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Die Erfindung betrifft die Dämpfungen von Schwingungen, welche bei Windkraftanlagen, insbesondere in den hohen Türmen derselben auftreten. Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Anordnungen von Vorrichtungen, insbesondere Schwingungstilgern, welche durch ihre spezielle Positionierung im oder am Turm einer Windkraftanlage oder im oder am Schaft eines Rotorblattes zur Vermeidung oder Reduzierung von typischen ungewünschten Schwingungen und ggf. damit verbundenen Geräuschen in der Anlage beitragen.
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Die Türme von Windkraftanlagen werden mit zunehmender Leistung der Anlagen höher. In der Zwischenzeit werden sehr oft Turmhöhen von über 100 m, nicht selten bis zu 200 m erreicht. Bei Binnenlandanlagen werden Windkraftanlagen auf möglichst hohen Türmen installiert, damit diese in dem höher liegenden Bereich größerer Windgeschwindigkeiten mit geringeren Turbulenzen arbeiten können.
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Die Türme bestehen in der Regel aus Stahl mit einer sehr geringen Materialdämpfung, so dass die Türme weitestgehend ungedämpft sind, was zur Folge hat, dass bereits geringste Erregerkräfte, durch Rotorbewegungen, Generatorbewegungen, Getriebebewegungen, oder direkte Windeinwirkungen einen solchen Turm zu starken Schwingungen anregen.
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Durch die Erregerkräfte kann es nicht nur zu Biegeschwingungen des Turmes in der 1. und 2. Eigenfrequenz ( ) kommen sondern auch zu entsprechenden tangentialen Torsionsschwingungen ( ), entsprechend der erzeugten Frequenzen. Bei den zum Einsatz kommenden Off-Shore Anlagen muss der Turm um das Maß der Wassertiefe verlängert werden, was die Schwingungsfähigkeit der Türme verstärkt. Gleichzeitig tritt eine zusätzliche Erregung durch den Wellengang auf. Die zugrundeliegenden Frequenzen treten also insbesondere an der inneren Oberfläche des Turmes in radialer und tangentialer Richtung auf und können zur Materialermüdung in der Turmwand führen.
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Auch Rotorblätter können durch den Wind zum Schwingen angeregt werden. Hierdurch schwingen die Blätter entweder in der Rororebene, senkrecht dazu oder kombiniert in beiden Richtungen. Da die Blätter in Rotorebene eine größere Querschnittsfläche aufweisen, wird diese Richtung besser durch den Wind gedämpft. Senkrecht zur Rotorebene besitzen die Blätter eine geringe Angriffsfläche und können somit lediglich mäßig durch den Wind gedämpft werden. Solche Schwingungen werden als Edgewise-Schwingungen bezeichnet. Hierbei schwingen immer zwei Blätter zueinander in wechselnder Reihenfolge. Ob und wann solche Schwingungen auftreten hängt von der Winbeschaffenheit und dem Blattaufbau zusammen. Hauptsächlich treten solche Schwingungen im Frequenzbereich kleiner 1 Hz bis 5 Hz auf. Rotorblattschwingungen sind als kritisch anzusehen, da es hierdurch zu Ermüdungserscheinungen mit folgendem Bauteilversagen kommen kann.
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Die physikalischen Grundlagen eines Schwingungstilgers sind prinzipiell bekannt. Ebenso sind Lösungen zur Dämpfungen von Schwingungen des Turmes von Windkraftanlagen bekannt. Schwingungstilger müssen auf die Frequenz des zu tilgenden Bauteils abgestimmt werden. Die Abstimmung der Tilgerfrequenz kann einerseits durch die Änderung der Steifigkeit der eingesetzten Federelemente, andrerseits durch Änderung der Tilgermasse erreicht werden. Der Veränderung der Tilgermasse eines bestimmten zu dämpfenden Systems sind naturgemäß Grenzen auferlegt, und daher wird eine Tilgermassenänderung in der Praxis kaum angewendet. Somit bleibt die Variation in der Federsteifigkeit.
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Ein weiteres Problem ist sehr häufig, dass die auftretenden Schwingungen richtungsabhängig sind, d. h. in Bezug auf die x-, y- und z-Richtung eines gedachten Koordinatensystems, in dem sich das zu dämpfende Schwingungssystem befindet, unterschiedlich stark sein können. Dies kann durch die Auswahl und Kombination auch bezüglich der Richtung unterschiedlich steifer Federelemente erfolgen. In der Regel ist dies mit einem hohem Aufwand verbunden, für jede zu tilgende Frequenz ggf. in x-, y- und z-Richtung ein passendes Federelement zu entwerfen beziehungsweise zu entwickeln oder aus einer vorhandenen Sammlung auszuwählen und jeden Tilger für eine ganz bestimmte Tilgerfrequenz zu montieren.
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Trotz der im Stand der Technik vorhandenen und weiter unten näher beschriebenen Schwingungstilger, hat sich gezeigt, dass es, um eine optimale Dämpfung von Schall und Körperschwingung zu erreichen, auch wesentlich darauf ankommt, an welchen Teilen und in welchen Bereichen der Windkraftanlage derartige Schwingungstilger positioniert werden. Dies ist nicht immer durch theoretische Überlegungen ersichtlich, sondern erfordert im Einzelfall oft empirisches Ausprobieren.
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Es wurde nun gefunden, dass eine spezielle Anordnung von mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn Schwingungstilgern, welche gezielt in die zuvor mittels Standardmethoden ermittelten Schwingungsbäuche angebracht werden, eine nahezu vollständige Körperschalldämpfung bewirkt, insbesondere dann, wenn die Anzahl der eingesetzten Schwingungstilger entlang des Umfanges des Turmes oder des Rotorblattes größer ist, als die Anzahl der im ungedämpften oder gering gedämpften Zustand aufgetretenen oder auftretenden Schwingungsbäuche. Vorzugsweise ist die Anzahl der eingesetzten Schwingungstilger um mindestens zwei, vorzugsweise um zwei bis fünf, größer als die vorhandenen Schwingungsbäuche.
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Dabei können durch den Einsatz und Anordnung von Schwingungstilgern besagte Schwingungsbäuche in ihrer Anzahl als auch in ihrer Amplitude verringert werden, welche durch im wesentlichen radial zum Turm der Windkraftanlage oder des Rotorblattes einer Windkraftanlage, bzw. entlang des Umfanges des Turmes oder des Rotorblattes auftretenden Schwingungen und Kräften entstanden sind. Es ist aber auch genau so möglich, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung die auftretenden Schwingungsbäuche von axial auftretenden Sinusschwingungen entlang des Turmes oder des Rotorblattes zu eliminieren.
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Wird nun ein Turm einer Windkraftanlage durch Schwingungen, welche im Getriebe oder auch vom Generator erzeigt werden, angeregt, so wirkt er im gesamten Frequenzbereich als Verstärker. Mit jeder Frequenz werden mehrere Schwingungsbäuche und Schwingungs-Knoten an der Oberfläche des Umfanges der Türme erzeugt ( ). Gleichzeitig schwingt der Turm sinusförmig in Längsrichtung ( ). Beide Funktionen tragen zur unerwünschten Schallabstrahlung der Anlage bei.
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Sobald man einen Tilger auf einen Schwingungsbauch anordnet, bzw. positionier, um diesen zu beruhigen, verschiebt sich das Schwingungsgebilde soweit, bis der Tilger in einem Schwingungsbauch sitzt und damit wirkungslos wird. Erst wenn über eine bestimmte Strecke des Umfangs eine größere Anzahl Tilger angeordnet werden als Schwingungsbäuche vorhanden sind, können die Schwingungsbäuche nicht mehr ausweichen, was zu einer nahezu vollständigen Beruhigung des Systems führt. Somit reduzieren die eingesetzten Schwingungstilger die Schwingungen und damit den vom Turm oder Rotorblatt abgestrahlten Schall. Gleichzeitig wird die Sinusschwingung des gesamten Turmes reduziert, indem die Tilgeranordnung im Schwingungsbauch der Längs-Sinusbewegung stattfindet.
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Vorteilhaft ist insbesondere der Einsatz von Tilgern mit mehreren Frequenzen, wie unten näher beschrieben, so das Bereiche mit unterschiedlichen Frequenzen, z. B. Beulen und Sinus, gleichzeitig gedämpft werden. Dabei eigenen sich besonders zweiachsige und dreiachsige Schwingungsdämpfungssysteme, welche vorteilhafterweise bei Bedarf zusätzlich temperaturkompensiert oder auch adaptiv der jeweiligen Temperatur und Frequenz des Turmes und der Rotorblätter angepasst sein können, und/oder als aktiver Tilger ausgelegt sein können.
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Schwingungstilger für Windkraftanlagen sind generell bekannt. Als sehr wirkungsvoll haben sich Dämpfungssysteme erwiesen, welche Komponenten aus elastischen Materialen aufweisen. Alle diese im stand bekannten Schwingungstilger sind prinzipiell geeignet um für die erfindungsgemäße Anordnung rund um den Turm einer Windkraftanlage oder eines Rotorblattes eingesetzt werden.
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Im Detail zählen dazu auch die Konzepte der Tilger, welche beispielsweise in der
EP 1 286 076 A1 und der
EP 1 693 593 B1 beschrieben sind. Die
EP 1 286 076 offenbart einen linearen Schwingungstilger, dessen Feder-Masse-System sich aus den eigentlichen Funktionsteilen, in oder an denen sich Dämpfung vollzieht, und der Tilgermasse zusammen. Die Funktionsteile weisen konusförmige oder sphärische Flächen auf, die mit Elastomermaterial versehen sind und einen bestimmten Winkel mit der Längsachse des Tilgers bilden. Der Konuswinkel ist dabei entweder flach oder steil, wirkt also entweder als Axial- oder als Radial-Tilger. Durch entsprechende Spannmittel, welche die beiden Tilgermassen-Elemente gegeneinander verspannt, kann die Steifigkeit der Elastomerschicht individuell eingestellt werden, wodurch sich das Dämpfungsverhalten bezüglich einer einzigen ausgewählten Richtung entsprechend ändert. Gemäß der
EP 1 286 076 können derartige Tilgerelemente auch im Stapel eingesetzt werden. Die
EP 1 693 593 B1 beschreibt einen einstellbaren Drei-Achsentilger, der auf dem gleichen Prinzip beruht, jedoch einen Vielzahl von entsprechend geformten und angeordneten derartigen Funktionsteilen umfasst.
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Bei Verwendung von elastischen Materialien bei modernen Tilgern sind diese aber prinzipiell von der Temperatur abhängig. Eine bei einer bestimmten Temperatur eingestellte und auf das zu dämpfende System abgestimmte Federsteifigkeit verändert sich mit den Umgebungstemperaturen. Während dieser Effekt bei zu dämpfenden Anlagen in Gebäuden oft vernachlässigt werden kann, so spielt er doch bei Outdoor-Anlagen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, eine nicht unerhebliche Rolle. Windkraftanlagen sind je nach Standort meist großen Temperaturschwankungen zwischen –20° und +50°C ausgesetzt, bei denen sie noch betrieben werden. Dadurch verändert sich die Federsteifigkeit der eingesetzten Dämpfungsteile und somit die Erregerfrequenz des Systems, so dass keine oder keine optimale Dämpfung von Schwingungen, die in der Anlage auftreten, erfolgen kann, ohne dass eine Nachjustierung der Federsteifigkeit der Dämpfungsteile notwendig werden würde. Dies ist aber, falls überhaupt möglich, aufwendig und damit kostenintensiv. Die
EP 2 284 416 löst das Problem der Temperaturänderung dadurch, dass ein elastisches Dämpfungselement ein elektronisch kontrollierbares Heizelement aufweist, welches gemäß den Umgebungstemperaturen gesteuert wird. Eine andere Lösung wird in der
WO 2013/23724 beschrieben und ist besonders für die hier beschriebene erfindungsgemäße Anordnung von Schwingungstilgern geeignet.
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Die für die erfindungsgemäßen Anordnung besonders geeigneten Schwingungsdämpfer stellen vorzugsweise im weiten Sinn plane oder konusförmige Schichtfedern dar, welche Schichten aufweisen, die im Wesentlichen aus einem Naturkautschuk, einem Naturkautschukderivat oder aus einem geeigneten elastischen polymeren Kunststoff oder Kunststoffgemisch bestehen, sowie Schichten aus nicht oder wenig komprimierbaren Materialien, in der Regel Metall, vorzugsweise Stahl. Die Elastomerschicht kann dabei unterschiedliche Härte (”Shore-Härte”) und unterschiedliche Dämpfungseigenschaften aufweisen, entsprechend den gewünschten Anforderungen. Vorzugsweise werden Elastomere mit einer Härte von 20 bis 100 Shore A, insbesondere 30 bis 80 Shore A verwendet. Die Herstellung derartiger Elastomere unterschiedlicher Härte ist im Stand der Technik bekannt und in der einschlägigen Literatur hinreichend beschrieben. Vorzugsweise werden handelsübliche Naturkautschuke oder Kunststoffe eingesetzt. Die nicht-elastomeren Schichten sind vorzugsweise Zwischenplatten aus weitestgehend unelastischen Werkstoffen mit geringer Kompressibilität. Vorzugsweise sind dies Metallbleche, aber auch andere Materialien, wie harte Kunststoffe, Verbundwerkstoffe oder karbonfaserhaltige Werkstoffe sind einsetzbar.
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zeigt den Turm einer Windkraftanlage mit verschiedenen möglich auftretenden Schwingungsmustern in radialer und axialer Richtung
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zeigt die bei einer Windkraftanlage auftretenden Sinusschwingungen einer Windkraftanlage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1286076 A1 [0015]
- EP 1693593 B1 [0015, 0015]
- EP 1286076 [0015, 0015]
- EP 2284416 [0016]
- WO 2013/23724 [0016]
