CN112534134A - 单点系泊风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

具有布置在塔架(10)上的转子(20)的单点系泊风力涡轮机(100′)，其特征在于抵消由转子扭矩引起的风力涡轮机(100′)的摇摆的设计。

Description

单点系泊风力涡轮机

本发明涉及一种具有布置在塔架上的转子的单点系泊风力涡轮机。特别地，本发明涉及一种具有浮动基座的单点系泊风力涡轮机，其具有布置在一个平面中的至少两个浮力体。

单点系泊风力涡轮机尤其从US 2011 140 451 A1、EP 1 269 018 A1、DE 10 2013111 115 B3、EP 3 019 740 B1和DE 10 2016 118 079 B3中为人所知。尤其是，这些发电机都具有浮动基座，该基座安装为使得基座仅能围绕一个点旋转，因此由于这种特殊类型的锚点(锚固)，可以省去能量转换单元和塔架顶部之间用于风向跟踪的单独的设备。相反，这些被设计为下风转轮的风力涡轮机的风向跟踪独立进行，因为浮动单点系泊风力涡轮机根据风向围绕着锚点将自身与风对齐。类似于船舶往返于锚定浮标的所谓的摇摆(Schwojen)，涡轮机在风中的自对齐也可以描述为摇摆。浮动风力涡轮机围绕着锚点的摇摆几乎主要是由于风向的变化，风力涡轮机锚定所在的水的流向的变化仅起很小的作用。根据EP 3 019 740 B1，风中自对齐的设计还允许将转子或能量转换单元上产生的负载直接引入基座中，不会在塔架上产生弯矩，而是从那里直接引入锚点，并因此引入浮动风力涡轮机锚定所在的水底。

这样的涡轮机相对于多锚定的并因而基本上不可旋转的、在塔架顶部具有(主动)风向跟踪系统的涡轮机的根本优势在于，由于在塔架和吊舱之间没有横摆系统，因此单点系泊风力涡轮机的头部重量可以显著降低，这又减少了支撑具有转子的塔架的浮动基座的建设工作。

在单点系泊风力涡轮机的研究和开发过程中，本申请的发明人意识到这样的事实，即这种风力涡轮机在运行时由于转子的扭矩而倾向于沿转子的旋转方向侧倾。在大型海上涡轮机的情况下，该倾斜角α为大约2°到约7°之间。

单点系泊风力涡轮机的倾斜又意味着在单点系泊风力涡轮机的俯视图中，单点系泊风力涡轮机的锚定点(即枢转点)与向一侧侧倾的涡轮机的转子轴线之间的预定线不再与风向相同，使得在锚定点周围形成了扭矩，并且整个涡轮机都在风向外旋转(不沿风向旋转)。如果沿着风向看旋转方向为顺时针方向，则从上方观看时，涡轮机首先向右倾斜(侧倾)，然后整个涡轮机向左转动。转子轴线相对于风向的最终偏差达到介于大约20°至大约40°之间的值，因此，能预料由于转子扭矩引起的风向偏差产生的高达25-30％的(不可接受的)能量损失。

出于本专利申请的目的，锚定点是单点系泊系统的枢转点。

因此，运行中的浮动单点系泊风力涡轮机的摆动具有除了水流变化引起的可忽略部分和风向变化引起的为了维持涡轮机的运行的部分之外，还具有由于转子扭矩产生的对涡轮效率有负面影响的部分。换句话说，浮动单点系泊风力涡轮机的摇摆是由风、流动和转子旋转作用在涡轮机上的力和力矩的结果。

下面使用附图更详细地说明这一关系。其中：

图1(a)示出了在无扭矩状态下的浮动风力涡轮机的沿风向观察的示意性前视图，(b)示出在无扭矩状态下的浮动风力涡轮机的俯视图；以及

图2(a)示出在具有转子扭矩的运行状态下的图1所示的浮动风力涡轮机沿风向观察的示意性前视图，以及(b)示出在具有转子扭矩的运行状态下来自图1的浮动风力涡轮机的示意性俯视图。

图1a示出了根据现有技术的特别优选的浮动风力涡轮机100的沿风向观察的示意性前视图，其中同一涡轮机100在图1b中再次以俯视图示出。涡轮机100形成为单点系泊风力涡轮机100，其中如从DE 10 2016 118 079 B3中所知，涡轮机100的锚定点或枢转点200位于浮动风力涡轮机100的浮动基座的长臂的自由端处。还可见的是将风力涡轮机100锚定到水底的锚线210和将风力涡轮机连接到电网的海底电缆220。

在所示的示例中，风力涡轮机100未运行，并且如图1所示，其平衡方式使得浮动基座基本水平对齐，从而使风力涡轮机100的塔架与锚定点200完全沿风向对齐(参见箭头)。

然而，如果单点系泊风力涡轮机100运行具有扭矩产生，能观察到涡轮机100沿转子的旋转方向以角α侧倾，并且在风向(和流动方向)不变的情况下，沿与旋转方向相反的反向围绕涡轮机100的枢转点200、即涡轮机100的锚点摇摆到风以外。与通常的假设相反，单点系泊风力涡轮机100由于转子扭矩引起的摇摆而在图1中的风向不变时实际呈图2所示的位置。显然，由转子扭矩引起的风力涡轮机的这种摇摆导致了能量损失。

这种扭矩-横摆耦合现象是由于浮动风力涡轮机的设计中仅仅具有“单点系泊”锚点而发生的，在这种情况优选通过基座上或基座内的旋转连接，整个涡轮机可以在水中旋转而没有弹性恢复力，并且只具有水阻尼(水进行减振抑制)。

因此，本发明的目的是提出一种特别高效的单点系泊风力涡轮机。

该目的通过具有权利要求1的特征的单点系泊风力涡轮机来实现。该任务还通过具有权利要求9的特征的使锚定到锚定点并且可围绕锚定点自由旋转的单点系泊风力涡轮机运行的方法来达成。从属权利要求分别反映了本发明的有利实施例。

本发明的基本思想是以如下方式设计涡轮机，使得由于单点系泊风力涡轮机的组装，采取结构上的措施或提供某些附加设备来抵消由转子扭矩引起的风力涡轮机围绕锚定点的摇摆。

根据本发明，这可以一方面通过以下方式在构造上实现，即单点系泊风力涡轮机或其部件(部分)从一开始在没有由旋转的转子引起的扭矩、即涡轮机非运行的情况下就占据第一位置，这导致转子扭矩，以在运行期间使涡轮机占据第二位置，在该位置中，锚定点/枢转点和转子、尤其是转子轴线在涡轮机俯视图中与风向成一直线并对应于转子推力。由于在运行过程中否则会由转子扭矩引起的涡轮机的侧倾通过由结构引起的涡轮机非运行时的侧倾进行了补偿，因此，可以避免或大为减小单点系泊风力涡轮机围绕锚定点自风向偏离的摇摆。

以这种方式，参照转子的标称扭矩，可以优选地规定，涡轮机的塔架在与转子的旋转方向相对的方向上向前倾斜预定的倾斜角，其中塔架竖立使得仅当产生由转子引起的扭矩时，锚定点和转子、尤其是转子轴线在涡轮机的俯视图中与风向成一直线。

因此特别地，涡轮机必须设计成使得在涡轮机的非运行状态下的塔架在与转子的旋转方向相反的方向上的倾斜角等于涡轮机在运行状态下施加由转子引起的(标称)扭矩时在转子旋转方向上的倾斜角。该设计补偿了由转子引起的扭矩对涡轮机围绕锚定点的定位的影响，从而避免了功率损失。

根据另一种设计，在单点系泊风力涡轮机中具有布置在转子的两侧上的至少两个浮力体，以使与转子的旋转方向相逆地布置的浮力构件优选地具有比沿转子的旋转方向布置的浮力体更大的配重(重量)。另一方面，优选地可设想使在转子的旋转方向上布置的浮力构件的浮力大于与转子的旋转方向相逆布置的浮力体的浮力。通过将两个方法(程序)结合起来，也可以获得相同的预期效果。

根据本发明，作为这些通常的构造措施的替代(或附加于此)，规定单点系泊风力涡轮机具有直接地且功能上地抵消转子的扭矩的装置。特别地，该装置具有、或设计为产生推力的驱动件，该推力抵消由转子扭矩引起的摇摆，并围绕锚定点旋转整个涡轮机抵抗由转子扭矩引起的摇摆。例如，船舶的发动机和/或横向推进器(Querstrahlsteueranlage，机动推进器)可以用作驱动件。

根据本发明，提出了一种具有布置在塔架上的转子的单点系泊风力涡轮机，其设计抵消了由转子扭矩引起的风力涡轮机的摇摆。

根据本发明的优选设计，特别提出了一种装置，该装置抵消由转子扭矩引起的风力涡轮机的摇摆。

根据本发明设计或安装的风力涡轮机优选地具有浮动基座，该浮动基座具有布置在一个平面中的至少两个浮力体。

根据第一优选设计，塔架逆向于转子的旋转方向倾斜以补偿由转子扭矩引起的风力涡轮机的摇摆。

特别优选的是，塔架朝向基座倾斜。

塔架相对于水平面的倾斜角β最优选为约2°≤β≤7°。

根据第二优选实施例，涡轮机在与转子的旋转方向相对的一侧上具有附加的配重，该附加的配重至少部分地补偿了转子的标称扭矩。

通过替代的优选设计也获得了相同的效果，其中，沿转子的旋转方向布置的浮力体比与旋转方向相对地布置的浮力体具有更大的浮力。

本发明特别适用于根据EP 3 019 740 B1设计的风力涡轮机，其中设置了具有在一个平面上布置的至少三个浮力体的浮动基座，塔架基部邻近于其中一个浮力体布置，并且转子布置在另外两个浮力体之间，并且其中沿旋转方向布置的浮力体与转子的距离大于与转子的旋转方向相对地布置的浮力体的距离。替代地，在与旋转相对的方向上的浮力体到转子的距离可以小于在旋转方向上的浮力体到转子的相应距离。

最后，提出了一种风力涡轮机，其中该装置具有驱动件，该驱动件至少部分地补偿了摇摆，尤其是船舶的发动机或横向推进器。

根据本发明的涡轮机的设计不仅必须具有抵消转子扭矩的单独的设计特征，而且还可以将上述各实施例以(部分的)结合来结合在单个涡轮机中。

为了对具有布置在塔架上的转子、锚定在锚定点上并且可自由旋转从而锚定它的单点系泊风力涡轮机进行安装和初始运行，根据本发明，为了补偿转子在运行中产生的扭矩(特别是在转子的标称扭矩方面)提出了在非运行状态下平衡涡轮机，使得在单点系泊风力涡轮机的俯视图中，在单点系泊风力涡轮机的运行状态下，锚定点和转子轴线之间的预定线与风向相同。

该风向优选地限定为单点系泊风力涡轮机在时间方面和/或在地区中的本地(局部)平均风向。

平衡还优选地通过在单点系泊风力涡轮机内或在单点系泊风力涡轮机处用压载水填充和/或排空压载水箱来进行。替代地或附加地，涡轮机的平衡也可以通过附连和/或去除配重来进行。

通过在附图中示出的特别优选设计的示例性实施例来更详细地阐释本发明。其中：

图3(a)示出了具有根据本发明的实施方式的第一示例性实施例的处于无扭矩状态中的浮动风力涡轮机沿着风向观察的示意性前视图，以及(b)示出该浮动风力涡轮机的示意性俯视图；

图4(a)示出了在具有转子扭矩的操作状态下的图3所示的浮动风力涡轮机的示意性前视图，以及(b)示出根据本发明的实施例的处于具有转子扭矩的运行情况下的该浮动风力涡轮机的示意性俯视图；

图5示出了根据特别优选设计的第二示例性实施例执行的构造，其中塔架相对于基座偏移了一定角度；

图6示出了根据第三示例性实施例的浮动风力涡轮机的结构，具有布置为到对称轴距离不同的浮子；

图7示出了根据第四示例性实施例的浮动风力涡轮机的结构，具有布置为到对称轴的水线面积不同的浮子；以及

图8示出了根据第一示例性实施例的浮动风力涡轮机的结构，利用该结构通过附连附加的配重而产生所需的偏移(不对准)。

图3a示出了在无扭矩条件下根据第一示例性实施例的沿风向对准的浮动单点系泊风力涡轮机的示意性前视图，其中图3b代表浮动单点系泊风力涡轮机的示意性俯视图。

图3中所示的单点系泊风力涡轮机100′在构造上与众所周知的浮动风力涡轮机中使用的结构基本相同。单点系泊风力涡轮机100′具有布置在塔架10上的转子20，其中塔架10布置在具有三个浮力体40a、40b、40c的基座30上。基座30是Y形的，其中相应的浮力体40a、40b、40c位于Y形基座结构相应的一个臂的自由端处。带有40c浮力体的长臂形成了单点系泊风力涡轮机100′的对称轴线，其中，塔架10布置在对称轴线上并且向下风方向倾斜。

然而，根据本发明，未知且未规定的是，单点系泊风力涡轮机100′最晚在将其连接到锚定点200之后、但是在任何情况下均在使其运行之前被平衡，以使塔架10逆着转子20的旋转方向倾斜预定的倾斜角度β，从而使单点系泊风力涡轮机100′侧倾约5°。

如图3b在单点系泊风力涡轮机100'的俯视图中清楚显示的，转子轴线因此清楚地处在由基座30的长臂形成的涡轮机的对称轴线的外部。

但是，如果单点系泊风力涡轮机100′投入运行，则由于转子20产生的扭矩，涡轮机将以预先确定的倾斜角度竖直，因此如图4a和图4b所示，在单点系泊风力涡轮机100′的俯视图中清楚示出了在单点系泊风力涡轮机100′的运行状态下锚定点200与转子轴线之间的预定线与风向相同。

处于非运行状态的涡轮机的与转子20的标称扭矩相反(抵消)的具有与预定倾斜角β的侧倾可以通过不同的方式引起：

一方面，如图8所示，与转子相对于对称轴线的旋转方向相反的单点系泊风力涡轮机100'的一部分，特别是基座30或浮力体40a可以形成为具有比单点系泊风力涡轮机100′在旋转方向上的部分更高的配重。尤其是，图8显示的运行期间在意在用作枢转点转子的轴线上测量到的所需的偏移(不对准)可以通过在风力涡轮机的与转子的旋转方向相对的一侧上附连附加的配重而产生，例如，通过提供附加的配重50，该附加的配重50布置在承载有浮力体40a的臂的自由端处，特别是在浮力体40a的下方。

最后，图8示出了根据第一示例性实施例的浮动风力涡轮机100'的结构，其中如先前所表示的，通过在风力涡轮机与转子的旋转方向相对的一侧上附连附加的配重来产生运行期间在意在用作枢转点转子的轴线上测得的、所需的偏移(不对准)。

另一方面，由于压载水在基座30和/或浮力体40a、40b中的分布，还可以通过平衡涡轮机100′来获得在涡轮机100′的非工作状态中采用的倾斜角。

在图5中示出了替代解决方案，其中单点系泊风力涡轮机100′的塔架10从一开始就沿着与转子20的旋转方向相对的浮力体40a的方向朝向众所周知的Y形基座30倾斜。因此，塔架10相对于基座30倾斜预定量，该预定量对应于在转子20施加扭矩的情况下涡轮机100′在运行期间整体倾斜的角度α。

图6示出了根据第三实施例示例的浮动风力涡轮机100′的结构，其中布置的浮力体40a、40b与意在的锚定点轴线的距离不同。

通过仔细观察，可以看到右浮力体40在风向上与塔架10沿风向倾斜的轴线的距离大于左浮力体40a沿风向的距离。浮力体40a、40b也相同地形成。由于沿转子20的旋转方向布置的浮力体与上述轴线之间的有效距离更大，因此产生了一种杠杆，该杠杆设计成抵消否则会使涡轮机100侧倾的转子扭矩。

图7示出了根据第四实施例示例的浮动风力涡轮机100′的结构，其中浮力体40a、40b、40c到风力涡轮机的对称轴线布置为具有不同的水线面积。

在此可以看出，沿所示的转子旋转方向布置的浮动体40b′形成为比沿相反于转子旋转的方向布置的浮动体40a′产生更大的浮力。后面提到的浮动体40a′能产生与布置在涡轮机100′的枢转点处的浮动体40c相同的浮力，或者沿转子的旋转方向布置的浮动体40b′产生与布置在涡轮机100′的枢转点处的浮动体40c相同的浮力，其中仅减小了相反于转子的旋转方向布置的浮动体40a′的浮力。

唯一重要的是，涡轮机100′平衡为使得涡轮机100′在运行过程中基本水平对准，并且从枢转点到转子的预定线与风向相同。

Claims (12)

1.单点系泊风力涡轮机(100′)，具有布置在塔架(10)上的转子(20)，

其特征在于，

抵消了由转子扭矩引起的所述风力涡轮机(100)的摇摆的设计。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100′)，其特征在于抵消了由转子扭矩引起的所述风力涡轮机(100′)的摇摆的装置。

3.根据前述权利要求之一所述的风力涡轮机(100′)，其特征在于，浮动基座(30)，所述浮动基座(30)具有布置在一个平面上的至少两个浮力体(40a、40b、40c)。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(100′)，其特征在于，所述塔架(10)相对于所述基座(30)与所述转子(20)的旋转方向相反地倾斜。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机(100′)，其特征在于，所述塔架(10)以2°≤β≤7°的角度倾斜。

6.根据权利要求3和4中任一项所述的风力涡轮机(100′)，其特征在于，所述风力涡轮机(100′)在与所述转子(20)的旋转方向相对的一侧上具有配重(50)，所述配重(50)至少部分地补偿了所述转子的标称扭矩。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的风力涡轮机(100')，其特征在于，沿所述转子(20)的旋转方向布置的所述浮力体(40b)具有比与所述旋转方向相反地布置的所述浮力体(40a)更大的浮力。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的风力涡轮机(100')，其特征在于，所述装置具有驱动件，所述驱动件产生抵消所述转子扭矩引起的摇摆的推力。

9.一种用于试运转单点系泊风力涡轮机(100′)的方法，所述单点系泊风力涡轮机(100′)锚定到锚定点(200)并且能围绕所述锚定点自由旋转，并具有布置在塔架(10)上的转子(20)，其特征在于以下步骤：

在非运行状态下平衡所述涡轮机(100′)以补偿运行期间所述转子(20)产生的扭矩，使得在所述单点系泊风力涡轮机(100′)的俯视图中，在所述单点系泊风力涡轮机(100′)的运行状态下，所述锚定点(200)和转子轴线之间的假想线与风向相同。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述风向是所述单点系泊风力涡轮机(100′)在地区上和/或时间上的局部平均风向。

11.根据权利要求9和10中任一项所述的方法，其特征在于，所述平衡通过用压载水来填充和/或排空在所述单点系泊风力涡轮机(100′)内或所述单点系泊风力涡轮机(100′)处设置的压载水箱来进行。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述平衡是通过施加和/或去除配重来进行的。

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