Rotorhaltevorrichtung 66 in den ersten Lager- bock 18 zu integrieren.

Figuren 6 und 7 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einem zwei- stufigen Riemengetriebe, so dass die dritte Getriebewelle 40 die Generatorwelle 40 auch die Generatorwelle ist. Ein weiterer Unterschied zwischen der ersten und der drit- ten Ausführungsform und den beiden anderen Ausführungsformen besteht darin, dass die erste Getriebestufe statt vier lediglich zwei parallel angeordnete Getrieberiemen 32 umfasst. Der wesentlich Unterschied zwischen den beiden ersten Ausführungsformen - Figuren 1 bis 5 - und der dritten Ausführungsform - Figuren 6 und 7 - besteht darin, dass die Lagervorrichtung 18, 20 für die erste Getriebestufe zwischen dem Rotor 6 und dem ersten und zweiten Wellenrad 26, 28 angeordnet ist. Weiter ist die Lagervorrich- tung für die zweite Getriebestufe mit drittem und viertem Lagerbock 42, 44 zwischen dem Generator 12 und dem dritten bzw. viertem Wellenrad 34, 38 angeordnet. Das zweiteilige erste Wellenrad 26 und das zweiteilige zweite Wellenrad 28 sowie das dritte und vierte Wellenrad 34, 38 sind zwischen den dem zweiten Lagerbock 20 und dem dritten Lagerbock 42 angeordnet. Die zweite Getriebewelle 33, die die beiden Getriebe- Stufen verbindet und auf der das zweiteilige zweite Wellenrad 28 und das dritte Wellen- rad 34 angeordnet sind, ist zwischen dem zweiteiligen zweiten Wellenrad 28 und dritten Wellenrad 34 mit einer Kupplungsvorrichtung 70 versehen, die in Fig. 6 geschlossen und in Fig. 7 in geöffnetem Zustand dargestellt ist. In geöffnetem Zustand lassen sich die Getrieberiemen 32 auf einfache Weise tauschen.

Die dritte Getriebewelle 40, die gleichzeitig Generatorwelle ist, ist zwischen dem vierten Lagerbock 44 und dem Generator 12 ebenfalls mit einer Kopplungsvorrichtung 70 versehen, so dass sich der Generator 12 auf einfache Weise vor Ort, da heißt im Turm mit der dritten Getriebewelle 40 verbinden lässt.

Bezugszeichenliste

Turm

oberes Ende von 1

unteres Ende von 1

Plattform

Rotor

Rotorwelle, erste Getriebewelle

Riemengetriebe

Generator

Rotorblätter

Rotornabe

erster Lagerbock

zweiter Lagerbock

zweite Getriebewelle überstehendes Ende von 22 erstes Wellenrad

zweites Wellenrad

erste Riemenanordnung

Getrieberiemen

drittes Wellenrad

zweite Riemenanordnung viertes Wellenrad

dritte Getriebewelle

dritter Lagerbock

vierter Lagerbock

fünftes Wellenrad dritte Riemenanordnung

sechstes Wellenrad

vierte Getriebewelle

fünfter Lagerbock

siebtes Wellenrad

vierte Riemenanordnung

achtes Wellenrad

fünfte Getriebewelle, Generatorwelle Mensch

Rotorhaltevorrichtung

Bolzen, Schrauben an 66

Kupplungsvorrichtung