Um als Alternativanbieter von Energie glaubwürdig zu sein, muss das Konstruktionspotenzial von Windenergieanlagen (WEA) mit hocheffizienten, zuverlässigen und robusten Komponenten unter Beweis gestellt werden. Zu den wichtigsten Komponenten gehören Getriebe, insbesondere Planetengetriebe. Ein Hersteller von Planetengetrieben ist Brevini. Der folgende Artikel beschreibt die Aktivitäten des Unternehmens auf diesem Gebiet.
Von Brevini hergestellte Getriebe werden in drei Kernbereichen des Betriebs von WEA eingesetzt: der Rotorblattanlage, dem Nachführsystem zur Richtungsänderung des Rotors im Wind sowie dem Generator. Die beiden letzteren befinden sich in der Gondel, dem Herzen der Anlage, in der auch die Hauptrotorwelle sowie eine Scheibenbremse für Notstopp Bedingungen oder für den Wartungsbetrieb, das Regelungssystem und der Schaltschrank für die WEA untergebracht sind.
Am weitesten verbreitet sind Rotorblattanlagen mit drei Rotorblättern (zumeist aus glasfaserverstärktem Polyester), die auf eine Gusseisen- oder Stahlrotornabe mit einreihigem Rillenkugellager zur Blattverstellung und Hohlrad montiert sind. In den Blattlagern sind ein oder mehrere Planetengetriebe (für jedes Rotorblatt) und die elektrischen Bremsmotoren als Hauptantriebskraft in Funktion. Diese Funktionseinheit wird als Pitchsystem bezeichnet.
Das Pitchsystem verfügt über dreistufige Planeten-Drehwerksgetriebe (maximaler Drehmoment: 5.800-10.000Nm) aus der RPR Baureihe des Unternehmens. Die RPR Getriebe drehen die Rotorblätter (gewöhnlich in einem Winkel bis zu 90 Grad) um ihre Achsen, damit sich die Rotorblattleistung unter den verschiedenen Außenbedingungen in einer Spanne von 10 bis 30rpm bewegt. Im Falle sehr starker Windgeschwindigkeiten (höher als 25m/s) wird das System als ‚areodynamische Bremse’ eingesetzt, wobei die Rotorblätter vollständig im rechten Winkel zur Rotationsrichtung gedreht werden, um die Geschwindigkeit herabzusetzen und den Generator anzuhalten.
Die Drehwerksantriebe der RPR-Baureihe sind ein wesentliches Element, um Gewicht und Größe bei modernen Windkraftanlagen auf ein Minimum zu beschränken. Aufgrund ihrer Planetenstruktur können sie trotz geringer Abmessungen auch sehr hohen Drehmomentbelastungen widerstehen. Zur Bewältigung hoher Radiallasten sind die Drehwerksantriebe mit einem verstärkten Abtriebsgehäuse ausgelegt und gewährleisten im Vergleich zu Standardgetrieben insgesamt eine höhere Radiallastfähigkeit. Dies führt zu einer verlängerten Lagerlebensdauer – einem entscheidenden Bauelement der Maschinenzuverlässigkeit. Hinzu kommt, dass der Drehwerksantrieb, bei verringerten Radiallasten im Innern, höhere Radiallasten der von ihm angetriebenen Bauteile tolerieren kann.
Brevini Drehwerksantriebe - © Brevini
Die Rotationsbewegung der Rotorblätter ist über ein dreistufiges Schnellgang-Getriebe mit dem Generator verbunden, dessen Übersetzungsverhältnis vom Rotordurchmesser abhängig ist (je größer der Durchmesser, desto höher die Übersetzung). Insbesondere muss das Getriebe die Rotationsgeschwindigkeit von 30 bis 60rpm, (was für die Elektrizitätsproduktion unzureichend ist), auf 1.500rpm erhöhen. Im Allgemeinen besitzt das Planetengetriebe parallele Zahnräder an der Antriebsseite und eine Planetenradstufe auf der Abtriebsseite. Die Getriebe sind Aufsteckeinheiten mit einer doppelten Drehmomentstütze. Sie sind grundsätzlich für eine durchgehende Betriebsdauer von 20 Jahren ausgewählt und standardmäßig mit einem Kühlsystem mit Ölfilter und Öl-Recyclingeinheit ausgestattet. Die Nutzung von Aufsteckgetrieben hat mehrere Vorteile: Sie vermeidet die Kosten und die Komplexität von Kupplungen und erspart ebenfalls die Zeit und Arbeitskraft, die sonst für die korrekte Ausrichtung des Getriebes sowie der von ihm angetriebenen Bauteile benötigt würde. Darüber hinaus werden durch das Aufsteckgetriebe und seinen Direktantrieb die von Kettenantriebsvorrichtungen verursachten Radiallasten vermieden.
Damit der Generator seine Höchstleistung abgibt, sind große WEA mit einem Nachführsystem ausgerüstet, mit dem die Position der Gondel durch eine Verbindung eines Anometers mit dem WEA Regelungssystem laufend an die Windrichtung und –stärke angepasst werden kann. Je nach Anlagengröße besteht das Nachführsystem aus einem oder mehreren Planetengetrieben und elektrischen Bremsmotoren als Hauptantriebskraft. Dazu werden als Getriebe standardmäßig RPR Drehwerksantriebe mit Höchstdrehmomenten in einer Spanne von 10.000 bis 70.000 Nm verwendet. Sie sind in aufrechter Position an der Spitze des Turmes angebracht, wobei ihre Abtriebswellen und Ritzel nach unten zeigen und mit dem Nachführring ineinandergreifen (einem ein- oder doppelreihigen Rillenkugellager mit Hohlrad, dem Verbindungselement zwischen Gondel und Turm).
Nachführsystem: Als Getriebe werden standardmäßig RPR Drehwerksantriebe
in unterschiedlichen Zusammensetzungen mit Höchstdrehmomenten in einer Spanne von
10.000 bis 70.000 Nm verwendet. Das Pitchsystem verfügt über dreistufige
Planeten-Drehwerksgetriebe (max. Drehmoment: 5.800-10.000 Nm) aus der RPR Baureihe von Brevini
© Brevini
Bei den meisten WEA Konstruktionen ist der Nachführring mit einem Hydraulik-Bremssystem und einem oder mehreren Bremszangen ausgestattet. Diese werden, um während des Nachführvorgangs eine gute Laufruhe zu gewährleisten, nur teilweise freigegeben. Ist der Nachführbetrieb nicht in Funktion, wird die Gondel vom Hydraulik-Bremssystem und dem Bremsmotor auf dem planetengetriebenen Nachführantrieb sicher in Position gehalten.
Für die Anwendung von Planetengetrieben in allen Kernbereichen des WEA-Betriebs sind eine Reihe von Faktoren ausschlaggebend. Zunächst vermögen Planetengetriebe kleinräumig hohe Untersetzungen zu liefern und das Mehrfache des Drehmoments von konventionellen Getrieben ähnlicher Größe zu übertragen. Zweitens sind sie von kompakter und leichtgewichtiger Bauart und benötigen nur wenig Einbauplatz. Drittens verfügt ein Planetengetriebe über einen Wirkungsgrad von 98% und kann, was vielleicht entscheidend ist, ohne Wirkungsgradverlust auch extrem niedrige Drehzahlen übersetzen.
Schließlich können mit Hilfe der auf der Planetenzelle basierenden Modulbauweise ultrakompakte Mehrfachreduktionsanschlüsse konstruiert werden. Für den Konstrukteur ergibt sich aus dieser Bauweise ein zweifacher Vorteil. Die Planetenstufen können einerseits miteinander verknüpft werden, um die vom Getriebe übertragenen, steigenden Drehmomente anzupassen. Sie können ebenfalls zusammengebaut werden, um sehr große Untersetzungsverhältnisse zu übertragen: falls erforderlich bis zu einem Wert von 15.000:1.
Nachführsystem: WEA sind mit einem Nachführsystem ausgerüstet, mit dem die
Position der Gondel laufend an die Windrichtung und –stärke angepasst werden kann.
© Brevini
This article appeared in the volume 1, Nr. 4 / 2005 issue of Windtech International and is republished with permission of the authors and publisher.