CN101484699A - 风轮机塔架及用于改变风轮机塔架的本征频率的控制系统和方法 - Google Patents

风轮机塔架及用于改变风轮机塔架的本征频率的控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种风轮机(1)，包括具有至少一个风轮机叶片(5)的风轮机转子(4)、风轮机塔架(2)和控制装置，该风轮机塔架例如为标准管状钢塔架(2)，它设置在基座(6)上并通过风轮机机舱(3)连接到风轮机转子(4)，该控制装置用于建立风轮机(1)的振荡控制值。该风轮机(1)的特征在于，塔架(2)包括载荷改变装置(9)，以用于根据来自控制装置的值优化塔架的本征频率。本发明还公开了用于改变风轮机(1)的塔架(2)的本征频率的控制系统(62)和方法。

Description

风轮机塔架及用于改变风轮机塔架的本征频率的控制系统和方法
技术领域
本发明涉及按照权利要求1的前序所述的风轮机、用于改变风轮机的塔架的本征频率的控制系统和用于改变风轮机的塔架的本征频率的方法。
背景技术
现有技术中已知的风轮机包括锥形风轮机塔架和设置在塔架顶部上的风轮机机舱。具有多个风轮机叶片的风轮机转子通过低速轴连接到该机舱上，所述低速轴如图1所示从机舱前面伸出。
风轮机塔架的自然临界频率(也通称为本征频率或者共振频率)在风轮机工业中是已知的问题。
例如，50米高的风轮机塔架具有前后摆动的倾向，例如每三秒摆动一次。塔架前后振荡情况下的频率也通称为塔架的本征频率。本征频率取决于塔架的高度、塔架壁的厚度、钢的类型及机舱和转子的重量等。每次转子叶片通过塔架的背风区，转子都将较少地推压塔架。如果转子以一种旋转速度转动，以使转子叶片每次通过塔架时，塔架都处于它的极端位置之一，则转子叶片可以减缓或放大塔架的振荡。
转子叶片自身也是柔性的，并且可能具有以例如1-2Hz的频率振动的趋势，该频率在某些情况下可能进一步放大或减缓塔架振荡。在最坏的情况下，若干同时起作用的因素可能使塔架振荡到这样的程度，即，损坏风轮机的塔架或其它部件、严重降低塔架或其它部件的使用寿命或者至少降低风轮机的效率。
对付这个问题的一种方法是在风轮机的设计阶段采取不同的措施，例如使塔架更坚固、减轻机舱和转子等的重量。但这些措施经常与风轮机的其它期望品质例如低生产成本、高效率等相抵触。
因此，已在开发对付这个问题的其它方法，其中之一已在德国专利申请DE-A 10309825中公开。该申请公开了一种通过三个拉线减缓塔架运动的方法，所述拉线连接到风轮机周围地面中的各个基座上，并且每个都装配有自控式液力阻尼器。阻尼器保证轻而柔性的塔架的运动不会大且不可控到危害风轮机的程度。但对于这种系统来说，为了起作用，拉线必须比较长并且离塔架较远地固定用于阻尼器，以进行能合适地起作用的足够的运动。这当然是不利的，因为风轮机由此而占据更多的空间，并且在美观方面，这种设计是非常不希望的。而且，整个系统和尤其是用于拉线的各个基座将大大增加风轮机的总成本，从而使这种设计经济效益较低，尤其是在离岸风轮机情况下更是如此。
因此，本发明的目的是提供没有上述缺点的风轮机。
尤其是，本发明的目的是提供有利而成本有效的技术，以用于减少塔架振荡的危险，所述塔架振荡会损坏风轮机并降低它的效率。
发明内容
本发明提供了一种风轮机，所述风轮机包括：具有至少一个风轮机叶片的风轮机转子；风轮机塔架(塔筒)，例如标准管状钢塔架，该塔架设置在基座上，并通过风轮机机舱连接到风轮机转子；以及用于建立风轮机的振荡控制值的控制装置。该风轮机的特征在于，塔架包括载荷改变装置，所述载荷改变装置用于根据来自控制装置的值优化塔架的本征频率。
几乎所有机械系统都具有一个或多个共振频率，其中当系统振荡的频率匹配或基本匹配振动的系统共振频率时，该系统吸收更多的来自振荡的能量。通过提供具有载荷改变装置的塔架，能调节塔架或塔架一部分上的载荷，由此改变增架本征频率，从而使它与例如由转子所感生的振动频率不同。
大多数现代风轮机已包括用于建立风轮机的振荡控制值的控制装置。通过为风轮机提供载荷改变装置并以这些载荷改变装置的值为基础，能够通过改变塔架的刚度来改变塔架的自然临界频率，并由此减缓塔架振荡。这是有利的，因为它提供一种减缓塔架振荡的简单而成本有效的方法，并且因为通过优化塔架本征频率，可获得更稳定的风轮机塔架结构，由此可以例如节省材料。
按照本发明所述的系统还具有能在发生临界振荡之前起反作用的优点，因为该系统基于振荡控制值，而该振荡控制值可用来预测塔架的振荡状况。
在本发明的一个方面中，所述载荷改变装置包括用于调节所述塔架或塔架一部分上的载荷的装置。
调节塔架或塔架的一部分上的载荷是有利的，因为它提供简单而成本有效的改变塔架自然临界频率的方法，并由此防止或至少减少塔架振荡。
在本发明的一个方面中，所述载荷改变装置包括连接装置，该连接装置垂直地使一个塔架部位与至少一个下面的塔架部位或与基座连接。
通过利用连接装置使不同塔架部分相互连接或者连接到基座上，能控制塔架或者塔架的特定部分的刚度。这可进一步节省材料。
在本发明的一个方面中，所述连接装置包括钢丝绳或杆。
通过使用钢丝绳或杆作为连接装置，可实现用于优化塔架本征频率的经济的解决方案。
在本发明的一个方面中，所述连接装置包括阻尼器装置。
通过为连接装置提供阻尼器装置，能够通过随时间分配载荷而减轻连接装置中的峰值应力(例如，来自装置中的突然冲击)。这是有利的，因为连接装置及它们与塔架或基座的连接可以更简单且价廉地制成。而且，阻尼器装置还减少来自载荷改变装置的噪音排放。
在本发明的一个方面中，所述载荷改变装置包括至少一个致动装置，该致动装置直接或间接地作用在所述连接装置上。
通过直接或间接地致动所述连接装置，可容易地控制连接装置的张力。
在本发明的一个方面中，至少一个致动装置是液力或电动致动器，所述致动器根据所述来自控制装置的控制值改变所述连接装置的张力。
通过改变连接装置的张力，可改变风轮机塔架的刚度，由此也可改变塔架的临界自然频率。通过改变塔架的刚度，可避免或部分避免风轮机的塔架结构中的共振。还有一种可能性是在所述塔架的刚度优化之前，作为风轮机架设期间的临时解决方案使用。
在本发明的一个方面中，所述控制装置包括传感器，例如加速度计、应变仪、风速计、温度计或其它用于测量风轮机的振荡值的传感器。
通过使控制装置包括传感器，例如检测风速或塔架振荡加速度的传感器，能建立更准确的振荡控制值，从而使载荷改变装置能被更准确地控制。
在本发明的一个方面中，所述载荷改变装置设置在所述塔架内部。
将载荷改变装置放置在塔架的内部，可更容易接近/操作该装置。而且，载荷改变装置将被放置在更受控制的环境中，并免受雨、雪、海雾等的影响，由此能避免或者至少极大地减少对载荷改变装置的腐蚀和磨损。
在本发明的一个方面中，所述载荷改变装置是均匀放置在所述塔架上的至少三个独立的载荷改变装置，例如两组设置在所述塔架的两相对内侧面处的、基本垂直的连接装置。
通过使用至少三个均匀间隔开的独立载荷改变装置，可对塔架本征频率进行更多且更平稳的控制，而与风向和/或振荡的方向无关。
在本发明的一个方面中，所述控制装置设计成用于在振荡控制值超出一个或多个预定极限范围时起动所述载荷改变装置。
如果例如塔架不振荡，或者如果没有任何风，或者如果振荡的振幅或加速度或者风速在某一水平之下等，可有利地不起动载荷改变装置，由此可减少了该装置的磨损并因此延长其使用寿命。
在本发明的一个方面中，所述控制装置包括用于相对于所述振荡控制值动态和/或按比例地调节所述载荷改变装置的装置。
通过使控制装置动态和/或按比例地将改变负载机构调节到控制值，则例如可在发生塔架振荡时承受按比例的反向运动，或者能相对于风向和风速动态地使塔架的特定部分变坚硬。这是有利的，因为这能用更有效的方式减缓塔架的振荡，从而尽可能地减少塔架结构的额外应力。
本发明还提供了一种控制系统，所述控制系统用于改变按照前述权利要求之一的风轮机的塔架的本征频率。该控制系统包括用于建立风轮机振荡控制值的装置，其特征在于，系统包括载荷改变装置，所述载荷改变装置用于根据振荡控制值调节塔架上或塔架的一部分上的载荷。
通过调节塔架上或塔架的一部分上的载荷来改变塔架的本征频率是有利的，因为它是控制塔架中振荡的简单而成本有效的方法，且使该控制基于振荡控制值提供更准确的控制。
在本发明还提供一种用于改变风轮机的塔架的本征频率的方法。该方法包括以下步骤：
-利用控制装置建立风轮机的振荡控制值，以及
-根据振荡控制值利用塔架的载荷改变装置优化塔架的本征频率。
由此得到一种有利的方法，所述方法用来减少塔架振荡造成损坏风轮机或降低它的效率的危险。
在本发明的一个方面中，所述振荡控制值根据所述塔架的振荡建立。
通过调节塔架的本征频率来根据振荡控制值减缓塔架振荡，并因此直接根据塔架的振荡确定振荡控制值是有利的。
在本发明的一个方面中，所述载荷改变装置通过调节所述塔架上或塔架的一部分上的载荷来优化塔架的本征频率。
在本发明的一个方面中，所述载荷改变装置包括连接装置，所述连接装置垂直地将一塔架部位与至少一个下部塔架部位或者与基座连接。
在本发明的一个方面中，所述载荷通过调节所述连接装置的张力进行调节。
在本发明的一个方面中，如果所述振荡控制值超过一个或多个预定极限值的范围，则起动所述载荷改变装置。
附图说明
下面将参照附图说明本发明，在附图中：
图1示出大型现代风轮机的正视图，
图2示出包括载荷改变装置的风轮机实施例的侧视图，
图3示出包括载荷改变装置的风轮机另一实施例的正视图，
图4示出从顶部看去的风轮机塔架的剖视图，
图5示出从侧面看去的、包括塔架分段接合部的风轮机塔架的剖视图的一部分，
图6示出包括载荷改变装置的风轮机另一实施例的侧视图，以及
图7示出包括载荷改变装置的风轮机又一实施例的侧视图。
具体实施方式
图1示出现有技术中已知的风轮机1，该风轮机1包括锥形塔架2，该塔架2分成安装在基座6上的多个塔架分段8。在塔架2的顶部设有风轮机机舱3。
在本发明的实施例中，风轮机转子4包括三个风轮机叶片5，所述叶片5通过俯仰机构(桨距调节机构，pitch mechanism)连接到转子4的轮毂(轴毂)上。每个俯仰机构都包括叶片轴承7，所述叶片轴承7使叶片5能相对于风俯仰。轮毂通过在机舱前部直接与风轮机传动装置相连而连接到机舱3上，或者通过轴直接连接到发电机上，或者通过齿轮机构和低速/高速轴间接连接到发电机上，其中连接可以包括一个或多个轴的轴承，例如转子轴承和发电机轴承。
图2示出包括载荷改变装置的风轮机实施例的侧视图。
在本发明的该实施例中，塔架2包载荷改变装置9，所述载荷改变装置9的形式为连接装置10，该连接装置10可形成为固定在风轮机塔架2的顶端处的两个钢丝绳、杆或类似物14、24。所述钢丝绳14、24在这个实施例中在塔架凸缘的顶部处和底部处固定在塔架凸缘上。载荷改变装置9还包括安放在塔架分段接合部17之一处的致动器16、26。
在本发明的另一实施例中，连接装置10可固定在塔架壁的任何部位，以便优化风轮机塔架结构的任何区域或点处的刚度。
在本发明的另一实施例中，致动器16、26放置在钢丝绳、杆或类似物14、24的端部处，从而提供通过拉动连接装置10的端部来控制和改变钢丝绳、杆或类似物14、24的张力的可能性。
钢丝绳或杆14、24可以连接到阻尼器装置18、28上，以便有利于减缓钢丝绳中任何突然的冲击/猛拉，从而具有防止钢丝绳或杆14、24断裂或过载的优点。阻尼器18、28可以是液力阻尼器、气动阻尼器、弹簧阻尼器等。钢丝绳可以通过一个或多个致动器16、26驱动，所述致动器16、26控制钢丝绳或杆14、24的张力。致动器可以通过磁体、螺栓、配件或类似物固定在塔架壁上，并可以设置在塔架结构的不同点处。
通过控制钢丝绳或杆14、24的张力，能够控制和改变塔架2的刚度和/或共振频率。还可根据不同的变量，例如塔架2的振动的振幅或加速度、风的速度和/或方向、温度、转子速度或者其它轴的旋转速度等，来进一步控制致动器16、26。钢丝绳14、24和致动器16、26可优选在塔架结构中对称放置和/或等距间隔开。
在本发明的这个实施例中，风轮机1包括用于建立振荡控制值的控制装置。载荷改变装置9中连接装置10的张力则可根据这些值进行调节。例如，如果风速超过一定水平或者如果控制装置检测出高于某一振幅的振荡，则控制装置可以使两个致动器16、26都伸展、根据风或振荡的方向仅使一个致动器16、26伸展，或者使致动器16、26动态和/或与振荡控制值成比例地伸展。
图3示出包括载荷改变装置9的风轮机1的另一实施例的正视图。
在该图中，公开了载荷改变装置9的可供选择的布局，其包括钢丝绳、杆或类似物14、24，致动各钢丝绳14、24的至少一个致动器16、26，和使钢丝绳14、24免受突然冲击的伤害的至少一个阻尼器装置18、28。通过将载荷改变装置9放置在塔架结构的给定区域，能够优化塔架结构中大体上规定的点或区域处塔架2的刚度。应该注意，可在塔架2的多个不同区域处放置多个载荷改变装置9。
在本发明的一个实施例中，致动器16、26，和/或钢丝绳、杆或类似物的端部可以放置在塔架分段接合部和/或连接到所述塔架分段接合部(图3中未示出)。
图4示出从顶部看去的、风轮机塔架2的剖视图。
在本发明的这个实施例中，塔架2包括四个在风轮机塔架2中对称设置并均匀间隔开的致动器16、26、36、46。在本发明的另一实施例中，塔架2可包括另外数量的致动器16、26、36、46，例如一个、两个或三个致动器，所述致动器可以放置在塔架2中的不同高度处，并且，例如如果在特定风轮机场中的风总是来自少数几个方向等情况下，所述致动器可以不对称地放置。
图5示出从侧面看去的、包括塔架分段接合部17的风轮机塔架2一部分的剖视图。
如图1所示，常规风轮机塔架2包括彼此上下安装的多个锥形圆塔架分段8。塔架分段8通过内部放置的水平凸缘55用螺栓固定在一起，所述水平凸缘55焊接到各分段8的顶部或底部上。
由于凸缘55，塔架结构在塔架分段接合部17处特别坚固。这使接合部17成为用于安放致动器(图5中未示出)的有利区域。
图6示出包括载荷改变装置9的风轮机1另一实施例的侧视图。
在本发明的这个实施例中，钢丝绳14、24的张力由一个或多个致动器16、26控制，所述致动器16、26放置在塔架2的底部处。连接装置10可通过至少一个滑轮组(索具)49、59等连接到塔架的底部凸缘、基座等上。钢丝绳、杆或类似物14、24可以通过导向装置11保持距塔架壁一定距离，所述导向装置11在本例中的形式为从塔架壁伸出的杆47、57。杆47、57还可在其与连接装置10接触的端部处包括一个或多个滑轮组、轮子等，以形成导向装置11。
连接装置10在本实施例中还连接到一个或多个阻尼器装置18、28。阻尼器装置可以放置在钢丝绳14、24的任何位置，例如放置在钢丝绳或杆14、24的一个端部处。
在本发明的另一实施例中，载荷改变装置9可放置在塔架的外侧。
图7示出包括载荷改变装置9的风轮机1的又一实施例的侧视图。
在本发明的这个实施例中，连接装置10的形式为固定在风轮机塔架2的顶部处的两个钢丝绳、杆或类似物14、24。钢线绳14、24在这个实施例中在塔架的顶部和底部处固定在塔架凸缘上。致动器16、26放置在其中一个塔架分段接合部17处。
在这个实施例中，致动器16、26由控制系统62控制。控制系统62可包括一个或多个传感器64、65、66、67，例如加速度计、应变仪、雷达、温度计、风速计等，所述传感器测量例如塔架中的振动、风速等，并根据传感器64、65、66、67的测量结果控制致动器16、26。控制系统62还可以包括多个不同的变量，例如通过风速计测得的风速，并可以根据测量结果和/或算法控制致动器16、26。控制系统62可单个地或成组地控制致动器16、26。应该注意，可以将多个传感器64、65、66、67放置在风轮机1的若干点处，从而能根据来自整个风轮机1的精确而可靠的测量结果控制致动器16、26。
在本发明的实施例中，控制系统62根据所述传感器64、65、66、67的测量结果控制多个载荷改变装置9。
在本发明的另一实施例中，连接装置10仅直接或间接地连接在塔架结构的一个点处，例如塔架顶部的塔架凸缘55处，并且在钢丝绳、杆14、24等的连接点之间的任何位置都不直接或间接触及塔架2。钢丝绳、杆或类似物的另一端可以直接或间接地连接到基座6。致动器16、26，例如牵引装置，放置在钢丝绳或杆14、24的端点之间任何地方或者端部处。
在本发明的另一实施例中，连接装置10的两端都连接到塔架结构上，并且该连接装置10在连接装置10的连接点之间的任何位置都不触及塔架壁。钢丝绳、杆14、24或类似物的至少一端连接到配件上，所述配件防止钢丝绳、杆14、24在两个连接点之间的任何位置处触及塔架壁。致动器16、26可以安放在钢丝绳、杆14、24或类似物的一端或全部两端处。
在本发明的另一实施例中，钢丝绳、杆14、24或类似物可以是环状的。
上面已经参照风轮机1、载荷改变装置9、连接装置10等的具体实施例举例说明了本发明。然而，应该理解，本发明不限于上述具体实施例，而是可在权利要求所限定的发明范围内进行各种的设计和变型。
附图标记列表
1.                         风轮机
2.                         包括至少两个塔架分段的风轮机塔架
3.                         风轮机机舱
4.                         风轮机轮毂
5.                         风轮机叶片
6.                         用于风轮机的基座
7.                         叶片轴承
8.                         塔架分段
9.                         载荷改变系统/装置
10.                        连接装置
11.                        导向装置
14、24、34、44.            钢丝绳、杆或类似物
16、26、36、46.            致动器
17.                        塔架分段接合
18、28、38、48.            阻尼器装置
42、52.                    塔架壁
47、57.                    杆
49、59.                    滑轮组
55.                        水平凸缘
62.                        控制系统
64、65、66、67.            传感器

Claims (19)

1.一种风轮机(1)，包括
风轮机转子(4)，它具有至少一个风轮机叶片(5)，
风轮机塔架(2)，例如标准管状钢塔架(2)，它安放在基座(6)上，并通过风轮机机舱(3)连接到所述风轮机转子(4)，以及
控制装置，所述控制装置用于建立风轮机(1)的振荡控制值，
其特征在于，
所述塔架(2)包括载荷改变装置(9)，以用于根据来自所述控制装置的所述值优化塔架的本征频率。
2.按照权利要求1的风轮机(1)，其特征在于，所述载荷改变装置(9)包括用于调节所述塔架(2)或所述塔架(2)一部分上的载荷的装置。
3.按照权利要求1或2的风轮机(1)，其特征在于，所述载荷改变装置(9)包括连接装置(10)，该连接装置垂直地将一塔架部位与至少一个下部塔架部位或者与基座(6)相连。
4.按照权利要求3的风轮机(1)，其特征在于，所述连接装置(10)包括钢丝绳或杆(14、24、34、44)。
5.按照权利要求3或4的风轮机(1)，其特征在于，所述连接装置(10)包括阻尼器装置(18、28、38、48)。
6.按照权利要求3-5之一的风轮机(1)，其特征在于，所述载荷改变装置(9)包括至少一个致动装置，该致动装置直接或间接地作用在所述连接装置(10)上。
7.按照权利要求6的风轮机(1)，其特征在于，至少一个致动装置是液力或电动致动器(16、26、36、46)，该液力或电动致动器根据所述来自控制装置的控制值改变所述连接装置(10)的张力。
8.按照前述权利要求之一的风轮机(1)，其特征在于，所述控制装置包括传感器，例如用于测量风轮机(1)的振荡值的加速度计、应变仪、风速计、温度计等。
9.按照前述权利要求之一的风轮机(1)，其特征在于，所述载荷改变装置(9)安放在所述塔架(2)的内侧。
10.按照前述权利要求之一的风轮机(1)，其特征在于，所述载荷改变装置(9)是在所述塔架(2)上均匀间隔开的至少三个独立的载荷改变装置(9)，例如安放在所述塔架(2)的两相对内侧面上的基本垂直的两组连接装置(10)。
11.按照前述权利要求之一的风轮机(1)，其特征在于，所述控制装置设计用于在所述振荡控制值超出一个或多个预定极限范围时起动所述载荷改变装置(9)。
12.按照前述权利要求之一的风轮机(1)，其特征在于，所述控制装置包括用于相对于所述振荡控制值按比例地和/或动态地调节所述载荷改变装置(9)的装置。
13.一种控制系统(62)，用于改变按照前述权利要求之一的风轮机(1)的塔架(2)的本征频率，所述控制系统(62)包括
用于建立风轮机(1)的振荡控制值的装置，
其特征在于，
所述控制系统(62)包括载荷改变装置(9)，该载荷改变装置用于根据所述振荡控制值调节所述塔架(2)上或者所述塔架(2)的一部分上的载荷。
14.一种用于改变风轮机的塔架(2)的本征频率的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过控制装置建立所述风轮机(1)的振荡控制值，以及
-通过所述塔架(2)的载荷改变装置(9)根据所述振荡控制值优化塔架的本征频率。
15.按照权利要求14的方法，其特征在于，根据所述塔架(2)的振荡建立所述振荡控制值。
16.按照权利要求14或15的方法，其特征在于，所述载荷改变装置(9)通过调节所述塔架(2)上或者所述塔架(2)的一部分上的载荷来优化塔架的本征频率。
17.按照权利要求16的方法，其特征在于，所述载荷改变装置(9)包括连接装置(10)，该连接装置垂直地将一塔架部位与至少一个下部塔架部位或者与基座(6)相连。
18.按照权利要求17的方法，其特征在于，通过调节所述连接装置(10)的张力来调节所述载荷。
19.按照权利要求14-18之一的方法，其特征在于，当所述振荡控制值超出一个或多个预定的极限范围时，起动所述载荷改变装置(9)。
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