DE29706980U1 - Gondola of a wind turbine - Google Patents

Description

Translated fromGerman

• ··

Anmelder: Kassel, den 15. April 1997 rw/stApplicant: Kassel, 15 April 1997 rw/st

Walter SCHULTE Anwaltsakte 17151Walter SCHULTE Attorney File 17151

Eikenberg Nr. 46
D-37688 BeverungenEikenberg No. 46
D-37688 Beverungen

Vertreter:
Patentanwälte
Walther · Walther & Hinz
Heimradstraße 2
D-34130KasselRepresentative:
Patent attorneys
Walther · Walther & Hinz
Heimradstrasse 2
D-34130 Kassel

Gondel einer WindkraftanlageNacelle of a wind turbine

Die Erfindung betrifft eine Gondel einer Windkraftanlage, umfassend einenan einem Ende der Gondel angeordneten Rotor und einen mit dem Rotor kuppelbaren Generator.The invention relates to a nacelle of a wind turbine, comprising arotor arranged at one end of the nacelle and a generator that can be coupled to the rotor.

Windkraftanlagen der eingangs genannten Art sind hinreichend bekannt;hierbei ist die den Rotor und den Generator aufweisende Gondel auf einem Mast oder Turm angeordnet. Üblich hierbei ist der Einsatz von dreiblättrigenRotoren, da diese einen relativ gleichmäßigen Lauf gewährleisten. Es hat sich nun jedoch gezeigt, daß insbesondere bei Anlagen im Megawattbereich- tatsächlich werden Anlagen bis zu 1,5 MW serienmäßig hergestellt - ein Rotordurchmesser von über 60 m üblich ist. Derartige Rotoren weisen einsehr hohes Eigengewicht auf, was eine immens hohe Lagerbeiastung derLager am Generator bedingt. Darüber hinaus ergibt sich auf Grund des hohes Gewichtes des Rotors und des Abstandes des Rotors vomMittelpunkt des Turmes, auf dem die Gondel drehbar gelagert ist, ein erhebliches Moment auf den Turm, was sich unmittelbar in derDimensionierung des Turmes und damit in den Kosten insgesamtWind turbines of the type mentioned above are well known; the nacelle containing the rotor and generator is arranged on a mast or tower. Three-bladed rotors are usually used here, as these ensure relatively even running. However, it has now been shown that, particularly for systems in the megawatt range - systems up to 1.5 MW are actually manufactured in series - a rotor diameter of over 60 m is common. Such rotors have a very high dead weight, which means that the bearings on the generator are subject to an immensely high load. In addition, the high weight of the rotor and the distance of the rotor from the center of the tower on which the nacelle is rotatably mounted result in a considerable moment on the tower, which has a direct impact on the dimensioning of the tower and thus on the overall costs.

2
niederschlägt.2
knocks down.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gondel einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der dieauftretenden Kräfte - und hier insbesondere die auf die Lager wirkenden Kräfte - und gegebenfalls auch die einzelnen Bauteile der Windkraftanlage,wie z. B. der Turm, in ihren Abmessungen minimiert werden können.The invention is therefore based on the object of creating a nacelle of a wind turbine of the type mentioned at the beginning, in which the occurring forces - and here in particular the forces acting on the bearings - and possibly also the individual components of the wind turbine, such as the tower, can be minimized in their dimensions.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gondel einenzweiten Rotor aufweist, der am anderen, entgegengesetzten Ende der Gondel anbringbar ist, wobei dieser zweite Rotor mit dem Generatorkuppelbar ist. Durch eine derartige Tandemanordnung zweier Rotoren an einer Gondel hat sich gezeigt, daß hiermit eine erhöhte Laufruheverwirklicht werden kann. Ein schnellerer und weicherer Anlauf der Rotoren wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß die Rotoren jeweils nur zweiBlätter aufweisen. Gleichwohl ist die Windausbeute größer ais bei einemeinzelnen, an einer Gondel angeordneten, dreiblättrigen Rotor. Natürlich müssen die Rotorblätter der beiden Rotoren hierbei die gleiche Anstellungzum Wind aufweisen. Wesentlich ist auch, daß durch die Tandemanordnung der Rotoren die Kräfte, insbesondere in Verbindung mitder Verwendung von Zwei-Blatt-Rotoren, auf die im Bereich des Generators angeordneten Lager für die Rotoren vermindert werden können. DieBegründung hierfür ist im einzelnen darin zu finden, daß das Gewicht der einzelnen Rotoren geringer ist ais das Gewicht eines dreiblättrigen Rotors,obwohl die Leistungsausbeute durch den Einsatz von zwei Rotoren mit jeweils zwei Blättern - es stehen also insgesamt vier Blätter im Wind größerist, als bei einem einzelnen dreiblättrigen Rotor. Darüber hinaus ist auch die Krafteinwirkung auf den Turm insofern günstiger, als sich dieMomente der beiden Rotoren in Bezug auf die den Turm angreifenden Kräfte im wesentlichen ausgleichen. Insbesondere durch die Verminderungder Lagerkräfte und durch die geringere Beanspruchung des Turmes können nicht unerhebliche Fertigungskosten eingespart werden.The object is achieved according to the invention in that the nacelle has a second rotor that can be attached to the other, opposite end of the nacelle, whereby this second rotor can be coupled to the generator. It has been shown that such a tandem arrangement of two rotors on a nacelle can achieve increased smoothness. A faster and smoother start-up of the rotors is made possible in particular by the fact that the rotors each have only two blades. Nevertheless, the wind yield is greater than with a single three-bladed rotor arranged on a nacelle. Of course, the rotor blades of the two rotors must have the same angle to the wind. It is also important that the tandem arrangement of the rotors can reduce the forces on the bearings for the rotors arranged in the area of the generator, particularly in connection with the use of two-blade rotors. The reason for this is that the weight of the individual rotors is less than that of a three-bladed rotor, although the power output is greater when using two rotors with two blades each - so there are four blades in the wind in total - than with a single three-bladed rotor. In addition, the force applied to the tower is more favourable in that the moments of the two rotors in relation to the forces acting on the tower essentially balance each other out. Significant manufacturing costs can be saved, particularly by reducing the bearing forces and by reducing the load on the tower.

IlThe

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die beidenRotoren derart an der Gondel angebracht sind, daß die Rotorblätter der beiden Rotoren um 90 Grad versetzt zueinander stehen, da hierdurch, wiebereits eingangs ausgeführt, ein wesentlich schnellerer und auch weicherer Anlauf ermöglicht wird. Darüber hinaus sind auch die Windverlustegeringer, ais wenn die Blätter der Rotoren einander abdeckend, hintereinander an der Gondel angeordnet wären.It has proven to be particularly advantageous if the two rotors are attached to the nacelle in such a way that the rotor blades of the two rotors are offset from each other by 90 degrees, as this enables a much faster and smoother start-up, as already mentioned at the beginning. In addition, the wind losses are also lower than if the blades of the rotors were arranged one behind the other on the nacelle, covering each other.

Vorteilhaft sind die Blätter der Rotoren verstellbar, um bei starkem Windden Winddruck von den Rotoren zu nehmen, um einer Zerstörung der Rotorblätter vorzubeugen. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindungist vorgesehen, daß die Rotoren Blätter unterschiedlicher Größe aufweisen, wobei hierdurch erreichbar ist, daß dann, wenn die Blätter des hinterenRotors, d. h., des Rotors, der auf der windabgewandten Seite an der Gondel angeordnet ist, größer sind als die des vorderen Rotors, daß sichdann die Gondel von selbst in den Wind dreht. Der gleiche Effekt kann natürlich auch dadurch erreicht werden, daß die Blätter des hinteren Rotorsim Gegensatz zu den Blättern des vorderen Rotors dem Wind eine größere Angriffsfläche bieten.The blades of the rotors are advantageously adjustable in order to take the wind pressure off the rotors in strong winds in order to prevent the rotor blades from being destroyed. According to a special feature of the invention, the rotors have blades of different sizes, whereby it can be achieved that if the blades of the rear rotor, i.e. the rotor that is arranged on the side of the nacelle facing away from the wind, are larger than those of the front rotor, then the nacelle turns into the wind by itself. The same effect can of course also be achieved if the blades of the rear rotor, in contrast to the blades of the front rotor, offer the wind a larger surface area to attack.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß dieGondel mehrere in Reihe angeordnete Generatoren aufweist. Die konstruktive Ausgestaltung kann hierbei in der Weise vorgenommen sein,daß die Generatoren derart mit dem bzw. den Rotoren kuppelbar sind, daß zu dem bereits laufenden Generator jeweils ein weiterer Generatorzuschaltbar ist. Im einzelnen wird hierbei dergestalt vorgegangen, daß beischwachem Wind vorteilhaft nur ein Generator mit den beiden Rotoren gekuppelt ist. Steigt die Windgeschwindigkeit, kann ein weiterer Generatorund gegebenenfalls ein dritter Generator zugeschaltet werden. Um eineunabhängige Zuschaltung einzelner Generatoren zu ermöglichen, sind die beiden Rotoren durch eine Hauptwelle verbindbar, wobei die weiteren inReihe zu dem ersten Generator geschalteten Generatoren HohlwellenAccording to a special feature of the invention, it is provided that the nacelle has several generators arranged in series. The structural design can be such that the generators can be coupled to the rotor or rotors in such a way that a further generator can be connected to the generator already running. In detail, this is done in such a way that in light winds only one generator is advantageously coupled to the two rotors. If the wind speed increases, a further generator and possibly a third generator can be connected. In order to enable individual generators to be connected independently, the two rotors can be connected by a main shaft, with the other generators connected in series to the first generator having hollow shafts.

aufweisen, die über Kupplungen mit der Hauptwelle kuppelbar sind. Hierbeiist die Hauptwelle im Bereich des Generators, der immer ? antreibbar ist, mit diesem Generator durch eine Kupplung kuppelbar. Die Kupplung isthierbei vorteilhaft nach dem Generator an der Hauptwelle angeordnet, der dauerhaft antreibbar ist. Um Biegemomente, die bei einer derart langenHauptwelle zwangsläufig auftreten, nicht auf die Läufer der Generatoren zu übertragen, ist die Hauptwelle kardanisch gelagert.which can be coupled to the main shaft via couplings. In this case, the main shaft in the area of the generator, which can always be driven, can be coupled to this generator via a coupling. The coupling is advantageously arranged after the generator on the main shaft, which can be driven permanently. In order not to transfer bending moments, which inevitably occur with such a long main shaft, to the rotors of the generators, the main shaft is mounted on a cardanic bearing.

Als Generatoren bieten sich insbesondere permanent erregte Vieipolgeneratoren für einen getriebelosen Antrieb an, da diese Generatorenbereits bei geringen Drehzahlen elektrische Energie liefern. Derartige Motoren haben den weiteren Vorteil, daß das Gewicht geringer ist, als beifremderregten Motoren. Hinzu kommt noch, wie bereits oben ausgeführt, daß derartige permanent erregte Vieipolgeneratoren ohne Getriebeauskommen. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Gondel mit einem Elekromotor versehen sein, der ein Nachführen der Gondel nicht nur beidrehendem Wind bewirkt, sondern auch die Möglichkeit eröffnet, die Gondel so zum Wind zu steilen, daß die Rotorblätter nicht mehr vom Windangetrieben werden. Hiermit wird der gleiche Effekt erzeugt als wenn die Rotorblätter entsprechend verstellt werden, wobei jedoch das Drehen derGondel mittels eines Elektromotors wesentlich einfacher ist als die Verstellung der einzelnen Rotorblätter. Vorgesehen ist ebenfalls, mittelsBremsanlagen die Rotoren bei zu starkem Wind oder bei Wartungsarbeiten stillzusetzen. Einsetzbar sind hierbei beispielsweise elektromagnetischbeaufschlagte Scheibenbremsen; möglich sind aber auch elektrohydraulisch^ Bremsanlagen, wobei durch einen Elektromotor inVerbindung mit einem Getriebe die Bremsbacken auf die Scheibe einer Scheibenbremse zugeführt werden, wobei die Scheibe auf der Rotorwelleangeordnet ist. Bei einer im Bereich des einen dauernd angetriebenen Generators angebrachten Kupplung sind insofern zwei Bremsanlagenvorgesehen, als bei ausgerückter Kupplung, aus welchen Gründen auch immer, jeder Rotor abbremsbar sein muß. Das heißt, es ist jeweils einePermanently excited four-pole generators are particularly suitable as generators for a gearless drive, since these generators supply electrical energy even at low speeds. Such motors have the further advantage that they are lighter than externally excited motors. In addition, as already explained above, such permanently excited four-pole generators do not require a gear. Furthermore, the nacelle according to the invention can be equipped with an electric motor, which not only causes the nacelle to track when the wind is changing, but also offers the possibility of tilting the nacelle towards the wind so that the rotor blades are no longer driven by the wind. This produces the same effect as if the rotor blades were adjusted accordingly, although turning the nacelle using an electric motor is much easier than adjusting the individual rotor blades. It is also intended to use braking systems to stop the rotors if the wind is too strong or during maintenance work. Electromagnetically actuated disc brakes can be used for example; Electrohydraulic braking systems are also possible, whereby an electric motor in conjunction with a gear unit feeds the brake shoes onto the disk of a disk brake, whereby the disk is arranged on the rotor shaft. With a clutch installed in the area of a continuously driven generator, two braking systems are provided, since when the clutch is disengaged, for whatever reason, each rotor must be able to be braked. This means that one

Bremsanlage an jedem Ende der Hauptwelle angeordnet, um jeden Rotoreinzeln stillsetzen zu können.Braking system arranged at each end of the main shaft to allow each rotor to be stopped individually.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft nähererläutert.The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawings.

Figur 1 zeigt die Gondel in einer Seitenansicht;Figure 1 shows the gondola in a side view;

Figur 2 zeigt eine Ansicht von vorne.Figure 2 shows a front view.

Gemäß den Figuren 1 und 2 lagert die insgesamt mit 1 bezeichnete Gondelauf dem Turm 10. Die Verbindung des Turmes 10 mit der Gondel 1 erfolgthierbei durch einen Drehkranz 20, der mittels eines Ritzel mit einemElektromotors 21 in Verbindung steht, wobei der Motor 21 dazu dient, die Gondel relativ zum Turm zu verdrehen. Das heißt mit Hilfe des Motors 21 inVerbindung mit dem Drehkranz des Turmes 10 wird die Möglichkeit eröffnet, wie dies eigentlich bekannt ist, bei drehenden Winden die Gondeldem Wind nachzuführen bzw. wenn der Wind zu stark ist, die Gondel aus dem Wind zu drehen, so daß die Rotorblätter nicht mehr mit der Windkraftbeaufschlagt sind.According to Figures 1 and 2, the nacelle, designated as 1, rests on the tower 10. The tower 10 is connected to the nacelle 1 by a slewing ring 20, which is connected to an electric motor 21 by means of a pinion, whereby the motor 21 serves to rotate the nacelle relative to the tower. This means that with the help of the motor 21 in conjunction with the slewing ring of the tower 10, it is possible, as is actually known, to guide the nacelle to the wind when the wind is rotating or, if the wind is too strong, to rotate the nacelle out of the wind so that the rotor blades are no longer exposed to the wind force.

Die Gondel 1 umfaßt ein Gehäuse 2, wobei das Gehäuse 2 endseitig jeweilsein Rotorpaar 30, 40 zeigt, wobei die beiden Rotorpaare derart an der Gondel angeordnet sind, daß die Rotorblätter 31, 32; 41, 42 jeweils um90 ° versetzt zueinander stehen (Figur 2). In dem Gehäuse 2 der Gondel 1sind weiterhin drei Generatoren 50, 60 und 70 vorgesehen, die in Reihe geschaltet sind. Die beiden Rotoren 30, 40 sind durch eine Wellemiteinander kuppelbar, wobei diese Welle, auch als Hauptwelle 80 bezeichnet, im wesentlichen konstant mit dem Generator 50 gekuppelt ist.Allerdings ist die Hauptweile 80 durch die Kupplung 51 teilbar, so daßdurch die beiden Bremsen 100 bzw. 110 jeder Rotor 30 bzw. 40 gesondertfeststeilbar ist. Die Bremsen 100 bzw. 110 zeigen jeweils einenElektromotor 101 bzw. 111 mit einem Spindelantrieb, wobei durch denThe nacelle 1 comprises a housing 2, whereby the housing 2 has a pair of rotors 30, 40 at each end, whereby the two pairs of rotors are arranged on the nacelle in such a way that the rotor blades 31, 32; 41, 42 are each offset by 90° to one another (Figure 2). In the housing 2 of the nacelle 1, there are also three generators 50, 60 and 70, which are connected in series. The two rotors 30, 40 can be coupled to one another by a shaft, whereby this shaft, also referred to as the main shaft 80, is essentially constantly coupled to the generator 50. However, the main shaft 80 can be divided by the coupling 51, so that each rotor 30 or 40 can be separately fixed by the two brakes 100 or 110. The brakes 100 and 110 each show anelectric motor 101 and 111 with a spindle drive, whereby the

6
Spindelantrieb Bremsbacken auf die Bremsscheiben zubewegt werden.6
Spindle drive brake shoes are moved towards the brake discs.

Bei steigendem Wind werden dann die Generatoren 60 und 70 über dieKupplungen 61 und 71 zugeschaltet. Konstruktiv ist hierbei im einzelnen vorgesehen, daß im Bereich der Generatoren 60 und 70 die Läufer derGeneratoren mit einer Hohlwelle 63, 73 gekoppelt sind, die einen Innendurchmesser aufweist, der derart bemessen ist, daß die Hauptwelle80 durch diese Hohlweilen 63, 73 hindurchgeführt werden kann. Die Hohlwellen sind jeweils an einem Ende mit der einen Kupplungshälfte derKupplung 61 bzw. 71 verbunden sind, und mit der anderen Kupplungshälfte der Kupplung 61 bzw. 71, die an der Hauptwelle 80 befestigt sind,kuppelbar.When the wind increases, the generators 60 and 70 are then switched on via the couplings 61 and 71. In terms of design, it is specifically provided that in the area of the generators 60 and 70 the rotors of the generators are coupled to a hollow shaft 63, 73, which has an inner diameter that is dimensioned such that the main shaft 80 can be guided through these hollow shafts 63, 73. The hollow shafts are each connected at one end to one coupling half of the coupling 61 or 71, and can be coupled to the other coupling half of the coupling 61 or 71, which are attached to the main shaft 80.

Claims (12)

Translated fromGerman

AnsprücheExpectations1. Gondel einer Windkraftanlage, umfassend einen an einem Ende derGondel (1) angeordneten Rotor (40) und einen mit dem Rotor (40)kuppelbaren Generator (50), dadurch gekennzeichnet, daßdie Gondel {1} eine zweiten Rotor (30) aufweist, der am anderen,entgegengesetzten Ende der Gondel (1) anbringbar ist, wobei dieserzweite Rotor (30) mit dem Generator (50) kuppelbar ist.1. Nacelle of a wind turbine, comprising a rotor (40) arranged at one end of the nacelle (1) and a generator (50) that can be coupled to the rotor (40), characterized in that the nacelle {1} has a second rotor (30) that can be attached to the other, opposite end of the nacelle (1), this second rotor (30) being able to be coupled to the generator (50).2. Gondel nach Anspruch 1,2. Gondola according to claim 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (30, 40) als Zweiblattrotoren ausgebildet ist.characterized in that the rotors (30, 40) are designed as two-blade rotors.3. Gondel nach Anspruch 1,3. Gondola according to claim 1,dadurch gekennzeichnet, daßdie Rotorblätter (31, 32; 41, 42) der beiden Rotoren (30, 40) die gleiche Anstellung zum Wind aufweisen.characterized in thatthe rotor blades (31, 32; 41, 42) of the two rotors (30, 40) have the same angle to the wind.4. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie beiden Rotoren (30, 40) derart an der Gondel (1) anbringbar sind,daß die Rotorblätter (31, 32; 41, 42) der beiden Rotoren (30, 40) um90 Grad versetzt zueinander stehen.4. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe two rotors (30, 40) can be attached to the nacelle (1) in such a way that the rotor blades (31, 32; 41, 42) of the two rotors (30, 40) are offset from one another by90 degrees.5. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie Blätter (31, 32; 41, 42) der Rotoren (30, 40) verstellbar sind.5. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe blades (31, 32; 41, 42) of the rotors (30, 40) are adjustable.6. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie Blätter (31, 32; 41, 42) der Rotoren (30, 40) eine unterschiedliche Größe aufweisen.6. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe blades (31, 32; 41, 42) of the rotors (30, 40) have a different size.7. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie Gondel (1) mehrere in Reihe angeordnete Generatoren (50, 60, 70) aufweist.7. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe nacelle (1) has several generators (50, 60, 70) arranged in series.8. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie Generatoren (60, 70) derart mit dem bzw. den Rotoren (30, 40) kuppelbar sind, daß zu dem bereits laufenden Generator (50) jeweilsein weiterer Generator (60, 70) zuschaltbar ist.8. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe generators (60, 70) can be coupled to the rotor or rotors (30, 40) in such a way that a further generator (60, 70) can be connected to the generator (50) already running.9. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie beiden Rotoren (30, 40) durch eine Hauptwelle (80) verbindbar sind, wobei weitere in Reihe zu dem ersten Generator (50)geschaltete Generatoren (60, 70) Hohlwellen (63, 73) aufweisen, die über Kupplungen (61, 71) mit der Hauptwelle (80) kuppelbar sind.9. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe two rotors (30, 40) can be connected by a main shaft (80), whereby further generators (60, 70) connected in series with the first generator (50) have hollow shafts (63, 73) which can be coupled to the main shaft (80) via couplings (61, 71).10. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie Hauptweile (80) kardanisch gelagert ist.10. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe main shaft (80) is cardanically mounted.11. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdie Hauptwelle (80) mit einem der dem jeweiligen Rotor (40) örtlich am nächsten stehenden Generators (50) kuppelbar ist.11. Nacelle according to one of the preceding claims, characterized in thatthe main shaft (80) can be coupled to one of the generators (50) that is located closest to the respective rotor (40).12. Gondel nach einem der voranstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rotor (30, 40) eine Bremsanlage (100, 110) zugeordnet ist.12. Nacelle according to one of the preceding claims,characterized in that each rotor (30, 40) is assigned a braking system (100, 110).