DE102023201186A1

DE102023201186A1 - Antriebsanorndung für eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102023201186A1
Application number: DE102023201186.7A
Authority: DE
Inventors: Andy Maes; David Vleurinck; Rui Sun; Albin K Mathews; Maarten Ooms
Original assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Wind Power Antwerpen NV; ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-02-14
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2024-08-14
Also published as: WO2024170179A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanorndung für eine Windkraftanlage, mit einer Rotorwellenanordnung (103, 105) bestehend aus einer Rotorwelle (103) und einem Planetenträger (105), der drehfest mit der Rotorwelle (103) verbunden ist, mit einer ersten Lageranordnung (107), mit einer zweiten Lageranordnung (109), mit einer Gehäuseanordnung (111, 115) bestehend aus einem Getriebegehäuse (115) und einer oder mehreren Drehmomentstützen (111), die drehfest in dem Getriebegehäuse (115) fixiert sind, und mit einem gondelfesten Mittel (201); wobei die Rotorwellenanordnung (103, 105) mittels der ersten Lageranordnung (107) in dem gondelfesten Mittel (201) und mittels der zweiten Lageranordnung (109) in dem Getriebegehäuse (115) gelagert ist. Die erste Lageranordnung (107) ist als Festlager ausgebildet und die ein oder mehreren Drehmomentstützen (111) sind axial verschiebbar in dem gondelfesten Mittel (201) fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus EP 2 067 990 A2 ist ein Antriebsstrang einer Windkraftanlage bekannt. Dieser umfasst eine Rotorwelle, einen Planetenträger, der drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist, ein Rotorwellenlager, ein Planetenträgerlager, ein Getriebegehäuse und drehfest mit dem Getriebegehäuse verbundene Drehmomentstützen. Die Rotorwelle ist mittels des Rotorlagers drehbar in einer Triebwerksgondel gelagert. In der Triebwerksgondel sind auch die Drehmomentstützen fixiert. Das Planetenträgerlager ist ausgehend von dem Planetenträger rotorseitig angebracht. Über dieses Lager ist der Planetenträger drehbar in dem Getriebegehäuse gelagert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Antriebsstrang einer Windkraftanlage zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und nachfolgender Beschreibung.
Die Antriebsanordnung ist für die Verwendung in einer Windkraftanlage ausgebildet. In der Windkraftanlage bildet die Antriebsanordnung einen Teil des Antriebsstrangs. Der Antriebsstrang umfasst sämtliche Mittel, die an der Übertragung eines Drehmomentflusses von einem im Wind stehenden und vom Wind angetriebenen Rotor zu einem Generator der Windkraftanlage beteiligt sind.
Zu der Antriebsanordnung gehören eine Rotorwellenanordnung, eine erste Lageranordnung, eine zweite Lageranordnung, eine Gehäuseanordnung und ein gondelfestes Mittel.
Die Rotorwellenanordnung besteht aus einer Rotorwelle und einem Planetenträger. Mit Rotorwelle wird eine Welle bezeichnet, die drehfest mit dem Rotor verbunden oder verbindbar ist. Insbesondere kann die Rotorwelle ausgebildet sein, mit dem Rotor gefügt zu werden oder mit dem Rotor gefügt sein, etwa mittels eines Schraubflansches.
Der Planetenträger ist drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Diese Verbindung kann ein- oder mehrstückig ausgestaltet sein. Bevorzugt sind die Rotorwelle und der Planetenträger miteinander verschraubt.
Eine Lageranordnung ist eine Anordnung mit einem oder mehreren Lagern. Die Lager einer Lageranordnung zeichnen sich dadurch aus, dass jeweils mindestens ein Lagerring jeweils zweier benachbarter Lager der Lageranordnung direkt oder über einen Abstandhalter, etwa einen Zwischenring, miteinander in Kontakt stehen. Die mindestens zwei Lagerringe der benachbarten Lager können einstückig miteinander verbunden sein, sich berühren oder jeweils den Abstandhalter berühren. Ein Lager, das keinen Lagerring aufweist, der mit einem Lagerring eines Lagers der Lageranordnung direkt oder über einen Abstandhalter in Kontakt steht, gehört nicht zu der Lageranordnung.
Die Gehäuseanordnung besteht aus einem Getriebegehäuse und einer oder mehreren Drehmomentstützen, die drehfest in dem Getriebegehäuse fixiert sind. Insbesondere können die Drehmomentstützen starr, das heißt ohne die Möglichkeit einer Relativbewegung zwischen dem Getriebegehäuse und den Drehmomentstützen in dem Getriebegehäuse fixiert sein. Vorzugsweise sind die Drehmomentstützen einstückig mit dem Getriebegehäuse oder mit einem Teil des Getriebegehäuses, vorzugsweise mit einer Wandung des Getriebegehäuses, verbunden.
Ein gondelfestes Mittel ist ein Mittel, das starr, das heißt ohne die Möglichkeit einer Relativbewegung zwischen dem Mittel und einer Gondel der Windkraftanlage, in der Gondel fixiert oder fixierbar ist. Insbesondere kann es sich bei dem gondelfesten Mittel um einen Maschinenträger handeln.
Die Rotorwellenanordnung ist mittels der ersten Lageranordnung in dem gondelfesten Mittel gelagert. Vorzugsweise sind die äußeren Lagerringe der ersten Lageranordnung mit dem gondelfesten Mittel gefügt oder einstückig in das gondelfeste Mittel integriert. Entsprechend sind die inneren Lagerringe der ersten Lageranordnung bevorzugt mit der Rotorwellenanordnung gefügt oder einstückig in die Rotorwellenanordnung integriert.
Bevorzugt ist die Rotorwelle mittels der ersten Lageranordnung in dem gondelfesten Mittel gelagert. In dem Fall sind die inneren Lagerringe der ersten Lageranordnung mit der Rotorwelle gefügt oder einstückig in die Rotorwelle integriert.
Mittels der zweiten Lageranordnung ist die Rotorwellenanordnung in dem Getriebegehäuse gelagert. Dies bedeutet, dass die Rotorwellenanordnung und das Getriebegehäuse sich über die zweite Lageranordnung gegeneinander abstützen.
Die äußeren Lagerringe der zweiten Lageranordnung sind bevorzugt mit dem Getriebegehäuse gefügt oder einstückig in das Getriebegehäuse integriert. Die inneren Lagerringe der zweiten Lageranordnung sind bevorzugt mit der Rotorwellenanordnung, das heißt mit der Rotorwelle und/oder dem Planetenträger, gefügt oder einstückig in die Rotorwellenanordnung, das heißt in die Rotorwelle und/oder den Planetenträger, integriert.
Um axiale, das heißt in Richtung einer Drehachse der Rotorwellenanordnung gerichtete Verspannungen zu vermeiden, sieht die Erfindung eine Fest-Loslagerung der Rotorwellenanordnung und der Gehäuseanordnung in dem gondelfesten Mittel vor. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die erste Lageranordnung als Festlager ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Rotorwellenanordnung mittels der ersten Lageranordnung axialfest in dem gondelfesten Mittel gelagert ist. Die erste Lageranordnung bildet also ein Widerlager gegenüber jeglichen axialen Verschiebungen der Rotorwellenanordnung relativ zu dem gondelfesten Mittel. Bevorzugt ist darüber hinaus auch die axiale Position der Rotorwellenanordnung relativ zu dem gondelfesten Mittel durch die erste Lageranordnung eindeutig definiert. In dem Fall wirkt die erste Lageranordnung auch gegenüber radialen Verschiebungen der Rotorwellenanordnung relativ zu dem gondelfesten Mittel als Widerlager.
Die ein oder mehreren Drehmomentstützen sind drehfest in dem gondelfesten Mittel fixiert. Dadurch ist es möglich, ein Antriebsmoment, mit dem Gehäuseanordnung über die Rotorwellenanordnung und gegebenenfalls weitere Getriebeglieder beaufschlagt wird, über die Drehmomentstützen in dem gondelfesten Mittel abzustützen.
Die Drehmomentstützen sind gemäß dem Aspekt der Erfindung axial verschiebbar in dem gondelfesten fixiert. Dadurch sind die Drehmomentstützen gegenüber dem gondelfesten Mittel mindestens um eine begrenzte Strecke axial verschiebbar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine umgekehrte Ausgestaltung der ersten Lageranordnung und der Fixierung der Drehmomentstützen in dem gondelfesten Mittel als Fest- und Loslager vor. Entsprechend ist die erste Lageranordnung als Loslager und die Fixierung der Drehmomentstützen in dem gondelfesten Mittel als Festlager ausgebildet.
Die Ausbildung der ersten Lageranordnung als Loslager ermöglicht eine axiale Verschiebung der Rotorwellenanordnung relativ zu dem gondelfesten Mittel mindestens um eine begrenzte Strecke. Die Drehmomentstützen sind hingegen gemäß dem weiteren Aspekt der Erfindung axial unverschiebbar in dem gondelfesten Mittel fixiert.
Auch die zweite Lageranordnung ist in einer bevorzugten Weiterbildung als Festlager ausgebildet. Dies bedeutet, dass die zweite Lageranordnung ein Widerlager gegenüber jeglichen axialen Verschiebungen der Rotorwellenanordnung und der Gehäuseanordnung relativ zueinander bildet. Aufgrund der als Festlager ausgebildeten zweiten Lageranordnung sind die Rotorwellenanordnung und die Gehäuseanordnung relativ zueinander axial unverschiebbar.
Bevorzugt bildet ein doppelreihiges Kegelrollenlager die zweite Lageranordnung. Ein derartiges Lager ist auch bei geringen Durchmessern hoch belastbar.
Die erste Lageranordnung und/oder die zweite Lageranordnung sind bezüglich des Planetenträgers in einer bevorzugten Weiterbildung rotorseitig angeordnet. Dies bedeutet, dass die erste Lageranordnung und/oder die zweite Lageranordnung sich auf derselben Seite des Planetenträgers beziehungsweise auf derselben Seite einer radialen Ebene, welche den Planetenträger schneidet, befinden wie der Rotor und die Rotorwelle.
Die Rotorwellenanordnung ist in einer bevorzugten Weiterbildung ausschließlich mittels der ersten Lageranordnung und der zweiten Lageranordnung gelagert. Dies bedeutet, dass es kein Lager gibt, mit dem die Rotorwellenanordnung gelagert ist, das nicht Teil der ersten Lageranordnung oder der zweiten Lageranordnung ist.
In einer alternativ bevorzugten Weiterbildung ist eine dritte Lageranordnung zur Lagerung der Rotorwellenanordnung vorgesehen. Das Getriebegehäuse weist weiterbildungsgemäß mindestens ein Federelement mit radialer Wirkrichtung auf. Das Federelement ist also in mindestens eine radiale Richtung, das heißt orthogonal zu der Drehachse, elastisch verformbar. Vorzugsweise ist das Federelement in jede radiale Richtung elastisch verformbar. Das Federelement kann etwa als eine Membran ausgestaltet sein, die zu der Drehachse rotationssymmetrisch und im Querschnitt S-förmig ausgestaltet ist.
Mittels der dritten Lageranordnung ist der Planetenträger in dem Federelement gelagert. Über die dritte Lageranordnung und das Federelement stützt sich der Planetenträger also in dem Getriebegehäuse ab. Während die erste Lageranordnung und die zweite Lageranordnung dazu dienen, die Rotorwellenanordnung zu positionieren, wird über die dritte Lageranordnung die Gewichtskraft der ausgehend von den Drehmomentstützen sich generatorseitig erstreckenden Bereiche des Getriebegehäuses in der Rotorwellenanordnung abgestützt.
Die Rotorwellenanordnung ist bevorzugt ausschließlich mittels der ersten Lageranordnung, der zweiten Lageranordnung und der dritten Lageranordnung gelagert. Dies bedeutet, dass es kein Lager gibt, mit dem die Rotorwellenanordnung gelagert ist, und das nicht Teil der ersten Lageranordnung, Teil der zweiten Lageranordnung oder Teil der dritten Lageranordnung ist.
Die dritte Lageranordnung ist in einer bevorzugten Weiterbildung bezüglich des Planetenträgers generatorseitig angeordnet. Die dritte Lageranordnung befindet sich weiterbildungsgemäß also auf derselben Seite des Planetenträgers beziehungsweise einer radialen Ebene, welche den Planetenträger schneidet, wie der Generator.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

1 den schematischen Aufbaut eines Antriebsstrangs;
2 die Ausgestaltung des Antriebsstrangs; und
3 einen Ausschnitt.

Gemäß 1 ist ein Rotor 101 einer Windkraftanlage auf einer Rotorwelle 103 angebracht. Die Rotorwelle 103 ist drehfest mit einem Planetenträger 105 verbunden.
Zur Lagerung der Rotorwelle 103 dienen eine erste Lageranordnung 107 und eine zweite Lageranordnung 109. Mittels der ersten Lageranordnung 107 ist die Rotorwelle 103 in einem in 1 nicht dargestellten Maschinenträger gelagert. Mittels der zweiten Lageranordnung 109 ist die Rotorwelle 103 im Inneren einer zweiarmigen Drehmomentstütze 111 gelagert.
Die Drehmomentstütze 111 ist über ein oder mehrere Federelemente 113 mit einem Getriebegehäuse 115 verbunden. Zusammen mit der Drehmomentstütze 111 kapselt das Getriebegehäuse 115 den Planetenträger 105. Der Planetenträger 105 befindet sich also in einem Hohlraum, der durch die Drehmomentstütze 111 und das Getriebegehäuse 115 gebildet wird.
Die erste Lageranordnung 107 bildet ein Festlager. Durch die erste Lageranordnung 107 wird also die Rotorwelle 103 axial unverschiebbar in dem Maschinenträger fixiert.
Die beiden Arme der Drehmomentstütze 111 stützen sich über Loslager 117 in dem Maschinenträger ab. Die Loslager 117 erlauben eine axiale Verschiebung der Drehmomentstütze 111 relativ zu dem Maschinenträger.
Die Gewichtskraft des Getriebegehäuses 115 erzeugt in den Loslagern 117 ein Drehmoment, dessen Richtungsvektor in horizontaler Richtung orthogonal zu einer Drehachse der Rotorwelle 103 und des Planetenträgers 105 verläuft. Dieses Drehmoment wird über ein oder mehrere Federelemente 119 in dem Planetenträger 105 abgestützt.
Die Federelemente 119 sind in radialer Richtung nachgiebig ausgestaltet. Sie erstrecken sich zwischen dem Getriebegehäuse 115 und einer Nabe 121, welche der Planetenträger 105 generatorseitig ausbildet. Die Nabe 121 ist mittels einer weiteren Lageranordnung drehbar in den Federelementen 119 gelagert.
2 verdeutlicht die Ausgestaltung des Antriebsstrangs. Der Maschinenträger ist in 2 mit der Bezugsziffer 201 gekennzeichnet. Der Planetenträger 105 bildet rotorseitig einen Wellenstumpf 203 aus. Auf dem Wellenstumpf 203 ist die zweite Lageranordnung 109 angeordnet. Weiterhin ist der Wellenstumpf 203 drehfest mit der Rotorwelle 103 verschraubt.
In 2 ist eine dritte Lageranordnung 205 dargestellt, welche die Gewichtskraft des Getriebegehäuses 115 aufnimmt. Wie in 3 ersichtlich, ist die dritte Lageranordnung 205 als einreihiges Kegelrollenlager ausgestaltet. Entsprechend können über die dritte Lageranordnung 205 ausgehend von dem Getriebegehäuse 115 axial in Richtung des Rotors verlaufende Kräfte sowie Radialkräfte an dem Planetenträger 105 abgestützt werden.
Die Arme der Drehmomentstütze stützen sich über jeweils einen Bolzen 207 in dem Maschinenträger ab. Dazu bilden die Arme der Drehmomentstütze 113 jeweils ein Auge 209, das den jeweiligen Bolzen 207 umschließt. Der Maschinenträger 201 bildet jeweils ein zweites Auge 211 und ein drittes Auge 213. Auch das zweite Auge 211 und das dritte Auge 213 umschließen den Bolzen 207. Der Bolzen 207 verläuft also durch das erste Auge 209, das zweite Auge 211 und das dritte Auge 213 hindurch.
Das erste Auge 209 ist zwischen dem zweiten Auge 211 und dem dritten Auge 213 angeordnet. Ausgehend von dem ersten Auge 209 befindet sich das zweite Auge 211 rotorseitig. Das dritte Auge 213 ist ausgehend von dem ersten Auge 209 generatorseitig angeordnet.
Zwischen dem ersten Auge 209 und dem zweite Auge 211 sowie zwischen dem ersten Auge 209 und dem dritten Auge 213 befindet sich jeweils ein Zwischenraum in Form eines freien Spalts. Die beiden Spalten ermöglichen eine axiale Verschiebung der Drehmomentstütze 113.
3 zeigt ein einstückig in das Getriebegehäuse 115 integriertes Federelement 119. Das Federelement 119 ist als eine zu der Drehachse der Rotorwelle 103 und des Planetenträgers 105 rotationssymmetrische Membran ausgestaltet. In dem in 3 dargestellten Querschnitt folgt die Membran einem gekrümmten Verlauf. Dadurch ergibt sich eine Nachgiebigkeit in radialer Richtung.
Bezugszeichen

101: Rotor
103: Rotorwelle
105: Planetenträger
107: Lageranordnung
109: Lageranordnung
111: Drehmomentstütze
113: Federelement
115: Getriebegehäuse
117: Loslager
119: Federelement
121: Nabe
201: Maschinenträger
203: Wellenstumpf
205: Lageranordnung
207: Bolzen
209: Auge
211: Auge
213: Auge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2067990 A2 [0002]

Claims

Antriebsanorndung für eine Windkraftanlage, mit einer Rotorwellenanordnung (103, 105) bestehend aus einer Rotorwelle (103) und einem Planetenträger (105), der drehfest mit der Rotorwelle (103) verbunden ist, mit einer ersten Lageranordnung (107), mit einer zweiten Lageranordnung (109), mit einer Gehäuseanordnung (111, 115) bestehend aus einem Getriebegehäuse (115) und einer oder mehreren Drehmomentstützen (111), die drehfest in dem Getriebegehäuse (115) fixiert sind, und mit einem gondelfesten Mittel (201); wobei die Rotorwellenanordnung (103, 105) mittels der ersten Lageranordnung (107) in dem gondelfesten Mittel (201) und mittels der zweiten Lageranordnung (109) in dem Getriebegehäuse (115) gelagert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lageranordnung (107) als Festlager ausgebildet ist und die ein oder mehreren Drehmomentstützen (111) axial verschiebbar in dem gondelfesten Mittel (201) fixiert sind.
Antriebsanorndung für eine Windkraftanlage, mit einer Rotorwellenanordnung (103, 105) bestehend aus einer Rotorwelle (103) und einem Planetenträger (105), der drehfest mit der Rotorwelle (103) verbunden ist, mit einer ersten Lageranordnung (107), mit einer zweiten Lageranordnung (109), mit einer Gehäuseanordnung (111, 115) bestehend aus einem Getriebegehäuse (115) und einer oder mehreren Drehmomentstützen (111), die drehfest in dem Getriebegehäuse (115) fixiert sind, und mit einem gondelfesten Mittel (201); wobei die Rotorwellenanordnung (103, 105) mittels der ersten Lageranordnung (107) in dem gondelfesten Mittel (201) und mittels der zweiten Lageranordnung (109) in dem Getriebegehäuse (115) gelagert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lageranordnung (107) als Loslager ausgebildet ist und die ein oder mehreren Drehmomentstützen (111) axial unverschiebbar in dem gondelfesten Mittel (201) fixiert sind.
Antriebsanorndung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lageranordnung (109) als Festlager ausgebildet ist.
Antriebsanorndung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lageranordnung (107) und/oder die zweite Lageranordnung (109) bezüglich des Planetenträgers (105) rotorseitig angeordnet ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwellenanordnung (103, 105) ausschließlich mittels der ersten Lageranordnung (107) und der zweiten Lageranordnung (109) gelagert ist.
Antriebsanorndung nach einem der Ansprüche 1 bis 4; gekennzeichnet durch eine dritte Lageranordnung (205); wobei das Getriebegehäuse (115) mindestens ein Federelement (119) mit radialer Wirkrichtung aufweist; wobei der Planetenträger (105) mittels der dritten Lageranordnung (205) in dem Federelement (119) gelagert ist.
Antriebsanorndung nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Lageranordnung (205) bezüglich des Planetenträgers (105) generatorseitig angeordnet ist.