DE3231016A1 - Umlaufraedergetriebe mit umlaufschmierung - Google Patents

Description

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Essen, den 18.8.1982 PZ 3307 Va/bk

Thyssen Industrie AÖ Am Thyssenhaus 1 4300 Essen 1

Umlaufrädergetriebe mit Umlaufschmierung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Umlaufrädergetriebe mit Umlaufschmierung und die An- und Abtriebswelle einschließender Mittelachse für einen Windkraftgenerator auf einem Maschinenturm.

Für Windturbinen ist bereits ein Umlaufrädergetriebe vorgeschlagen worden, das im Maschinenhaus gefedert abgestützt ist und dessen Antriebswelle mit der die Flügel tragenden Turbinennabe über eine Kupplung verbunden ist. Die Abtriebswelle treibt den festgelagerten Generator über Kupplungen und eine Zwischenwelle an.

Die Regelung der Drehzah'i der Turbine erfolgt durch Verstellung der Flügel, die bei einer zu hohen Windgeschwindigkeit oder einer zu niedrigen Windgeschwindigkeit aus dem Wind gedreht werden. Die Turbine wird dadurch entweder ganz stillgesetzt, wobei sie gegebenenfalls noch durch eine mechanische Bremse festgehalten wird, oder s-ie läuft noch mit ganz geringer Drehzahl weiter. Diese Betriebszustände bringen eitle Reihe von Schwierigkeiten mit sich, die unter dem Aspekt gesehen weraen müssen, daß zur Schmierung des Getriebes Umlaufschmierung zur Verfügung steht und diese beim Aussetzen des Turbinenbetriebes stillgelegt werden soll, damit das gesamte Schmiersystem nicht in unwirtschaftlicher Welse in Betrieb bleibt und überwacht werden muß. Die Umlaufschmierung ist sonst erforderlich, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad im Triebwerk

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zu erzielen. Eine Tauchschmierung des Getriebes, das aus Gründen der übersetzung meist als mehrstufiges Planetengetriebe ausgebildet ist, würde zu hohen Planschverlusten und auch zu einer unzulässig hohen Erwärmung führen.

Betrachtet man die Situation zunächst bei zu hohen Windgeschwindigkeit ten, dann muß man erkennen, daß Windstoße aus verschiedenen Richtungen kommen und deshalb zeitweilig doch eine Angriffsfläche an den anfangs aus dem Wind gedrehten Flügeln finden. Wenn nun die Anlage festgebremst ist, dann wird das aus Maschinensatz und Maschinenturm bestehende System zu Schwingungen erregt, deren Beherrschung zusätzliche Baumaßnah-C men erfordert. Ist die Bremse nicht angezogen oder fehlt überhaupt eine Bremse, dann können nachteilige Schwingungen dadurch entstehen, daß infolge der stillgelegten Umlaufschmierung Getriebeschäden, wie überhöhter und ungleichmäßiger Zahnverschleiß, auftreten.

Der letztere Fall kann auch dann eintreten, wenn die Anlage bei einer zu niedrigen Windgeschwindigkeit abgeschaltet oder ganz allgemein aus stromtechnischen Gründen außer Betrieb gesetzt wird. Letzteres kommt vor, wenn das Netz, auf das Strom abgegeben wird, nicht ausgelastet ist. Jetzt benötigt man keine Generatorleistung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Umlaufrädergetriebe

der eingangs genannten Art so auszubilden, daß dadurch Schwingungen ^- des Maschinenturmes bei jedem Betriebszustand weitgehend vorgebeugt wird. Dementsprechend soll das Getriebe ein verhältnismäßig leichtes Gewicht aufweisen, d.h. eine sehr komoakte Bauweise mit kurzer axialer

Baulänge besitzen, und auch im Leerlauf verlustleistungsarm sein.

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Beherrschung der Folgen von mechanischen Schwingungen eines Systems, das sich aus einer Masse und einer darunter vorgesehenen lotrechten Unterstützung besteht und von außen erregt wird, bei gleichbleibender Höhe der Unterstützung umso problemloser ist, je kleiner die Masse ist und je mehr die Selbsterreger des Systems in ihrer Wirkung unterdrückt werden.

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Die Erfindung besteht darin, daß das Getriebe an seinen gegenüberlie- » j genden Stirnenden um die Mittelachse drehbar gelagert und durch eine f Drehmomentstutze gefedert abgestützt ist, den Generator unmittelbar |

angeflanscht und die Nabe der Windkraftmaschine auf seiner Antriebswelle fliegend trägt sowie ferner im Ablaufrohr des Schmiersystems ein Absperrventil mit einem dasselbe lotrecht überbrückenden Bypass enthält, dessen höchste Stelle die tiefstliegenden Bereiche der umlaufenden Getriebeteile überragt.

Ein derartiges Getriebe trägt dazu bei, das Gesamtgewicht der Maschinenanlage erheblich zu senken, da Verbindungselemente zwischen den einzelnen Teilen der Anlage nicht mehr erforderlich sind. Damit ist gleich die Masse auf dem Maschinenturm geringer, so daß die Auswirkungen der Schwingungen besser beherrscht werden können. Hierzu gehört die durch die federnde Drehmomentstütze bewirkte weiche Aufnahme der Windstöße sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, da die stets frei drehbaren Flügel der Windkraftmaschine bei abgeschaltetem Betrieb ausweichen, wenn ein Windstoß nicht aus der herrschenden Windrichtung kommt, und die durch die Windstöße bedingte Drehmomentschwellung in radialer Richtung des Getriebes elastisch abgefangen wird. Dabei kann eine schwingungserregende Laufunruhe des Getriebes besei^ tigt werden, weil durch den das Absperrventil überbrückenden Bypass, die Voraussetzung geschaffen wurde, bei niedriger Drehzahl die Umlaufschmierung des Schmiersystems durch eine wartungs- und energiefreie Tauchschmierung abzulösen. Eine vollständige Stillsetzung mittels einer Bremseinrichtung, die die nachteiligen Schwingungen erst richtig entstehen läßt, ist somit nicht erforderlich. Die Anlage kann sich dank der Tauchschmierung im Getriebe langsam drehen, ohne daß das Getriebe Schaden nimmt.

Für die selbsttätige Umstellung der Umlaufschmierung auf Tauchschmierung ist zweckmäßig eine Steuervorrichtung vorgesehen, die bei der elektrischen Abschaltung des Generators das Schließen des Absperrventils veranlaßt und in Zeitabstand darauf die Umlaufschmierung außer Betrieb setzt. Diese Umstellung erfolgt stets, wenn die Anlage abgeschaltet wird, sei es aus Gründen der Wetterverhältnisse oder der Kooperation od.dgl. mehrerer Anlagen.

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Bei ungünstigen Wetterverhältnissen nimmt vorteilhaft die Steuerung^- vorrichtung die elektrische Abschaltung des Generators bei einer be-5 stimmten maximalen und auch minimalen Drehzahl der Abtriebswelle vor. Damit wirken neben der Netzbelastung auch die Windgeschwindigkeiten als Stellgrößen auf die Steuerungsvorrichtung ein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schemä-10 tisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Anlage für die Ausnutzung der Windkrafi für Stromerzeugung in Seitenansicht,
Fig. 2 den ein Umlaufrädergetriebe enthaltenden Maschinensatz der

Anlage in Draufsicht,
Fig. 3 einen Schnitt nach dem Linienverlauf III-III der Fig. 2,

in der Abbildung um 90° im Gegenuhrzeigersinn gedreht wurde, Fig. 4 einen Schaltplan für eine Steuerungsvorrichtung, die die Umlaufschmierung des Getriebes auf Tauchschmierung umstellt und Fig. 5 ein Blockschema für die Anordnung einer weiteren Steuerungsvorrichtung.

Zur Stromerzeugung ist gemäß Fig. 1 ein Maschinensatz 3 vorgesehen, der in einem Maschinehaus 1 auf dem Ende eines hohen Maschinenturmes 2 angeordnet ist und eine Windkraftmaschine oder auch Windturbine 4 enthält. Die Windturbine 4 besteht aus einer Nabe 5 und Flügeln 6.

Die Nabe 5 der Windturbine 4 ist, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, auf die Antriebswelle 7 eines Umlaufrädergetriebes 8 fliegend aufgesetzt. Die Antriebswelle 7 ragt bis etwa in die Mitte des Getriebes 8 hinein und ist dort mittels eines Wälzlagers 9 gelagert, das in einem Steg 10 des Getriebegehäuses sitzt. Hinter der Nabe 5 ist die Abtriebswelle 7 im Getriebegehäuse ähnlich gelagert. Das Getriebe 8 1st einschließlieh die Abtriebswelle 11 (Fig.4) rotationssymmetrisch aufgebaut, so daß die Antriebswelle 7 und die Abtriebswelle 11 eine Mittelachse 12 des Getriebes 8 bilden. Um diese Mittelachse 12 ist das Getriebe 8 an seinen Stirnenden 18 und 18a drehbar in selbstschmiedenden Lagern

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13 und 14 gelagert und durch Drehmomontstützen 15 unter Zwischenschaltung von Federn 16 abgestützt. Zur axialen Halterung ist das Getriebe 8 am hinteren Lager 14 mit Stützflächen 17 versehen.

An dem rückwärtigen Stirnende 18a ist ein Windkraftgenerator 19 un-* mittelbar angeflanscht. Die Ankerwelle 40 des Generators 19 ist mit der Abtriebswelle 11 drehstarr verbunden. Diese zwei Wellen können auch aus einem Stück bestehen.

Das Getriebe 8 ist mit einer durch eine Pumpe 20 (Fig. 4) betriebenen Umlaufschmierung versehen, deren Ablaufrohr und Zuflußrohr mit 21 bzw. 22 bezeichent sind. In das Ablaufrohr 21 ist ein Absperrventil 23 eingeschaltet, das mit einem selbsttätigen Schließorgan 24 (Fig.4) ausgestattet ist und von einem Bypass 25 (Oberlaufrohr) von solcher Steighöhe überbrückt wird, daß bei geschlossenem Absperrventil 23 im Getriebegehäuse ein ölbad 26 für eine Tauchschmierung entsteht. Dadurch geraten zumindest die tiefstllegenden Bereiche 27 vfon Getriebeteilen 28 (z.B. Planetenrad) unter Schmiermittel. Das Absperrventil 23 wird auf den Befehl einer Steuerungsvorrichtung 29 (Fig.4) geschlossen, wenn der Windkraftgenerator 19 bei einer bestimmten Mindestwindgeschwindigkeit oder bei überschreiten der Maximalwindgeschwindigkeit oder auch sor.stwie, z.B. von Hand, elektrisch abgeschaltet und die Windturbine 4 außer Betrieb genommen wird. Nach einem gewissen Zeitabstand, d.h. wenn der ölspiegel im Getriebe 8 eine zu einer Tauchschmierung ausreichende Höhe erreicht hat, kann die Pumpe 20 stillgesetzt werden. Da die Tauchschmierung bei der geringen Lerrlaufdrehzahl des Getriebes 8 in jedem Falle ausreichend schmiert, ist auch ihre überwachung nicht erforderlich und die mit Fremdstrom arbeitende Steuerungsvorrichtung 29 kann abgeschaltet werden, d.h. die gesamte Windkraftanlage kann stromlos gemacht werden.

Die Steuerung kann wie folgt funktionieren. 35

Einschalten des Generators 19 über Schalter 44 mit gleichzeitigem Einschalten der Schmieröl pumpe 20 über Schalter 45. Nach Betätigung des Schalters 44 wird automatisch das Bypassventil 23 über Schalter 46 betätigt und geöffnet. Erst nach Aufbau des Schmieröldruckes im - 6 -

Planetengetriebe 8 wird über Druckschalter 47 und Schalter 48 der Generator 19 zugeschaltet. Beim Abschalten des Generators 19 wird wiedöh automatisch das Bypassventil 23 geschlossen und die Schmieröl pumpe 20* über Zeitschalter 49 verzögert abgeschaltet.

Die Steuerungsvorrichtung 29 besteht gemäß Fig. 5 aus einem der Abtriebswelle 11 zugeordneten Drehzahlmesser 30 und einem dessen Ergebt nis auswertenden Impulsgeber 31, die miteinander durch eine Leitung 32 verbunden sind. Zu dem Impulsgeber 31 führen noch Leitungen 41 und 42„ Während die Leitung 41 für Stellgrößen aus der Kooperation mehrerer Wirndturbinenanlagen und aus der Belastung des gemeinsamen Stromnetzbs vorgesehen ist, dient die Leitung 42 der Handabschaltung.

Beim Erreichen der vorerwähnten Windgeschwindigkeiten oder beim Vorliegen entsprechender Stellgrößen in der Leitung 41 ofoer 42 läuft ein Befehl in den Pfad 33, der bewirkt, daß über Schütz 34 der Wirdkraftgenerator 19 abgeschaltet und der Antrieb 24 des Absperrventils 23 an den Strom gelegt wird, so daß das letztere schließt. Zugleich wird ein Zeitglied 36 in Funktion gesetzt. Dieses Zeitglied 36 hält den Stromkreis des Motors 37 der Pumpe 20 anfangs noch geschlossen, unterbricht ihn aber, wenn das Schmiermittel in dem Bypass 25 überläuft und damit das erforderliche Niveau im ölbad 26 erreicht ist. Während des Füllens des Ölbades 26 wird das Schmiermittel aus einem nichtgezeichneten ölbehälter entnommen, und zwar über eine Leitung 38 und mittels eines weiteren selbsttätigen Absperrventils 39, das durch seinen Antrieb 35 über ein Schütz 43 gleichzeitig mit dem Absperrventil 23 - allerdings auf öffnen - betätigt wird.

Die Abschaltfunktion des Zeitgliedes 36 kann auch durch Erreichen des erforderlichen Niveaus im ölbad 26 gesteuert werden.

Mit dem Abschalten des Motors 37 der Pumpe 20 kann auch die zentrale Unterbrechung der Stromversorgung für die Organe einhergehen, die die Umstellung der Schmierung bewirkten.

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Essen, den 18.8.1982 PZ 3307 Va/bk

BEZUGSZEICHENLISTE

i	Maschinenhaus	31	Impulsgeber
ί	Maschinenturm	32	Leitung
i	Maschinensatz	33	Pfad
4	Wirtdkraftmaschine/Windturbine	34	Schlitz
5	Nabe	35	Antrieb
6	Flügel	36	Zeitglied
7	Antriebswelle	37	Motor -
8	UmIaufrädergetr iebe/Getri ebe	38	Leitung
9	Wälzlager	39	Absperrventi1
10	Steg	40	Ankerwelle
11	Abtriebswelle	41	Leitung
12	Mittelachse	42	Leitung
13	Lager	43	Schütz
14	Lager	44	Schalter
15	Drehmomentstütze	45	Schalter
16	Feder	46	Schalter
17	Stützfläche	47	Druckschalter
18,		48	Schalter
18a	Stirnenden	49	Zeitschalter
19	Windkraftgenerator
20	Pumpe
21	Ablaufrohr
22	Zuflußrohr
23	Absperrventi1/Bypassventi1
24	Antrieb
25	Bypass
26	ölbad
27	Bereiche
28	Getriebeteile
29	Steuerungsvorrichtung
30	Drehzahlmesser

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   Π..) Umlaufrädergetriebe mit Umlaufschmierung und die An- und Abtriebswelle einschließender Mittelachse für einen Windkraftgenerator auf einem Maschinenturm, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (8) an seinen gegenüberliegenden Stirnenden (18,18a) um die Mittelachse (12) drehbar gelagert und durch eine Drehmomentstütze (15) gefedert abgestützt ist, den Generator (19) unmittelbar

   angeflanscht und die Nabe (5) der Windkraftmaschine (4) auf seiner Antriebswelle (7) fliegend trägt sowie ferner im Ablaufrohr (21) des Schmiersystems ein Absperrventil (23) mit einem es lotrecht O überbrückenden Bypass (25) enthält, dessen höchste Stelle die tiefst-

   liegenden Bereiche (27) der umlaufenden Getriebeteile (28) überragt.
2. 2. Umlaufrädergetriebe nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung (29), die bei der elektrischen Abschaltung des

   Generators (19) das Schließen des Absperrventils (23) veranlaßt

   und in Zeitabstand darauf die Umlaufschmierung außer Betrieb setzt.
3. 3. Umlaufrädergetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsvorrichtung (29) die elektrische Abschaltung des Generators (19) bei einer bestimmten maximalen und auch minimalen Drehzahl der Abtriebswelle (11) vornimmt.

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