DK173885B1 - Vindmøllevinge med svingningsdæmper - Google Patents

Description

i DK 173885 B1

Den foreliggende opfindelse angår en vindmøllevinge med en svingningsdæmpende indretning.

For generelt at dæmpe svingninger i sådanne vinger er det kendt at benytte forskellige former for dæmpningsindretninger 5 i form af mekaniske eller hydrauliske svingningsdæmpere, der er begrænset virksomme i forbindelse med svingninger over et bredt frekvensområde. Som eksempler på sådanne vinger kan henvises til DK 95 00222 U3 og DK 172,039 Bl.

Det er også kendt at sigte mod et særligt og ganske snæ-10 vert frekvensområde, nemlig den enkelte vinges egenfrekvens, ved hvilken der ofte optræder betydelige svingninger i forbindelse med de hyppige lastveksler, der forekommer under drift. Disse svingninger er uønskede, fordi de virker udmattende på vingematerialet, og i nogle tilfælde forekommer der 15 lastveksler af en sådan størrelsesorden, at der ligefrem tales om abnormt store lastveksler, der vides at forkorte vingens levetid mærkbart ved de forekommende kraftige svingninger. De sædvanlige svingningsdæmpere er enten uegnede til netop dette dæmpningsformål eller de er komplicerede at have 20 indbygget i vingen.

Det er ved opfindelsen indset, at problemet kan reduceres mærkbart ved brug af en afstemt dæmperindretning, som kan yde en kraftig dæmpning ved en modsvingningspåvirkning på vingen netop ved dennes egenfrekvens eller evt. harmoniske deraf, 25 medens den ellers generelt er stort set virkningsløs som svingningsdæmper. Ved en sådan afstemt daemperindretning skal forstås en indretning med en frit bevægelig masse, som på udæmpet måde kan acceleres ved begyndelsen af en svingningsfase og derved nå at ankomme fil en modstående, fast anslags-30 del netop som svingningen overgår til et modfaseforløb, hvorved retursvingningen modvirkes med hele bevægelsesenergien af den bevægede masse.

Ved opfindelsen er det fundet muligt at realisere dette princip på særlig enkel måde under' anvendelse af en dæmp-35 ningsindretning af TLD-typen (Tuned Liquid Damper), dvs. ved brug af en eller flere væskebeholdere med afstemt længde og væskehøjde for opnåelse af en ønsket forplantningshastighed af en væskebølge deri, idet en sådan bølge så vil udgøre den DK 173885 B1 2 nævnte bevægelige masse. Væsken skal så ikke passere gennem nogen indsnævret åbning for opnåelse af en generel, "blød" svingningsdæmpning, men tværtimod tillades at skvulpe frit mellem de modstående ender af væskebeholderen. For at have 5 størst virkning bør dæmperindretningen være anbragt så tæt ved vingetippen som muligt, dvs. i et område, hvor vingebredden ikke er specielt stor, men det er dog ved opfindelsen konstateret, at det i forbindelse med ordinære møllevinger reelt er muligt at arbejde med beholdere, som uden nogen 10 uheldig ændring af vingeformen kan indbygges i de hule vinger med længder og rumfang af en sådan størrelsesorden, at en særdeles mærkbar dæmpning af den omtalte type er opnåelig. De svingningsfrekvenser, som er aktuelle, vil typisk være på nogle få Hz, og det viser sig, at en modsvarende "skvulp-15 ningsfrekvens" lige netop kan opnås hvis den pågældende rådighedsplads udnyttes så at sige fuldt ud.

For en effektiv skvulpning er det en betingelse, at de benyttede beholdere kun er ca. halvt væskefyldte, hvilket for den enkelte beholder giver en begrænsning i vægten af den be-20 vægede masse. Det har dog vist sig, at der i en normal vinge vil være plads i det nævnte ydre område til indmontering af beholdere med et samlet væskeindhold, som kan have tilstrækkelig masse og bevægelighed til effektivt at kunne modvirke egensvingningerne af vingen. Dette kræver dog, at beholderne 25 har maksimal bredde inde i vingen, og at væsken kan skvulpe maksimalt uhindret inde i beholderne, og opfindelsen adskiller sig i begge disse henseender markant fra de forannævnte to publikationer.

Der er her 4) forhold, som er af særlig betydning: 30 1) Medens de kantvise egensvingninger kan ytre sig med ganske store amplituder, f.eks. 10-20 cm for en stor og tung møllevinge, så vil det ved den afstemte dæmpning være tilstrækkeligt at benytte en forholdsvis lille væskemængde, idet dens hovedvirkning vil være at 35 dæmpe selve indsvingningsforløbet, således at sving ningsamplituden ikke når at vokse op. For gængse møllevinger vil en væskemængde på blot 10-20 kg være til 3 DK 173885 B1 strækkelig, og en sådan mængde kan godt rummes i et beholdersystem i det trange rum nær vingetippen.

2) For god udnyttelse af rådighedspladsen - og i det hele taget for muliggørelse af en dæmpning af den pågælden-5 de type - er det nødvendigt at arbejde med et behol dersystem, som udfylder så meget som muligt af vingebredden, hvorved beholderne bør være udført med en tværsnitsform, som nærmer sig til vingetværsnittet, dvs. er konvergerende ved begge de modstående sider, 10 hensigtsmæssigt således at beholdertværsnittet er ud præget ovalt. De lidt sparsomme beregningsmodeller for afstemte væskedæmpere refererer til enkle kar med modstående lodrette endeflader, og det er ved opfindelsen fundet, at den ovale beholderform betinger, at en væ-15 skebølge, som vender ved ankomst til en tilspidsende beholderende, vil vende lidt før end ved ankomst til en flad endevæg, hvilket giver en begrænsning af den effektive beholderbredde. Det er dog også fundet, at den relevante korte afstand mellem de modstående be-20 holdersider, som i praksis vil være de modstående bue de sider af ovalbeholderen, giver en vis bremsning af skvulpebølgen, hvis hastighed derved nedsættes passende til at beholderen alligevel optræder som effektiv med fuld bredde.

25 3) Ved en roterende vinge skal det tages i betragtning, at der nær vingetippen vil forekomme en betydelig G-påvirkning på væsken i beholderne. Dette har en mærkbar indflydelse på bølgehastigheden, idet denne øges med en faktor på kvadratroden af tyngdeaccelerationen.

30 Dette forhold er afgørende for, at det pågældende dæm persystem i det hele taget kan bruges i praksis for dæmpning af svingninger med den omtalte frekvens (få Hz), idet vingen ellers skulle opvise en urealistisk stor bredde. Hvis eksempelvis G-påvirkningen andrager 35 19G vil bølgehastigheden øges til ca. 4,3 gange bølge hastigheden ved stilstand, dvs. under stationære forhold skulle vingebredde være mere end det firedobbel-te. Til gengæld bliver det herved en betingelse, at en DK 173885 B1 4 relevant afstemning kun kan udføres i forbindelse med , en kendt G-påvirkning, dvs. i forbindelse med vingero-torer, der arbejder med konstant omdrejningshastighed. Under rotationen vil G-påvirkningen ændre sig med 5 plus/minus gravitationen, altså 1G, men dette synes ikke at være af betydning for dæmpningens effektivitet .

4) Da væskebeholderne forekommer i et område, som normalt vil være konvergerende udefter må beholderne udføres 10 med aftagende operativ længde, hvorved bølgefrekvensen vil øges i forhold til de inderste beholdere, som af hensyn til god væskefyldning bør være så store som muligt. Denne forøgelse, som i nogen grad understøttes af den forekommende lidt større G-påvirkning, må for 15 fastholdelse af den ønskede frekvens udkompenseres ved brug af en formindsket væskehøjde, idet dette virker nedsættende på bølgehastigheden. De yderste beholdere, som altså både er mindre og har lavere væskehøjde, vil således kun i beskeden grad bidrage til den samlede 20 masse af det bevægelige medium.

For nærmere belysning af TLD-dæmpningen kan henvises til "Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics" 41-44 (1992), pp 1883-1894, "Modelling og Tuned Liquid Damper"; Elsevier Science Publishers B.V.

25

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 er et planbillede af en vindmøllevinge, som nær sit tipområde er forsynet med indbyggede beholdere til sving-30 ningsdæmpning i henhold til opfindelsen, fig. 2 et perspektivisk billede af det pågældende område, delvis i snit, og fig. 3 et skematisk perspektivbillede af en enkelt af de pågældende beholdere.

Den i fig. 1 viste møllevinge 2 er nær sin ydre ende udført med en serie af indbyggede, tværstillede væskebeholdere 4, som udfylder så at sige hele det indvendige hulrum i vin- 35 5 DK 173885 B1 gen i det pågældende område. I dette område er vingens bredde aftagende udefter, og netop derfor gøres der brug af flere beholdere, som kan optræde med en bredde eller tværgående længde, som vil være aftagende udefter, ligesom også tykkel-5 sen af disse beholdere vil være aftagende udefter.

Dette er nærmere vist i fig. 2, som viser vingens skalkonstruktion med den ydre ende af en indvendig hovedbjælke 6 og med et flertal af beholdere 4 placeret udenfor enden af denne bjælke. Beholderne 4 udfylder nogenlunde den indre hul-10 hed i vingen, hvorved de udefter aftager i både bredde og højde. I fig. 2 er kun vist tre beholdere, som i praksis kan der være tale om et betydeligt højere antal, f.eks. op mod halvtreds eller flere beholdere. Målet vil være, at beholderne tilsammen kan rumme en så stor væskemængde, at denne ved 15 sin nævnte skvulpen kan opvise en tilstrækkelig bevægelsesenergi til effektivt at imødegå egensvingningerne af vingen.

Det er i praksis fundet, at et totalt væskeindhold på 10-20 1 i beholderne vil være tilstrækkeligt for opnåelse af en god svingningsdæmpning overfor de betragtede egensvingninger, 20 og netop et sådant indhold vil reelt kunne rummes i halvfyldte beholdere 4 beliggende nær vingens tipområde.

En enkelt af beholderne 4 er vist skematisk i fig. 3 i en situation, hvor en væskebølge ved egensvingningen af vingen er nået helt frem til den venstre ende af beholderen. Derfra 25 vil bølgen returnere til en kongruent formation ved den modstående ende og derved påvirke denne nærmest slagagtigt til modvirkning af svingningen. Når der ikke optræder svingninger vil væsken placere sig som en kage med overflade 6 i den viste stilling, der på grund af G-virkningen under vingens ro-30 tation vil opretholdes uanset hvor vingen befinder sig; de pågældende væskekager vil således stå lodret i den i fig. 2 viste stilling, presset ud mod de respektive udadvendende sideflader af beholderne 4.

Hver enkelt af beholderne 4 må væskefyldes for afstem-35 ning, f.eks. i en svingningsmaskine, når man kender den kantvise egensvingningsfrekvens for den betragtede vinge samt den G-påvirkning, som beholderen i drift vil blive udsat for. Fyldningen bør herved, hvor G-påvirkningen mangler, udføres 6 DK 173885 B1 for afstemning til en skvulpefrekvens, som er egensvingningsfrekvensen divideret med kvadratroden af den beregnede G-påvirkning.

Dæmperbeholderne indbygges fortrinsvis i den yderste ende 5 af vingen, f.eks. som antydet i fig. 1 i en drejelig tipdel på denne, og de kan netop være totalt indbyggede, fordi de ved den nævnte udførelse kan frembringes som langtidsholdbare enheder, der ikke kræver nogen form for vedligeholdelse. I områder med mulig frost bør væskefyldningen naturligvis være 10 frostsikret, f.eks. ved brug af glycol.

Claims (4)

1. Vindmøllevinge med en dæmperindretning til modvirkning af opbygning af kantvise egensvingninger af vingen, hvilken 5 døemperindretning omfatter indbyggede beholdermidler med delvis væskefyldning, og hvilken vinge er beregnet til drift i en vingerotor med kendt, i hovedsagen konstant omdrejningstal, kendetegnet ved, at beholdermidlerne udgør afstemte væskedæmpere (TLD) med frit skvulpelig væske med en bølgefre-10 kvens, som under hensyn til den forventede G-påvirkning af væsken under drift af vingen er afstemt til vingens konstaterede egenfrekvens.

2. Vinge ifølge krav 1, kendetegnet ved at beholdermidlerne forekommer som en aksial række af tværstillede beholde- 15 re i en ydre endedel af vingen.

3. Vinge ifølge krav 2, kendetegnet ved at beholderne er udført med ovalt tværsnit for tilstræbt udfyldning af hulrummet i vingen.

4. Vinge ifølge krav 3, kendetegnet ved at beholderne af-20 tager i tværgående længde ud imod vingetippen, og at indfyld- ningshøjden af væsken målt som et væskelag ud mod en på vingen udadvendende sideflade af hver beholder er mindre i de yderste end i de inderste beholdere.