CN101874159A - 抑制风轮机振动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于抑制风轮机振动的方法，所述风轮机包括风轮机塔架、设置在所述风轮机塔架顶部的机舱、以及可旋转地连接到所述机舱的多个转子叶片，所述振动是由旋转的转子叶片在所述机舱和所述风轮机塔架上引起的力所产生。所述方法包括以下步骤：设置内部悬垂摆体结构，所述悬垂摆体结构操作性地连接到上部塔架区段；设置固定地安装到所述上部塔架区段的平台；以及设置包括一个或多个摩擦元件的抑制装置，所述摩擦元件相对于所述平台可移动地设置，所述一个或多个摩擦元件适合于响应所述悬垂摆体结构与所述平台之间的相对运动而相对于所述平台移动，从而通过摩擦消耗来自于悬垂摆体结构的能量。

Description

抑制风轮机振动的方法
技术领域
本发明涉及一种用于抑制风轮机塔架振动的方法。此外，本发明涉及一种风轮机，其具有设置在风轮机塔架顶部附近的振动抑制配置。
背景技术
专利文献中已经提出了用于风轮机的各种抑制配置。
例如，US 6,672,837涉及一种风轮机，该风轮机具有设置在机舱的振动抑制装置。该振动抑制装置被设计成抑制在转子旋转平面内转子叶片边缘方向的振动。
尤其是，US 6,672,837中提出的振动抑制装置涉及到一种风轮机，在该风轮机振动抑制装置设置在机舱的端部，即与转子延伸的端部相对。抑制装置被设计用于抑制转子叶片在旋转平面内的第一基频振动，特别是与转子旋转轴线相垂直的振动。
而且，已经提出了各种基于电力的抑制配置。例如，US 2006/066111公开了一种用于风轮机系统的振动抑制技术。风轮机系统包括振动抑制器，该振动抑制器提供可变信号以控制由风轮机系统的发电机所产生的转矩。可变信号是基于发电机转速并且具有第一局部峰值，该第一局部峰值是基于塔架左右振动的共振频率。EP 1045 988中提出了另一种基于电力的抑制配置。
本发明实施例的目的是提供一种方法和配置，用于抑制风轮机中由转子叶片所引起的振动。
本发明实施例的另一个目的是提供一种方法和配置，该配置能够容易地安装到现有风轮机中。其它目的从说明以及附图中体现。
发明内容
上面提到的目的在第一方面通过提供一种用于抑制风轮机振动的方法而实现，所述风轮机包括风轮机塔架、设置在所述风轮机塔架顶部的机舱、以及可旋转地连接到所述机舱的多个转子叶片，所述振动是由旋转的转子叶片在所述机舱和所述风轮机塔架上引起的力所产生，所述方法包括以下步骤：
-设置内部悬垂摆体结构，所述悬垂摆体结构操作性地连接到上部塔架区段；
-设置固定地安装到所述上部塔架区段的平台；以及
-设置包括一个或多个摩擦元件的抑制装置，所述摩擦元件相对于所述平台可移动地设置，所述一个或多个摩擦元件适合于响应所述悬垂摆体结构与所述平台之间的相对运动而相对于所述平台移动，从而通过摩擦消耗来自于悬垂摆体结构的能量。
风轮机原则上可以是任一类型风轮机，例如变浆距或者失速风轮机。而且，风轮机能够产生从几百千瓦到几兆瓦的电力。类似地，风轮机可以被安置在陆地上或者甚至被安置在海上作为离岸风轮机。
本发明中应用的抑制机构原则上包括通过两个或多个可相互移动物体之间的摩擦而提供抑制的所有种类抑制机构。由此，术语“通过摩擦”应当被理解为至少两个物体(例如两个摩擦板)之间的摩擦力被用于降低不期望的振动的配置。
悬垂摆体结构可以通过一个或多个悬垂杆、通过一个或多个悬垂线或者通过它们的组合而操作性地连接到上部风轮机塔架区段。优选地，悬垂摆体结构以相对于塔架纵向中心轴线偏心的方式悬垂在风轮机塔架的内部。后者能够实现塔架中内部空间的更好利用，所述内部空间可被用于塔架内的中央升降机。
摩擦元件可以适用于通过一个或多个悬垂杆、通过一个或多个悬垂线或者通过它们的组合而直接地或者间接地移动。可选择地或者附加地，摩擦元件可以通过致动元件而直接地或者间接地移动，所述致动元件固定地安装到悬垂摆体结构。致动元件可以是固定地安装到悬垂摆体结构的杆件。
摩擦元件可以被设置在悬垂摆体结构上方和/或下方，或者它们可以与一个或多个悬垂线结合在一起或者形成该一个或多个悬垂线的一部分。
摩擦元件可包括多个堆叠的、可相互移动的摩擦板。每个摩擦板都可以是具有贯穿开口的圆盘形，该开口适合于接收杆形驱动元件，所述杆形驱动元件操作性地连接到悬垂摆体结构、或者操作性地连接到一个或多个悬垂线或者一个或多个悬垂杆。贯穿开口可以采用圆形或椭圆形状。
在本发明的第一实施例中，悬垂摆体结构基本上围绕着中心轴线对称，由此形成了360度结构，并且它可以构成基本上实心的例如钢结构，该结构的重量仅仅是风轮机塔架重量的百分之几或更少。由此，悬垂摆体结构可具有50公斤到10吨范围内的质量，例如在100公斤到9吨范围内，例如在500公斤到9吨范围内，例如在1-9吨范围内，例如在2-8吨范围内，例如在3-7吨范围内，例如大约为5吨。
圆盘形摩擦板的数量可以在2-10范围内，例如在3-9范围内，例如在3-8范围内，例如在3-7范围内，例如在3-6范围内，例如在范围3-5范围内，例如4个圆盘形摩擦板。多个圆盘形摩擦板可由不锈钢制成。
多个圆盘形摩擦板中每一个都具有100-1000mm范围内的外部直径。类似地，多个圆盘形摩擦板中每一个都具有1-100mm范围内的厚度，以及重量在悬垂摆体结构质量的0.1-10％范围内。
在本发明的第二实施例中，抑制装置设置在悬垂摆体结构下方。根据第二实施例，抑制装置没有通过一个或多个悬垂线或者一个或多个悬垂杆而致动。相反地，抑制装置通过固定地安装到悬垂摆体结构的驱动杆而致动。摩擦元件可包括多个堆叠的、可相互移动的摩擦板。就实施方式而言，摩擦元件可以沿用关于本发明第一实施例论述的相同设计思路而进行实施。
应当知道的是，第一和第二实施例组合的抑制配置也是适用的。
在本发明的第三实施例中，悬垂摆体结构可包括拱形摆体结构，其在周边包括有通路，由此当拱形摆体结构悬垂在上部塔架区段时允许操作人员容易地穿过拱形摆体结构。拱形摆体结构可以延伸275-325度范围内的角度，例如大约300度。
拱形悬垂摆体结构可具有50公斤到10吨范围内的质量，例如在100公斤到9吨范围内，例如在500公斤到9吨范围内，例如在1-9吨范围内，例如在2-8吨范围内，例如在3-7吨范围内，例如大约为5吨。
根据本发明第三实施例的抑制装置可包括第一和第二套摩擦元件，该第一和第二套摩擦元件优选地沿着拱形摆体结构的周边安装到两个点。与本发明第一实施例相同，第一和第二套摩擦元件中的每一个都可包括多个堆叠的、可移动的圆盘形摩擦板，每个圆盘形摩擦板都具有适于接收杆形驱动元件的中心贯穿开口，所述驱动元件操作性地连接到悬垂摆体结构、或者操作性地连接到一个或多个悬垂线或者一个或多个悬垂杆。如前面所提到，圆盘形摩擦板的贯穿开口可以采用圆形或椭圆形状。
在本发明的第三实施例中，抑制装置可进一步包括第三摩擦元件，该元件包括多个堆叠的以及可移动的圆盘形摩擦板，每个摩擦板都具有适于接收杆形驱动元件的贯穿开口，所述驱动元件操作性地连接到悬垂摆体结构、或者操作性地连接到一个或多个悬垂线或者一个或多个悬垂杆。第三抑制装置可以沿着拱形摆体结构的周边连接到第三点。
组成第三摩擦元件的圆盘形摩擦板的数量可以在2-10范围内，例如在3-9范围内，例如在3-8范围内，例如在3-7范围内，例如在3-6范围内，例如在范围3-5范围内，例如4个圆盘形摩擦板。多个圆盘形摩擦板可由不锈钢制成。多个圆盘形摩擦板中的每一个都具有100-1000mm范围内的外部直径。类似地，多个圆盘形摩擦板中的每一个都具有1-100mm范围内的厚度，以及重量在悬垂摆体结构质量的0.1-10％范围内。
在第二方面，本发明涉及一种风轮机，所述风轮机包括风轮机塔架、设置在所述风轮机塔架顶部的机舱、以及可旋转地连接到所述机舱的多个转子叶片，所述风轮机还包括用于抑制振动的配置，所述振动是由旋转的转子叶片在所述机舱和所述机风轮机塔架上引起的力所产生，所述用于抑制振动的配置包括：
-内部悬垂摆体结构，所述内部悬垂摆体结构操作性地连接到上部塔架区段；
-设置在所述上部塔架区段内并且固定地安装到所述上部塔架区段的平台；以及
-包括一个或多个摩擦元件的抑制装置，所述摩擦元件相对于平台可移动地设置，所述一个或多个摩擦元件适合于响应所述悬垂摆体结构与所述平台之间的相对运动而相对于所述平台移动，从而通过摩擦消耗来自于所述悬垂摆体结构的能量。
如前所述，风轮机可以是任一类型的风轮机，例如大小从几百千瓦到几兆瓦的变浆距或者失速风轮机。类似地，风轮机可以被安置在陆地上或者甚至被安置在海上作为离岸风轮机。
风轮机可进一步包括至少部分地封装悬垂摆体结构的安全罩装置，该安全罩装置适合于在不正常的风轮机工作情况下将悬垂摆体结构保持在可靠位置。在最坏的情形下，不正常的工作情况可以是一个或多个悬垂线或者一个或多个悬垂杆断裂的情况。安全罩装置可以以允许悬垂摆体结构以预定最大振幅振动的方式而被实施。
安全罩装置可以固定地安装到风轮机上部塔架区段，或者固定地安装到平台。
优选地，悬垂摆体结构以相对于塔架纵向中心轴线偏心的方式设置。摩擦元件可包括多个堆叠的、可相互移动的摩擦板。就实施方式而言，摩擦元件可以沿用关于本发明第一方面论述的相同设计思路而进行实施。
附图说明
本发明参考附图进行进一步详细描述，其中：
图1显示了安装有抑制器的风轮机；
图2显示了根据第一实施例的摩擦抑制器；
图3显示了根据第一实施例的抑制配置的详细图示；以及
图4显示了根据第二实施例的摩擦抑制器的详细图示。
尽管发明可以有多种改进和选择形式，但是通过附图中的示例显示了特定的实施例并且在此详细描述。然而应当理解的是，发明不局限于公开的特定形式。相反地，发明覆盖了落入到随附权利要求所限定的发明精神与范围内的所有改进、等同物以及可选方案。
具体实施方式
概括地讲，本发明涉及一种用于抑制风轮机中由转子叶片引起的振动的方法。这种振动是由作用在机舱上的力所导致的，该力归因于旋转的转子叶片所引起的力。风导致转子叶片旋转并且这些旋转力被传递到适合于生成电能的风轮机。传递到发电机的力通常经由齿轮箱提供。当产生电能时，发电机和齿轮箱在机舱上引起一定的反作用力。
根据本发明的方法包括在风轮机的上部塔架区段内设置悬垂摆体结构，以及设置基于摩擦的抑制配置用于抑制悬垂体结构与上部塔架区段之间的相对运动。本发明还涉及一种包括抑制配置的风轮机。
参考图1，显示了风轮机1，其包括塔架4、机舱2以及一套以旋转方式安装的转子叶片2。如图1中箭头所示，阵风导致风轮机左右振动。
为了抑制这种振动，摆体型摩擦抑制器5从顶部平台的下表面悬垂下来。摆体质量可以低至风轮机质量的1％。由此，如果风轮机质量为100吨，那么塔架内部悬垂的摆体质量可以低至1吨。然而，大约5吨的摆体质量也是适合的。
参考图2，显示了上部塔架区段的特写视图。在图2中，摆体型摩擦抑制器5在悬垂线6上悬垂，该悬垂线6的一端紧固到塔架的顶部平台9，而另一端紧固到摆体5。可选地，悬垂摆体结构5可以悬垂在一个或多个基本刚性悬垂杆、多个悬垂线上或者两者的组合上。
当风轮机塔架由于例如阵风而开始左右振动时，摆体5也开始振动。为了抑制塔架的振动，以及同时抑制机舱和转子叶片的振动，摆体5通过抑制配置7操作性地连接到塔架，该抑制配置7在图3中更加详细地显示。在图2中，抑制配置实施在安全罩8的顶部上。替代地，抑制配置也可以安装在更高的平台上，例如平台10上。
应当知道的是，可以任选地设置用于就地调节悬垂线6长度的配置。通过提供悬垂线6的长度调节，摆体型摩擦抑制器5的机械频率特性可以与风轮机的频率特性相匹配，从而提高系统的抑制效果。
如图2所示，悬垂摆体结构5至少局部地装封在安全罩8内，该安全罩固定地连接到平台11，该平台又固定地连接到风轮机塔架4。安全罩8的目的是在悬垂线6断裂的情况下避免摆体结构5落到风轮机塔架的底部。此外，安全罩8为摆体结构5的振动振幅设置最大值。
如图2所示，安全罩8的大小被选择成使得只要振幅不超过预定最大值摆体结构5就能够在安全罩8内自由地振动。在风轮机突发紧急停止的极少数情况下，由于转子叶片和传动系统的惯量，所述振幅会危险地很高。
在图3中，安全罩8、悬垂线6以及悬垂摆体结构5被显示成特写透视图。应当知道的是，图3中仅仅显示了单个悬垂线6。此外，悬垂线6的一端紧固到塔架的顶部平台，而悬垂线6的另一端紧固到摆体5。明显地，可以应用额外的悬垂线或者悬垂杆。
风轮机振动的抑制可以由抑制配置提供，该抑制配置包括延伸到摩擦板13、14、15以及16的贯穿开口中的杆件12，所述摩擦板13、14、15以及16被设置成在基盘17上移动，所述基盘17固定地连接到安全罩8。由此，当风轮机塔架和摆体结构5相对移动时，摩擦板13、14、15以及16相对于基盘17移动并且彼此相对地移动。由于摩擦板13、14、15以及16内部之间、以及摩擦板16与基盘17之间的摩擦力，风轮机的振动得到有效地抑制。
杆件12的作用是作为外部衬套。该外部衬套可以相对悬垂线6移动，并且它可以由聚合体材料制成，从而获得与摩擦板13、14、15以及16的基本上无声的相互作用。如图3所示，杆件/衬套12靠在摆体结构5上，而没有固定到悬垂线6。
图3中所示抑制配置的优点在于它能够抑制所有方向上的振动，即图3平面之内的各个方向以及图3平面之外的方向。抑制配置还能够抑制前面提到方向的组合的振动。
图3显示了仅仅应用一个抑制配置。然而，可以应用以及平行地操作多个抑制配置。由此，多个抑制配置可以是一个、两个、三个或者甚至更多个。多个抑制配置可以设置在悬垂摆体结构上方和/或下方。
如前面所提到，摆体的全部质量在被抑制结构质量(这里是风轮机质量)的1-5％范围内。在100吨风轮机的情况下，摆体质量在1-5吨范围内。
悬垂摆体结构的形状可以进行变化从而满足特定的要求。由此，悬垂摆体结构可以是实心结构。可选择地，悬垂摆体结构可以采用例如在三个悬垂线或悬垂杆上悬垂的拱形摆体结构的形式。拱形摆体结构的开口允许操作人员穿过摆体结构，从而到达风轮机的机舱。由此，通过应用覆盖大约300度的拱形摆体结构，允许操作人员在安装到机舱中的部件需要进行维护、修理或者移除的情况下轻易地进入到机舱。在拱形摆体结构被悬垂在三个悬垂线或悬垂杆的情况下，应用三套摩擦板以提供必要的抑制。这种多套摩擦板也能像抑制振动一样抑制扭转，所述扭转在支撑塔架中容易发生。
在图2和3中，摩擦板通过悬垂线/杆所致动。可选择地，摩擦板可以通过连接到图4中的摆体结构的单个配置而致动，图4中摩擦板被安置在摆体下方。在图4中，开口18设置在安全罩8的下部区段内，以及被衬套20围绕的杆件19被连接到摆体结构5。衬套20沿着杆件19的纵向方向自由地移动。
这样，当风轮机塔架以及摆体结构5彼此相对移动时，摩擦板21、22、23和24相对于基盘25移动以及彼此相对地移动。由于摩擦板21、22、23以及24内部之间、以及摩擦板24与基盘25之间的摩擦力，风轮机的振动得到有效地抑制。基盘25固定地连接到风轮机塔架(未示出)。外部衬套20由聚合材料制成，从而获得与摩擦板21、22、23以及24的基本上无声的相互作用。
如前所述，图3和4中所示抑制配置的组合也是适合的。
摩擦板可由不锈钢制成，但是其它材料也是适合的。摩擦板的直径通常在10-1000mm范围内。摩擦板的厚度基本上是相同的或者可以是不同的。一般厚度为1-100mm。摩擦板的重量应当匹配摆体的重量从而获得塔架振动的最大抑制。摩擦板的一般重量在摆体质量的0.1-10％范围内。
在图2-4中，摩擦板的数目为4个以及摩擦板被显示成圆盘形摩擦板。显然地，摩擦板的数目可以不等于4，以及摩擦板的形状可以不同于圆盘形，例如方形或矩形摩擦板。
还应当认识的是，贯穿开口可以被实施成圆形或者椭圆形贯穿开口。贯穿开口的尺寸通常在10-200mm范围内。参考图3，摩擦板13的贯穿开口小于摩擦板14的贯穿开口。类似地，摩擦板14的贯穿开口小于摩擦板15的贯穿开口，等等。

Claims (13)

1.一种用于抑制风轮机振动的方法，所述风轮机包括风轮机塔架、设置在所述风轮机塔架顶部的机舱、以及可旋转地连接到所述机舱的多个转子叶片，所述振动是由旋转的转子叶片在所述机舱和所述风轮机塔架上引起的力所产生，所述方法包括以下步骤：
-设置内部悬垂摆体结构，所述悬垂摆体结构操作性地连接到上部塔架区段；
-设置固定地安装到所述上部塔架区段的平台；以及
-设置包括一个或多个摩擦元件的抑制装置，所述摩擦元件相对于所述平台可移动地设置，所述一个或多个摩擦元件适合于响应所述悬垂摆体结构与所述平台之间的相对运动而相对于所述平台移动，从而通过摩擦消耗来自于悬垂摆体结构的能量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述悬垂摆体结构通过一个或多个悬垂杆、通过一个或多个悬垂线或者通过它们的组合操作性地连接到所述上部塔架区段。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个摩擦元件包括多个堆叠的、可相互移动的摩擦板。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述一个或多个摩擦元件适合于通过所述一个或多个悬垂杆、所述一个或多个悬垂线或者它们的组合而直接地或者间接地移动。
5.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述一个或多个摩擦元件适合于通过致动元件而直接地或者间接地移动，所述致动元件固定地安装到所述悬垂摆体结构。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述悬垂摆体结构以相对于所述风轮机塔架纵向中心轴线偏心的方式设置。
7.一种风轮机，所述风轮机包括风轮机塔架、设置在所述风轮机塔架顶部的机舱、以及可旋转地连接到所述机舱的多个转子叶片，所述风轮机还包括用于抑制振动的配置，所述振动是由旋转的转子叶片在所述机舱和所述机风轮机塔架上引起的力所产生，所述用于抑制振动的配置包括：
-内部悬垂摆体结构，所述内部悬垂摆体结构操作性地连接到上部塔架区段；
-设置在所述上部塔架区段内并且固定地安装到所述上部塔架区段的平台；以及
-包括一个或多个摩擦元件的抑制装置，所述摩擦元件相对于平台可移动地设置，所述一个或多个摩擦元件适合于响应所述悬垂摆体结构与所述平台之间的相对运动而相对于所述平台移动，从而通过摩擦消耗来自于所述悬垂摆体结构的能量。
8.如权利要求7所述的风轮机，其特征在于，还包括至少部分地封装所述悬垂摆体结构的安全罩装置，所述安全罩装置适合于在不正常的风轮机工作情况下将所述悬垂摆体结构保持在可靠位置。
9.如权利要求8所述的风轮机，其特征在于，所述安全罩装置可以以允许所述悬垂摆体结构以预定最大振幅振动的方式被实施。
10.如权利要求7-9任一所述的风轮机，其特征在于，所述安全罩装置固定地安装到风轮机上部塔架区段。
11.如权利要求7-9任一所述的风轮机，其特征在于，所述安全罩装置固定地安装到所述平台。
12.如权利要求7-11任一所述的风轮机，其特征在于，所述悬垂摆体结构以相对于所述风轮机塔架的纵向中心轴线偏心的方式设置。
13.如权利要求7-12任一所述的风轮机，其特征在于，所述摩擦元件包括多个堆叠的、可相互移动的摩擦板。
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