AT13294U1 - Differenzialgetriebe für eine Energiegewinnungsanlage - Google Patents

Abstract

Ein Differenzialgetriebe weist drei An- bzw. Abtriebe auf, wobei ein erster Antrieb (12) mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb (13) mit einem mit einem Netz (10) verbindbaren Generator (8) und ein zweiter Antrieb (11) mit einem Differenzial-Antrieb (6) verbunden ist. Der mit dem Generator (8) verbundene Abtrieb (13) ist mit einer Blockiereinrichtung (19) blockierbar, während der Generator (8) vom Netz (10) getrennt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 13 294 Ul 2013-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Differenzialgetriebe für eine Energiegewinnungsanlage, z.B. für eine Windkraftanlage, mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb mit einem mit einem Netz verbindbaren Generator und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzial-Antrieb verbunden ist.

[0002] Windkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung als Elektrizitätserzeugungsanlagen. Dadurch erhöht sich kontinuierlich der prozentuale Anteil der Stromerzeugung durch Wind. Dies wiederum bedingt einerseits neue Standards bezüglich Stromqualität und andererseits einen Trend zu noch größeren Windkraftanlagen. Gleichzeitig ist ein Trend Richtung Off-shore-Windkraftanlagen erkennbar, welcher Anlagengrößen von zumindest 5MW installierter Leistung fordert. Durch die hohen Kosten für Infrastruktur und Wartung bzw. Instandhaltung der Windkraftanlagen im Offshore-Bereich gewinnen hier sowohl Wirkungsgrad als auch Verfügbarkeit der Anlagen eine besondere Bedeutung.

[0003] Allen Anlagen gemeinsam ist die Notwendigkeit einer variablen Rotordrehzahl, einerseits zur Erhöhung des aerodynamischen Wirkungsgrades im Teillastbereich und andererseits zur Regelung des Drehmomentes im Antriebsstrang der Windkraftanlage. Letzteres zum Zweck der Drehzahlregelung des Rotors in Kombination mit der Rotorblattverstellung. Derzeit sind groß-teils Windkraftanlagen im Einsatz, welche diese Forderung durch Einsatz von drehzahlvariablen Generator-Lösungen in der Form von sogenannten doppeltgespeisten Drehstrommaschinen bzw. Synchrongeneratoren in Kombination mit Frequenzumrichtern erfüllen. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass das elektrische Verhalten der Windkraftanlagen im Fall einer Netzstörung nur bedingt den Anforderungen der Elektrizitätsversorgungsunternehmen erfüllt die Windkraftanlagen nur mittels Transformatorstation an das Mittelspannungsnetz anschließbar sind und die für die variable Drehzahl notwendigen Frequenzumrichter sehr leistungsstark und daher eine Quelle für Wirkungsgradverluste sind.

[0004] Diese Probleme können durch den Einsatz von fremderregten, direkt an das Netz angeschlossenen Mittelspannungs-Synchrongeneratoren gelöst werden. Hierbei bedarf es jedoch alternativer Lösungen um die Forderung nach variabler Rotor-Drehzahl bzw. Drehmomentregelung im Triebstrang der Windkraftanlage zu erfüllen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Differenzialgetrieben welche durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses bei konstanter Generatordrehzahl, eine variable Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage erlauben.

[0005] Die AT 508 411 A1 zeigt ein elektromechanisches Differenzialsystem bei dem der elektrische Differenzial-Antrieb bei auf 1 festgelegtem Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes als Generator an das Netz geschaltet ist, während der Synchrongenerator vom Netz getrennt ist.

[0006] Aktiviert man diese sogenannte Differenzialsperre während z.B. Wartungsarbeiten, so kann man mit dem Differenzial-Antrieb den Antriebsstrang inkl. Rotor der Anlage verdrehen. Darüber hinaus ist es auch möglich, während der (De-)Montage der Rotorblätter, den Rotor so zu positionieren, dass ein Rotorblatt nach dem anderen (de-)montiert werden kann.

[0007] Der Nachteil bekannter Ausführungen ist jedoch, dass das verfügbare Antriebsdrehmoment des Differenzial-Antriebes oft nicht ausreicht den Rotor nachzudrehen, wenn nicht alle Rotorblätter montiert sind, da in diesem Fall, durch die großen Massen der einzelnen Rotorblätter, ein sehr hohes resultierendes Drehmoment am Rotor der Windkraftanlage entsteht.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist oben genannte Nachteile zu vermeiden und ein Differentialgetriebe zu schaffen, das vom Differenzial-Antrieb zur Verfügung stehende Drehmoment besser auf den Rotor der Windkraftanlage wirkt.

[0009] Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Differenzialgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0010] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. 1 /6 österreichisches Patentamt AT 13 294 U1 2013-10-15 [0011] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben. Er zeigt: [0012] Fig. 1 ein elektromechanisches Differenzialsystem mit Differenzialsperre gemäß Stand der Technik.

[0013] Fig. 2 ein elektromechanisches Differenzialsystem mit erfindungsgemäßer Blockierein richtung.

[0014] Fig. 1 zeigt ein elektromechanisches Differenzialsystem mit einer Differenzialsperre gemäß Stand der Technik. Der Rotor 1 einer Windkraftanlage treibt das Hauptgetriebe 2 an und dieses über Planetenträger 12 die Differenzialstufe 3 mit dem Differentialgetriebe 11 bis 13. Der elektrisch direkt an das Mittelspannungsnetz 10 angebundene Generator 8 ist mit dem Hohlrad 13 verbunden und das Ritzel 11 mit dem Differenzial-Antrieb 6. Der Antriebsstrang der Windkraftanlage beginnt somit grundsätzlich beim Rotor 1 mit dessen Rotorblättern und endet mit dem Generator 8 bzw. mit dem Differenzial-Antrieb 6.

[0015] Das Differenzialgetriebe 3 ist einstufig, und der Differenzial-Antrieb 6 ist in koaxialer Anordnung sowohl zur Abtriebswelle des Hauptgetriebes, als auch zur Antriebswelle des Generators 8. Beim Generator 8 ist eine Hohlwelle vorgesehen, welche erlaubt, dass der Differenzial-Antrieb 6, welcher mittels Frequenzumrichter 7 und Transformator 5 mit dem Mittelspannungsnetz 10 verbunden ist, an der dem Differenzialgetriebe abgewandten Seite des Generators 8 positioniert werden kann. Dadurch ist die Differenzialstufe vorzugsweise eine separate, an den Generator 8 angebundene Baugruppe, welche dann vorzugsweise über eine Kupplung 14 und eine Hauptbremse 15 mit dem Hauptgetriebe 2 verbunden ist.

[0016] Die Drehzahlgleichung für das Differenzialgetriebe lautet: [0017] DrehzahlQenerator = X Drehzahl+ y DrehzahlDifferenzial-Antriebj [0018] wobei die DrehzahlGenerator konstant ist, und sich die Faktoren x und y aus den gewählten Getriebeübersetzungen von Hauptgetriebe 2 und Differenzialgetriebe 3 ableiten lassen. Das Drehmoment am Rotor 1 wird durch das anstehende Windangebot und den aerodynamischen Wirkungsgrad des Rotors bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem Drehmoment an der Rotorwelle und dem am Differenzial-Antrieb ist konstant, wodurch sich das Drehmoment im Triebstrang durch den Differenzial-Antrieb regeln lässt. Die Drehmomentgleichung für den Differenzial-Antrieb lautet: [0019] DrehmomentDifferenzial-Antrieb = DrehmomentRotor * y / x , [0020] wobei der Größenfaktor y/x ein Maß für das notwendige Auslegungs-Drehmoment des Differenzial-Antriebes ist.

[0021] Fig. 1 zeigt darüber hinaus eine Differenzialsperre 17, welche, sobald sie aktiviert ist, die Verbindungswelle 16 des Differenzial-Antriebes 6 drehfest mit der Rotorwelle 18 des Synchrongenerators 8 verbindet. Die Bremse 17 besteht in der gezeigten Ausführungsvariante aus einem oder mehreren Bremssätteln, welche mit der Rotorwelle 18 des Synchrongenerators 8 verbunden sind, und einer mit der Verbindungswelle 16 verbundenen Bremsscheibe.

[0022] Wird die Differenzialsperre 17 aktiviert, so wirkt das Antriebsmoment des Differenzial-Antriebes 6 direkt auf die schnelllaufende Abtriebswelle des Hauptgetriebes 2 und in weiterer Folge multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis des Hauptgetriebes 2 auf den Rotor 1 der Windkraftanlage. Das Übersetzungsverhältnis des Hauptgetriebes 2 liegt typischerweise zwischen 60 und 110 - d.h. im Mittel bei rund 85, kann jedoch bei sogenannten Hybrid-anlagen auch wesentlich kleiner, in anderen Anlagen-Konfigurationen aber auch höher sein.

[0023] In diesem Betriebsmodus kann der komplette Antriebsstrang der Windkraf tan läge durch den Differenzial-Antrieb 6 angetrieben werden. Diese Funktion kann man z.B. bei Montage -und Wartungsarbeiten nutzen. Im Zuge der (De-)Montage einzelner Rotorblätter einer Windkraftanlage, kann damit auch der Rotor 1 nachgedreht werden. Dabei wird das am Rotor zu überwindende Drehmoment jedoch wesentlich größer als dies vom Differenzial-Antrieb 6 zur 2/6 österreichisches Patentamt AT 13 294 Ul 2013-10-15

Verfügung steht.

[0024] Hierzu folgendes Beispiel: Ein typisches Rotorblatt einer 3MW Windkraftanlage erzeugt, wenn es in horizontaler Position ist, massebedingt ein Drehmoment von rund 600kNm. Dies bedeutet, dass bei einem Übersetzungsverhältnis des Hauptgetriebes 2 von ca. 85 ein Drehmoment von ca. 7kNm auf den Differenzial-Antrieb 6 wirkt. Ein Differenzial-Antrieb 6 einer 3MW Windkraftanlage hat jedoch typischerweise ein Nenndrehmoment von nur ca. 3kNm. Das heißt, dass der Differenzial-Antrieb 6 das Rotorblatt nicht in die horizontale Position bewegen bzw. in dieser Position halten kann.

[0025] Fig. 2 zeigt nun ein elektromechanisches Differenzialsystem mit erfindungsgemäßer Blockiereinrichtung. Das Differenzialsystem ist grundsätzlich gleich wie jenes in Fig. 1 aufgebaut. Anstelle der Differenzialsperre 17 wird hier jedoch eine Blockiereinrichtung 19 implementiert. Diese Blockiereinrichtung 19 kann unterschiedliche Ausführungsformen haben. In Fig. 2 ist sie als Scheibenbremse mit einer fest mit der Generatorwelle 18 verbundenen Bremsscheibe, beziehungsweise eines oder mehrerer, fest mit dem Gehäuse des Generators 8 verbundenen Bremssättel dargestellt. Ebenso kann die Blockiereinrichtung aber auch eine Klauen- oder Lamellenkupplung sein. In einer besonders kostengünstigen Variante ist die Blockiereinrichtung 19 eine mechanische Vorrichtung, welche bei Bedarf montiert und demontiert werden kann.

[0026] Die Position der Blockiereinrichtung 19 kann wie dargestellt am hinteren Ende des Generators 8, aber auch an diesem gegenüberliegenden Ende der Generatorwelle 18, bzw. auch am Hohlrad 13, oder dem das Hohlrad 13 und die Generatorwelle 18 verbindenden Hohlradträger 20 sein. Letztendlich soll gewährleistet sein, dass das Hohlrad 13 drehfest arretiert wird.

[0027] Damit kann zusätzlich zum Übersetzungsverhältnis des Hauptgetriebes 2 auch das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes 3 genutzt werden. Dieses Differenzialgetriebe 3, welches in Fig. 2 als einstufiges Planetengetriebe dargestellt wird, kann in anderen möglichen Ausführungsformen auch ein Stufenplanetengetriebe, wie z.B. in der AT 508 052 A beschrieben, oder auch ein mehrstufiges Getriebe, bestehend aus beispielsweise einer Planetenstufe und einer oder mehreren zwischen Differenzialgetriebe 3 und Differenzial-Antrieb 6 geschalteten Stirnrad- und/oder Planetengetriebestufen, sein. Das Übersetzungsverhältnis eines Differenzialgetriebes liegt typischenweise zwischen 5 und 15, kann jedoch abhängig von der Anlagenkonfiguration auch davon abweichen. Geht man beispielsweise von einem Übersetzungsverhältnis von 5 aus, so wirkt nun, im Gegensatz zur Ausführung gemäß Fig. 1, nur mehr ein entsprechend geringeres Drehmoment - nämlich 1,4kNm (=7/5) - auf den Differenzial-Antrieb 6, welches, analog zu dem oben dargestellten Beispiel, nur mehr ca. 50% eines typischen Nenndrehmomentes von ca. 3kNm ist.

[0028] Der Differenzial-Antrieb 6 ist vorzugsweise ein elektrischer Antrieb bestehend aus einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter. Alternativ kann dieser durch einen hydrostatischen oder hydrodynamischen Antrieb ersetzt werden. In einer weiteren Ausführungsvariante ist es auch möglich, den Antriebsstrang mittels eines auf die Verbindungswelle 16 wirkenden mechanischen Antriebes - z.B. eines Kurbeltriebes -zu drehen.

[0029] Fig. 2 zeigt weiters eine Bremse 21, welche im Fehlerfall, z.B. bei Ausfall des Differenzial-Antriebes 6, verhindert, dass dieser in Überdrehzahl geht. Im Falle eines Ausfalles des Differenzial-Antriebes 6, würde beispielweise die Rotorblattverstellung den Rotor 1 innerhalb kurzer Zeit zum Stillstand bringen. Gleichzeitig würde zwar der Generator 8 vorzugsweise vom Netz getrennt werden, durch das im Vergleich zum Differenzial-Antrieb 6 sehr hohe Massenträgheitsmoment des Generators 8, würde dieser jedoch nur langsam an Drehzahl verlieren. Damit würde der Differenzial-Antrieb 6 in Überdrehzahl gehen, was unter Umständen zur Zerstörung des Differenzialgetriebes 3 und/oder des Differenzial-Antriebes 6 führen kann.

[0030] Wird, wie Fig. 2 zeigt, die Blockiereinrichtung 19 als Scheibenbremse mit einer fest mit der Generatonwelle 18 verbundenen Bremsscheibe ausgeführt, so kann diese in Kombination mit der Rotorblattverstellung und/oder der Hauptbremse 15 als Notbremssystem für das Differenzialgetriebe 3 und/oder den Differenzial-Antrieb 6 dienen. Dabei ist das Bremsmoment der 3/6 österreichisches Patentamt AT 13 294 Ul 2013-10-15

Bremssysteme 15 und 19 derart zu regeln, dass der Rotor 1 und der Generator 8 so an Drehzahl verlieren, dass die Drehzahl des Differenzial-Antriebes 6 keine schädigende Größenordnung annimmt. Gleiches gilt sinngemäß auch für andere funktionsadäquate Ausführungsformen einer Generatorbremse.

[0031] 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. 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. 4/6

Claims (11)

1. österreichisches Patentamt AT13 294U1 2013-10-15 Ansprüche 1. Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb (12) mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb (13) mit einem mit einem Netz (10) verbindbaren Generator (8) und ein zweiter Antrieb (11) mit einem Differenzial-Antrieb (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Generator (8) verbundene Abtrieb (13) mit einer Blockiereinrichtung (19) blockierbar ist, während der Generator (8) vom Netz (10) getrennt ist.
2. 2. Differenzialgetriebe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Planetengetriebe, dessen Sonnenrad (11) mit dem Differenzial-Antrieb (6) verbunden ist, dessen Planetenträger (12) mit der Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage verbunden ist und dessen Hohlrad (13) mit dem Generator verbunden ist.
3. 3. Differenzialgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockiereinrichtung (19) an einer Generatorwelle (18), einem Hohlradträger (20) oder dem Hohlrad (13) angeordnet ist.
4. 4. Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6) eine elektrische Maschine ist.
5. 5. Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6) ein hydrostatischer, ein hydrodynamischer oder ein mechanischer Antrieb ist.
6. 6. Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockiereinrichtung (19) eine formschlüssige Einrichtung, insbesondere eine Klauenkupplung, ist.
7. 7. Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockiereinrichtung (19) eine kraftschlüssige Einrichtung ist.
8. 8. Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockiereinrichtung (19) eine Bremse, insbesondere eine Scheibenbremse, oder eine Kupplung, insbesondere eine Lamellenkupplung, aufweist.
9. 9. Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockiereinrichtung (19) eine (de-)montierbare Vorrichtung ist.
10. 10. Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzialgetriebe (3, 4) ein mehrstufiges Getriebe ist.
11. 11. Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem mit einem Netz (10) verbindbaren Generator (8) und mit einem Differenzialgetriebe (11 bis 13) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb (12) mit der Antriebswelle, ein Abtrieb (13) mit dem Generator (8) und ein zweiter Antrieb (11) mit einem Differenzial-Antrieb (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Generator (8) verbundene Abtrieb (13) mit einer Blockiereinrichtung (19) blockierbar ist, während der Generator (8) vom Netz (10) getrennt ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6