DE102011054112A1

DE102011054112A1 - Testing apparatus for simulation of operation load of wind turbine, has rotary drive unit that supports load components mounted on rotor of drive motor and coupled to stator of generator of wind turbine rotary drive element

Info

Publication number: DE102011054112A1
Application number: DE102011054112A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Klinger Friedrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04

Abstract

The apparatus has drive motor comprising a rotary drive unit for generating a driving torque. The load components mounted on rotor of the drive motor and coupled to the stator of the generator of the wind turbine rotary drive element are supported by rotary drive unit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Simulation von Betriebsbelastungen an einer Windenergieanlage, mit einer einen Antriebsmotor umfassenden Drehantriebseinheit zur Erzeugung des Antriebsmoments und Einrichtungen zur Erzeugung weiterer Belastungskomponenten.The invention relates to a test apparatus for simulating operating loads on a wind turbine, comprising a drive unit comprising a rotary drive unit for generating the drive torque and means for generating further load components.

Eine solche Prüfvorrichtung ist aus der WO 2011/014870 A1 bekannt. Diese bekannte Prüfvorrichtung beaufschlagt den Antriebsstrang der Windenergieanlage am Anschlussflansch zur Nabe mit Prüflasten, die den Betriebsbelastungen des Anschlussflansches durch die Nabe, den sogenannten Nabenlasten, entsprechen. Das Antriebsmoment in Richtung der Strangachse wird von dem Antriebsmotor aufgebracht.Such a test device is from the WO 2011/014870 A1 known. This known test device acts on the drive train of the wind energy plant at the connecting flange to the hub with test loads that correspond to the operating loads of the connecting flange through the hub, the so-called hub loads. The drive torque in the direction of the strand axis is applied by the drive motor.

Zusätzlich zum Antriebsmoment werden Schubkräfte in Richtung der Strangachse sowie Biegemomente und Querkräfte in den beiden anderen, zur Strangachse senkrechten Richtungen durch eine Aktorbaugruppe aufgebracht. Die Aktorbaugruppe umfasst eine rohrförmige, in einem hülsenartigen Gehäuse mehrfach gelagerte Welle, die mit dem Anschlussflansch des Triebstrangs starr verbunden ist. Diese Welle, deren Drehachse zur Achse des Antriebsmotors geneigt ist und die unter den Betriebsbelastungen ihre Richtung und Lage ändert, steht mit dem Antriebsmotor über ein Gelenkwellenelement drehstarr in Verbindung. Die weiteren Belastungskomponenten werden durch Hydraulikzylinder erzeugt und über hydrostatische Lagerelemente und das hülsenartige Gehäuse auf die Welle und damit auf den Anschlussflansch des Triebstrangs übertragen.In addition to the drive torque, thrust forces in the direction of the strand axis as well as bending moments and transverse forces in the two other directions perpendicular to the strand axis are applied by an actuator assembly. The Aktorbaugruppe comprises a tubular, multi-layered in a sleeve-like housing shaft, which is rigidly connected to the connecting flange of the drive train. This shaft, whose axis of rotation is inclined to the axis of the drive motor and changes its direction and position under the operating loads, is rotationally rigid with the drive motor via a propeller shaft member in connection. The other load components are generated by hydraulic cylinders and transmitted via hydrostatic bearing elements and the sleeve-like housing on the shaft and thus on the connecting flange of the drive train.

Die in der WO 2011/014870 A1 beschriebene Prüfvorrichtung nach dem Stand der Technik überträgt sechs Komponenten der Nabenlast, deren Koordinatennullpunkt und deren Ausrichtung in 2 dargestellt sind. Eine Einleitung von Blattlasten gemäß 1 ist mit dieser Prüfvorrichtung nicht möglich.The in the WO 2011/014870 A1 The prior art test device described transmits six components of the hub load, their coordinate zero point and their orientation in 2 are shown. An introduction of sheet loads according to 1 is not possible with this test device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber diesem Stand der Technik mit verringertem Aufwand herstellbare Prüfvorrichtung für Nabenlasten zu schaffen. Des weiteren soll eine Prüfvorrichtung geschaffen werden, die in der Lage ist, die von den Rotorblättern auf die Rotorblattlager übertragenen Lasten, die sogenannten Blattlasten, zu simulieren und damit auch die Nabenbaugruppe mit allen Lagern und Antrieben für die Rotorblätter in die Lebensdauerprüfung einzubeziehen.The invention has for its object to provide a comparison with this prior art produced with reduced effort testing device for hub loads. Furthermore, a test device is to be provided which is able to simulate the loads transmitted by the rotor blades to the rotor blade bearings, the so-called blade loads, and thus also include the hub assembly with all bearings and drives for the rotor blades in the life test.

Insbesondere soll das nach dem Stand der Technik erforderliche Gelenkwellenelement wegen des hohen technischen und finanziellen Aufwands entfallen.In particular, the required according to the prior art PTO shaft element is omitted because of the high technical and financial cost.

Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Belastungskomponenten an der Drehlagerung des Läufers des Antriebsmotors oder eines von dem Läufer getrennten, an den Ständer des Generators der Windenergieanlage gekoppeltes Drehantriebselements der Drehantriebseinheit abgestützt sind.The device for solving this object according to the invention is characterized in that the further load components are supported on the pivot bearing of the rotor of the drive motor or a separate from the rotor, coupled to the stator of the generator of the wind turbine rotary drive element of the rotary drive unit.

Erfindungsgemäß wird gemäß ersterer Ausführungsform der Antriebsmotor selbst in die Übertragung der weiteren Belastungskomponenten einbezogen, wodurch sich die Prüfvorrichtung unter Verringerung ihrer Abmessungen in ihrem konstruktiven Aufbau merklich vereinfacht. In gleicher Weise vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, in welchen das Antriebsmoment durch den Läufer des Antriebsmotors oder durch ein separates Drehantriebselement der Drehantriebseinheit in den Ständer des Generators eingeleitet wird. Letztere Ausführungsformen kommen für die Prüfung getriebeloser Windenergieanlagen in Betracht.According to the invention according to the first embodiment of the drive motor itself involved in the transmission of the other load components, which simplifies the test device significantly reducing their dimensions in their structural design. In the same way prove advantageous embodiments in which the drive torque is introduced by the rotor of the drive motor or by a separate rotary drive element of the rotary drive unit in the stator of the generator. The latter embodiments are suitable for testing gearless wind turbines.

Die Drehantriebseinrichtung kann in der erstgenannten Ausführungsform zur Einleitung des Antriebsmoments in den Flansch für die Ankopplung der Rotornabe oder in die Flansche für die Ankopplung der Rotorblätter vorgesehen sein.The rotary drive device may be provided in the first-mentioned embodiment for the introduction of the drive torque in the flange for the coupling of the rotor hub or in the flanges for the coupling of the rotor blades.

In den alternativen Ausführungsformen getriebeloser Prüflinge ist die Drehantriebseinheit zweckmäßig zur Einleitung des Antriebsmoments in den Ständer auf der dem Rotor abgewandten Seite des Generators vorgesehen.In the alternative embodiments gearless DUTs, the rotary drive unit is expediently provided for introducing the drive torque in the stator on the side facing away from the rotor of the generator.

Vorzugsweise steht der Läufer des Generators bei der Drehung des Ständers durch die Drehantriebseinheit still.Preferably, the rotor of the generator stands still during the rotation of the stator by the rotary drive unit.

Die Einrichtungen für die Erzeugung der weiteren Belastungskomponenten können zur Einleitung dieser Komponenten in den Flansch für die Ankopplung der Rotornabe oder die Flansche für die Ankopplung der Rotorblätter vorgesehen sein.The means for generating the further load components may be provided for introducing these components in the flange for coupling the rotor hub or the flanges for the coupling of the rotor blades.

Vorzugsweise in Ausführungsformen der zweitgenannten Art sind die weiteren Belastungskomponenten in die Flansche für die Ankopplung der Rotorblätter über an die Flansche in der Art der Rotorblätter koppelbare Hebelausleger einleitbar. Über solche Hebelausleger lassen sich an den Flanschen Belastungen, wie sie im Betrieb der Windenergieanlage durch die Rotorblätter übertragen werden, mit geringem Aufwand simulieren.Preferably in embodiments of the second-mentioned type, the further load components can be introduced into the flanges for the coupling of the rotor blades via lever arms which can be coupled to the flanges in the manner of the rotor blades. About such lever arm can be simulated at the flanges loads, as they are transmitted during operation of the wind turbine by the rotor blades, with little effort.

Die Einrichtungen für die Erzeugung weiterer Belastungskomponenten können Krafterzeuger aufweisen, die zwischen einem Gegenhalter und dem Stator des Antriebsmotors, einem Gegenhalter und einem Flansch für die Ankopplung eines der Rotorblätter oder zwischen einem Flansch für die Ankopplung eines der Rotorblätter und dem Läufer des Antriebsmotors wirksam sind.The devices for the production of further load components may comprise force generators, which between a counter-holder and the stator of the drive motor, a counter-holder and a flange for the coupling of one of Rotor blades or between a flange for the coupling of one of the rotor blades and the rotor of the drive motor are effective.

Vorzugsweise sind die Krafterzeuger zur Erzeugung punktweise einleitbarer Kräfte vorgesehen und insbesondere als hydraulische oder elektromechanische Linearantriebe ausgebildet. Insbesondere können hydraulische Kraftzylinder zum Einsatz kommen.The force generators are preferably provided for generating punctually introducible forces and in particular designed as hydraulic or electromechanical linear drives. In particular, hydraulic power cylinders can be used.

Die Krafterzeuger können an den in der Art der Rotorblätter ankoppelbaren Hebelauslegern angreifen oder auf Hebelausleger einwirken, die mit dem Ständer des Antriebsmotors verbunden sind.The force generators can act on the lever arms which can be coupled in the manner of the rotor blades or act on lever arms which are connected to the stator of the drive motor.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung greifen die Krafterzeuger an den in der Art der Rotorblätter ankoppelbaren Hebelauslegern bei einer Hebellänge (L) an, welche dem Angriffspunkt einer resultierenden Windkraft (F_X) entspricht, so dass das Biegemoment (M_Y = L·F_X) an den Flanschen und die Querkräfte (F_X) an den Flanschen gleichzeitig von einem einzigen Krafterzeuger aufgebracht werden können. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung des Aufbaus der Prüfeinrichtung.In a particularly preferred embodiment of the invention, the force generators engage the lever arms which can be coupled in the type of rotor blades at a lever length (L) which corresponds to the point of application of a resulting wind force (F _X ), so that the bending moment (M _Y = L · F _X ) on the flanges and the transverse forces (F _X ) on the flanges can be applied simultaneously by a single force generator. This results in a considerable simplification of the structure of the test device.

Die Länge der in der Art der Rotorblätter ankoppelbaren Hebelausleger ist zweckmäßig etwa gleich der obengenannten Hebellänge (L).The length of which can be coupled in the type of rotor blades lever arm expedient is approximately equal to the above lever length (L).

Die Drehachse des Antriebsmotors kann horizontal oder, insbesondere bei getriebelosen Prüflingen, vertikal angeordnet sein.The axis of rotation of the drive motor can be arranged horizontally or vertically, in particular with gearless test specimens.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to embodiments and the accompanying, relating to these embodiments drawings. Show it:

1 die Koordinatennullpunkte und die Koordinatenachsen an den Anschlussflanschen der Rotorblätter, entsprechend denen Blattlasten eingeleitet werden, 1 the coordinate zero points and the coordinate axes at the connecting flanges of the rotor blades, according to which sheet loads are introduced,

2 schematisch den Triebstrang einer Windenergieanlage mit Getriebe sowie den Koordinatennullpunkt und die Koordinationsachsen für die Nabenlasten am Anschlussflansch des Triebstrangs. 2 schematically the driveline of a wind turbine with gear and the coordinate zero point and the coordination axes for the hub loads on the connecting flange of the drive train.

3 eine an einen Triebstrang einer Windenergieanlage ankoppelbare Prüfvorrichtung für Nabenlasten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht (a) und einer Draufsicht (b). 3 a test device for hub loads according to a first embodiment of the invention can be coupled to a drive train of a wind turbine in a sectional side view (a) and a plan view (b).

4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung mit vertikaler Drehachse, durch die Blattlasten an den Anschlussflanschen der Rotorblätter eingeleitet werden, in einer geschnittenen Seitenansicht (a) und einer Draufsicht (b). 4 an embodiment of a test device according to the invention with a vertical axis of rotation, are introduced by the sheet loads on the connecting flanges of the rotor blades, in a sectional side view (a) and a plan view (b).

5 eine weitere, der Prüfvorrichtung für Blattlasten von 4 ähnliche Prüfvorrichtung für Windenergieanlagen mit einem in der Nabe der Windenergieanlage eingebauten Generator, 5 another, the sheet load tester of 4 similar test device for wind turbines with a generator installed in the hub of the wind turbine,

6 ein weiteres, 4 ähnliches Ausführungsbeispiel einer Prüfvorrichtung für die Simulation von Blattlasten mit einem über eine Getriebeeinrichtung angeschlossenen Antriebsmotor, 6 another one, 4 similar embodiment of a tester for the simulation of sheet loads with a connected via a transmission device drive motor,

7 bis 10 weitere Ausführungsbeispiele für Prüfvorrichtungen zur Einleitung von Blattlasten in die Nabe des horizontalen Triebstrangs der Windenergieanlage über einzelne Krafterzeuger, die zwischen der Nabe und dem Außenläufer eines fest an einem Fundament verankerten Antriebsmotors angeordnet sind, und 7 to 10 Further embodiments of test devices for the introduction of sheet loads in the hub of the horizontal drive train of the wind turbine on individual force generators, which are arranged between the hub and the outer rotor of a fixedly anchored to a foundation drive motor, and

11 eine die gleichzeitige Einleitung von Momenten und Querkräften in einen Nabenflansch über einen Hebelausleger erläuternde Darstellung. 11 a the simultaneous introduction of moments and shear forces in a hub flange via a lever arm explanatory representation.

Eine in 1 beispielhaft als Prüfling gezeigte Turmkopfbaugruppe einer Windenergieanlage umfasst eine Rotornabe 1 mit drei Kopplungsflanschen 2, an denen (nicht gezeigte) Blattlager für die Aufnahme um ihre Längsachse drehbarer Rotorblätter anbringbar sind. Jedem der drei Flansche 3 ist ein gesondertes Koordinatensystem mit einem Koordinatennullpunkt und drei Achsrichtungen x, y und z für die je Rotorblatt sechs Komponenten der sogenannten Blattlasten zugeordnet. Bei den Komponenten handelt es sich um Biegemomente M_Y um die y- Achse und M_X um die x-Achse sowie das Blattverstellmoment M_Z um die Blattlängsachse, die z-Achse, sowie ferner um die Kraftkomponenten F_X, F_Y, F_Z in den betreffenden Richtungen.An in 1 exemplary tower head assembly of a wind turbine shown as a test specimen comprises a rotor hub 1 with three coupling flanges 2 in which leaf bearings (not shown) can be attached for receiving rotatable rotor blades about their longitudinal axis. Each of the three flanges 3 is a separate coordinate system with a coordinate zero point and three axial directions x, y and z for each rotor blade six components of the so-called sheet loads assigned. The components are bending moments M _Y about the y-axis and M _X about the x-axis and the blade pitching moment M _Z about the blade longitudinal axis, the z-axis, and also about the force components F _X , F _Y , F _Z in the directions concerned.

Für die Rotornabe 1 ergeben sich bei drei Rotorblättern also insgesamt 18 Komponenten der Blattlasten, die durch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung an den Ankopplungsflanschen 2 aufgebracht werden können.For the rotor hub 1 In the case of three rotor blades, therefore, a total of 18 components of the blade loads resulting from the test device according to the invention on the coupling flanges 2 can be applied.

In 2 ist der Antriebsstrang einer Windenergieanlage schematisch dargestellt mit einer Hauptwelle 3, an deren Anschlussflansch 4 die sogenannten Nabenlasten eingeleitet und auf ein Getriebe 5 und einen Generator 6 übertragen werden.In 2 the drive train of a wind turbine is shown schematically with a main shaft 3 , at the connection flange 4 introduced the so-called hub loads and a gearbox 5 and a generator 6 be transmitted.

(Die Bezeichnungen in den in 1 und 2 gezeigten Koordinatensystemen entsprechen den Richtlinien für die Zertifizierung von Windenergieanlagen, Ausgabe 2003, Kapitel 4 des Germanischen Lloyd. )(The names in the in 1 and 2 shown coordinate systems correspond to the Guidelines for the Certification of Wind Turbines, Edition 2003, Chapter 4 of Germanischer Lloyd. )

Eine in 3 gezeigte Prüfvorrichtung umfasst einen Antriebsmotor 7, dessen Innenläufer 11 über ein Kopplungselement 12 am Flansch 4 starr mit der Hauptwelle 3 des Antriebsstrangs einer zu prüfenden Windenergieanlage 13 verbunden ist. Über Lager 9 und 10 ist der Ständer 8 des Antriebsmotors 7 auf dem Läufer 11 gelagert und wird über Hebelausleger 16 und Krafterzeuger, z. B. in Form von Hydraulikzylindern, am Fundament abgestützt. Diese Prüfvorrichtung überträgt Nabenlasten auf den Flansch 4, von denen das Antriebsmoment M_X von dem Antriebsmotor 7 und alle anderen fünf Belastungskomponenten von drei Gruppen von Hydraulikzylinderpaaren 14, 15 in Kombination aufgebracht werden. Diese Belastungskomponenten werden über die teilweise rotierenden Lager 9 und 10 des Antriebsmotors 7 auf den Flansch 4 des Triebsstrangs übertragen, wobei der Ständer 8 den elastischen Verformungen des Triebstrangs 3, 4, 5, 6 der Windenergieanlage 13 folgen kann. Eine Gelenkwelle zur Verbindung von Triebstrang und Antriebsmotor ist nicht erforderlich. An in 3 The testing device shown comprises a drive motor 7 , whose inner rotor 11 via a coupling element 12 on the flange 4 rigid with the main shaft 3 the drive train of a wind turbine to be tested 13 connected is. About warehouse 9 and 10 is the stand 8th of the drive motor 7 on the runner 11 stored and is about lever boom 16 and power generator, z. B. in the form of hydraulic cylinders, supported on the foundation. This tester transfers hub loads to the flange 4 of which the drive torque M _X from the drive motor 7 and all other five load components of three groups of hydraulic cylinder pairs 14 . 15 be applied in combination. These load components are via the partially rotating bearings 9 and 10 of the drive motor 7 on the flange 4 transmitted to the drive train, the stator 8th the elastic deformations of the drive train 3 . 4 . 5 . 6 the wind turbine 13 can follow. A propeller shaft for connecting the drive train and drive motor is not required.

Im Folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel bezeichnet, wobei der betreffenden Bezugszahl der Buchstabe a, b, c usw. weiter beigefügt ist.Hereinafter, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals as in the above-described embodiment, the letter a, b, c, etc. being further attached to the reference numeral concerned.

In den 4, 5 und 7 bis 10 gezeigte Prüfstandsvarianten benutzen ebenfalls die Lagerung des Antriebsmotors zur Übertragung der weiteren Belastungskomponenten. Bei diesen Prüfvorrichtungen wird die Rotornabe in die Lebensdauerprüfung einbezogen, ggf. geschieht dies auch mit den Rotorblättern sowie den Blattlagerantrieben. Bei einem Dreiblattrotor sind dann also entsprechend 1 je Blatt sechs Belastungskomponenten am Koordinatenursprung des Rotorblattes erforderlich.In the 4 . 5 and 7 to 10 Test stand variants shown also use the bearing of the drive motor for the transmission of the other load components. In these test devices, the rotor hub is included in the life test, possibly also done with the rotor blades and the blade bearing drives. In a three-bladed rotor are so then accordingly 1 each blade requires six load components at the coordinate origin of the rotor blade.

Für getriebelose Windenergieanlagen wird erfindungsgemäß entsprechend den 4 bis 6 ein sehr vorteilhafter Prüfaufbau vorgeschlagen, bei dem die Rotationsachsen des direktangetriebenen und zu prüfenden Generators 6 und der damit starr verbundenen, den Antriebsmotor 7 umfassenden Drehantriebseinheit vertikal angeordnet sind, die Drehantriebseinheit fest mit einem Fundament verbunden ist und beim Generator 6 der Ständer 20 anstelle des Läufers 21 gedreht wird.For gearless wind turbines according to the invention according to the 4 to 6 proposed a very advantageous test structure in which the axes of rotation of the directly driven and tested generator 6 and the rigidly connected to it, the drive motor 7 vertical rotary drive unit are arranged vertically, the rotary drive unit is firmly connected to a foundation and the generator 6 the stand 20 instead of the runner 21 is turned.

Zur Einleitung der übrigen Belastungskomponenten greifen Hydraulikzylinder als Krafterzeuger in x-Richtung und in y-Richtung an verschieden langen Hebelarmen L_X und L_y an den Hebelauslegern an. Sowohl die Biegemomente M_X und M_y als auch Querkräfte F_y und F_x lassen sich entsprechend den Erläuterungen zu 11 mit je einem einzigen Hydraulikzylinder erzeugen. Dadurch verringert sich der apparative und steuerungstechnische Aufwand erheblich. Je vier Belastungskomponenten an jedem der drei Kopplungsflansche eines Dreiblattrotors können so mit Hilfe von sechs Hydraulikzylindern und der den Antriebsmotor umfassenden Drehantriebseinheit, die in den Varianten nach den 7 bis 10 ebenfalls fest mit einem Fundament verbunden ist, aufgebracht werden.To initiate the other load components, hydraulic cylinders act as force generators in the x direction and in the y direction on lever arms L _X and L _{y of} different lengths on the lever arms. Both the bending moments M _X and M _y and the transverse forces F _y and F _x can be explained in accordance with the explanations 11 generate with a single hydraulic cylinder. As a result, the apparatus and control technology effort is reduced considerably. Each of four load components on each of the three coupling flanges of a three-blade rotor can thus with the help of six hydraulic cylinders and the drive motor comprehensive rotary drive unit, which in the variants of the 7 to 10 also firmly connected to a foundation can be applied.

Die in 4 gezeigte Prüfvorrichtung dient also der Lebensdaueruntersuchung einer getriebelosen Windkraftanlage, bei der im Unterschied zu der Prüfvorrichtung von 3 die Blattlasten an den Kopplungsflanschen 2 der Rotornabe 1 simuliert werden können. Diese werden von den Hydraulikzylindern 14a, 15a erzeugt und über den Hebelausleger 16a auf die Kopplungsflansche 2 übertragen.In the 4 Thus, the test device shown serves for the life test of a gearless wind turbine, in contrast to the tester of 3 the blade loads on the coupling flanges 2 the rotor hub 1 can be simulated. These are from the hydraulic cylinders 14a . 15a generated and over the lever boom 16a on the coupling flanges 2 transfer.

Ein entscheidender Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Nabe 1 mit den Hebelauslegern 16a nicht rotieren muss und somit die angeschlossenen Hydraulikzylinder 14a und 15a an einem Fundament befestigt werden können. Anstelle der Nabe 1 dreht sich der Ständer 20 des vielpoligen Generators 6a der getriebelosen Windenergieanlage in entgegengesetzter Richtung. Der Ständer 20 ist mit dem Rotor des auf einem Fundament verankerten Antriebsmotors 7a starr verbunden. Alle Nabenlasten, die sich durch die Belastungen an den Hebelauslegern 16a ergeben, werden am Anschlussflansch 4a auf den Außenläufer 21 des Generators 6a übertragen, der zusätzlich das von dem Antriebsmotor 7a aufgebrachte Antriebsmoment am Flansch 4a auf die Nabe 1 überträgt. Die Lagerung der Nabe 1 und des Generatoraußenläufers 21 übernimmt bei dieser Bauform ein sogenanntes Momentenlager 40, das im Prüfstand den gleichen Lasten und relativen Drehungen wie im realen Betrieb der Windenergieanlage ausgesetzt ist.A key advantage of this arrangement is that the hub 1 with the lever arms 16a does not have to rotate and thus the connected hydraulic cylinder 14a and 15a can be attached to a foundation. Instead of the hub 1 the stand turns 20 of the multi-pole generator 6a the gearless wind turbine in the opposite direction. The stand 20 is with the rotor of the drive motor anchored on a foundation 7a rigidly connected. All hub loads caused by the loads on the lever arms 16a arise, are at the connection flange 4a on the outer rotor 21 of the generator 6a transferred, in addition to that of the drive motor 7a Applied drive torque on the flange 4a on the hub 1 transfers. The storage of the hub 1 and the generator outer rotor 21 takes on a so-called moment bearing in this design 40 which is exposed in the test bench to the same loads and relative rotations as in real operation of the wind turbine.

Erfindungsgemäß werden außer dem Antriebsmoment alle weiteren Belastungskomponenten an den Lagern des Antriebsmotors 7a abgestützt. Bei dem Antriebsmotor 7a handelt es sich z. B. um einen robusten Torque-Motor, also eine langsam laufende Synchronmaschine mit Umrichtersteuerung, in welche die im Generatorständer 20 erzeugte Energie zurückgespeist werden kann. Die Verwendung einer Gelenkwelle zur Übertragung des Antriebsmoments von dem Antriebsmotor 7a auf den Anschlussflansch 4a des Triebstrangs der zu prüfende Windenergieanlage ist nicht erforderlich.According to the invention, in addition to the drive torque, all other load components on the bearings of the drive motor 7a supported. In the drive motor 7a is it z. B. a robust torque motor, so a slow-running synchronous machine with inverter control, in which the generator stand 20 generated energy can be fed back. The use of a propeller shaft for transmitting the drive torque from the drive motor 7a on the connection flange 4a the drivetrain of the wind turbine to be tested is not required.

Auf die vorteilhafte Anordnung der Hydraulikzylinder parallel und senkrecht zur Fundamentoberfläche an unterschiedlich langen Hebelarmen wird gesondert im Zusammenhang mit 11 eingegangen.On the advantageous arrangement of the hydraulic cylinder parallel and perpendicular to the foundation surface on different length lever arms is separately in connection with 11 received.

5 zeigt eine Variante der Prüfvorrichtung von 4. Sie dient ebenfalls zur Prüfung einer getriebelosen Windenergieanlage mit einem Generator 6b, dessen Außenläufer 21b die Rotornabe bildet, auf der die Kopplungsflansche 2 und Rotorblattlager zur Ankoppelung der Rotorblätter unmittelbar angebracht sind. An eine Drehantriebseinheit mit dem Antriebsmotor 7b und mit einem bei 18 gelagerten scheibenförmigen Drehelement 17 ist der Ständer 20b des Generators 6b starr gekoppelt. Die Prüfvorrichtung entspricht im Übrigen derjenigen von 4. 5 shows a variant of the test device of 4 , It also serves to test a gearless wind turbine with a generator 6b , its external rotor 21b the rotor hub forms on which the coupling flanges 2 and rotor blade bearings are directly attached for coupling the rotor blades. To a rotary drive unit with the drive motor 7b and with one at 18 mounted disc-shaped rotating element 17 is the stand 20b of the generator 6b rigidly coupled. Incidentally, the test apparatus corresponds to that of 4 ,

Eine weitere Variante einer Prüfvorrichtung für eine getriebelose Windenergieanlage mit einem Außenläufergenerator 6c ist in 6 gezeigt. Eine Drehantriebseinheit besteht hier aus einem scheibenförmigen Drehelement 17c, das von einem Antriebsmotor 7c über Getriebeeinrichtungen 24 gedreht wird und bei 18c gelagert ist.Another variant of a test device for a gearless wind turbine with an external rotor generator 6c is in 6 shown. A rotary drive unit here consists of a disk-shaped rotary element 17c that of a drive motor 7c via transmission devices 24 is rotated and at 18c is stored.

Eine in 7 gezeigte Prüfvorrichtung ist zur Lebensdaueruntersuchung von Windenergieanlagen mit oder ohne Getriebe vorgesehen. Blattlasten können an den Kopplungsflanschen 2 der Nabe 1 bei annähernd horizontaler Anordnung des Triebstrangs eingeleitet werden. An relativ kurzen Hebelauslegern 16d, die sich mit der Nabe drehen, sind je zwei Hydraulikzylinder 14d, 15d oder andere Krafterzeuger angebracht, die sich an einem Gegenhalter auf dem Außenläufer 25 der Drehantriebseinheit 7d abstützen und alle Blattlastkomponenten mit Ausnahme von F_z und M_z in die Flansche 2 einleiten können.An in 7 shown test device is provided for durability testing of wind turbines with or without gear. Sheet loads can be on the coupling flanges 2 the hub 1 be initiated at approximately horizontal arrangement of the drive train. On relatively short lever arms 16d , which rotate with the hub, are each two hydraulic cylinders 14d . 15d or other force generators attached to an anvil on the outer rotor 25 the rotary drive unit 7d support and all blade load components except F _z and M _z in the flanges 2 can initiate.

Eine in 8 gezeigte Prüfvorrichtung mit einem Antriebsmotor 7e verwendet an drei Flansche 2 der Rotornabe 1 einer zu prüfenden Windenergieanlage 13 anzukoppelnde Hebelausleger 16e in einer Länge L, die etwa gleich der halben Länge der Rotorblätter der Windenergieanlage 13 ist. Die Prüfvorrichtung weist daher einen Trägerturm 19 auf. Entsprechend ist auch ein zur Rotordrehachse konzentrisch angeordneter Antriebsmotor 7e an einem Trägerturm 22 gehalten. Vom Außenrotor 25e des Antriebsmotors 7e erstrecken sich je Hebelausleger 16e zwei, jeweils Kraftzylinder 14e und 15e umfassende Einrichtungen zur Einleitung von Kräften in die Hebelausleger 16e, wobei die Krafterzeugungsrichtungen zueinander im Winkel von z. B. 90° stehen. Jede der Einrichtungen umfasst ein Gestänge mit einem durch den Kraftzylinder 14e bzw. 15e um ein Gelenk 23 verschwenkbaren Dreieck 26 sowie einer an das Dreieck angelenkten, die Kraft direkt in den betreffenden Hebelausleger 16e einleitenden Stange 27.An in 8th shown test device with a drive motor 7e used on three flanges 2 the rotor hub 1 a wind turbine to be tested 13 to be coupled lever arm 16e in a length L, which is approximately equal to half the length of the rotor blades of the wind turbine 13 is. The tester therefore has a support tower 19 on. Accordingly, a concentric to the rotor axis arranged drive motor 7e at a support tower 22 held. From the outer rotor 25e of the drive motor 7e extend each lever boom 16e two, each power cylinder 14e and 15e Comprehensive facilities for the introduction of forces in the lever arms 16e , wherein the force generating directions to each other at an angle of z. B. 90 °. Each of the devices includes a linkage with a through the power cylinder 14e respectively. 15e around a joint 23 swiveling triangle 26 as well as one hinged to the triangle, the force directly into the relevant lever arm 16e introductory rod 27 ,

Der Antriebsmotor 7e überträgt ein Antriebsmoment M über die krafteinleitenden Einrichtungen auf die Rotornabe 1. Zusätzliche an den Flanschen 2 der Rotornabe 1 angreifende Betriebslasten werden durch die Kraftzylinder 14e, 15e erzeugt.The drive motor 7e transmits a drive torque M via the force-introducing devices on the rotor hub 1 , Additional to the flanges 2 the rotor hub 1 attacking operating loads are caused by the power cylinder 14e . 15e generated.

9 und 10 zeigen eine Prüfvorrichtung ähnlich derjenigen von 8 mit einem Antriebsmotor 7f und drei Hebelauslegern 16f. Je Hebelausleger vorhandene Einrichtungen zur Krafteinleitung umfassen jeweils starr mit dem Außenläufer 25f eines Antriebsmotors 7f verbundene Ausleger 28 und 29. Ein Kraftzylinder 14f am Ende des Auslegers 29 leitet über eine Stange 30 eine Kraft in den betreffenden Hebelausleger 16f an dessen freiem Ende ein. Ein Kraftzylinder 15f am Ende des Auslegers 29 erzeugt eine zu der letztgenannten Kraft senkrechte Kraft, die er über eine Doppelstange 31 in den betreffenden Hebelausleger 16f im Abstand von dessen freiem Ende einleitet. 9 and 10 show a testing device similar to that of 8th with a drive motor 7f and three lever arms 16f , Each lever arm existing means for introducing force each rigid with the external rotor 25f a drive motor 7f connected outriggers 28 and 29 , A power cylinder 14f at the end of the jib 29 conducts over a pole 30 a force in the lever arm concerned 16f at its free end. A power cylinder 15f at the end of the jib 29 produces a force perpendicular to the latter force, which it has over a double bar 31 in the relevant lever boom 16f initiates at a distance from the free end.

Eine die Enden der Ausleger 28, 29 verbindende Stange 34 dient der Stabilisierung der Einrichtungen für die Krafteinleitung.One the ends of the outriggers 28 . 29 connecting rod 34 serves to stabilize the facilities for the introduction of force.

11 erläutert das Prinzip der Krafteinleitung in die Hebelausleger 16f. 11 explains the principle of the introduction of force into the lever arms 16f ,

Eine durch den Kraftzylinder 14f erzeugte Kraft F_x' erzeugt an dem betreffenden Flansch 2 der Rotornabe 1 eine in die gleiche Richtung weisende Querkraft F_x und ferner ein Biegemoment M_y = L_My·F_x'. Die Hebellänge L_My ist vorteilhaft gleich derjenigen Hebellänge, bei der die Resultierende der in X-Richtung wirksamen Windkräfte am Rotorblatt der Windenergieanlage angreift. Das Biegemoment M_y und die Querkraft F_x stehen daher in einem dem Betrieb der Windenergieanlage 13 entsprechenden Verhältnis. Zur Erzeugung des Biegemoments M_y und der Querkraft F_x bedarf es somit nur eines einzigen Kraftzylinders.One through the power cylinder 14f generated force F _{x '} generated at the respective flange 2 the rotor hub 1 a transverse force F _x pointing in the same direction and also a bending moment M _y = L _My · F _{x '} . The lever length L _My is advantageously equal to that lever length at which the resultant of the wind forces acting in the X direction acts on the rotor blade of the wind energy plant. The bending moment M _y and the transverse force F _x are therefore in the operation of the wind turbine 13 corresponding ratio. To generate the bending moment M _y and the transverse force F _x thus requires only a single power cylinder.

Der Kraftzylinder 15f leitet über die Doppelstange 31 eine zu der Kraft F_x' senkrechte Kraft F_y' in den Hebelausleger 16f am Hebelarm L_Mx ein. Neben einer Querkraft F_y erzeugt die Querkraft F_y' ein Drehmoment M_x = L_Mx·F_y'. Dieses Drehmoment überlagert sich dem Drehmoment, dass der Antriebsmotor 7f erzeugt.The power cylinder 15f conducts over the double bar 31 a to the force F _{x '} vertical force F _y' in the lever arm 16f on the lever arm L _Mx . In addition to a transverse force F _y , the transverse force F _{y '} generates a torque M _x = L _Mx * F _y' . This torque is superimposed on the torque that the drive motor 7f generated.

Abweichend von den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen zueinander senkrechte Kräfte bei unterschiedlichen Hebelarmlängen in die Hebelausleger eingeleitet werden, ist in 11 ein weiterer Kraftzylinder 35 gezeigt, der über eine Stange 36 bei 37 an einen zu dem Hebelausleger 16f senkrechten Hebel 38 angelenkt ist. Der Kraftzylinder 35 erzeugt eine Kraft F_y'', die ein Drehmoment M_z = L_Mz·F_y'' erzeugt, das als Prüfmoment für die Prüfung eine Rotorblattverstellung nutzbar ist.Deviating from the embodiments described above, in which mutually perpendicular forces are introduced at different Hebelarmlängen in the lever arm, is in 11 another power cylinder 35 shown over a pole 36 at 37 at one to the lever arm 16f vertical lever 38 is articulated. The power cylinder 35 generates a force F _{y ''} , which generates a torque M _z = L _Mz · F _{y ''} , which can be used as a test torque for the test rotor blade adjustment.

Bei der Prüfvorrichtung nach 9 und 10 mit den drei Hebelauslegern 16f werden durch die Kraftzylinder 15f drei unterschiedliche Blattlastkomponenten M_x1, M_x2 und M_x3 erzeugt, deren Summe als Nabenlast M_x am Triebstrang erscheint.At the test device after 9 and 10 with the three lever arms 16f be through the power cylinder 15f generates three different blade load components M _x1 , M _x2 and M _x3 , the sum of which appears as the hub load M _x on the drive train.

Die Antriebsmotor 7f bringt ein mittleres Antriebsdrehmoment M_x auf, das bei stationärem Betrieb mit zeitlich konstantem Antriebsmoment gleichmäßig von den Zylindern 15f auf die Hebelausleger 16f übertragen wird. Im Falle sich schnell ändernder Momente durch außermittige Windböen können die Antriebsteilmomente am Rotorblattflansch auch umgekehrte Vorzeichen aufweisen und das Antriebsmoment am Flansch des Triebstrangs weit übertreffen.The drive motor 7f Brings a mean drive torque M _x , which at steady state Operation with constant torque momentum evenly from the cylinders 15f on the lever arms 16f is transmitted. In the case of rapidly changing moments due to eccentric gusts of wind, the drive part moments on the rotor blade flange can also have the opposite sign and far exceed the drive torque at the flange of the drive train.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2011/014870 A1 [0002]
WO 2011/014870 A [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Guidelines for the Certification of Wind Turbines, Edition 2003, Chapter 4 of Germanischer Lloyd. [0032]

Claims

Test device for simulating operating loads on a wind energy plant ( 13 ), with a drive motor ( 7 ) comprehensive rotary drive unit for generating a drive torque and means for generating further load components, characterized in that the further load components on the pivot bearing of the rotor of the drive motor ( 7 ) or a separate from the rotor, coupled to the stator of the generator of the wind turbine rotary drive element ( 17 . 33 ) of the rotary drive unit are supported.

Test device according to claim 1, characterized in that the rotary drive unit for introducing the drive torque into the flange ( 4 ) for the coupling of the rotor hub ( 1 ) or in the flanges ( 2 ) for the coupling of the rotor blades or, in gearless test specimen, in the stand ( 20 ) of the generator ( 6a ) on the side of the generator facing away from the rotor ( 6a ) is provided.

Test device according to claim 1 or 2, characterized in that the rotary drive unit for rotating the stator ( 20 ) of the generator ( 6a ) with the runner stationary ( 21 ) of the generator ( 6a ) is provided.

Test device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means for generating the further load components for introducing the further load components in the flange ( 4 ) for the coupling of the rotor hub ( 1 ) or in the flanges ( 2 ) are provided for the coupling of the rotor blades.

Test device according to claim 4, characterized in that the further loading components are in the flanges ( 2 ) for the coupling of the rotor blades over to the flanges ( 2 ) lever arms which can be coupled in the manner of the rotor blades ( 16 ) can be introduced.

Test device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the means for the generation of further load components force generator ( 14 . 15 ), which between the stand ( 8th ) of the drive motor ( 7 ) and an anvil, between a flange ( 2 ) for the coupling of one of the rotor blades and a counterholder or between a flange ( 2 ) for the coupling of one of the rotor blades and the rotor ( 25 ) of the drive motor ( 7d ) are effective.

Test device according to claim 6, characterized in that the force generators ( 14 . 15 ) are provided for the generation of pointwise introduced forces and are preferably designed as hydraulic or electromechanical linear actuators.

Test device according to claim 6 or 7, characterized in that the force generators ( 14 . 15 ) on the in the manner of the rotor blades can be coupled lever arms ( 16a ) or to leverage ( 16 attack) with the stand ( 8th ) of the drive motor ( 7 ) are connected.

Test device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the force generator ( 14 . 15 ) on the in the manner of the rotor blades can be coupled lever arms ( 160 ) at a lever length (L), which corresponds to the point of application of a resulting wind force (F _X ), so that the bending moment (M _Y = L * F _X ) at the flanges (FIG. 2 ) and the lateral force (F _x ) on the flanges ( 2 ) can be applied simultaneously by a single force generator.

Test device according to claim 9, characterized in that the flanges ( 2 ) lever arms which can be coupled in the manner of the rotor blades ( 160 ) have a length such that their free end coincides with the point of application of the resulting wind force.

Test device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the axis of rotation of the drive motor ( 7 . 7a ) is arranged horizontally or vertically, in particular in gearless test specimen.