DE202007019622U1

DE202007019622U1 - System zum Dämpfen von Schwingungen in einem Bauwerk

Info

Publication number: DE202007019622U1
Application number: DE202007019622.9U
Authority: DE
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2014-06-23
Anticipated expiration: 2017-06-01

Abstract

System zum Dämpfen von Schwingungen in einem Bauwerk, wobei das System umfasst – Mittel zum Bestimmen von Frequenz und Amplitude der Schwingungen im Bauwerk, – eine erste Masse (M1), die in einer Drehrichtung um eine erste Drehachse quer zur Schwingungsrichtung rotierbar ist, wobei die erste Masse ein erstes steuerbares Trägheitsmoment um die erste Drehachse aufweist, – eine zweite Masse (M2), die in einer zweiten Drehrichtung entgegengesetzt der ersten Drehrichtung um eine zweite Drehachse rotierbar ist, wobei die zweite Masse ein zweites steuerbares Trägheitsmoment um die zweite Drehachse aufweist, – Mittel zum Befestigen des Systems am Bauwerk und – eine Steuerung zum Steuern des ersten und zweiten Trägheitsmoments und zum Steuern der Rotation der ersten und zweiten Masse mit der erfassten Frequenz und entsprechender Phase, um die Schwingungen zu dämpfen, wenn das System am Bauwerk befestigt ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Dämpfen von Schwingungen in stationären Bauwerken, beispielsweise vertikalen, turmartigen Strukturen, wie z.B. Windkraftanlagen, Schornsteine, Krantürme und Gebäudestrukturen, jedoch auch horizontale Strukturen, wie z.B. Brücken und Kranarme, und auch in sich bewegenden Strukturen, wie z.B. Windturbinenblätter.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es kann aus verschiedenen Gründen wünschenswert sein, Schwingungen in derartigen Bauwerken zu dämpfen. In den Bauwerken verursachen Schwingungen mechanische Verspannungen, was letztendlich das Bauwerk selber beschädigen kann. Bei Schwingungen können sich Menschen unbehaglich fühlen, und in Einrichtungen, die Schwingungen ausgesetzt sind, können durch die Schwingungen Fehlfunktionen oder sogar Schäden hervorgerufen werden.
Die Schriften JP 2001 020 850 A und US 5, 233, 797 offenbaren jeweils ein System zum Dämpfen von eindimensionalen Schwingungen in Windkraftanlagen. Eine bewegliche Masse wird in einfache lineare Schwingungen versetzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das System zum Dämpfen von Schwingungen in einem Bauwerk stellt gemäß der Erfindung zwei Massen bereit, die gesteuert werden können, um mit der Schwingungsfrequenz des Bauwerks und in gegenläufigen Richtungen um Drehachsen quer zur Schwingungsrichtung zu rotieren. Wenn zwei Massen mit gleichem Trägheitsmoment bei der gleichen Frequenz in gegenläufige Richtungen rotieren, dann ist die sich ergebene äquivalente Kraft eine harmonische Kraft. Die Phasen der rotierenden Massen können individuell gesteuert werden, wodurch die Richtung der sich ergebenden linearen harmonischen Bewegung gesteuert werden kann. Die Massen weisen einzeln steuerbare Trägheitsmomente auf und die Trägheitsmomente können z.B. durch Versetzen ihrer Schwerpunkte relativ zu den entsprechenden Drehachsen gesteuert werden. Durch ein geeignetes Steuern der Frequenz, der Amplitude und der Phasen der rotierenden Massen, können die sich ergebenden Schwingungen des Bauwerks gedämpft werden.
Wenn die schwingende Struktur eine Windkraftanlage ist, dann ist die Schwingung häufig in axialer Richtung des Rotors oder in einem relativ engen Intervall um die axiale Richtung orientiert, beispielsweise um ca. ±30°. Unter dieser Annahme kann von einer Erfassung der Schwingungsrichtung abgesehen werden und das System zum Dämpfen der Schwingungen kann beispielsweise in der Gondel oder in einem festen Winkel zu der Gondel angebracht sein, um zur Dämpfung der Schwingungen in axialer Richtung mit der Gondel zu rotieren.
Das System kann Vorrichtungen zur Erfassung der Schwingungsrichtung aufweisen, wie z.B. ein Paar von Beschleunigungsmessgeräten oder andere Schwingungssensoren. Die absoluten und relativen Phasen der Trägheitsmomente können dann gesteuert werden, so dass die sich ergebende gemeinsame Bewegung der rotierenden Massen in der erfassten Schwingungsrichtung liegt. Bei Einsatz in einer Windkraftanlage kann das erfindungsgemäße System an einer festen Position im oder am Turm angebracht sein.
Die Richtung der sich ergebenden gemeinsamen Bewegung der rotierenden Massen kann durch Einstellen der Winkelposition des gesamten Systems oder wenigstens von den rotierenden Massen, die als Einheit behandelt werden, oder durch Einstellen der absoluten und relativen Phasen der rotierenden Massen gesteuert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 stellt schematisch ein System zum Dämpfen von Schwingungen in einem Bauwerk gemäß der Erfindung dar und
2 zeigt eine Windkraftanlage mit dem in 1 dargestellten System, das daran angebracht ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das System aus 1 umfasst zwei schwingende Sensoren, wie z.B. Beschleunigungsmessgeräte Ax und Ay zum Erfassen von Schwingungen in senkrechten horizontalen Richtungen, in X-Richtung und in Y-Richtung. Dem Fachmann ist die Verwendung von anderen Arten von Schwingungssensoren, wie z.B. Geschwindigkeitssensoren und Verschiebungssensoren, mit geeigneten Änderungen bekannt. Signale, die die erfassten Beschleunigungen in der X-Richtung und der Y-Richtung darstellen, werden in eine Steuerung eingegeben, in der die eingegebenen Signale zur Bestimmung relevanter Eigenschaften der erfassten Schwingung verarbeitet werden. Derartige Eigenschaften umfassen beispielsweise ein oder mehrere Schwingungsfrequenzen und auch die entsprechenden Amplituden und Phasen, um die Richtung der Schwingung in der durch die X- und die Y-Richtungen festgelegten Ebene bei den einzelnen Frequenzen zu bestimmen. Die Grundfrequenz des Bauwerks mit deren Harmonischen sind typische Frequenzen, die zu dämpfen sind.
Für jede besondere Frequenz, die zu dämpfen ist, werden ihre tatsächliche Frequenz, Amplitude und Richtung gemessen. Dann berechnet die Steuerung Trägheitsmomente der zwei Massen, die geeignet sind, um der Schwingung entgegen zu wirken. Die einzelnen Phasen der Drehung der Massen mit der gemessenen Frequenz werden berechnet, so dass die Richtung der sich ergebenden äquivalenten linearen harmonischen Bewegung gleich der Richtung der zu dämpfenden Schwingung ist.
Die Trägheitsmomente können in unterschiedlichen Weisen verändert werden. Die zwei Massen M1 und M2 können z.B. feste Massen sein, die in unterschiedlichen Abständen zu entsprechenden Drehachsen bewegt werden können, oder die Massen können aus einer Substanz bestehen, wie z.B. einer Flüssigkeit oder einer körnigen festen Substanz, die in unterschiedliche Kammern oder Abteilungen gepumpt und verteilt werden kann. Durch Bewegen der Massen oder Ändern ihrer radialen Verteilungen können ihre Trägheitsmomente auf die gewünschten berechneten Werte geregelt werden.
Die zwei Massen werden mit der gemessenen Frequenz der zu dämpfenden Schwingung in Drehung versetzt. Die zum Drehen der Massen verwendeten Motoren können gesteuert werden, so dass sie mit einer gewünschten Frequenz und Phase rotieren.
Für das individuelle Steuern der Phasen der rotierenden Massen M1 und M2 können insbesondere Schrittmotoren verwendet werden. Wenn die zwei Massen gleiche Trägheitsmomente aufweisen und mit der gleichen Frequenz in gegenläufigen Richtungen rotiert werden, dann ist die sich ergebende äquivalente Bewegung eine lineare harmonische Bewegung. Durch Ändern der Phase von wenigstens einer der Massen kann die Richtung der sich ergebenden äquivalenten linearen harmonischen Bewegung entsprechend geändert werden. Hierdurch kann die Richtung der sich ergebenden äquivalenten linearen harmonischen Bewegung gesteuert werden. Alternativ kann der Winkel der Anordnung mit den zwei rotierenden Massen relativ zu dem Bauwerk eingestellt werden, um die gewünschte Richtung der sich ergebenden äquivalenten linearen harmonischen Bewegung zu erhalten.
Zwei Massen mit gleichen Trägheitsmomenten ergeben eine äquivalente lineare harmonische Bewegung, wenn sie sich bei gleicher Frequenz in gegenläufige Richtungen drehen. Dies ist nützlich, um lineare Schwingungen zu dämpfen. Zwei Massen mit unterschiedlichem Trägheitsmoment ergeben eine äquivalente elliptische harmonische Bewegung, wenn sie mit gleicher Frequenz in gegenläufige Richtungen rotiert werden. Dies kann zum Dämpfen elliptischer Schwingungen verwendet werden.
Die erste Berechnung zur Einstellung der Trägheitsmomente und der Phasen ergibt nicht unbedingt eine perfekte Dämpfung der Schwingungen. Folglich ist der Schwingungsdämpfungsprozess ein kontinuierlicher und adaptiver Prozess, bei dem der Effekt einer Korrektur sofort beobachtet werden kann. Die Restschwingung wird ständig gemessen und es wird an den Trägheitsmomenten und deren Phasen keine Änderung vorgenommen, falls die Restschwingung innerhalb akzeptabler Grenzen liegt. Sollte die Restschwingung annehmbare Grenzen übersteigen, so werden die Trägheitsmomente und Phasen der rotierenden Massen neu berechnet und entsprechend geändert. Weiterhin ändern sich die die Schwingungen wahrscheinlich mit der Zeit, so dass die Schwingungen kontinuierlich gemessen werden.
2 zeigt eine Darstellung einer Windkraftanlage mit einer auf dem Turm angeordneten Gondel. Das oben beschriebene System ist als innerhalb des Turms angebracht dargestellt. Das System kann als eine Einheit zum Einpassen in bestehende Windkraftanlagen und andere Bauwerke hergestellt werden oder es kann im Turm von Anfang an installiert sein. Das System kann seine eigene Steuerung umfassen, wie dargestellt ist, oder die Steuerung kann durch eine Steuerung der Windturbine durchgeführt werden. Das System kann auf einer Plattform angebracht sein, die an eine Turmwand angeschweißt ist, vorzugsweise im Inneren, oder kann an einer zwei Turmabschnitte verbindenden Flanschverbindung angebracht sein. Das System sollte vorzugsweise an einer Position angebracht sein, an der die Schwingungen am größten sind. Zur Dämpfung von Schwingungen erster Ordnung sollte das System nahe der Turmspritze angebracht sein. Zum Dämpfen von Schwingungen zweiter Ordnung sollte das System in der Nähe der Turmmitte angeordnet sein, insbesondere an der halben Turmhöhe.
In einer alternativen Ausführungsform kann das System ein erstes Paar von gegenläufig rotierenden Massen zum Dämpfen von Schwingungen in einer ersten horizontalen Richtung und ein zweites Paar von gegenläufig rotierenden Massen zum Dämpfen von Schwingungen in einer zweiten horizontalen Richtung aufweisen. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Richtungen senkrecht zueinander. Die zwei Paare von gegenläufig rotierenden Massen sind zusammen geeignet, um Vibrationen in einer beliebigen horizontalen Richtung zu dämpfen. Ähnlicherweise kann das System mit einem dritten Paar von gegenläufig rotierenden Massen zum Dämpfen von Schwingungen in der vertikalen Richtung erweitert werden.
In 1 sind die zwei rotierenden Massen M1 und M2 Seite an Seite mit ihren zueinander parallelen Drehachsen angeordnet. Alternativ können sie koaxial übereinander angeordnet sein, wodurch sie weniger Platz in der Richtung quer zur Drehachse einnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001020850 A [0003]
US 5233797 [0003]

Claims

System zum Dämpfen von Schwingungen in einem Bauwerk, wobei das System umfasst – Mittel zum Bestimmen von Frequenz und Amplitude der Schwingungen im Bauwerk, – eine erste Masse (M1), die in einer Drehrichtung um eine erste Drehachse quer zur Schwingungsrichtung rotierbar ist, wobei die erste Masse ein erstes steuerbares Trägheitsmoment um die erste Drehachse aufweist, – eine zweite Masse (M2), die in einer zweiten Drehrichtung entgegengesetzt der ersten Drehrichtung um eine zweite Drehachse rotierbar ist, wobei die zweite Masse ein zweites steuerbares Trägheitsmoment um die zweite Drehachse aufweist, – Mittel zum Befestigen des Systems am Bauwerk und – eine Steuerung zum Steuern des ersten und zweiten Trägheitsmoments und zum Steuern der Rotation der ersten und zweiten Masse mit der erfassten Frequenz und entsprechender Phase, um die Schwingungen zu dämpfen, wenn das System am Bauwerk befestigt ist.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Vorrichtungen (Ax, Ay) zum Bestimmen einer Richtung der Schwingungen im Bauwerk.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Phase der beiden Massen (M1, M2) einzeln steuerbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend Schrittmotoren zum Rotieren der Massen (M1, M2).
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Winkel der Anordnung beider rotierender Massen relativ zum Bauwerk verstellbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Drehachse parallel zur ersten Drehachse ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend ein erstes Paar von Massen zum Dämpfen von Schwingungen in einer ersten Richtung und ein zweites Paar von Massen zum Dämpfen von Schwingungen in einer zweiten Richtung.
Bauwerk, in dem Schwingungen auftreten können und das ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, das an einer Stelle angebracht ist, an der die zu dämpfenden Schwingungen am größten sind.
Bauwerk nach Anspruch 8, wobei das Bauwerk der Turm einer Windkraftanlage ist.
Bauwerk nach Anspruch 9, wobei das System an eine Wand des Turms geschweißt ist.
Bauwerk nach Anspruch 9, wobei das System an einer Flanschverbindung angebracht ist, die zwei Turmabschnitte verbindet.