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Die Erfindung betrifft eine Schwingungstilgervorrichtung, welche auf einem neuartigen Feder-Dämpfer-Element beruht. Der Schwingungstilger umfasst dabei eine Tilgemasse, welche an einem Pendel oder anderweitig bewegt wird, entsprechend den zu dämpfenden Schwingungen einer Erregerfrequenz, die auf eine Anlage oder eine Maschine einwirkt. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Feder-Dämpfer-Element, welches im Wesentlichen aufgebaut ist auf einem Bauteil, das den Volumenstrom einer Flüssigkeit unter Erzeugung einer Druckänderung zwischen zwei Bereichen in dem Element beeinflusst und reguliert, wodurch in einem mit einem komprimierbaren Medium gefüllten als Feder wirkenden Druckspeicher eine Anpassung der Tilger-Frequenz ermöglicht wird. Die Erfindung ist unter anderem für den dauerhaften Einsatz in Windkraftanlagen und hohen schlanken Bauwerken geeignet und hierbei insbesondere bereits während der Errichtungsphase, bei der erfahrungsgemäß beträchtliche Änderungen der Eigenfrequenz des Schwingungssystem auftreten.
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Bei der Errichtung von Windkraftanlagen wird zuerst der Turm segmentweise errichtet. Anschließend wird die Gondel mit Rotor montiert. Die Situation ohne Gondel (Turmstummel alleine) ist bezüglich Resonanzanregung kritisch zu sehen, da in diesem Zustand größere Schwingamplituden entstehen können, als dies mit Gondel der Fall ist. Der Tilger wird hierbei immer auf das Ende des obersten Turmsegmentes gesetzt und dort verschraubt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der Turm komplett errichtet ist und die Gondel aufgesetzt werden kann. Die Eigenfrequenz der Anlage sinkt hierbei mit steigendem Montagefortschritt. Die Tilgerfrequenz muss somit in einem breiten Bereich (ca. Faktor 2) einfach anpassbar sein und befindet sich generell auf einem höheren Niveau im Vergleich zur fertig errichteten Anlage.
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Schwingungstilger des Standes der Technik bestehen in der Regel aus folgenden drei Einheiten:
- • Tilgermasse
- • Dämpfereinheit
- • Federeinheit
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In dem Gesamtsystem liegen diese drei Positionen üblicherweise als getrennte Einheiten vor. Die Federeinheit dient hierbei zur Anpassung der Tilgerfrequenz an die gegebenen Randbedingungen vor Ort. Die Dämpfereinheit wird benötigt um eine breite Tilgerwirkung zu generieren. Die Federeinheit besteht in der Regel aus Stahl-Federn.
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Diese wirken bei den meisten bekannten Anlagen horizontal, sie können aber auch vertikal angeordnet sein. Die Vorteile der vertikalen Anordnung sind in der
WO 2016/087030 beschrieben. Zusammenfassen kann gesagt werden, dass bei der horizontalen Anordnung eine Veränderung der Federsteifigkeit (Einbau von steifen/weicheren Federn oder verändern der Anzahl von Federn) erforderlich ist um die Tilgerfrequenz zu verändern, während bei der vertikalen Anordnung die Federvorspannkraft (Ändern vom Federvorspannweg) zur Frequenzeinstellung verändert werden muss.
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Bei beiden Varianten hantiert der Anwender vor Ort mit gespannten Federn, was grundsätzlich ein Verletzungsrisiko darstellt. Zudem muss der Bediener in beiden Fällen Umbaumaßnahmen an der Tilgereinheit vornehmen, um die Frequenz zu verstellen. Dies erfordert auf der Baustelle unterwiesenes Personal und Umbauzeit. In dieser Zeit besteht die Gefahr der Resonanzanregung mit damit verbundener Schädigung der schwinganfälligen Konstruktion.
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Es bestand somit die Aufgabe, einen Schwingungstilger insbesondere für die genannten Verwendungen zur Verfügung zu stellen, welcher nicht die genannten Nachteile aufweist und zudem über einen sehr breiten Frequenzänderungsbereich wirksam ist, so dass die Tilgerfrequenz nicht ständig verändert werden muss im Gegensatz zu vielen Vorrichtungen des Standes der Technik.
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Die Aufgabe wurde durch den in der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen dargelegten Schwingungstilger und das Feder-Dämpfer-Element gelöst.
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Zusammenfassung der Erfindung:
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Gegenstand ist somit eine Tilgervorrichtung zur Dämpfung von Stör-Schwingungen in einer Anlage oder Maschine als Schwingungssystem, insbesondere einer Windkraftanlage oder Teilbereichen davon, umfassend
- (i) eine durch die Stör-Schwingungen in Bewegung gesetzte Tilgermasse (1),
- (ii) einen mit Flüssigkeit versehenen Hydraulik- oder Balgzylinder (2) und
- (iii) eine Feder-Dämpfer-Anordnung (3)(4)(7), bei welcher diese (a) mindestens einen als Federelement funktionierenden Druckspeicher (4) und (b) mindestens ein als Dämpfungselement (3) funktionierende Vorrichtung zur Beeinflussung eines Volumenstroms unter Entstehung einer Druckdifferenz aufweist, wobei die Tilgermasse (1) mit dem Hydraulik- oder Balgzylinder (2), der Hydraulik- oder Balgzylinder (2) mit dem Dämpfungselement (3), und das Dämpfungselement (3) mit dem Federelement (4) in Verbindung steht, so dass durch die relative Bewegung der Tilgermasse (1) der mit ihr verbundenen Hydraulik – oder Balgzylinder (2) in seiner funktionellen Länge verändert wird, wodurch Flüssigkeit in das oder aus dem Dämpfungselement (3) gedrückt wird, und dadurch eine auf das Schwingungssystem angepasste Druckänderung in dem mit einem komprimierbaren Medium gefüllten und bezüglich Volumen und Druck voreingestellten Druckspeicher (4) bewirkt wird und zur Variation und Anpassung der Tilger-Frequenz führt.
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Die als Dämpfungselement (3) funktionierende Vorrichtung zur Beeinflussung eines Volumenstroms ist erfindungsgemäß eine Drossel, bzw. ein Drosselventil, oder eine ähnlich wirksame Baueinheit oder auch eine Blende.
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Der erfindungsgemäße Tilger umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform ein Schaltventil oder Rückschlagventil oder einen anderweitigen Bypass (5) auf, wodurch erreicht wird, dass die zur Druckänderung eingesetzte Flüssigkeit nur in eine Richtung bewegt werden kann.
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Der als Federelement erfindungsgemäß wirksame Druckspeicher (4) ist mit einem komprimierbaren Gas oder auch einem komprimierbaren elastischen festen Material ganz oder teilweise in der Weise gefüllt, dass er bei entsprechenden Druckverhältnissen auch die zur Druckveränderung eingesetzte Flüssigkeit/Hydraulikflüssigkeit zu einem gewissen Teil aufzunehmen vermag, welche aus einem Dämpfungselement (3), beispielsweise einer Drossel oder einem gleichwirkenden Bauteil geliefert wird.
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Es ist erfindungsgemäß in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur einen sondern zwei, drei oder mehrere Druckspeicher (4) aufweist, die mit unterschiedlichen Drücken und/oder Volumina beaufschlagt sind, entsprechend der gewünschten Graduierung bzw. Unterteilung der für das Schwingungssystem erforderlichen Soll-Tilgerfrequenzen. In diesem Fall weist die Vorrichtung zusätzlich ein Schaltventil (6) auf, welches die einzelnen Druckspeicher (4) ansprechen kann.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist es möglich, Federelement (4) (Druckspeicher) und Dämpfungselement (3) (Drossel, Blende) als getrennte Einheiten einzusetzen (System 1–3) oder in ein Bauteil zu integrieren (System 4).
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Es ist sogar möglich, auch den Hydraulikzylinder oder Balgzylinder (2), der durch die Bewegung der mit ihm verbundenen Tilgermasse (1) in seiner funktionellen Länge verändert wird und dadurch die in ihm vorhandene Flüssigkeit in das besagte Feder-Dämpfer-Element (3)(4) oder aus diesem heraus verschiebt, zusammen mit diesem zu einer baulichen Einheit zu verbinden, was den Vorteil einer beträchtlichen Platzersparnis mit sich bringt.
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Das Feder-Dämpfer-Element (3)(4)(7) weist in einer anderen Ausführungsform eine Vorrichtung zu Temperaturkompensation auf, so dass bei sich ändernden Temperaturen während des Betriebes des Schwingungstilgers bzw. des Feder-Dämpferelementes keine wesentliche Änderung der Tilgerfrequenz und damit der optimalen Dämpfung eintritt, da bei solchen Temperaturänderungen sich in der Regel die Eigenfrequenz des Schwingungssystem ändert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperaturkompensation durch Einsatz von Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten an bestimmten Teilen im Vergleich zu den restlichen Teilen der Konstruktion erreicht. Durch die unterschiedliche Ausdehnung bei Temperaturänderung wird der Volumenstrom in der Drossel oder Blende des Dämpferelementes (3) verändert und wirkt der temperaturbedingten Änderung der Viskosität der zu transportierenden Flüssigkeit entgegen.
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Die erfindungsgemäße Tilgervorrichtung weist eine Tilgemasse (1) auf, die entsprechend den auftretenden Schwingungen bewegt wird. Die Tilgemasse ist vorzugsweise am Ende eines Pendelseils oder einer Pendelstange befestigt, Sie kann aber auch anderweitig nicht pendelartig bewegt werden. Das Pendelseil bzw. die Pendelstange sind in der zu dämpfenden Anlage vorzugsweise vertikal aufgehängt bzw. befestigt. Die Tilgermasse ist mit dem Hydraulik- oder Balgzylinder verbunden, so dass dieser durch die Bewegung der Tilgermasse gestaucht oder gezogen wird, und Flüssigkeit in den das angeschlossene Feder-Dämpfer-Element verdrängt oder aus diesem aufgenommen wird.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine spezielle Feder-Dämpfer-Vorrichtung (7), zur Dämpfung von Stör-Schwingungen in einem Schwingungssystem in Verbindung mit einer Tilgermasse, in Form eines im Wesentlichen aus einem ersten und einem zweiten Kompartiment (11)(12) bestehenden Zylinders (10), der an einem Ende einen Anschluss (13) für einen mit Flüssigkeit gefüllten Hydraulik- oder Balgzylinder aufweist, wobei das erste anschlussseitige (Anschluss 13 des Hydraulikzylinders 2) Kompartiment (11) mit Flüssigkeit (20) gefüllt ist, und das zweite, das andere Ende des Zylinders (10) bildende Kompartiment (12) ein komprimierbares Medium (19), vorzugsweise ein Gas aber auch beispielsweise ein elastisches Material, sowie Raum für die aus dem Kompartiment (11) verdrängte Flüssigkeit (20) aufweist, und beide Kompartimente gebildet werden durch ein zwei senkrecht zur Zylinderachse angeordnete Scheiben (15) (17) umfassendes Bauteil (B) im Inneren des Zylinders (10) zur Regulierung des aus dem Hydraulik- oder Balgzylinder in das Kompartiment (11) hineingedrückten Volumenstroms unter Entstehung einer Druckdifferenz zwischen dem besagten ersten und zweiten Kompartiment, wobei die Scheibe (15) des Bauteils (B) sich auf der Seite des Kompartiments (11) befindet, und die Scheibe (17) des Bauteils (B) auf der Seite des Kompartiments (12) angeordnet ist, und das Bauteil (B) mindestens ein Rückschlagventil oder Bypass (16) aufweist, welches den Durchfluss von Flüssigkeit in Richtung des Kompartiments (11) erlaubt, jedoch in Richtung des Kompartiments (12) verhindert, und beide Scheiben (15)(17) durch einen Spalt (21) voneinander getrennt sind, welcher durch mindestens eine Bohrung oder Aussparung (22) in oder an den Scheiben (15) und (17) Zugang zu dem jeweils anderen gegenüberliegenden Kompartiment besitzt, so dass bei Vorliegen eines höheren Druckes im Kompartiment (11) relativ zum Kompartiment (12) Flüssigkeit über den besagten Spalt in das Kompartiment (12) gelangen kann und das kompressible Medium im Kompartiment (12) komprimiert oder dekomprimiert wird, während bei Vorliegen eines höheren Druckes im Kompartiment (12) relativ zum Kompartiment (11) Flüssigkeit über den besagten Bypass unter weitgehender Umgehung des Spaltes (21) in das Kompartiment (11) widerstandsverringert zurückgelangen kann und das kompressible Medium im Kompartiment (12) dekomprimiert wird.
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In einer besonderen Ausführungsform hat die Scheibe (15) einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders (10), so dass die Flüssigkeit (20) über die so entstandene ringförmige Aussparung (22) im Bereich der Scheibe (15) Zugang zu dem Spalt (21) zwischen den Scheiben (15) und (17) sowie zu dem restlichen Flüssigkeitsraum des Kompartiments (11) besitzt.
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In einer besonderen Ausführungsform dieser speziellen Feder-Dämpfer-Vorrichtung befinden sich an oder in der Scheibe (17) Öffnungen mit Rückschlagventilen oder Bypass-Elemente (16), mit deren Hilfe verhindert werden kann, dass Flüssigkeit aus dem Kompartiment (11) in das Kompartiment (12) transportiert wird, während umgekehrt dadurch erleichtert wird, dass Flüssigkeit widerstandsverringert oder widerstandsfrei aus dem Kompartiment (12) zurück in das Kompartiment (11) gelangen kann.
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Die Scheibe (17) ist vorzugsweise druckdickt an der Zylinder-Innenwand befestig. Die Scheibe (15) ist entweder ebenfalls druckdicht und schlüssig mit der Zylinderinnenwand verbunden, oder sie ist an einer Stange (14) befestigt, welche vorzugsweise mittig und parallel zu Zylinderachse bzw. im Kompartiment (11) angebracht ist. Es ist auch möglich, die Stange im Kompartiment (11) in Verbindung mit der Scheibe (17) anzubringen, und die Scheibe (15) druckdicht mit der Zylinderwand zu verbinden. Das Rückschlagventil (16) zwischen Kompartiment (11) und (12) kann entweder in einer Scheibe oder in beiden Scheiben, vorzugsweise in Scheibe (17) angebracht sein
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In jedem Fall muss zwischen der Scheibe (15) und der Scheibe (17) ein Spalt oder Zwischenraum (21) zur Verfügung gestellt werden. Dies Spalt muss weiterhin einen Zugang zu dem Flüssigkeitsraum im Kompartiment (11), sowie zu dem Flüssigkeitsraum im Kompartiment (12) besitzen. Dies kann beispielsweise durch eine oder mehrere Öffnungen oder Bohrungen (23) oder Aussparungen (22) in den Scheiben erreicht werden, wobei die Öffnungen vorzugsweise den Volumenstrom nicht wesentlich beeinflussen sollten und damit keine zusätzliche Druckänderung bewirkt wird. Diese Druckänderung sollte im Wesentlichen durch den Spalt (21) selbst generiert werden, der hier wie ein Drosselventil wirkt. Der Spalt (21) weist üblicherweise einen Durchmesser von 1–5 mm auf. In der speziellen Ausführungsform der 5 weist die Scheibe (17) eine zentrale Bohrung (23) auf. Es können aber auch mehrere Bohrungen in der Scheibe vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der beiden Scheiben (15) (17) mit dem Zylinder über ein Bauteil verbunden, welches aus einem Material gefertigt ist, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als die restlichen Teile der Feder-Dämpfer-Vorrichtung, beispielsweise die Scheiben selbst. Ein solches Bauteil kann die Stange (14) sein, die beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Magnesium oder entsprechender Legierungen, gefertigt ist, währen die Scheiben (15)(17) und der restliche Zylinder vorwiegend aus Stahl hergestellt ist. In diesem Fall bewirkt eine Temperaturänderung nicht nur eine Änderung in der Viskosität der Flüssigkeit (20) sondern auch eine unterschiedliche Ausdehnung der beiden Materialien, in der Weise dass der Spalt (21) bei einer Temperaturerhöhung kleiner wird, und sich damit eine größeres Druckgefälle zwischen Kompartiment (11) und (12) bei Durchtritt der Flüssigkeit (20) einstellt, auf der andere Seite aber die eintretende geringere Viskosität der Flüssigkeit (20) diesem Druckgefälle entgegenwirkt, so dass letztlich keine wesentliche Änderung in der Tilgerfrequenz eintritt. Bei einer Temperaturerniedrigung heben sich wiederum größerer Volumendurchtritt durch größeren Spalt (21) und höhere Viskosität der Flüssigkeit (20) in ihrem Einfluss auf den Druck aus, so dass wiederum die Tilgerfrequenz weitgehend unverändert bleibt. Somit ist das Feder-Dämpfer-Element (7) in Bezug auf seine Dämpfungscharakteristik im Wesentlichen temperaturunabhängig.
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Das Feder-Dämpfer-Element (7) kann wiederum in baulicher Einheit mit dem Hydraulik- oder Balgzylinder (2) stehen.
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Die erfindungsgemäße Tilgervorrichtung ist insbesondere für den Einsatz in Windkraftanlagen, insbesondere in Türmen von Windkraftanlagen oder in anderen hohen Bauwerken vorgesehen., und hierbei insbesondere während der Errichtungsphase der Türme der Windkraftanlage, um der sich nach Baufortschritt stets sich ändernde Eigenfrequenz der Anlage durch entsprechende Anpassung zu begegnen. Nach Fertigstellung des Turmes, inklusive Errichtung der Gondel und der Rotorblätter, kann die erfindungsgemäße Tilger-Vorrichtung in der Anlage verbleiben, um dort das System permanent zu bedampfen.
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Die erfindungsgemäße Feder-Dämpfer-Vorrichtung (3)(4)(7) kann darüber hinaus, auch bei Seilabspannungen hoher Masten und anderer Bauwerke oder Anlagen Verwendung finden.
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Gegenstand der Erfindung sind letztlich entsprechende Windkraftanlagen, welche den erfindungsgemäßen Schwingungstilger aufweisen.
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Einzelheiten der Erfindung:
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Im Folgenden werden die Bezugsgrößen näher beschrieben, welche in den Abbildungen, in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tilgermasse
- 2
- Hydraulikzylinder/Balgzylinder
- 3
- Vorrichtung zur Modifizierung eines Volumenstroms
- 4
- Druckspeicher
- 5
- Drossel
- 5a
- Rückschlagventil-Drossel
- 6
- Schaltventil
- 7
- Feder-Dämpfer-Element
- 8
- Feder
- 9
- Dämpfer
- 10
- Zylinder der Feder-Dämpfer-Einheit (7)
- 11
- Anschlussseitiges Kompartiment des Zylinders 10
- 12
- Äußeres Kompartiment des Zylinders 10
- 13
- Anschluss Hydraulikzylinder
- 14
- Stange Temperaturkompensation
- 15
- Scheibe 1
- 16
- Rückschlagventil
- 17
- Scheibe 2
- 18
- Füllstand Hydraulikflüssigkeit
- 19
- Gaspolster oder elastisches Material
- 20
- Hydraulikflüssigkeit
- 21
- Spalt/Zwischenraum zwischen Scheibe 15 und Scheibe 17
- 22
- Ringförmiger Raum um Scheibe 15 zur Zylinderinnenwand
- 23
- Bohrung in der Scheibe (17)
- 110
- Feste Einspannung
- 111
- Seil/Zugstab
- 112
- Tragwerk
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Im Folgenden werden die Abbildungen kurz erläutert:
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1: zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Schwingungstilger-Vorrichtung. Hierbei sind verschiedene Alternativen (System 1–4) dargestellt.
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System 1 zeigt eine Drossel als Dämpfungselement (3) welche verbunden ist mit einem Gasdruckspeicher als Federelement (4). Die Drossel-Vorrichtung ist mit der Druckseite des Hydraulikzylinders (2) über eine Druckleitung verbunden, welcher wiederum mit der Tilgermasse an einem Pendel verbunden ist. Der Hydraulikzylinder ist dabei unterhalb der Tilgermasse (1) im Ruhezustand angeordnet. Im Prinzip kann er auch in horizontaler Richtung platziert sein.
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System 2 weist zusätzlich ein Rückschlagventil (5) auf;
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System 3 weist zusätzlich zu System 2 einen weiteren Druckspeicher (4), wobei die beiden Druckspeicher durch das Schaltelement (6) einzeln angesprochen werden können.
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System 4 zeigt anstelle der Systeme 1–3 schematisch die spezielle Feder-Dämpfer-Vorrichtung (7), wie in 5 näher dargestellt. Die Einheit (7) ist direkt mit dem Hydraulik- oder Balgzylinder (2) über eine Druckleitung verbunden.
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2 zeigt schematisch die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Feder-Dämpfer-Elementes (linkes Bild) und der Zusammenhang zwischen Amplitude und Maß X eines Hydraulik- oder Balgzylinders. (rechtes Bild).
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3 und 4 zeigen schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Feder-Dämpfer-elementes bei einer Seilabspannung, beispielsweise für einen Mast.
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5 zeigt den Aufbau der speziellen Feder-Dämpfer-Einheit (7) gemäß der Erfindung. Als Drossel (Dämpfungselement) dient das Bauteil (B) mit seinen beiden Scheiben (15) und (17), die durch den Spalt (21) voneinander getrennt sind. Die Flüssigkeit (20) kann aus dem Kompartiment 11 durch den Spalt (219 und der zentralen Öffnung in der Scheibe (17) in das Kompartiment (12) gedrückt werden, wo sie das gasförmige oder elastische Medium (19) bis zu einer Grenze (18) zusammendrückt.
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Das Schwingungsdämpfersystem gemäß der Erfindung ist schematisch in dargestellt.
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System 1:
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Die Druckseite vom Hydraulikzylinder inklusive Drossel sind mit einem inkompressiblen Medium befüllt, beispielsweise mit Flüssigkeit, vorzugsweise Hydraulikflüssigkeit. Die Entlastungsseite vom Hydraulikzylinder besitzt eine Öffnung zur Umgebung und ist somit mit Luft gefüllt (die Entlastungsseite hat keinen Funktionseinfluss). Bewegt sich die Tilgermasse (in diesem Beispiel pendelnd, es sind aber auch Linearbewegungen vorstellbar), so verändert sich Maß X und Flüssigkeit wird aus dem Hydraulikzylinder durch die Drossel gedrückt. Wird die Tilgermasse ausgelenkt, so liegt vor der Drossel ein höherer Druck als nach der Drossel vor.
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Die Druckdifferenz errechnet sich wie folgt: ΔpDrossel = pvor Drossel – pnach Drossel
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Diese ist ein Maß für die dissipierte Energie, welche als Wärme abgeführt werden muss. Dabei gilt: Je kleiner die Drosselöffnung desto höher die Druckdifferenz und somit die Tilgerdämpfung.
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Die Aufgabe der Drossel entspricht somit bekannten Dämpfern, wie beispielsweise einen Magnetdämpfer oder einen Fluiddämpfer.
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Der Druckspeicher ist beispielsweise mit Gas befüllt. Dieses ist kompressibel. Es ist prinzipiell möglich auch ein kompressibles elastisches Material aus dem Stand der Technik einzusetzen. Verändert sich Maß X, so wird Flüssigkeit aus dem Hydraulikzylinder in den Druckspeicher verschoben. Hierdurch wird das Gas komprimiert und Druck p2 steigt an. In Abhängigkeit der Größe vom Gasvolumen V1 fällt der Druckanstieg größer oder kleiner aus. Vereinfacht (ohne Berücksichtigung von Temperatureinfluss) lässt sich dieser Druckanstieg über das Gesetz von Boyle-Mariotte berechnen:
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Das physikalische Ersatzsystem gemäß 2 (linkes Bild) sieht wie folgt aus:
- L1 [m] Pendellänge
- L2 [m] Federlänge 20
- 8 Feder
- 9 Dämpfer
- p1 [N/m^2] Gas-Druck unausgelenkt
- p2 [N/m^2] Gas-Druck ausgelenkt
- V2 [m^2] Gas-Volumen ausgelenkt 25
- V1 [m^2] Gas-Volumen unausgelenkt
- f [Hz] Tilgerfrequenz
- m [kg] Tilgermasse
- Ff [N] Federkarft
- A [m^3] Kolbenfläche Hydraulikzylinder 30
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Die Federkraft im unbewegten System errechnet sich zu:
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Das Gas-Volumen ausgelenkt (V2) errechnet sich zu: V2[m3] = V1[m3] – Maß X [m]·A[m2]
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Die Tilgerfrequenz von einer pendeln aufgehängten Tilgermasse errechnet sich zu:
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Werden obige Formel eingesetzt, so ergibt sich:
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Es ist ersichtlich, dass die Tilgerfrequenz (f) mit größer werdendem Maß X zunimmt. Bei dem Hydrauliksystem kann V1 so groß gewählt werden, dass der Druckanstieg im ausgelenkten Zustand keinen Einfluss auf die Dämpfungscharakteristik des Tilgers hat.
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Unter Verwendung von sonst üblichen Metallfedern ist es konstruktiv wesentlich schwieriger eine große Federvorspannkraft (hohe Frequenz) mit einer geringen Federsteifigkeit (geringe Zunahme von Ff über der Tilgerauslenkung) realisiert zu bekommen.
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Das erfindungsgemäße Hydrauliksystem setzt somit die Grundlage für einen großen Frequenz-Verstellbereich, mit dem ein Faktor 2–3 ohne weiteres erreicht werden kann.
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Wird Tilgermasse pendeln aufgehängt, so liegt konstruktionsbedingt ein f Zusammenhang aus Tilgeramplitude und Maß X gemäß 2 (rechtes Bild) vor. Es ist ersichtlich, dass bei kleiner Tilgeramplitude die Änderung von Maß X weniger stark ausgeprägt ist, als dies im weiter ausgelenkten Zustand der Tilgermasse der Fall ist. Wird Maß X einmal abgeleitet, so ergibt sich die Däpfergeschwindigkeit, welche über der Amplitude der Tilgermasse ebenfalls progressiv ansteigt. Diese Dämpfergeschwindigkeit hat direkten Einfluss auf die Dämpferkraft: FD = d·v
- Fd[N]
- Dämpferkraft
- d[N·s/m]
- Dämpfungskonstante
- v[m(s]
- Dämpfergeschwindigkeit
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Bei Extremereignissen steigt somit Fd über der Tilgeramplitude progressiv an, was zu einer Minimierung der Maximalamplitude führen kann. Bewegt sich die Tilgermasse aus dem ausgelenkten Zustand wieder zurück in die Mittelstellung, so schiebt „Gas-Druck ausgelenkt” die Flüssigkeit aus dem Druckspeicher über die Drossel zurück in den Hydraulikzylinder. Dieser Rückfluss funktioniert nur fehlerfrei wenn folgende Randbedingung erfüllt ist: ΔpDrossel ≤ p1
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Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so kommt es zum Flüssigkeitsabriss und damit verbundenem Funktionsausfall.
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System 2:
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Da erfindungsgemäß das zu entwickelnde Tilgersystem einen großen Frequenzbereich abdecken soll, ist obige Bedingung bei den kleinen Tilgerfrequenzen und damit verbundenem kleinen p1 schnell erfüllt. Aus diesem Grund wird die Drossel aus System 1 bei System 2 durch ein Drossel-Rückschlagventil ersetzt. Bei auslenkender Tilgermasse verhält sich dieses System identisch zu System 1. Bei rückschwingender Tilgermasse fließt Hydraulikflüssigkeit über Bypass und nicht über Drossel. Hierdurch fällt ΔpDrossel im Rückfluss wesentlich kleiner aus. Hierdurch kann p1 weiter verringert werden um kleine Tilgerfrequenzen einstellen zu können. Dies hat zur Folge, dass unterschiedliche Dämpfung bei Auslenken und Rückschwingen der Tilgermasse vorliegen. Dies gilt es bei der Auslegung zu berücksichtigen. Bei System 1 und 2 wird die Tilgerfrequenz durch Verändern von p1 verändert. Das Ablassen von Gas ist problemlos möglich. Zur Erhöhung von p1 wird hingegen eine Pumpe oder Gasflasche benötigt.
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System 3:
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Ist dies nicht erwünscht, so besteht die Möglichkeit mehrere Druckspeicher in das System zu integrieren. Diese Druckspeicher sind mit unterschiedlichen Drücken vorbefüllt, welche jeweils einer Rasterung der Soll-Tilgerfrequenzen entsprechen. Über das Schaltventil wird hierbei jeweils der Druckspeicher in das System integriert, dessen Druck der gerade erforderlichen Soll-Tilgerfrequenz entspricht. Hierdurch ist ein sekundenschnelles und sehr einfaches Frequenz-Verstellen in einem großen Bereich möglich.
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System 4:
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Um den konstruktiven Aufwand so gering als möglich zu halten, kann Drossel &, Druckspeicher und Rückschlagventil, wie in System 4 dargestellt, zu einer Einheit integriert werden. Dies minimiert Kosten und gleichzeitig die Gefahr von Leckage.
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5 stellt eine bevorzugte Ausführungsform eines Feder-Dämpfer-Elementes gemäß der Erfindung dar: Wird die Tilgermasse aus der Mittelstellung ausgelenkt, so erfährt der Hydraulikzylinder (2) eine Längenänderung. Hierdurch wird aus dem Hydraulikzylinder Hydraulikflüssigkeit verdrängt. Diese fließt über den Anschluss (13) in die Feder-Dämpfer-Einheit (7). In diesem Zustand sperrt das Rückschlagventil (16) den Durchfluss. Hierdurch muss das verdrängte Volumen vom Hydraulikzylinder durch den Spalt (21) zwischen Scheibe 15 und Scheibe 17 fließen. Dieser Durchfluss stellt einen Widerstand da, was zu einem Druckverlust führt. Je höher an dieser Stelle der Druckverlust ausfällt, desto größer ist die dissipierte Energie. Hierbei steigt der Füllstand der Hydraulikflüssigkeit. Das Gaspolster (es sind auch andere kompressible Medien vorstellbar) wird komprimiert. Schwingt nun die Tilgermasse aus dem ausgelenkten Zustand zurück in die Mittelstellung, so führt die Komprimierung vom Gaspolster dazu, dass die Hydraulikflüssigkeit wieder zurück in den Hydraulikzylinder geschoben wird. Die Kraft, welche hierfür zur Verfügung steht, ist begrenzt. Ist nun der Druckabfall an der Drosselstelle größer als der Überdruck vom Gaspolster, so kann dies zu unerwünschter Kavitation in der Hydraulikflüssigkeit führen. Aus diesem Grund ist über das Rückschlagventil (16) ein Bypass zur Drosselstelle vorhanden, welcher den Rückfluss der Hydraulikflüssigkeit mit geringem Widerstand ermöglicht. Die Dämpfung ist somit bei auslenkender Tilgermasse groß (Flüssigkeit wird durch Drosselstelle Scheibe 1/Scheibe 2 gedrückt). Bei rückschwingender Tilgermasse ist Dämpfung gering (Hydraulikflüssigkeit fließt über Rückschlagventil an eigentlicher Drosselstelle vorbei). Die Energie, welche an der Drosselstelle durch einen Druckabfall vernichtet wird, wird in Wärme umgewandelt und führt im Folgenden zu einer merklichen Eigenerwärmung der Feder-Dämpfer-Einheit. Typischerweise kann an dieser Stelle für einen 1-Hz Tilger eine Eigenerwärmung von ca. 40°C unter Maximalamplitude unterstellt werden. Hinzu kommt, dass solch ein Tilger typischerweise im Freien verwendet wird. Somit ist mit einer zusätzlichen Temperaturschwankung von ca. 60°C (Sommer/Winter) zu rechnen. In Summe unterliegt somit die Hydraulikflüssigkeit einer Temperaturschwankung von 100°C. Hierdurch ändert sich die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit stark, was in direktem Zusammenhang mit der Dämpfung steht. Folgender Zusammenhang von Temperatur und Viskosität liegt typischerweise für Mineralöl vor: Bei 100°C Temperaturschwankung resultiert zwangsläufig eine Viskositätsschwankung > Faktor 10. Hierdurch ändert sich (in direktem Zusammenhang) die Dämpfung ebenfalls um Faktor 10, was zu einem komplett anderem, unerwünschtem Verhalten führt.
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Aus diesem Grund besitzt das feder-Dämpfer-element (7) eine Temperaturkompensation. Hierzu ist die Stange (14) aus einem Werkstoff gefertigt, welcher einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als die restlichen Teile der Feder-Dämpfer-Einheit besitzt. Die vorzugsweise aus Stahl gefertigt sind. Auf Basis dessen führt ein Temperaturanstieg zu einer Verringerung vom Spalt (21) zwischen Scheibe (15) und Scheibe (17). Die geringere Viskosität (geringere Dämpfung) wird hierbei durch einen kleineren Spalt (höhere Dämpfung) kompensiert. Bei einem Temperaturabfall liegt gleiches Verhalten vor.
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Die Kolbenfläche vom Hydraulikzylinder, Drosselspalt, Drosselabmessungen, Länge „Stange Temperaturkompensation”, und Hydraulikmedium sind hierbei so abzustimmen, dass die Einheit nicht über- bzw. unterkompensiert ist.
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Der erfindungsgemäße Schwingungstilger, bzw. die erfindungsgemäße Feder-Dämpfer-Vorrichtung weist folgende Vorteile und Eigenschaften auf:
- • Tilgerfrequenz lässt sich werkzeuglos und gefahrlos in Sekundenschnelle beliebig verändern.
- • Die Federeinheit liegt nicht als metallische Feder vor. Anstatt dessen kommt ein Hydrauliksystem zum Einsatz bei dem vorzugsweise ein Gaspolster die Aufgabe der Feder übernimmt. Hierdurch lässt sich ein großer Frequenz-Verstellbereich (> Faktor 2) realisieren, welcher mit sonst üblichen Metallfedern nur bedingt umsetzbar wäre.
- • Zudem werden bei der Ausführungsform gemäß 5 die Feder- und Dämpferelemente zu einer baulichen Einheit kombiniert. Da Federeinheit und Dämpfereinheit in der Gesamtkostenbetrachtung der Tilgereinheit einen erheblichen Kostenpunkt darstellen, können hierdurch die Kosten gesenkt werden. Durch die Kombination von Feder und Dämpfer in einer Einheit wird gleichzeitig der erforderliche Einbauraum auf ein absolutes Minimum begrenzt.
- • Bei Einsatz eines Pendeltilgers wird eine progressive Dämpfungszunahme über der Auslenkung der Tilgermasse erzielt.
- • Die Vorrichtung ist vorzugsweise Einheit ist temperaturkompensiert bzw. weitgehend temperaturunabhängig und somit für den Einsatz im Freien geeignet.
- • Da der erfindungsgemäße Tilger eine sehr variable Frequenz hat, kann ein Tilger für mehrere Anwendungsfälle verwendet werden und muss nicht immer projektspezifisch neu entwickelt werden. Über den Einsatz von Windkraftanlagen hinaus, kann dieser bei jeglicher Art von Bauwerken eingesetzt werden, welche schwinganfällig sind (z. B. Brücken, Stadien, Stahlkonstruktionen, Türme, Schornsteine)
- • Es ist vorstellbar den Druck im Druckspeicher (Verändern Tilgerfrequenz) an sich ändernde Randbedingungen anzupassen. Hierdurch würde aus einem passiven Tilger ein frequenzadaptiver Tilger realisiert werden können.
- • Das System ist sowohl für niederfrequente (0.5 Hz–5 Hz) als auch für höherfrequente (> 5 Hz) Schwingungen geeignet.
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Alternativanwendung Seilresonanz (Fig. 3):
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Überall dort wo Seile (oder auch Zugstreben aus Vollmaterial) Verwendung finden (z. B. Stadion, Brücken, Abspannungen von Türmen, Elektro-Überland-Leitung), kann es zu Seil-Resonanzen kommen. Kommt es zu Resonanzanregung (z. B. durch Wind oder äußere Kraftanregung) so können große Seilbewegungen die Folge sein, welche zu Bauteilschäden führen können, da unter Schwingung die Seilkraft stark schwankt. Über die Vorspannkraft der Seile wird versucht die kritischen Eigenfrequenzen in Bereiche zu verschieben, in denen keine Anregung möglich ist (ähnlich einer Gitarrenseite führt eine höhere Vorspannkraft zu einer höheren Resonanzfrequenz und umgekehrt). In der Praxis ist dies allerdings nicht immer möglich. Zudem ist es schwierig eine definierte Vorspannkraft einzustellen, da das Vorspannen in der Regel nicht kraftgeregelt erfolgt. Kommt es bei solchen Systemen zur Resonanzanregung, so wird die Höhe der Seil-Schwing-Amplitude über die vorhandene Eigendämpfung definiert (eine hohe Eigendämpfung führt zu geringen Schwingamplituden und umgekehrt). Da die Eigendämpfung solcher Systeme in der Regel nicht hoch ist, sind zwangsläufig große Schwingamplituden die Folge. All diess kann durch die erfindungsgemäße Feder-Dämpfer-Einheit vermieden werden.
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Alternativanwendung Tragwerksabspannung:
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Hohe, schlanke und somit schwinganfällige Tragwerke (z. B. Windkraftanlage, Turm, Schornstein, Mast) werden in der Praxis häufig mit Seilen abgespannt: Hierdurch werden die kritischen Eigenfrequenzen vom Tragwerk in Bereiche verschoben (Eigenfrequenzen steigen), welche nicht mehr durch den Wind in Resonanz angeregt werden können. Zusatzdämpfung wird hingegen nicht eingebracht. Werden nun diese „einfachen” Seile durch die Einheit gemäß Kapitel „Seilresonanz” ersetzt, so liegt ein System vor bei dem die Seil-Vorspannkraft und Seil-Steifigkeit sehr genau bekannt sind. Zudem wird Zusatzdämpfung in das Gesamtsystem eingebracht, welche die Schwingamplituden von Seil und Tragwerk minimiert. Bei dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen System müssen die Seile immer so angeordnet sein, dass sich diese gegenseitig verspannen (In der Regel 3·120° oder 4·90°). Wird eine Anordnung 1·90° (im Folgenden dargestellt) oder 2·90° gewählt, so ist keine Verspannung vom Tragwerk möglich. Die Eigenfrequenzen werden somit nicht verschoben. Vielmehr wird hier die erhöhte Zusatzdämpfung durch das Hydrauliksystem zur Minimierung der Resonanzamplitude ausgenutzt. Hierdurch kann die Anzahl der Seile und Ankerpunkte minimiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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