DE202012101807U1

DE202012101807U1 - Wind turbine

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Publication number: DE202012101807U1
Application number: DE202012101807U
Authority: DE
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Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2022-05-17

Abstract

Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator (8) und mit einem Differentialgetriebe (3) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator (8) und ein zweiter Antrieb mit einem Differential-Antrieb (6) verbunden ist, wobei das Differentialgetriebe (3) ein Planetengetriebe ist, wobei der Differential-Antrieb (6) auf der vom Differentialgetriebe (3) abgewandten Seite des Generators (8) angeordnet ist und wobei der Differential-Antrieb (6) über eine durch eine Generatorhohlwelle geführte Faser-Verbundwelle (16) mit einem Sonnenrad (11) des Differentialgetriebes (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Verbundwelle (16) über wenigstens einen Abschnitt (19) ihrer Länge als Kohlefaser-Verbundwelle und über wenigstens einen weiteren Abschnitt (20) ihrer Länge als Glasfaser-Verbundwelle ausgeführt ist.Energy production plant, in particular a wind power plant, with a drive shaft, a generator (8) and with a differential gear (3) with three drives or drives, a first drive with the drive shaft, a drive with a generator (8) and a second drive with is connected to a differential drive (6), the differential gear (3) being a planetary gear, the differential drive (6) being arranged on the side of the generator (8) facing away from the differential gear (3) and the differential drive (6) via a fiber composite shaft (16) guided through a hollow generator shaft to a sun gear (11) of the differential gear (3), characterized in that the fiber composite shaft (16) over at least a section (19) of its length as Carbon fiber composite shaft and over at least one further section (20) of its length is designed as a glass fiber composite shaft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator und mit einem Differentialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator und ein zweiter Antrieb mit einem Differential-Antrieb verbunden ist, wobei das Differentialgetriebe ein Planetengetriebe ist, wobei der Differential-Antrieb auf der vom Differentialgetriebe abgewandten Seite des Generators angeordnet ist und wobei der Differential-Antrieb über eine durch eine Generatorhohlwelle geführte Faser-Verbundwelle mit einem Sonnenrad des Differentialgetriebes verbunden ist. The invention relates to an energy production plant, in particular wind turbine, with a drive shaft, a generator and a differential gear with three inputs or outputs, wherein a first drive to the drive shaft, an output to a generator and a second drive connected to a differential drive is, wherein the differential gear is a planetary gear, wherein the differential drive is disposed on the side remote from the differential gear of the generator and wherein the differential drive is connected via a guided by a generator hollow shaft fiber composite shaft with a sun gear of the differential gear.

Aus der WO 2010/040166 A ist eine Energiegewinnungsanlage bekannt, bei der die Verbindungswelle zwischen Ritzel bzw. Sonnenrad und Differential-Antrieb in einer besonders massenträgheitsmomentarmen Variante als z.B. Faser-Verbundwelle mit Glasfaser oder Kohlefaser ausgeführt sein kann. From the WO 2010/040166 A is an energy recovery plant is known in which the connecting shaft between the pinion or sun gear and differential drive in a particularly low inertia torque variant can be designed as a fiber composite wave with fiberglass or carbon fiber, for example.

Eine Faser-Verbundwelle aus Glasfaser ist jedoch unter Umständen schwierig zu realisieren, da diese, da sie durch die Hohlwelle im Generator geführt werden muss, einen kleinen Durchmesser aufweisen muss und damit aufgrund der Länge der Verbindungswelle die biegekritischen Drehzahlen einer Glasfaserwelle zu niedrig sein können, auch wenn diese bevorzugt als Hohlwelle ausgeführt wird. Das heißt, die technischen Anforderungen sind mit einer Glasfaser-Verbundwelle möglicherweise nur schwierig zu erfüllen. A fiber composite shaft made of glass fiber, however, may be difficult to realize, since this, since it must be guided through the hollow shaft in the generator, must have a small diameter and thus due to the length of the connecting shaft, the critical bending speeds of a glass fiber shaft may be too low, even if this is preferably carried out as a hollow shaft. That is, the technical requirements of a fiberglass composite shaft may be difficult to meet.

Der Differenzial-Antrieb ist vorzugsweise eine permanentmagneterregte Synchronmaschine und diese sollte elektrisch vom Differenzialgetriebe isoliert werden. Da Kohlefaser elektrisch leitend ist, ist eine separate elektrische Entkopplung notwendig, wenn die Faser-Verbundwelle mit Kohlefaser ausgeführt ist. Hier bieten sich z.B. Klauenkupplungen mit Elastomer-Zwischenstücken an, welche jedoch viel Bauraum erfordern und auch kostenaufwändig sind. The differential drive is preferably a permanent magnet synchronous machine and this should be electrically isolated from the differential gear. Since carbon fiber is electrically conductive, a separate electrical decoupling is necessary when the fiber composite shaft is made with carbon fiber. Here are, for example, offer Claw couplings with elastomer spacers, which, however, require a lot of space and are also expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Faser-Verbundwelle zur Verfügung zu stellen, die sowohl mechanisch als auch elektrisch die gestellten Anforderungen erfüllt und wenig Bauraum erfordert. The object of the invention is therefore to provide a fiber composite shaft available that satisfies the requirements both mechanically and electrically and requires little space.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Energiegewinnungsanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, dass die Faser-Verbundwelle über wenigstens einen Abschnitt ihrer Länge als Kohlefaser-Verbundwelle und über wenigstens einen weiteren Abschnitt ihrer Länge als Glasfaser-Verbundwelle ausgeführt ist. This object is achieved in an energy production plant of the type mentioned in the present invention, characterized in that the fiber composite wave over at least a portion of its length is designed as a carbon fiber composite shaft and over at least another portion of its length as a fiberglass composite shaft.

Durch den Abschnitt, der als Kohlefaser-Verbundwelle ausgeführt ist und der bevorzugt den Großteil der Länge der Faser-Verbundwelle ausmacht, kann die erforderliche Steifigkeit der Welle erzielt werden und über den Abschnitt, der als Glasfaser-Verbundwelle ausgeführt ist, kann die allenfalls erforderliche elektrische Isolierung erzielt werden. By the portion, which is designed as a carbon fiber composite shaft and which preferably makes up the majority of the length of the fiber composite shaft, the required rigidity of the shaft can be achieved and the portion which is designed as a glass fiber composite shaft, the possibly required electrical Isolation can be achieved.

Bevorzugt liegt der als Glasfaser-Verbundwelle ausgeführte Abschnitt im Bereich des dem Differential-Antrieb zugewandten Endes, sodass der Großteil der Faser-Verbundwelle elektrisch isoliert ist. Preferably, the portion configured as a glass fiber composite shaft is in the region of the end facing the differential drive, so that the majority of the fiber composite shaft is electrically insulated.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche. Preferred embodiments of the invention are the subject of the remaining subclaims.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigt: Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Energiegewinnungsanlage in Form einer Windkraftanlage und 1 an inventive embodiment of an energy recovery system in the form of a wind turbine and

2 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Faserverbundwelle. 2 schematically an embodiment of a fiber composite shaft according to the invention.

1 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differentialsystems für eine Windkraftanlage mit einem Differentialgetriebe 3 und einem Differential-Antrieb 6. Ein Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf einer Antriebswelle für ein Hauptgetriebe 2 sitzt, treibt das Hauptgetriebe 2 an. Das Hauptgetriebe 2 ist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei Planetenstufen und einer Stirnradstufe. Zwischen Hauptgetriebe 2 und Generator 8 befindet sich das Differentialgetriebe 3, welches vom Hauptgetriebe 2 über einen Planetenträger 12 des Differentialgetriebes 3 angetrieben wird. Der Generator 8, vorzugsweise ein fremderregter Synchrongenerator, der bei Bedarf auch eine Nennspannung größer 20kV haben kann, ist mit einem Hohlrad 13 des Differentialgetriebes 3 verbunden und wird von diesem angetrieben. Ein Sonnenrad 11 des Differentialgetriebes 3 ist mit dem Differential-Antrieb 6 verbunden. Die Drehzahl des Differential-Antriebes 6 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 8 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im kompletten Triebstrang der Windkraftanlage zu regeln. Der Differential-Antrieb 6 ist bevorzugt eine Drehstrommaschine, welche über einen Frequenzumrichter 7 und einen Transformator 5 ans Netz angeschlossen ist. 1 shows a possible principle of a differential system for a wind turbine with a differential gear 3 and a differential drive 6 , A rotor 1 wind turbine mounted on a drive shaft for a main gearbox 2 sits, drives the main gearbox 2 at. The main gearbox 2 is a 3-stage transmission with two planetary stages and a spur gear stage. Between main gearbox 2 and generator 8th is the differential gear 3 , which from the main gearbox 2 over a planet carrier 12 of the differential gear 3 is driven. The generator 8th , preferably a separately excited synchronous generator, which may also have a rated voltage greater than 20 kV if required, is provided with a ring gear 13 of the differential gear 3 connected and driven by this. A sun wheel 11 of the differential gear 3 is with the differential drive 6 connected. The speed of the differential drive 6 is regulated, on the one hand at variable speed of the rotor 1 a constant speed of the generator 8th to ensure and on the other hand to regulate the torque in the complete drive train of the wind turbine. The differential drive 6 is preferably a three-phase machine, which via a frequency converter 7 and a transformer 5 connected to the mains.

Der Differential-Antrieb 6 kann natürlich auch durch einen hydrostatischen Antrieb ersetzt werden, wozu jedoch ein zweites, mit dem hydrostatischen Differential-Antrieb 6 in Wechselwirkung stehendes Pumpenelement durch vorzugsweise den Generator 8 angetrieben werden muss. The differential drive 6 can of course also be replaced by a hydrostatic drive, including a second, with the hydrostatic differential drive 6 interacting Pump element by preferably the generator 8th must be driven.

Das Differentialgetriebe 3 ist 1-stufig und der Differential-Antrieb 6 liegt koaxial sowohl zur Abtriebswelle des Hauptgetriebes 2 als auch zur Antriebswelle des Generators 8. Der Generator 8 weist eine Hohlwelle auf, welche erlaubt, dass der Differential-Antrieb 6 an der dem Differentialgetriebe 3 abgewandten Seite des Generators 8 positioniert wird. Dadurch ist das Differentialgetriebe vorzugsweise eine separate, an den Generator 8 angebundene Baugruppe, die unabhängig vom Hauptgetriebe implementiert und gewartet werden kann und welche dann vorzugsweise über eine Kupplung 14 und eine Bremse 15 mit dem Hauptgetriebe 2 verbunden ist. The differential gear 3 is 1-stage and the differential drive 6 is coaxial with both the output shaft of the main gearbox 2 as well as to the drive shaft of the generator 8th , The generator 8th has a hollow shaft, which allows the differential drive 6 at the differential gear 3 opposite side of the generator 8th is positioned. Thereby, the differential gear is preferably a separate, to the generator 8th connected assembly, which can be implemented and maintained independently of the main gearbox and which then preferably via a coupling 14 and a brake 15 with the main gearbox 2 connected is.

Ein wesentlicher Vorteil der gezeigten koaxialen, 1-stufigen Ausführungsform sind die konstruktive Einfachheit des Differentialgetriebes 3, der dadurch hohe Wirkungsgrad des Differentialgetriebes 3 und das verhältnismäßig geringe, auf den Rotor 1 bezogene Massenträgheitsmoment des Differential-Antriebes 6. A significant advantage of the shown coaxial, 1-stage embodiment are the structural simplicity of the differential gear 3 , which gives high efficiency of the differential gear 3 and the relatively small, on the rotor 1 referred mass moment of inertia of the differential drive 6 ,

Für hohe mittlere Jahreswindgeschwindigkeiten kann eine Anpassungs-Getriebestufe zwischen dem Differentialgetriebe 3 und dem Differential-Antrieb 6 eingebaut werden. For high mean annual wind speeds, an adjustment gear stage between the differential gears 3 and the differential drive 6 to be built in.

Eine in 2 schematisch dargestellte Faser-Verbundwelle 16 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Abschnitt 19 aus einem Kohlefaser-Verbund und einem weiteren Abschnitt 20 aus einem Glasfaser-Verbund. Die Faser-Verbundwelle 16 wird bevorzugt so lange wie möglich als Kohlefaser-Verbund ausgeführt, da dies schwingungstechnisch günstig ist. Der Abschnitt 20 aus dem Glasfaser-Verbund kann dem gegenüber möglichst kurz gehalten werden, da er nur die elektrische Isolierung gewährleisen muss. Damit bleibt die hohe Steifigkeit der Faser-Verbundwelle 16 aus Kohlefaser-Verbund im Wesentlichen bestehen, jedoch kann die elektrische Entkopplung zwischen Differential-Antrieb 6 und Differentialgetriebe 3 einfach und kostengünstig realisiert werden. An in 2 schematically illustrated composite fiber shaft 16 consists in the illustrated embodiment of a section 19 from a carbon fiber composite and another section 20 from a fiberglass composite. The fiber composite shaft 16 is preferably carried out as long as possible as carbon fiber composite, since this is vibration technology favorable. The section 20 From the fiberglass composite can be kept as short as possible to the opposite, since he has to ensure only the electrical insulation. This leaves the high rigidity of the fiber composite shaft 16 Made of carbon fiber composite essentially exist, however, the electrical decoupling between differential drive 6 and differential gear 3 be realized easily and inexpensively.

Zum mechanischen Anschluss der Faser-Verbundwelle 16 an das Sonnenrad 11 auf der einen Seite und den Differential-Antrieb 6 auf der anderen Seite ist die Faser-Verbundwelle 16 an ihren beiden Enden bevorzugt mit Flanschen 21, 22 oder dergleichen ausgestattet, die bevorzugt aus Stahl hergestellt sind. Dies ermöglicht eine dem Stand der Technik entsprechende Verbindung zwischen der Faser-Verbundwelle 16 und dem Sonnenrad 11 auf der einen Seite und dem Differentialantrieb 6 auf der anderen Seite bzw. mit Wellen, die mit dem Sonnenrad 11 und dem Differential-Antrieb 6 verbunden sind. For mechanical connection of the fiber composite shaft 16 to the sun wheel 11 on the one hand and the differential drive 6 on the other side is the fiber composite shaft 16 preferably with flanges at both ends 21 . 22 or the like, which are preferably made of steel. This allows a prior art connection between the fiber composite shaft 16 and the sun wheel 11 on the one hand and the differential drive 6 on the other side or with waves, with the sun gear 11 and the differential drive 6 are connected.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Faser-Verbundwelle 16 aus wenigstens einem Abschnitt aus einem Kohlefaser-Verbund und wenigstens einem weiteren Abschnitt aus einem Glasfaser-Verbund kann eine besonders massenträgheitsmomentarme Verbindung zwischen dem Sonnenrad 11 und dem Differential-Antrieb 6 hergestellt werden, die auf der einen Seite ausreichend steif ist und mit der auf der anderen Seite eine elektrische Entkopplung zwischen dem Differential-Antrieb 6 und dem Sonnenrad 11 hergestellt werden kann. Due to the inventive structure of the fiber composite shaft 16 At least one portion of a carbon fiber composite and at least one further portion of a glass fiber composite, a particularly low mass moment of inertia connection between the sun gear 11 and the differential drive 6 be prepared on the one hand sufficiently rigid and with the on the other side an electrical decoupling between the differential drive 6 and the sun wheel 11 can be produced.

Die oben beschriebenen Ausführungen sind bei technisch ähnlichen Anwendungen ebenfalls umsetzbar. Dies betrifft v.a. Wasserkraftwerke zur Ausnutzung von Fluss- und Meeresströmungen. Für diese Anwendung gelten die gleichen Grundvoraussetzungen wie für Windkraftanlagen, nämlich variable Strömungsgeschwindigkeit. Die Antriebswelle wird in diesen Fällen von den vom Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, angetriebenen Einrichtungen direkt oder indirekt angetrieben. In weiterer Folge treibt die Antriebswelle direkt oder indirekt das Differenzialgetriebe an. The embodiments described above are also feasible in technically similar applications. This concerns v.a. Hydroelectric power plants to exploit river and ocean currents. For this application, the same basic requirements apply as for wind turbines, namely variable flow rate. The drive shaft is driven directly or indirectly by the devices driven by the flow medium, for example water, in these cases. Subsequently, the drive shaft directly or indirectly drives the differential gear.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2010/040166 A [0002]

Claims

Energy production plant, in particular wind power plant, with a drive shaft, a generator ( 8th ) and with a differential gear ( 3 ) with three input and output drives, wherein a first drive with the drive shaft, an output with a generator ( 8th ) and a second drive with a differential drive ( 6 ), wherein the differential gear ( 3 ) is a planetary gear, wherein the differential drive ( 6 ) on the differential gear ( 3 ) facing away from the generator ( 8th ) and wherein the differential drive ( 6 ) via a guided by a hollow generator shaft fiber composite shaft ( 16 ) with a sun wheel ( 11 ) of the differential gear ( 3 ), characterized in that the composite fiber shaft ( 16 ) over at least one section ( 19 ) of its length as a carbon fiber composite shaft and over at least one other section ( 20 ) of its length is designed as a glass fiber composite shaft.

Power generation plant according to claim 1, characterized in that the composite fiber shaft ( 16 ) on the sun gear ( 11 ) connected end and / or with the differential drive ( 6 ) connected to a steel flange ( 21 . 22 ) having.

Power generation plant according to claim 1 or 2, characterized in that a section constructed as a carbon fiber composite shaft ( 19 ) in the region of the differential gear ( 3 ) facing end lies.

Power generation plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that a section designed as a glass fiber composite shaft ( 20 ) in the area of the differential drive ( 6 ) facing end lies.

Power generation plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the composite fiber shaft ( 16 ) is a hollow shaft.

Energy recovery plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the differential drive ( 6 ) Is arranged coaxially with the hollow shaft of the generator.

Power generation plant according to one of claims 1 to 6, characterized in that it has only one differential stage ( 11 to 13 ) having.

Power generation plant according to one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a single-stage differential gear ( 3 ) having.

Energy recovery plant according to one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises a multi-stage differential gear.

Energy production plant according to one of claims 1 to 9, characterized in that the drive shaft is the rotor shaft of a wind turbine.

Energy production plant according to one of claims 1 to 10, characterized in that the differential drive ( 6 ) is an electrical machine.

Energy recovery plant according to claim 11, characterized in that the electric machine ( 6 ) is a three-phase machine.

Energy recovery plant according to claim 11 or 12, characterized in that the electrical machine ( 6 ) is a permanent magnet synchronous three-phase machine.

Energy production plant according to one of claims 11 to 13, characterized in that the electrical machine ( 6 ) is short-circuitable.

Energy recovery plant according to one of claims 1 to 7, characterized in that the differential drive ( 6 ) is a hydraulic drive.

Energy production plant according to one of claims 1 to 10, characterized in that a brake ( 15 ), which acts on the drive shaft, on the side of the differential gear ( 3 ) is arranged, on which the first drive is arranged.