DE10309825A1 - Wind generator installation with mast provided with stay wires has vibration dampers fitted in stay wires - Google Patents

Wind generator installation with mast provided with stay wires has vibration dampers fitted in stay wires Download PDF

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Abstract

The mast (106) has three stay wires (108) fitted with hydraulic dampers (110). Each has a differential cylinder (14) with a cylinder case (18) connected to the stay wire through a force sensor (40). A stepped piston (16) divides the cylinder into two pressure chambers (32,34) and is held in position by a thrust block (12). As the cylinder case moves in response to stay vibrations fluid is forced between the chambers and hydraulic pumps (22,24), controlled by the force sensor, act to compensate for the pressure changes in the cylinder chambers and dampen vibrations.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem mit Abspannungen versehenen Mast.The invention relates to a wind turbine with a mast with bracing.

Die Nabenhähe des Rotors einer Windenergieanlage hat auf den Ertrag und damit auf die Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlage einen wichtigen Einfluß. Dabei gilt, daß der Ertrag umso besser ist, je größer die Nabenhähe des Rotors ist. Die Nabenhöhe einer Windenergieanlage ist durch die Höhe des Turms bestimmt, auf dem die Gondel, in dem der Rotor gelagert ist, gehalten ist.The hub close-up of the rotor of a wind turbine has on the yield and thus on the profitability of the wind turbine an important influence. It applies that the The bigger the yield, the better the yield Nabenhähe of the rotor. The hub height a wind turbine is determined by the height of the tower which the nacelle in which the rotor is mounted is held.

In Windenergieanlagen werden für die Aufnahme der Gondel sowohl freitragende Türme als auch abgespannte Masten eingesetzt. Freitragende Türme besitzen eine hohe Nick- und Torsionssteifigkeit, erfordern hierfür allerdings einen hohen Materialeinsatz, wenn sie biegesteif gebaut werden sollen, Abgespannte Masten sind besonders bei kleineren Anlagen sehr verbreitet, weil sie leichter als freitragende Türme sind und sich gut für einen Aufbau der Windenergieanlage mit Jütbaum und Winde eignen. Bei einem derartigen Aufbau der Windenergieanlage lassen sich außerdem Kosten beim Transport und bei der Montage reduzieren. Wegen der Schwingneigung van abgespannten Masten ist die Höhe von Windenergieanlagen mit derartigen Masten jedoch begrenzt.In wind turbines are used for inclusion the gondola both cantilevered towers as well as guyed masts. Own unsupported towers high pitch and torsional rigidity, however, are required for this a high amount of material, if they are to be built rigid, guyed Masts are particularly common in smaller systems because they are lighter than cantilevered towers are and are good for a structure of the wind turbine with Jütbaum and winch are suitable. at Such a construction of the wind turbine can also be costly reduce during transport and assembly. Because of the tendency to vibrate of guyed masts is the height of wind turbines with however, such masts are limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsver halten einer Windenergieanlage mit einem mit Abspannungen versehenen Mast zu verbessern.The invention has for its object that Betriebsver behave a wind turbine with a guy provided mast to improve.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Durch die Dämpfung der Schwingungen des Masts wird die Anregung von Schwingungen des Rotors aufgrund von Schwingungen des Masts vermindert. Ebenso wird die Anregung von Schwingungen des Masts aufgrund von Schwingungen des Rotors vermindert. Die Dämpfung der Schwingungen des Masts verringert die Betriebslasten der Windenergieanlage und damit auch eine Gefährdung von Bestandteilen des Antriebsstrangs, wie z. B. Lagern und Getriebe. Die Verbesserung des Betriebsverhaltens erlaubt es, höhere maximale Drehzahlen des Rotors zuzulassen.This task is claimed by the 1 marked features solved. By damping the vibrations of the mast is the excitation of vibrations of the Rotors decreased due to mast vibrations. Likewise, the Excitation of mast vibrations due to vibrations of the Rotors decreased. The damping the vibrations of the mast reduce the operating loads of the wind turbine and therefore also a hazard components of the drive train, such as. B. bearings and gears. The improvement in operating behavior allows higher maximum Allow speeds of the rotor.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Sie beziehen sich insbesondere auf die Ausbildung der Dämpfungsvorrichtung und auf ihre Anordnung bezüglich der Abspannung.Advantageous further developments of Invention are in the subclaims characterized. They relate in particular to training the damping device and their order regarding the guy.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenThe invention is described below its further details with reference to one shown in the drawings embodiment explained in more detail. It demonstrate

1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage und 1 a view of a wind turbine according to the invention and

2 eine schematische Darstellung einer Dämpfungsvorrichtung. 2 a schematic representation of a damping device.

Die 1 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage 103. Eine Gondel 104, in der ein dreiflügliger Rotor 105 horizontal gelagert ist, ist auf einem Mast 106 um seine senkrechte Achse drehbar angeordnet. Der Mast 106 steht auf einem Fundament 107, das die Windenergieanlage vor einem Einsinken in den Untergrund aufgrund ihres Eigengewichts sichert. Der Mast 106 ist zusätzlich über drei Abspannungen 108. an Abspannfundamenten 109 verankert. Die Abspannfundamente 109 nehmen die Zugkräfte aus den Abspannungen 108 auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Abspannungen 108 vorgesehen, die gleichmäßig um den Mast 106 verteilt sind. In der 1 sind nur zwei der Abspanungen 108 sichtbar, die dritte Abspannung ist von dem Mast 106 verdeckt. Im Kraftfluß jeder Abspannung 108 ist eine steuerbare hydraulische Dämpfungsvorrichtung 110 angeordnet, sie kann entweder aktiv oder semi-aktiv ausgebildet sein. Die Dämpfungsvorrichtung 110 ist über ein erstes Spannseil 111 mit dem Abspannfundament 109 und über ein zweites, kürzeres Spannseil 112 mit dem Mast 106 verbunden. Alternativ ist es möglich, die Dämpfungsvorrichtung 110 direkt an dem Mast 106 zu halten. In diesem Fall ist der Mast 106 mit einem Endwiderlager für die Dämpfungsvorrichtung 110 versehen. Eine Anordnung der Dämpfungsvorrichtungen 110 in der Nähe des Mastes 106 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich um eine Off-Shore-Windenergieanlage handelt, die im Wasser steht. In diesem Fall sind die Dämpfungsvorrichtungen 110 wirkungsvoll gegen Seewassereinwirkungen geschützt. Außerdem kann die Energieversorgung für die Dämpfungsvorrichtungen 110 auf kurzem weg von der Gondel 104 her erfolgen.The 1 shows a view of a wind turbine according to the invention 103 , A gondola 104 , in which a three-bladed rotor 105 stored horizontally, is on a mast 106 arranged rotatable about its vertical axis. The mast 106 stands on a foundation 107 , which secures the wind turbine against sinking into the ground due to its own weight. The mast 106 is also over three guy lines 108 , on guy foundations 109 anchored. The guy foundations 109 take the tensile forces out of the guy lines 108 on. In this embodiment there are three guy lines 108 provided that evenly around the mast 106 are distributed. In the 1 are just two of the cuts 108 visible, the third guy is from the mast 106 covered. In the power flow of every guy 108 is a controllable hydraulic damping device 110 arranged, it can be either active or semi-active. The damping device 110 is over a first tension rope 111 with the guy foundation 109 and a second, shorter tension rope 112 with the mast 106 connected. Alternatively, it is possible to use the damping device 110 right on the mast 106 to keep. In this case, the mast 106 with a final abutment for the damping device 110 Mistake. An arrangement of the damping devices 110 near the mast 106 is particularly advantageous if it is an off-shore wind turbine that is in the water. In this case, the damping devices 110 effectively protected against the effects of sea water. In addition, the energy supply for the damping devices 110 shortly away from the gondola 104 done here.

Einzelheiten einer Dämpfungsvorrichtung 110 sind anhand der 2 beschrieben. Die 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung 110, die als hydraulische Linearachse ausgebildet ist. Die Dämpfungsvorrichtung 110 weist einen Differentialzylinder 14, zwei Hydromaschinen 22 und 24 einen Elektromotor 2 6, einen Hydrospeicher 42 sowie einen Tank 20 auf. Der Differentialzylinder 14 weist einen abgestuften Kolben 16 auf, der den durch den Zylindermantel 18 gebildeten Raum in zwei Druckräume – einen kolbenstangenseitigen Ringraum 32 und einen Zylinderraum 34 – unterteilt. Der Kolben 16 des Differentialzylinders 19 ist über seinen radial zurückgestuften Teil 28 – im Folgenden Kolbenstange genannt – ortsfest an einem mastseitig angeordneten Endwiderlager 12 gelagert, so daß eine Hubbewegung über eine Längsverschiebung des Zylindermantels 18 erfolgt. Aufgrund der beidseitigen hydraulischen Einspannung des Kolbens 16 wird bei jeder Hubbewegung Druckmittel aus dem einen Druckraum 32, 34 verdrängt und in den jeweils anderen Druckraum 34, 32 nachgefördert, wobei fehlende bzw. überschüssige Druckmittelvolumen durch den Tank 20 ausgleichbar sind. Am Zylindermantel 18 greift das zum Abspannfundament 109 führende Spannseil 111 an, so daß die Vorspannung des Spannseils 111 über die im Ringraum 32 und Zylinderraum 34 herrschenden Drücke vorbestimmt ist.Details of a damping device 110 are based on the 2 described. The 2 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of the damping device 110 , which is designed as a hydraulic linear axis. The damping device 110 has a differential cylinder 14 , two hydraulic machines 22 and 24 an electric motor 2 6 , a hydraulic accumulator 42 as well as a tank 20 on. The differential cylinder 14 has a graduated piston 16 on that through the cylinder jacket 18 formed space in two pressure chambers - an annular space on the piston rod side 32 and a cylinder room 34 - divided. The piston 16 of the differential cylinder 19 is about its radially downgraded part 28 - hereinafter referred to as the piston rod - stationary on a mast abutment arranged on the mast side 12 stored so that a stroke movement over a longitudinal displacement of the cylinder jacket 18 he follows. Due to the hydraulic clamping of the piston on both sides 16 with every stroke movement, pressure medium from the one pressure chamber 32 . 34 displaced and in the other pressure room 34 . 32 conveyed, whereby missing or excess pressure medium volume through the tank 20 are compensable. On the cylinder jacket 18 takes this to the guy foundation 109 leading tension rope 111 so that the pretension of the tensioning rope 111 about the im annulus 32 and cylinder space 34 prevailing pressures is predetermined.

In kinematischer Umkehr ist jedoch auch vorstellbar, den Zylindermantel 18 ortsfest an dem Endwiderlager 12 zu lagern und die Kolbenstange 28 mit dem Spannseil 111 zu verbinden.In kinematic reversal, however, the cylinder jacket is also conceivable 18 stationary at the end abutment 12 to store and the piston rod 28 with the tension rope 111 connect to.

Die erste Hydromaschine 22 ist in einer ersten Arbeitsleitung 3b zwischen dem niederdruckseitigen Tank 20 und dem hochdruckseitigen Ringraum 32 angeordnet, wobei sie in Verbindung. mit dem Elektromotor 26 steht. Sie hat ein einstellbares Fördervolumen und ist als Pumpe oder Motor nutzbar.The first hydraulic machine 22 is in a first job management 3b between the low pressure side tank 20 and the high-pressure side annulus 32 arranged, being connected. with the electric motor 26 stands. It has an adjustable delivery volume and can be used as a pump or motor.

Die zweite Hydromaschine 24 ist in einer zweiten Arbeitsleitung 38 zwischen dem hochdruckseitigen Ringraum 32 und dem hochdruckseitigen Zylinderraum 34 angeordnet, wobei die zweite Arbeitsleitung 38 vorzugsweise in die erste Arbeitsleitung 36 mündet. Entsprechend der ersten Hydromaschine 22 hat auch die zweite Hydromaschine 24 ein einstellbares Fördervolumen, steht ferner mit dem Elektromotor 26 in Verbindung und ist als Pumpe oder Motor nutzbar.The second hydromachine 24 is in a second work management 38 between the high-pressure side annulus 32 and the high-pressure cylinder space 34 arranged, the second working line 38 preferably in the first working line 36 empties. According to the first hydraulic machine 22 also has the second hydromachine 24 an adjustable delivery volume is also available with the electric motor 26 in connection and can be used as a pump or motor.

Beide Hydro- bzw. Verdrängermaschinen 22, 24 fördern während der Schwingungsdämpfung in zwei Richtungen, wobei die erste Hydromaschine 22 nur auf einer Seite hochdruckfest ist, d.h. ringraumseitig, und an der anderen Seite Niederdruck anliegt, d.h, tankseitig, während die zweite Hydramaschine 24 auf beiden Seiten hochdruckfest, d.h. ringraumseitig und zyinderraumseitig, sein muß und sich auch die Richtung der Druckdifferenz entsprechend einem 4-Quadranten-Betrieb umkehren kann.Both hydro or displacement machines 22 . 24 promote in two directions during vibration damping, the first hydro machine 22 is only resistant to high pressure on one side, ie on the annulus side, and low pressure is applied on the other side, ie on the tank side, while the second hydraulic machine 24 must be highly pressure-resistant on both sides, ie on the annulus side and on the cylinder space side, and the direction of the pressure difference can also be reversed in accordance with 4-quadrant operation.

Die Fördervolumina der Hydromaschinen 22 und 24 sind in Abhängigkeit vom Signal einer Kraftmeßdose 40 einstellbar. Die Kraftmeßdose 40 ist im Bereich der Verbindung Spannseil 111 – Zylindermantel 18 angeordnet und einem Regelkreis für die Hydromaschinen 22, 24 zugeordnet. Sie erfaßt die auf das Spannseil 111 wirkenden Belastungen und leitet die dabei er faßten Zugspannungen bzw. Zugkräfte an den Regelkreis weiter, so daß dieser in Abhängigkeit von diesen äußeren Belastungen die Schwenkwinkel der Hydromaschinen 22, 24 einstellt.The delivery volumes of the hydraulic machines 22 and 24 are dependent on the signal from a load cell 40 adjustable. The load cell 40 is in the area of the connection rope 111 - cylinder jacket 18 arranged and a control loop for the hydraulic machines 22 . 24 assigned. It captures the on the tension rope 111 acting loads and transmits the tensile stresses or tensile forces to the control loop, so that the swivel angle of the hydraulic machines as a function of these external loads 22 . 24 established.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, anstelle der kostenintensiven Kraftmessung den im Ringraum 32 oder im Zylinderraum 34 herrschenden Druck als Rückführungsgröße des Regelkreises zu verwenden. Dies kann beispielsweise über einen im Ringraum 32 oder im Zylinderraum 34 angeordneten Druckaufnehmer (nicht dargestellt) erfolgen.Another embodiment provides that instead of the costly force measurement in the annulus 32 or in the cylinder room 34 prevailing pressure to use as a feedback variable of the control loop. This can be done, for example, in the annulus 32 or in the cylinder room 34 arranged pressure transducer (not shown).

Des Weiteren ist ein Hydrospeicher 42 vorgesehen, der mittels einer dritten Arbeitsleitung 44 mit der zweiten Arbeitsleitung 38 und dem Zylinderraum 34 verbunden ist, so daß der Druck im Zylinderraum 34 weitgehend unabhängig vom Zylinderhub wird und stets etwa der voreingestellte Druck herrscht.There is also a hydraulic accumulator 42 provided by means of a third working line 44 with the second management 38 and the cylinder space 34 is connected so that the pressure in the cylinder space 34 is largely independent of the cylinder stroke and there is always approximately the preset pressure.

Die Speicherladung und die Regelung des Speicherdrucks des Hydrospeichers 42 kann vorteilhaft durch gegenseitiges Vertrimmen der Fördervolumina der Hydromaschinen 22, 24 erreicht werden. Hierzu ist ein Druckaufnehmer bzw. Druckmeßumformer vorgesehen, der vorzugsweise im Hydrospeicheranschluß bzw. in der Arbeitsleitung 38 oder im Zylinderraum 34 angeordnet ist.The accumulator charge and the regulation of the accumulator pressure of the hydraulic accumulator 42 can be advantageous by mutually adjusting the delivery volumes of the hydraulic machines 22 . 24 can be achieved. For this purpose, a pressure sensor or pressure transducer is provided, which is preferably in the hydraulic accumulator connection or in the working line 38 or in the cylinder room 34 is arranged.

Der Elektromotor 26 steht mit den beiden Hydromaschinen 22, 24 in Wirkverbindung, wobei er sowohl als Antrieb für die Hydromaschinen 22, 24 nutzbar, als auch in Form eines Generators durch die Hydromaschinen 22, 24 antreibbar ist und somit. als Bremse wirkt. Beispielsweise können über das Antreiben der Hydromaschinen 22, 24 die voreingestellten Drücke in den Druckräumen 32, 34 eingestellt und der Hydrospeicher 42 aufgeladen werden. Es kann jedoch auch im Betrieb bei Dämpfung die von der ersten Hydromaschine 22 oder der zweiten Hydromaschine 24 erzeugte hydraulische Energie durch die Schaltung des Elektromotors 25 als Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Weitere Einzelheiten der in der 2 dargestellten Dämpfungsvorrichtung sind in der deutschen Patentanmeldung 102 50 207.2 beschrieben.The electric motor 26 stands with the two hydraulic machines 22 . 24 in operative connection, both as a drive for the hydraulic machines 22 . 24 usable, as well as in the form of a generator by the hydraulic machines 22 . 24 is drivable and thus. acts as a brake. For example, driving the hydraulic machines 22 . 24 the preset pressures in the pressure rooms 32 . 34 set and the hydraulic accumulator 42 to be charged. However, it can also be used in operation with damping from the first hydraulic machine 22 or the second hydraulic machine 24 generated hydraulic energy by switching the electric motor 25 can be converted into electrical energy as a generator. More details of the in the 2 Damping device shown are described in German patent application 102 50 207.2.

Bei der in der 2 dargestellten Dämpfungsvorrichtung 110 handelt es sich lediglich um ein Ausführungsbeispiel für eine in Windenergieanlagen mit einem mit Abspannungen versehenen. Mast einsetzbaren Dämpfungsvorrichtung. Für die Erfindung sind auch andere, hier nicht beschriebene steuerbare hydraulische Dämpfungsvorrichtungen einsetzbar.At the in the 2 shown damping device 110 it is only an example of an embodiment in wind power plants with a guy. Pole damping device. Other controllable hydraulic damping devices, not described here, can also be used for the invention.

Claims (4)

Windenergieanlage mit einem mit Abspannungen versehenen Mast, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfluß jeder Abspannung (108) eine steuerbare hydraulische Dämpfungsvorrichtung (110) angeaordnet ist.Wind energy plant with a mast provided with bracing, characterized in that each bracing ( 108 ) a controllable hydraulic damping device ( 110 ) is arranged. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtungen (110) als hydraulische Linearachse für eine semi-aktive oder aktive Dämpfung ausgebildet ist.Wind energy plant according to claim 1, characterized in that the damping devices ( 110 ) is designed as a hydraulic linear axis for semi-active or active damping. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung (110) mastnah angeordnet ist.Wind energy installation according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that the damping device ( 110 ) is arranged close to the mast. Verwendung einer gesteuerten hydraulischen Dämpfungsvorrichtung (110) im Kraftfluß der Abspannungen (108) eines abgespannten Masts (106) einer Windenergieanlage (103),Use of a controlled hydraulic damping device ( 110 ) in the power flow of the guy lines ( 108 ) a guyed mast ( 106 ) a wind turbine ( 103 )
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