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Die Erfindung betrifft ein Windenergieanlagengetriebe mit einer ersten Ölfördereinrichtung, die Öl aus einem Ölsumpf fördert und über eine Ölverteilungseinrichtung an mit Öl zu versorgende Getriebeteile verteilt, sowie ein Verfahren zur Ölversorgung eines derartigen Windenergieanlagengetriebes.
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Windenergieanlagengetriebe sind im Betriebsstrang von Windenergieanlagen angeordnete Getriebe, die eine Drehbewegung eines vom Wind angetriebenen Rotors auf einen Generator übertragen. Sie weisen eine mit dem Rotor verbundene Antriebswelle und eine mit dem Generator verbundene Abtriebswelle auf. In der Regel wird der Generator, der die elektrische Energie erzeugt, mit einer höheren Drehzahl betrieben als der Rotor der Windenergieanlage. Wegen der hohen Übersetzungsverhältnisse ist in der Regel ein mehrstufiges Getriebe erforderlich.
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Häufig werden in den Getrieben Stirnradstufen und Planetenstufen zu einem zwei- oder dreistufigen Getriebe kombiniert.
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Um die hoch belasteten Getriebekomponenten stets ausreichend mit Schmiermittel zu versorgen, werden zumeist elektrisch angetriebene Ölpumpen verwendet, die Öl aus einem Ölsumpf fördern und mit Hilfe einer geeigneten Verteilungseinrichtung an die mit Schmiermittel zu versorgenden Komponenten verteilen. Bei dieser Form der Ölversorgung eines Windenergieanlagengetriebes ist elektrische Energie für den Betrieb der Ölpumpe erforderlich. Dies ist insbesondere bei abgeschalteten Windenergieanlagen von Nachteil, wenn keine elektrische Energie für den Betrieb der Ölpumpe zur Verfügung steht. Auch bei diesen Betriebszuständen, beispielsweise im sogenannten Trudelbetrieb, in dem die Windenergieanlage vom Netz getrennt ist und sich der Rotor frei im Wind drehen kann, ist eine Versorgung des Getriebes mit Schmiermittel notwendig.
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Als Alternative zu einer elektrisch angetriebenen Ölpumpe kommt eine direkt angetriebene Ölpumpe in Betracht. Direkt angetriebene Ölpumpen sind mechanisch mit einer Triebstrangkomponente gekoppelt und dadurch unabhängig von einer elektrischen Energieversorgung. Derartige direkt angetriebene Ölpumpen sind jedoch mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden und können den Wirkungsgrad der gesamten Windenergieanlage reduzieren.
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In dieser Situation schlägt die Offenlegungsschrift
DE 37 02 008 A1 eine Getriebeschmierung für Windenergieanlagen vor, bei der die Schmierung des Getriebes im Normalbetrieb von einer elektrisch angetriebenen Ölpumpe bewirkt wird. Kommt die Windenergieanlage bei geringen Windgeschwindigkeiten zum Stillstand, wird von einer Überwachungseinrichtung ein Ventil geöffnet, wodurch Öl aus einem Vorratsbehälter in das Getriebe geleitet wird. Infolge des zugeführten Öls erhöht sich der Ölstand im Getriebe, so daß die zu schmierenden Komponenten der Windenergieanlage durch eine Tauchschmierung mit Öl versorgt werden.
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Es ist daher für das Getriebe unschädlich, wenn die Ölpumpe zum Stillstand kommt.
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Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Windenergieanlagengetriebe und ein Verfahren zu dessen Ölversorgung zur Verfügung zu stellen, das eine verbesserte Ölversorgung aufweist bzw. ermöglicht und das mit geringeren Wirkungsgradverlusten behaftet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Windenergieanlagengetriebe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Windenergieanlagengetriebe hat eine erste Ölfördereinrichtung, die Öl aus einem Ölsumpf fördert und über eine Ölverteilungseinrichtung an mit Öl zu versorgende Getriebeteile verteilt, wobei das Getriebe mindestens eine Stirnradstufe mit zwei miteinander kämmenden Stirnzahnrädern aufweist, die mindestens teilweise derart in ein Gehäuse eingeschlossen sind, daß sie eine Zahnradpumpe als zweite Ölfördereinrichtung zur Ölversorgung des Getriebes bilden. Bevorzugt weisen die Stirnzahnräder eine Evolventenverzahnung auf.
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Die erste Ölfördereinrichtung kann eine Ölpumpe beliebiger Bauart sein, beispielsweise mit einem elektrischen Antrieb. Bei dem Öl kann es sich um einen beliebigen Schmierstoff handeln, beispielsweise um pflanzliches, mineralisches, teil- oder vollsynthetisches Öl. Der Ölsumpf ist ein beliebiger Ölvorrat, der mit der ersten Ölfördereinrichtung in Verbindung steht. Beispielsweise kann es sich um eine Ölwanne handeln, die in einem unteren Bereich des Windenergieanlagengetriebes angeordnet ist und in der sich aus dem Getriebe zurücklaufendes Öl ansammelt. Die beiden miteinander kämmenden Stirnzahnräder bilden eine Stirnradstufe des Getriebes. Diese können die einzige Getriebestufe bilden oder mit einer beliebigen Anzahl weiterer Getriebestufen, z. B. weiterer Stirnrad- oder Planetenstufen, kombiniert sein.
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Zahnradpumpen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese können als Außenzahnradpumpen mit Evolventenverzahnung ausgeführt sein. Die beiden Stirnzahnräder werden von einem geeigneten Gehäuse in mindestens einem Abschnitt relativ eng umschlossen. Das fördernde Medium wird in den Räumen zwischen Zähnen und Gehäuse transportiert und aus der Zahnradpumpe heraus gefördert. Gleichzeitig strömt in einem anderen Bereich der Zahnradpumpe eine entsprechende Menge des zu fördernden Mediums in die Zahnradpumpe ein. Bei der Erfindung wird die Zahnradpumpe dadurch in das Windenergieanlagengetriebe integriert, daß zwei Stirnzahnräder einer Stirnradstufe mindestens teilweise in ein Gehäuse eingeschlossen werden. Das Gehäuse kann ein Teil des Getriebegehäuses sein oder eine separate Einheit bilden, die im Bereich der Stirnzahnräder angeordnet ist. Das Gehäuse kann die Stirnzahnräder mehr oder weniger vollständig umschließen, wie es von gewöhnlichen Zahnradpumpen bekannt ist.
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Alternativ kann das Gehäuse nur einen Teil der ineinander greifenden Stirnzahnräder umschließen, wie es beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 87 14 166 U1 bekannt ist. In dieser Ausführung wird das Gehäuse von einem Einkapselungsorgan gebildet, das einen Teil beider seitlichen Flächen beider Stirnzahnräder umschließt. Weitere, zylindermantelsegmentförmige Flächen des Einkapselungsorgans verlaufen dicht entlang der von den sich bewegenden Zahnaußenkanten beschriebenen Flächen. In einer den kämmenden Zähnen der beiden Stirnzahnräder zugewandten Fläche weist das Einkapselungsorgan zudem eine Leitung auf, durch die das verdrängte Medium hinausgefördert wird.
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Die Verzahnung der miteinander kämmenden Stirnzahnräder kann gerade, d. h. achsparallel, oder im Falle einer Schrägverzahnung schräg verlaufen.
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Bei der Erfindung dient die von den Stirnzahnrädern mit Gehäuse gebildete Zahnradpumpe als zweite Ölfördereinrichtung zur Ölversorgung des Getriebes. Dadurch wird erreicht, daß das Windenergieanlagengetriebe eine zweite Ölfördereinrichtung aufweist, die zur Ölversorgung des Getriebes beiträgt. Die Zahnradpumpe kann die Ölversorgung ergänzen oder insbesondere die Ölversorgung des Getriebes übernehmen, wenn die erste Ölfördereinrichtung nicht aktiv ist. Dadurch kann eine ausreichende Ölversorgung des Getriebes auch dann sichergestellt werden, wenn die erste Ölfördereinrichtung abgeschaltet ist. Die Zahnradpumpe arbeitet dabei mit einem höheren Wirkungsgrad als die aus dem Stand der Technik bekannte Tauchschmierung. Insbesondere verringern sich die Planschverluste. Zudem kann sie mit geringem konstruktiven Aufwand in ein Getriebe integriert werden.
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Im Gegensatz zu der bekannten Tauchschmierung bildet die Zahnradpumpe eine vollwertige zweite Ölfördereinrichtung, die eine gezielte Förderung und Verteilung des Öls ermöglicht. Dadurch wird die Ölversorgung verbessert und ein abermals verbesserter Wirkungsgrad erzielt. Weiterhin kann die Lebensdauer des Windenergieanlagengetriebes verlängert werden.
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In einer Ausgestaltung ist eine Druckseite der Zahnradpumpe mit der Ölverteilungseinrichtung über ein Ventil verbindbar. Somit kann die Ölverteilungseinrichtung, die der ersten Ölfördereinrichtung zugeordnet ist, auch für die Verteilung des von der Zahnradpumpe geförderten Öls eingesetzt werden. Es wird auf einfache Weise eine optimale Verteilung des von der Zahnradpumpe geförderten Öls erreicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Saugseite der Zahnradpumpe mit einer Saugleitung verbunden, die oberhalb eines Bodens des Ölsumpfs endet und in Abhängigkeit vom Füllstand des Ölsumpfs in das Öl eintaucht oder oberhalb des Öls endet. Diese Anordnung erlaubt zunächst eine Förderung des Öls aus dem Ölsumpf, aus dem auch die erste Ölfördereinrichtung versorgt wird. Zudem wird durch das füllstandsabhängige Eintauchen der Saugleitung in den Ölsumpf erreicht, daß die Zahnradpumpe bei einem ersten Füllstand des Ölsumpfs, bei dem die Saugleitung nicht in das Öl eintaucht, kein Öl fördert. Dieser erste Füllstand kann dem normalen Betrieb des Windenergieanlagengetriebes entsprechen, bei dem die erste Ölfördereinrichtung die Ölversorgung des Getriebes sicherstellt. Bei einem zweiten, höheren Füllstand des Ölsumpfs taucht die Saugleitung hingegen in den Ölsumpf ein und die Zahnradpumpe nimmt infolgedessen automatisch ihren Förderbetrieb auf. In diesem Sinne wird die Zahnradpumpe ab einem bestimmten Füllstand des Ölsumpfs automatisch zugeschaltet. Solange die Zahnradpumpe infolge eines relativ niedrigen Füllstands kein Öl fördert, verursacht sie auch keine Verluste. Steigt hingegen der Füllstand, beispielsweise wenn die erste Ölfördereinrichtung infolge einer Störung keine ausreichende Ölmenge aus dem Ölsumpf mehr fördern kann, übernimmt die Zahnradpumpe automatisch die Ölversorgung des Getriebes.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Ölmenge in dem Getriebe so bemessen, daß die Saugleitung unterhalb einer ersten, bestimmten Drehzahl des Getriebes in den Ölsumpf eintaucht und oberhalb einer zweiten, bestimmten Drehzahl des Getriebes nicht in den Ölsumpf eintaucht. Der Förderbetrieb der Zahnradpumpe erfolgt somit in Abhängigkeit von der Drehzahl des Getriebes. Unterhalb einer ersten, bestimmten Drehzahl taucht die Saugleitung sicher in den Ölsumpf ein und die Zahnradpumpe ist im Förderbetrieb. Oberhalb der zweiten, bestimmten Drehzahl kann die Zahnradpumpe kein weiteres Öl ansaugen und stellt ihren Förderbetrieb somit ein. Die erste und die zweite bestimmte Drehzahl können unterschiedlich oder gleich sein. Bevorzugt wird die Ölmenge so gewählt, daß die erste, bestimmte Drehzahl eine sichere Drehzahluntergrenze bildet, unterhalb der die Saugleitung unabhängig von der weiteren Ölverteilung in dem Getriebe sicher in den Ölsumpf eintaucht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Steuerung vorhanden, die die erste Ölfördereinrichtung steuert. Insbesondere kann die Fördermenge der ersten Ölfördereinrichtung dem bei einem gegebenen Betriebszustand vorliegenden Bedarf angepaßt werden. Ebenfalls möglich ist, die erste Ölfördereinrichtung komplett abzuschalten, wenn sie nicht benötigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung schaltet die Steuerung die erste Ölfördereinrichtung ab, wenn die Zahnradpumpe ausreichend Öl zur Versorgung des Getriebes fördert. Das Abschalten der in diesem Fall nicht benötigten ersten Ölfördereinrichtung ist besonders energiesparend.
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In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Steuerung bzw. Abschaltung der ersten Ölfördereinrichtung in Abhängigkeit einer Drehzahl des Getriebes. Diese Maßnahme dient der Anpassung der Fördermenge der ersten Ölfördereinrichtung an den Bedarf.
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In einer Ausgestaltung erfolgt das Abschalten der ersten Ölfördereinrichtung bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl. Die bestimmte Drehzahl kann bevorzugt auf die erste, bestimmte Drehzahl abgestimmt werden, unterhalb der die Saugleitung der Zahnradpumpe in den Ölsumpf eintaucht. In diesem Fall ist die Ölversorgung des Getriebes bei Unterschreiten dieser Drehzahl durch die Zahnradpumpe sichergestellt und die erste Ölfördereinrichtung wird abgeschaltet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in der Druckleitung der Zahnradpumpe ein mit der Steuerung verbundener Sensor angeordnet, der den Öldruck und/oder die Durchflußmenge erfaßt. Auf diese Weise kann die Funktion der Zahnradpumpe von der Steuerung überwacht und insbesondere zur Steuerung der ersten Ölfördereinrichtung ausgewertet werden.
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Die obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ölversorgung eines Windenergieanlagengetriebes, wobei das Windenergieanlagengetriebe eine erste Ölfördereinrichtung aufweist, die Öl aus einem Ölsumpf fördert und über eine Ölverteilungseinrichtung an mit Öl zu versorgende Getriebeteile verteilt, wobei das Getriebe mindestens zwei miteinander kämmende Stirnzahnräder aufweist, die mindestens teilweise derart in ein Gehäuse eingeschlossen sind, daß sie eine Zahnradpumpe bilden, wobei in einem Betriebsmodus die Zahnradpumpe als zweite Ölfördereinrichtung Öl zur Ölversorgung des Getriebes fördert. Die Stirnzahnräder können eine Evolventenverzahnung aufweisen.
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Der Betriebsmodus kann ein Trudelbetrieb der Windenergieanlage sein, in dem die Windenergieanlage keine elektrische Energie zur Verfügung stellt und die erste Ölfördereinrichtung abgeschaltet ist. Der Betriebsmodus kann auch einen anderen Betriebszustand des Windenergieanlagengetriebes betreffen, in dem die erste Ölfördereinrichtung für die Ölversorgung des Getriebes nicht ausreicht.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zahnradpumpe in dem Betriebsmodus automatisch zugeschaltet. Somit wird die Förderleistung der ersten Ölfördereinrichtung automatisch durch die Zahnradpumpe ergänzt oder ersetzt. Bevorzugt wird die automatische Zuschaltung der Zahnradpumpe dadurch erreicht, daß die Zahnradpumpe das Öl über eine Saugleitung fördert, die in dem Betriebsmodus in das Öl des Ölsumpfs eintaucht, wie in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Windenergieanlagengetriebes in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung.
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Das dargestellte Windenergieanlagengetriebe weist eine Stirnradstufe mit zwei miteinander kämmenden Stirnzahnrädern 10, 12 mit Evolventenverzahnung auf. Die Stirnzahnräder 10, 12 sind von einem Gehäuse 14 eingeschlossen, das die beiden Stirnzahnräder 10, 12 relativ eng umschließt. Beim Betrieb des Getriebes in der durch die Pfeile angedeuteten Drehrichtung wird das zu fördernde Medium in den Räumen zwischen Zähnen und Gehäuse 14 transportiert. Der Raum 18 zwischen den Stirnzahnrädern 10, 12 wird durch die Berührung der Zahnflanken der Evolventenverzahnung verschlossen. Das verdrängte Medium kann nur durch die an der Druckseite der Zahnradpumpe (50) angeordnete Druckleitung 20 entweichen. Gleichzeitig wird durch die Saugleitung 22 eine entsprechende Ölmenge aus dem Ölsumpf 24 angesaugt. Beim eingezeichneten Füllstand 26 des Ölsumpfs 24 taucht das Ende 28 der Saugleitung 22 sicher in das Öl ein.
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Das von der Zahnradpumpe 50 geförderte Öl gelangt durch die Druckleitung 20 zur Ölverteilungseinrichtung 30, die das Öl, wie durch den Pfeil 32 angedeutet, zu allen zu schmierenden Komponenten des Getriebes weiterleitet. Alternativ kann über die Ölverteilungseinrichtung 30 auch eine Ölversorgung des Getriebes mit Hilfe der elektrisch angetriebenen Ölfördereinrichtung 34 erfolgen. Diese Ölfördereinrichtung 34, z. B. eine Ölpumpe, ist über eine Leitung 36 mit einem unteren Bereich des Ölsumpfs 24 verbunden und fördert das dort angesaugte Öl über eine weitere Leitung 38 zu der Ölverteilungseinrichtung 30.
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Die Ölfördereinrichtung 34 wird von einer Steuerung 40 gesteuert, welche die Ölfördereinrichtung ein- und ausschalten sowie die Fördermenge nach Bedarf regulieren kann. Die Steuerung ist über eine Signalleitung 42 mit einem Sensor 44 verbunden, der in der Druckleitung 20 angeordnet ist und den Öldruck bzw. die Durchflußmenge in der Druckleitung 20 erfaßt. Über einen Eingang 46 erhält die Steuerung Daten über eine Drehzahl des Getriebes.
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Im Normalbetrieb, in dem die Windenergieanlage mit dem Netz verbunden ist und Energie einspeist, wird die Ölförderung ausschließlich von der Ölfördereinrichtung 34 übernommen. Durch diese Ölförderung und die mit diesem Betrieb einhergehenden, relativ hohen Drehzahlen des Getriebes ist eine relativ große Ölmenge in dem Getriebe verteilt. Der Ölstand in dem Ölsumpf 24 sinkt daher auf ein bei 48 angedeutetes, relativ niedriges Niveau ab. Bei diesem Füllstand 48 des Ölsumpfs 24 befindet sich das Ende 28 der Saugleitung 22 der Zahnradpumpe 50 oberhalb des Ölspiegels. Die Zahnradpumpe 50 fördert somit kein Öl und ist im wesentlichen mit Luft gefüllt. Sie erzeugt daher keine nennenswerten Verluste.
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Bei geringeren Drehzahlen, insbesondere im Trudelbetrieb, in dem die Windenergieanlage vom Netz getrennt ist bzw. keine elektrische Energie zur Verfügung stellt, schaltet die Steuerung 40 die elektrische Ölfördereinrichtung 34 ab. Bei den niedrigen Drehzahlen des Getriebes steigt der Ölstand in dem Ölsumpf 24 auf das bei 26 gezeigte Niveau an. Das Ende 28 der Saugleitung 22 taucht somit in den Ölvorrat ein und die Zahnradpumpe 50 nimmt ihren Förderbetrieb auf. Es kommt somit auch bei abgeschalteter Ölfördereinrichtung 34 zu einer wirksamen und sicheren Ölversorgung des Getriebes über die Zahnradpumpe 50 und die Ölverteilungseinrichtung 30.