DE69703622T2

DE69703622T2 - Giersteuerung und mit dieser giersteuerung ausgerüstete windkraftanlage

Info

Publication number: DE69703622T2
Application number: DE69703622T
Authority: DE
Inventors: Staffan Engstroem
Original assignee: AEGIR KONSULT LIDINGOE AB
Current assignee: AEGIR KONSULT LIDINGOE AB
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2017-04-26
Also published as: EP0900335B1; DE69703622D1; JP2000509780A; EP0900335A1; DK0900335T3; US6176675B1; WO1997042409A1; SE9601743L; ES2153195T3; SE9601743D0; SE506573C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Gier-Vorrichtung für eine Maschinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage, die mit einer derartigen Gier-Vorrichtung ausgestattet ist. Neben Windkraftanlagen umfasst der Begriff Maschinenanlage, so wie er mit Bezug auf die vorliegende Erfindung verwendet wird, ebenfalls Hubkräne, Gefechtstürme und dergleichen, in welchen eine Gier-Vorrichtung die Drehbewegung von Maschinenanlagen erlaubt. Eine derartige Gier-Vorrichtung ist aus der europäischen Patentanmeldung 4110807A1 bekannt.

Hintergrund

Die wesentliche Aufgabe einer Gier-Vorrichtung bei einer Windkraftanlage mit einer horizontalen Windturbinenachse ist die Positionierung der Turbine in die Richtung des Windes. Eine bekannte Gier-Vorrichtung umfasst einen elektrischen oder hydraulischen Motor und ein hochübersetztes Getriebe, welches in den mit Zahnrädern versehenen Weg des Gier-Lagers eingreift und damit die Maschinenanlage in die gewünschte Position dreht. Beispielsweise durch den Einschluss von Windschubkräften wird die Maschinenanlage sowohl beim Gieren, als auch wenn die Maschinenanlage stationär ist, durch pulsierende Kräfte belastet. Diese Kräfte haben regelmäßig eine vorherrschende Ausrichtung in eine Richtung, was dazu führt, dass sie dazu neigen, die Windturbine aus der Richtung des Windes drehen. Während der Rotation um eine vertikale Achse (Gieren) werden darüber hinaus Coriolis-Kräfte ausgeübt.
Diese Phänomene treten unabhängig von der Zahl der Turbinenblätter auf, sind jedoch bei Turbinen mit drei oder mehr Blättern weniger dominant. In vielen Fällen muss die Maschinenanlage starke Gier-Bremsen aufweisen, welche bei bestimmten Konstruktionen auch während des Gierens teilweise aktiviert werden müssen, um die Entwicklung von schädlichen Schwingungen zu vermeiden. Solche Schwingungen entstehen ursprünglich während des Gierens, jedoch kann die Verbindung mit dem Rest der Maschinenanlage auch zu Schwingungen in den Schaufeln und dem Turm führen. Da Windkraftanlagen aus ökonomischen Gründen sehr schlank gebaut werden müssen, sind diese Neigungen sehr stark. Falls die Maschinenanlage fest mit dem Turm verbunden ist, beispielsweise mittels der Gier- Bremsen, wird der Turm starken Gier-Bewegungen ausgesetzt, während die Neigung zu Schwingungen weiterhin besteht.
Konstruktionen mit oder ohne Gier-Bremsen können durch hydraulische Dämpfer ergänzt werden, die aus einem hydraulischen Zylinder oder einer hydraulischen Pumpe/einem hydraulischen Motor bestehen, deren Durchfluss durch eine schmale Öffnung fließen muss. Die Dämpfungskomponenten können teilweise identisch mit dem hydraulischen System sein, das das Gieren der Turbine durchführt.
Die europäische Patentanmeldung 01108071A1 beschreibt eine Windkraftanlage, bei der der Einfluss der zuvor genannten schädlichen Schwingungen minimiert ist. Dies wird durch die Installation eines Antriebsmotors zwischen der Turbine der Windkraftanlage und dem Gier- Lager erreicht. Dieser Antriebsmotor ist mit einer kleinen Öffnung verbunden und agiert deshalb als ein Dämpfer. Es ist jedoch gut bekannt, dass zur Erreichung eines Dämpfungs- Effekts mit einem derartigen Antriebsmotor weitere Komponenten, wie ein Ventilbehälter, Filter und so weiter, hinzugefügt werden müssen.
Selbst wenn der genannte Antriebsmotor und die dazu gehörenden Elemente das Problem der Dämpfung der schädlichen Schwingungen löst, hat diese Lösung doch eine Anzahl von Nachteilen. Dieser Antriebsmotor und die dazugehörigen Elemente sind teuer. Er weist eine hohe Komplexität auf, insbesondere die Installation und die Wartung sind teuer und zeitaufwendig. Zudem wird die Funktionsbereitschaft beeinflusst, da die Anfälligkeit einer Vorrichtung mit der Zahl der hinzugefügten Elemente zunimmt.

Zusammenfassung der Erfindung

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine preisgünstige Gier- Vorrichtung vorzuschlagen, in der nicht nur die Kräfte und die Neigung zu Schwingungen wesentlich reduziert werden, sondern bei der die Installation und Wartung auch einfach durchzuführen sind.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-9 offenbart.

Beschreibung der Zeichnung

Verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung werden nun unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnung im Detail beschrieben, wobei
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage mit einer Gier-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt und
Fig. 2 eine bevorzugte Ausgestaltung der Gier-Vorrichtung zeigt.

Bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage mit einer Windturbine 2, die ein Getriebe 4 antreibt und von diesem getragen wird, einem elektrischen Generator 6, einem Maschinentisch 8, der das Fundament der Windturbine 2, des Getriebes 4 und des Generators 6 bildet. Darüber hinaus ist das Maschinenbett 8 mit der Giervorrichtung 10 und dem Gier- Lager 12, das auch mit dem Turm 14 verbunden ist, verbunden. Im Betrieb können das Maschinenbett 8 und damit auch die Windturbine 2, das Getriebe 4 und der Generator 6 um die Gier-Achse A rotieren.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Gier-Vorrichtung 10. Die Gier-Vorrichtung 10 umfasst einen Gier-Bewegungs-Drehantrieb 16, der mit dem Gier-Lager 12 zusammenwirkt, optionalerweise ein Gier-Getriebe 18, das mit der Gier-Vorrichtung 16 verbunden ist, um - falls notwendig - die Getriebeübersetzung zu erhöhen, einen Verbindungsschaft 19, optionalerweise einer Trägheitsmasse 20, um die schädlichen Schwingungen weiter zu dämpfen, und eine dämpfende Kupplung 22, die zwischen der Trägheitsmasse 20 und der Antriebsvorrichtung 24 vorgesehen ist.
Die dämpfende Kupplung 22 überträgt die Gier-Bewegung. Bei dieser Kupplung ist das übertragene Moment für jede Eingangsdrehgeschwindigkeit eine Funktion des Unterschieds der Drehgeschwindigkeit in dem Eingangs- und dem Ausgangs-Schaft. Das Verhältnis kann linear sein, kann aber auch in Abhängigkeit der Konstruktion der Kupplung andere Charakteristika haben. Die Verluste und damit die Dämpfung einer derartigen Kupplung werden durch den Unterschied zwischen der Drehgeschwindigkeit und durch das Drehmoment bestimmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird diese dämpfende Kupplung durch eine hydrodynamische Kupplung 22 gebildet. Selbst wenn die Erfindung im folgenden mit einer hydrodynamischen Kupplung beschrieben wird, ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass auch andere Arten ähnlicher Kupplungen benützt werden können, wie beispielsweise Kupplungen, die magnetische Felder oder induzierte elektrische Eddy-Ströme für die Erzeugung einer derartigen Dämpfung verwenden.
Beim Gieren wird die zuvor beschriebene hydrodynamische Kupplung 22 sowohl die Übertragung von Moment, als auch die Dämpfung beeinflussen. Wenn die Windkraftanlage nicht giert, ist der Schaft der hydrodynamischen Kupplung 22, der mit der Antriebsvorrichtung 24 verbunden ist, blockiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Blockierung erreicht, indem die Antriebsvorrichtung 24 mit einer haltenden Bremse 26 versehen wird. Auf diese Weise führt die Maschinenanlage kleine, gedämpft schwingende Gier-Bewegungen in der horizontalen Ebene durch, welche die Kräfte, die auf die Struktur wirken, in Vergleich zu Fällen, in denen die Maschinenanlage während des Gierens total blockiert ist, reduzieren. Deshalb ist die Erfindung eine einfache und effiziente Lösung für das Problem der Dämpfung der Gier-Bewegungen sowohl während des Gierens als auch wenn die Maschinenanlage nicht giert.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine Trägheitsmasse 20 vorgesehen, die mit der Hochgeschwindigkeitsseite des Gier-Getriebes 18 verbunden ist und vor der besagten hydrodynamischen Kupplung 22 angeordnet ist, wie in der Fig. 2 gezeigt. Eine derartige Trägheitsmasse 20 kann durch ein separates Schwungrad oder ein vergleichbares Element gebildet werden. Sie kann ebenfalls ein fester Bestandteil beispielsweise der hydrodynamischen Kupplung 22 sein.
Die Trägheit der Trägheitsmasse 20 wirkt auf die Maschinenanlage als Ganzes mit einem Faktor, der zum Quadrat der Getriebeübersetzung proportional ist. Da eine typische Übersetzung einer Gier-Vorrichtung 8000 : 1 ist (Eingangsgeschwindigkeit für die Antriebsvorrichtung 24, 1400 U/min. Ausgangsgiergeschwindigkeit ca. 1º/sek.) wirkt das Trägheitsmoment der Trägheitsmasse um die Gier-Achse A um einen Faktor von 8000², was 64 Millionen entspricht, verstärkt. Das bedeutet, dass selbst eine kleine Trägheitsmasse von wenigen Kilogramm die Dynamik der Windkraftanlage in starker Weise beeinflusst, deren Maschinenanlage ein Gewicht von mehreren 10 Tonnen hat. Stark in diesem Zusammenhang heißt, dass das resultierende Trägheitsmoment der Maschinenanlage um 10% oder mehr erhöht wird. In der Regel hat dieser Einfluss die Folge einer Verringerung der Bewegungen der Maschinenanlage, was dazu beiträgt, die Entwicklung von gefährlichen Schwingungen zu vermeiden. Eine unnötige große Trägheitsmasse ist jedoch nicht angebracht, da die Minimierung der Bewegungen zu großen internen Kräften in der Gier-Vorrichtung führen kann.
In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat die Gier-Vorrichtung sowohl eine hydrodynamische Kupplung 22, als auch eine Trägheitsmasse 20, die in vorteilhafterweise miteinander kooperieren. Die Dämpfung wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, während die Trägheitskräfte durch die Beschleunigung bestimmt werden. Da die Geschwindigkeit und die Beschleunigung sinusförmige Verläufe mit einer Phasenverschiebung von 90º haben, werden die Dämpfung und die Trägheitskräfte ebenfalls eine Phasenverschiebung von 90º haben. Deshalb sind die momentanen maximalen Kräfte/Bewegungen für einen bestimmten Betrag von Dämpfungsarbeit geringer für den Fall, dass die Trägheitsmasse 20 und die hydrodynamische Kupplung 22 kooperieren, im Gegensatz zu dem Fall, dass eine der beiden unabhängig arbeitet. Die reduzierten Kräfte ermöglichen kleinere Ausmaße für alle Komponenten, die die Windturbine 2 mit dem Turm 14 verbinden.
Das Moment der Maschinenanlage, des Verbindungsschafts 19, der Trägheitsmasse 20 und der hydrodynamischen Kupplung 22 bilden alle Teil eines dynamischen Systems, das eine bestimmte natürliche Drehfrequenz hat. Es wird angenommen, dass der Verbindungsschaft 19 die Federcharakteristiken aller Elemente zeigt, die die Maschinenanlage mit der Trägheitsmasse 20 und der hydrodynamischen Kupplung 22 verbinden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Eigenschaften dieser Elemente derart aufeinander abgestimmt, arrangiert und positioniert, dass die natürliche Frequenz weit unter der Hauptanregung des Systems, die durch die Rotation der Windturbine erzeugt wird, liegt, da dies das dynamische Drehmoment reduziert, das durch das System übertragen wird.
Die Antriebsvorrichtung 24 der Gier-Vorrichtung ist vorzugsweise ein elektrischer Motor, der mit der hydrodynamischen Kupplung 22 und der Vorrichtung derart verbunden ist, dass er Rotationen mit jedwelcher vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit erlaubt. Zudem kann der elektrische Motor 24 mit einer haltende Bremse 26 verbunden sein, die eine Seite der hydraulischen Kupplung 22 blockieren kann, wenn die Windkraftanlage nicht giert. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Motor ein Wechselstrommotor 24, der mit einem elektrischen Frequenzkonverter 28 verbunden ist, der dafür benutzt werden kann, die Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors durch Steuerung mittels eines Computer oder einer ähnlichen Kontrollvorrichtung zu kontrollieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Hälfte der hydrodynamischen Kupplung 22, die normalerweise blockiert ist, wenn nicht gegiert wird, durch die Kontrolle des Konverters 28 mit einer passenden Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden, um die inherente Tendenz der Windturbine, sich aus der Richtung des Windes zu drehen, zu kompensieren.
Die Gier-Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in Windkraftanlagen installiert, die keine Gierbremse aufweisen, kann jedoch auch in Windkraftanlagen benutzt werden, die solche Bremsen aufweisen.
Eine Windkraftanlage kann mehrere Gier-Vorrichtungen aufweisen, die parallel zueinander arbeiten. Mittels der vorliegenden Erfindung kann das Giermoment gleichmäßig verteilt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich mit Bezug auf Windkraftanlagen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die Giervorrichtung auch in Verbindung mit Hubkränen, Gefechtstürmen oder ähnlichen verwendet werden kann, wo die Dämpfung und die Übertragung von Gierbewegungen notwendig sind.
Auch wenn die vorstehende Beschreibung spezielle, bevorzugte Ausgestaltungen zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung zeigt, so ist es doch offensichtlich sein, dass ein Fachmann aus der Lehre, den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennt, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen getätigt werden können ohne von dem Gedanken der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung für eine Maschinenanlage, insbesondere eine Windkraftanlage, für die Übertragung und Dämpfung von Gierbewegungen, umfassend ein Gier-Lager (12) und einen Gierbewegungsdrehantrieb (16), die eine Rotation der Maschinenanlage um eine vertikale Achse ermöglichen sowie eine Antriebsvorrichtung (24) zum Antrieb der Maschinenanlage um eine vertikale Achse, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (22) zur Übertragung des Momentes der Antriebsvorrichtung (24) zu dem Gierbewegungsdrehantrieb (16) vorgesehen ist, wobei diese so angeordnet ist, dass das durch diese übertragene Moment durch die Differenz der Drehbewegungsgeschwindigkeit der Antriebs- und Abtriebswelle der Kupplung (22) ermittelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung eine hydrodynamische Kupplung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägheitsmasse (20) vorgesehen ist, die das resultierende Trägheitsmoment um die Drehachse (A) erhöht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheit der Maschinenanlage, einer Verbindungswelle (19), der Trägheitsmasse (20) und der hydrodynamischen Kupplung (22) so ausgelegt, aneinander angepasst und angeordnet sind, dass die Eigenfrequenz des Systems unterhalb der Erregungsfrequenz liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitsmasse (20) an der Antriebsseite mit höherer Drehgeschwindigkeit eines Gierbewegungsgetriebes (18), welches mit dem Gierbewegungsdrehantrieb (16) verbunden ist, angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitsmasse (20) integraler Bestandteil der Kupplung (22) ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremse (26) vorgesehen ist um die Antriebsvorrichtung (24) abbremsen zu können.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (24) so ausgelegt ist, dass die Rotationsbewegungen mit auswählbaren Drehgeschwindigkeiten ermöglicht wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung ein Wechselstrommotor (24) ist, der durch einen Frequenzwandler (28) gesteuert sein kann.

10. Windkraftanlage umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.