DE20112513U1

DE20112513U1 - Windenergieanlage

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Publication number: DE20112513U1
Application number: DE20112513U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2011-07-18

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf das neuartige Verbessern des dynamischen Tragverhaltens von Windenergieanlagen der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung. Das Zusammenwirken der Hauptkomponenten dieser Anlagen zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in elektrische Energie stellt den diesbezüglichen Stand der Technik dar und ist dem Fachmann allgemein bekannt.

Die bekannten Windenergieanlagen weisen an den Flanschstössen der Turmsegmente untereinander oder an den Verbindungen zum Fundament

&iacgr;&ogr; vorgespannte Schraubverbindungen auf, die infolge der unstetigen Windeinwirkung besonders ermüdungsbruchgefährdet sind. Sie sind daher mit besonderer Sorgfalt auszulegen. Trotzdem kann ein perfekt berücksichtigtes Kräftespiel durch Fertigungs- und Montageimperfektionen maßgeblich gestört werden, so dass ungeplante Ermüdungsbeanspruchungen der Schrauben zu einem Versagen der Verbindung führen. Fehlende und lockere Schrauben an Fußringverankerungen wurden häufig festgestellt. Sie beeinflussen die Eigenfrequenzen der Windenergieanlagen derart negativ, dass sie als Auslöser nicht erklärbarer Lager- und Getriebeschäden und für Schäden an Rotorblättern in Betracht zu ziehen sind.

Dieses wird durch zahlreiche in der jüngsten Vergangenheit aufgetretene Schäden an Lagern und Getrieben mehr als bestätigt. In der aktuellen Literaturstelle Jansen, Marcus: &ldquor;Dynamische Lasten am Triebstrang untersuchen", Erneuerbare Energien Juli 2001, Seite 36 ff, (SunMedia Verlag, Hannover) werden die gegenwärtigen Schäden auf nicht

5 hinreichend berücksichtigte dynamische Beanspruchungen bei der

Dimensionierung von Windenergieanlagen zurückgeführt, so dass nicht auszuschließen ist, dass es zu weiteren Serienschäden an diesen Komponenten kommen wird. Nicht beantwortete Fragen hinsichtlich einer ausreichenden Berücksichtigung und Erfassung von möglichen dynamischen Lasten weisen auf weiteren Forschungsbedarf hin. Logische Folgerungen, dass eine Herabsetzung der Massen am Kopf einer Anlage zum Beispiel durch Gewichtsoptimierungen zu einer Reduzierung der zuvor dargestellten Probleme führt, sind an bekannten Windenergieanlagen aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten nur in einem begrenzten Rahmen zu nutzen.

Unabhängig dieses Sachverhalts erschweren Bürgereinsprüche in Genehmigungsverfahren den Ausbau von Großanlagen. Dieses wird im verstärkten Maß dazu führen, dass an den Standorten vorhandener

Anlagen die Fundamente ausgedienter Anlagen verstärkt oder erneuert werden, um auf diesen dann leistungsstärkere neue Anlagen errichten zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Eigenschwingverhalten und zugleich das damit im direkten Zusammenhang stehende dynamische Tragverhalten der Windenergieanlagen so zu verbessern, dass die zuvor beschriebenen Schäden an Lagern, Getrieben und Rotorblättern minimiert bzw. ausgeschlossen werden, dass die aus dynamischen Lasten auftretenden Fundamentbelastungen besonders für neue Anlagen der größeren Leistungsklassen reduziert werden und zu kleineren Fundamenten führen und dass auf vorhandenen Fundamenten bzw. auf Fußkonstruktionen älterer Anlagen leistungsstärkere neue Anlagen errichtet oder vorhandene Anlagen von der Leistung her aufgerüstet werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

Entsprechend der Merkmale des Anspruchs 1 wird an der Gondel eine in den Turm hineinragende Tragkonstruktion angeordnet. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, relativ schwere Hauptkomponenten, die bei den bekannten Windenergieanlagen im Bereich der Gondel angeordnet sind, aus dieser herauszunehmen und an der Tragkonstruktion zu befestigen. Dieses sind in erster Linie Generatoren, Getriebe, Kupplungen und Kraftübertragungselemente sowie weitere benötigte Systemkomponenten, wie zum Beispiel Transformatoren, Kühlaggregate, Komponenten oder Teilkomponenten der mechanischen Bremssysteme für den Rotor bzw. die Gondel und Aggregate zum Nachführen der Gondel. Durch die dreh- und verwindungssteife Verbindung Gondel / Tragkonstruktion wird das einwandfreie Funktionieren und Zusammenwirken der Hauptkomponenten gesichert. Die Kraftübertragung von der Rotorwelle zu dem Generator erfolgt über Getriebe und/oder Kraftübertragungselemente in Form umlaufender, über Zahnscheiben oder Zahnriemenscheiben geführte Zahnketten oder Zahnriemen. Die konstruktive Gestaltung der in den Turm hineinragenden Tragkonstruktion und damit auch die Lage des gemeinsamen Massenschwerpunktes wird im Wesentlichen durch das Verhältnis der Herstellungskosten zu den zu erreichenden Vorteilen aufgrund der anzustrebenden ökonomischen Relation zueinander bestimmt. In jedem Fall wird durch die Verlagerung der Massen in Richtung zum Fundament das Eigenschwingverhalten maßgeblich

• · · ■

verbessert und dadurch bedingt das dynamische Tragverhalten der gesamten Anlage heraufgesetzt. Unabhängig von einer luv- oder leeseitigen Anordnung der Rotornabe wird durch eine Verlagerung von Massen in den Turm hinein das Standmoment der Windenergieanlage erhöht, welches dem Kippmoment entgegenwirkt.

Die dreh- und verwindungssteife Anordnung der Tragkonstruktion an der Gondel ermöglicht zudem bei Anlagen der größeren Leistungsklassen mit entsprechend größeren Turmdurchmessern eine nicht mittige Befestigung der Haupt- und Systemkomponenten an der Tragkonstruktion und

&iacgr;&ogr; sogar eine nicht mittige Anordnung von Ballastgewichten. Diese Massen

erzeugen mit ihrem Abstand zur Turmmitte ein Biegemoment, welches dem Betriebsmoment entgegen wirkt. An der Großwälzlagerverbindung Turm / Gondel führen die möglichen Ballastgewichte zwar zu einer Erhöhung der Vertikallasten, diese beanspruchen das Lager in der axial verspannten Richtung jedoch nur unwesentlich. Die von dem Lager aufzunehmenden Biegemomentbelastungen, die grundsätzlich die extremeren Belastungen an einem Lager darstellen, werden jedoch maßgeblich reduziert.

Besonders bei der Herstellung neuer Anlagen der größeren Leistungs-

0 klassen stellt sich der Vorteil ein, mehrere Generatoren der bewährten

kleineren Leistungsklassen an der Tragkonstruktion anzuordnen, die zum Beispiel regelbar über Windgeschwindigkeiten zu- oder abgeschaltet werden können. Dieses führt zu einer Vergrößerung des Arbeitsbereiches der Windenergieanlagen. Während das Anlaufen der Anlage schon bei geringen Windgeschwindigkeiten erfolgt, können extrem hohe Windgeschwindigkeiten durch Zuschalten einer entsprechend großen Anzahl von Generatoren aufgenommen werden. Die Montage gestaltet sich einfach. Auch erfolgt im Falle einer Reparatur der Austausch eines Generators grundsätzlich aus dem Inneren des Turmes heraus. Ein Außenkran ist nicht erforderlich. Dieses wird sich besonders an den Anlagen für den Offshore-Einsatz positiv auswirken. Durch die Reduzierung der statischen und dynamischen Belastungen werden somit besonders die ermüdungsbruchgefährdeten, vorgespannten Schraubverbindungen an Flanschstössen der Turmsegmente und an den Verbindüngen zum Fundament entlastet. Die aus dynamischen Lasten auftretenden Fundamentbelastungen werden an neuen Anlagen der größeren Leistungsklassen reduziert und führen insgesamt zu kleineren Fundamenten. Zudem werden durch Schwingungen hervorgerufene Schäden an Lagern, Getrieben und Rotorblättern minimiert.

Durch die Merkmale des Anspruchs 1 werden die Hauptkomponenten und weitere benötigte Systemkomponenten, die bei den bekannten Anlagen fast ausnahmslos in der Gondel angeordnet sind, in den Turm verlagert. Der sich dadurch in der Gondel ergebene freie Raum führt zu der erfindungsgemäßen Gestaltung gemäß der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2.

Danach erstreckt sich die Rotorwelle nahezu über die gesamte Länge der Gondel, die in beiden Bereichen ihrer Stirnseiten jeweils ein Lager aufweist. In diesen ist die Rotorwelle gelagert. Aufgrund der relativ großen

&iacgr;&ogr; Lagerabstände sind die Lagerkräfte unter Verwendung konventioneller

Wälzlager leicht zu beherrschen. Zusätzlich zu der luv- oder leeseitig angeordneten Rotornabe wird an dem gegenüberliegenden Ende der Rotorwelle die gleiche Rotornabe angeordnet, so dass die auf die Rotorblätter wirkenden Windkräfte gleichzeitig über die luv- und leeseitigen Rotornaben auf die Rotorwelle übertragen werden.

Bekannte Vor- und Nachteile einer luv- oder leeseitigen Rotornabenanordnung heben sich im großen und ganzen auf. Aufgrund der relativ geringen Drehzahl und dem relativ großen Aussendurchmesser der Rotorblätter beeinflussen die von den luvseitig angeordneten Rotorblättern erzeugten Luftverwirbelungen die Windanströmung der leeseitig angeordneten Rotorblätter nur unwesentlich. Die nahezu gleichmäßige Lasteinleitung in die Rotorwelle wirkt sich auf die Drehschwingungen positiv aus, da die Trägheitskräfte der beiden Rotornaben gleich groß sind. Dieses beeinflußt das Eigenschwingverhalten der Gondel und führt mit den Ausführungen des Unteranspruchs 3 entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 zu einer Verbesserung des dynamischen Gesamttragverhaltens der Windenergieanlagen.

Das kennzeichnende Merkmal des Unteranspruchs 4 bezieht sich auf eine zweiteilige Rotorwellenausführung. Diese könnte zum Beispiel zur Ausführung gelangen, wenn bereits fertiggestellte Rotorwellen mit angeschlossenener Rotornabe der bekannten Windenergieanlagen oder Komponenten aus älteren Anlagen durch paarweisen Einbau in neue Rotornaben gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.

Diese zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Windenergieanlage.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt den Kopf einer Windenergieanlage. Im oberen Bereich des im Ausführungsbeispiel zylindrisch dargestellten Turmes 1 ist ein Großwälzlager 2 angeordnet, an dem um die Turmlängsachse 3 drehbar eine Gondel 4 verspannt ist. An dieser ist eine in den Turm 1 hineinragende Tragkonstruktion 10 dreh- und verwindungssteif befestigt. Sie ist ebenfalls zylindrisch ausgeführt. Aufgrund der aufzunehmenden Torsionsbelastungen weist sie den günstigsten Querschnitt auf. An der Tragkonstruktion sind mehrere Generatoren 9 und 9' angeordnet.

&iacgr;&ogr; Die Gondel 4 weist an beiden Seiten im jeweiligen Bereich der Stirnseiten

je ein Lager 12 und 12' auf. In diesen ist drehbar um die Rotationsachse 8 die Rotorwelle 7 gelagert, an der zu beiden Seiten, luv- und leeseitig (die Windrichtung geht aus der Zeichnung nicht hervor) je eine Rotornabe 6 und 6' angeordnet ist. An beiden Rotornaben sind mehrere Rotorblätter 5 angeordnet, an denen Windkräfte gleichzeitig über die luv- und leeseitigen Rotornaben auf die Rotorwelle 7 wirken. In der Zeichnung sind die Rotorblätter jeweils nur als kleiner Teil, als Blattanschluss dargestellt. Die Kraftübertragung von der Rotorwelle zu den vertikal nach unten in Richtung des Fundamentes angeordneten Generatoren erfolgt über Getriebe und/oder Kraftübertragungselemente 11. Diese sind zum Beispiel umlaufende, über Zahnscheiben oder Zahnriemenscheiben geführte Zahnketten oder Zahnriemen. Sie sind übersichtshalber nur symbolisch dargestellt.

	Turm	»« ·· ···· »» .**
	Großwälzlager
	Turmlängsachse
	Gondel
Bezugsziffernliste:	Rotorblätter
1
2
3
4
5

6 Rotornabe (6 und 6')

7 Rotorwelle

8 Rotationsachse des Rotors &iacgr;&ogr; 9 Generator (9 und 9')

10 Tragkonstruktion

11 Getriebe und Kraftübertragungselemente in Form umlaufender, über Zahnscheiben / Zahnriemenscheiben geführte Zahnketten / Zahnriemen

12 Rotorwellenlager (12 und 12')

Claims

1. Windenergieanlage, mit einem im wesentlichen vertikalen Turm (1), der im oberen Bereich eine an einem Großwälzlager (2) verspannte und um die Turmlängsachse (3) drehbare Gondel (4) aufweist, mit einer luv- oder leeseitig angeordneten, mehrere Rotorblätter (5) tragende Rotornabe (6), an der Windkräfte zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie auf eine Rotorwelle (7) wirken, die in der Gondel (4) drehbar um eine Rotationsachse (8) gelagert ist und direkt oder indirekt einen Generator (9) zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gondel (4) eine in den Turm (1) hineinragende Tragkonstruktion (10) angeordnet ist, dass an dieser ein Generator (9) und weiter benötigte Systemkomponenten befestigt sind, dass der gemeinsame Massenschwerpunkt der Tragkonstruktion (10), des Generators (9) und der Systemkomponenten unterhalb des Großwälzlagers (2) im Turm (1) liegt und dass die Tragkonstruktion (10) zur Aufnahme und Weiterleitung der mechanischen Energie zum Generator (9) nahezu dreh- und verwindungssteif mit der Gondel (4) verbunden ist, wobei die Kraftübertragung von der Rotorwelle (7) zu dem Generator (9) über Getriebe und/oder Kraftübertragungselemente (11) erfolgt.

2. Windenergieanlage, mit einem im wesentlichen vertikalen Turm (1), der im oberen Bereich eine an einem Großwälzlager (2) verspannte und um die Turmlängsachse (3) drehbare Gondel (4) aufweist, mit einer luv- oder leeseitig angeordneten, mehrere Rotorblätter (5) tragende Rotornabe (6), an der Windkräfte zur Umwandlung der Strömungsenergie des Windes in mechanische Energie auf eine Rotorwelle (7) wirken, die in der Gondel (4) drehbar um eine Rotationsachse (8) gelagert ist und direkt oder indirekt einen Generator (9) zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (7) sich nahezu über die gesamte parallel zur Rotationsachse (8) verlaufende Länge der Gondel (4) erstreckt, dass diese im jeweiligen Bereich ihrer Stirnseiten je ein Lager (12 und 12') aufweist, dass in diesen die Rotorwelle (7) gelagert ist, dass an dieser zusätzlich zur luv- oder leeseitig angeordneten Rotornabe (6) an dem gegenüberliegenden Ende in der Verlängerung der Rotationsachse (8) eine weitere, mehrere Rotorblätter (5) tragende Rotornabe (6') angeordnet ist und dass die auf die Rotorblätter (5) wirkenden Windkräfte gleichzeitig über die luv- und leeseitigen Rotornaben (6 und 6') auf die Rotorwelle (7) übertragen werden.

3. Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gondel (4) eine in den Turm (1) hineinragende Tragkonstruktion (10) angeordnet ist, dass an dieser ein Generator (9) und weiter benötigte Systemkomponenten befestigt sind, dass der gemeinsame Massenschwerpunkt der Tragkonstruktion (10), des Generators (9) und der Systemkomponenten unterhalb des Großwälzlagers (2) im Turm (1) liegt und dass die Tragkonstruktion (10) zur Aufnahme und Weiterleitung der mechanischen Energie zum Generator (9) nahezu dreh- und verwindungssteif mit der Gondel (4) verbunden ist, wobei die Kraftübertragung von der Rotorwelle (7) zu dem Generator (9) über Getriebe und/oder Kraftübertragungselemente (11) erfolgt.

4. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (7) zweiteilig zur Ausführung gelangt.

5. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der ein- oder zweiteiligen Rotorwelle (7) mehrere Generatoren (9') über Getriebe und/oder Kraftübertragungselemente (11) angetrieben werden.