EP2542777A2 - Einrichtung und verfahren zur reduzierung von lasten - Google Patents

Einrichtung und verfahren zur reduzierung von lasten

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Publication number
EP2542777A2
EP2542777A2 EP11705437A EP11705437A EP2542777A2 EP 2542777 A2 EP2542777 A2 EP 2542777A2 EP 11705437 A EP11705437 A EP 11705437A EP 11705437 A EP11705437 A EP 11705437A EP 2542777 A2 EP2542777 A2 EP 2542777A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive train
loads
torque
damping
movement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11705437A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Berger
Stefan Zimmermann
Joachim Breidert
Boris Buchtala
Bernd Schnurr
Sebastian Schmidt
Volker Knoblauch
Holger FÜRST
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2542777A2 publication Critical patent/EP2542777A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D7/00—Rotors with blades adjustable in operation; Control thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/022—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using dampers and springs in combination
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/109—Purpose of the control system to prolong engine life
    • F05B2270/1095—Purpose of the control system to prolong engine life by limiting mechanical stresses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/334—Vibration measurements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for reducing loads, in particular torsional vibrations and static and dynamic bending moments, in the drive train of a wind energy plant.
  • Drivetrains consisting of components such as gears, couplings and connecting elements (shafts), are important components of various electric power generation systems, such as electric motors.
  • the drive train fulfills the task of producing a mechanical connection between a drive (for example a rotor of a wind energy plant) and an output (for example a corresponding generator) via which energy is transmitted by a rotational movement.
  • Powertrain components such as transmissions are used to translate the speed and torque applied to the drive to values that correspond to the work area of the generator. If required, couplings are used for a separation between input and output, and shafts establish the mechanical connection between the components involved.
  • Other components such as mechanical brakes or the like, can be integrated in the drive train.
  • the components involved can not be made arbitrarily rigid, but have a finite rigidity, they can be excited to natural oscillations. Such an excitation can be caused for example by a non-constant input power (in wind turbines, for example, by gusts or wind turbulence) or by external disturbances. Vibrations of other origins can also affect the Belas-
  • the present invention provides a device and a method for reducing loads, in particular torsional vibrations as well as static and dynamic additional loads, in the drive train of a wind turbine with the features of the independent patent claims.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
  • the proposed measures enable active damping of a mechanical vibration or load in a drive train by means of controllable damping means.
  • the controllable damping means By the controllable damping means, a moment or a force for vibration damping or load reduction is generated.
  • a suitable sensor in particular using acceleration sensors according to the Ferraris principle, but also, for example, force, speed, rotation angle, position and / or torque sensors and a coordinated control and / or control technology, a particularly fast, adaptive vibration damping and load reduction be effected.
  • a suitable actuator or an adjustable, variable damping, as known per se are used.
  • the actuators advantageously cause a rotation of the drive train or of the corresponding transmission and / or lead to a predetermined damping sequence of a rotary movement.
  • a small rotational movement by a few degrees about the rotation axis in particular in conjunction with suitable translations, cause a significant damping of torsional vibrations.
  • the actuators raising or lowering of the transmission.
  • the method or adjustment of at least one actuator or a combination of several actuators advantageously leads to a compensation of loads.
  • the latter can be compensated both by periodic procedures (for example, to balance loads from the tower pre-storm / tower shadow) and by a permanent adjustment (loads due to misalignment of plant components). Even with this approach can be caused by very small travel paths, a significant damping of additional loads.
  • a controlled active and / or braked rotational movement of a drive train and / or a gearbox integrated in the drive train is effected.
  • damping means that is, for example, by corresponding actuators or springs
  • damping of a rotational movement or other loads is effected, wherein a resulting from a load torque or a corresponding thereto actuating torque is generated.
  • the corresponding actuating torque can be generated by controlled method or adjustment of at least one damper or by a combination of the damping means described here.
  • the damping movements are adjustable by suitable control or regulating means.
  • suitable control and / or control strategies special consideration can be given to the special requirements of wind turbines.
  • a particularly advantageous damping can be effected by a compensation of slipstreams.
  • the damping devices according to the invention with the associated regulation and / or control technology can advantageously be integrated into torque supports of the drive train, ie supports or attachments for deriving a torque, preferably on a transmission housing.
  • the measures according to the invention therefore make it possible to reduce vibrations and loads in the drive train.
  • a reduction of the loads in components of the drive train, in particular the transmission can be achieved.
  • the mechanical load on wind turbines is reduced, which significantly improves the longevity of such systems.
  • the output power of a generator of the wind power plant is improved by a reduction of vibrations, since speed variances would otherwise have to be compensated in the generator.
  • the vibrations can be detected by measuring an acceleration on the drive train, preferably at different positions of the drive train, and / or by speed sensors. For speed sensors, deriving the velocity to determine the acceleration may be useful.
  • the malposition can also be detected at the affected locations by corresponding position sensors.
  • parallel models as disclosed, for example, in EP 0 473 914 B1
  • control-related observers taking into account variables occurring, in particular moments, from the sensor variables with the aid of models
  • a route adaptation which takes into account special features and deviations from the theoretical model, can also be provided within the scope of the regulation.
  • a digital and / or analog transmission of an output sensor signal can be used for control, visualization, control and / or circuit.
  • a control and / or control device may further include wind field sensors for pre-activation of a damping system, which may cause a deflection of the neutral position, for example in the damping system, thereby increasing a damping path.
  • wind field sensors are advantageously arranged on the windward side.
  • Suitable actuators include electrodynamic, piezoelectric, hydraulic (cylinder, diaphragm) and pneumatic actuators, which may be realized, for example, using electroactive polymers, shape memory actuators or electro- or magnetorheoiogical fluids.
  • devices which can be used as adjustable spring elements include those disclosed in EP 1 566 543 A1.
  • hydraulically preloaded elastomeric spring elements are provided for supporting a transmission on its torque arms. These elastomeric spring elements are connected via hydraulic lines.
  • throttling of the fluid exchange of the elastomeric spring elements can be carried out.
  • spring elements as they are known from EP 2 003 362 A2, can be used.
  • actuators may be provided at bearing points of torque arms, wherein, for example, a controlled oil and / or air bubble can be used in the rubber.
  • multiple actuators in particular in series or parallel connection, for different frequency ranges, possibly also using different types of these actuators, are used.
  • energy storage in a memory such as a hydraulic accumulator, an accumulator, a double-layer capacitor, in the form of superconducting coils, flywheels and / or other inertial mass systems can be advantageous.
  • a view to improving Energy efficiency is particularly advantageous to use the energy from an actuator for power supply, so that an intercepted vibration can also be used to generate energy.
  • Figure description shows a schematic cross-sectional view of a drive train of a wind turbine with a device according to a particularly preferred embodiment of the invention. shows a schematic longitudinal sectional view of a drive train of a wind turbine with a device according to a particularly preferred embodiment of the invention. shows a graph illustrating a reduction of vibrations according to a particularly preferred embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 and 2 is a transverse or a longitudinal sectional view of a drive train of a wind turbine with a device for reducing loads according to a preferred embodiment of the invention is shown.
  • Figures 1 and 2 are explained together, the cross-sectional view is generally 100 and the longitudinal sectional view a total of 200 indicated.
  • the drive train shown in FIGS. 1 and 2 consists essentially of a main shaft 10, a transmission 20 and a generator shaft 30.
  • the transmission 20 may be, for example, a three-stage transmission commonly used in wind turbines.
  • the main shaft 10 is non-positively connected to a rotor, such as a rotary vane rotor R.
  • the transmission 20 is enclosed by a transmission housing 21.
  • the generator shaft 30 is connected via a coupling 31 to a generator 40.
  • FIG. 2 additionally shows a main bearing 90 in which the main shaft 10 is mounted.
  • torque supports 22 are provided for fixing or support of the transmission housing 21.
  • the drive train 10 to 30 is mounted in total on a machine carrier 60.
  • the storage itself may e.g. be designed as an elastomeric bearing 24, each with two bushings 24a and 24b per torque arm 22. Between the machine frame
  • damping systems 25 can have a number of different damping devices, with one actuator per bearing bush 25a and 25b being shown by way of example in FIG. 2 in each case.
  • the damping devices 25 are adjustable dampers. The control of such damper takes place
  • control 20 in accordance with a control device not shown in detail, which is indicated schematically in Figure 1 and 2 with 70.
  • the control takes place in consideration of a measured value output of one or more sensors 80 and 82.
  • the sensors 80 detect a torque fluctuation, for example due to an acceleration change, in the drive train 10 to 30.
  • a torque fluctuation for example due to an acceleration change
  • an angular offset or a deviation from the ideal alignment of the shafts for example laser-optically, is detected.
  • a control device 70 controls at least one of the provided damping systems 25 in such a way that an actuating torque is generated and as a result a torque fluctuation, for example a torsional or bending moment, is minimized.
  • the actuator 30 moment by a rotation or by raising or lowering of the transmission 20 and transmission housing 21 causes.
  • the left-hand torque arm 22 is moved upward, for example, by the left-hand damping system 25 in FIG Figure 1 right damping system 25, the right torque arm 22 also moves down.
  • the machine carrier 60 forms the common reference point both for the detection of the torque and for the generation of the actuating torque, ie a speed variation relative to the machine carrier is detected and an active reverse rotation of the gear 20 relative to the machine carrier is effected.
  • an attenuation can be effected such that the damping properties of the damping systems 25 are predetermined variable in time so that an induced by a torque fluctuation rotation of the transmission 20 is optimally damped.
  • Dynamic loads which arise when the rotor blades pass the tower during their rotation can be reduced, for example, by the parallel method of the damping systems 24a and / or 24b shown in FIG.
  • the exact periodic damping sequence and thus the travel cycle of the damping means depends on the number of rotor blades and their speed and is thus dependent on the currently considered wind turbine.
  • the damping system 25b on the right in FIG. 2 can be moved upwards or the damping system 25a on the left in FIG.
  • the respective opposite damping systems, which are concealed in FIG. 2 are likewise moved in a corresponding manner.
  • FIG. 3 shows in the form of a diagram 300 a torsional moment 310 without damping and a torsional moment 320 after damping according to a particularly preferred embodiment in the form of a moment M on the y-axis 302 compared to a time t of 5 s on the x-axis 301 shown.
  • the damping method according to the preferred embodiment significantly reduces torsional moment vibration from the undamped state.

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Abstract

Eine Einrichtung zur Reduzierung von Lasten im Antriebsstrang (10 - 30) einer Windenergieanlage wird vorgeschlagen, mit einem Maschinenträger (60), bei der Sensormittel (80, 82) zur Erfassung wenigstens einer Schwingungen und/oder Fehlstellungen im Antriebsstrang (10 - 30) kennzeichnenden Größe, ansteuerbare Dämpfungsmittel (25) zur Erzeugung wenigstens eines Stellmoments, das wenigstens ein der Last zugeordnetes Moment (M) in dem Antriebsstrang (10 - 30) kompensiert, und Ansteuermittel (70) zum Ansteuern der Dämpfungsmittel (25) auf Grundlage der durch die Sensormittel erfassten wenigstens einen Größe vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Verfahren.

Description

Einrichtung und Verfahren zur Reduzierung von Lasten
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Lasten, insbesondere von Torsionsschwingungen sowie statischen und dynamischen Biegemomenten, im Antriebsstrang einer Windenergieanlage.
Stand der Technik
Antriebsstränge, bestehend aus Komponenten, wie beispielsweise Getrieben, Kupplungen und Verbindungselementen (Wellen), sind wichtige Bestandteile verschiedener elektrischer Energieerzeugungsanlagen, wie z.B. von Windenergieanlagen, Wasserkraftanlagen etc. Der Antriebsstrang erfüllt die Aufgabe, eine mechanische Verbindung zwischen einem Antrieb (beispielsweise einem Rotor einer Windenergieanlage) und einem Abtrieb (beispielsweise einem entsprechenden Generator) herzustellen, über welche durch eine Drehbewegung Energie übertragen wird. Antriebsstrangkomponenten wie Getriebe dienen dazu, die Drehzahl und das Drehmoment, die am Antrieb anliegen, auf Werte zu übersetzen, die dem Arbeitsbereich des Generators entsprechen. Kupplungen werden bei Bedarf für eine Trennung zwischen An- und Abtrieb genutzt und Wellen stellen die mechanische Verbindung zwischen den beteiligten Komponenten her. Auch weitere Komponenten, wie mechanische Bremsen oder dergleichen, können im Antriebsstrang integriert sein. Da die beteiligten Komponenten nicht beliebig starr gefertigt werden können, sondern eine endliche Steifigkeit besitzen, können sie zu Eigenschwingungen angeregt werden. Eine solche Anregung kann beispielsweise durch eine nicht konstante Eingangsleistung (bei Windenergieanlagen beispielsweise durch Windstöße oder Windturbulenzen) oder durch äußere Störungen hervorgerufen werden. Auch Schwingungen anderer Herkunft können die Belas-
l tungen im Antriebsstrang erhöhen, bei einer Windenergieanlage beispielsweise Turmschwingungen oder Schwingungen aufgrund der Zahneingriffe eines Getriebes.
Weitere dynamische Lasten treten auf, wenn die Rotorblätter bei ihrer Drehung den Turm passieren. Aus dem sogenannten Turmvorstau (bei Luvläufern) oder Turmschatten (bei Leeläufern) resultieren, abhängig von der Anzahl der Blätter, periodische Biegemomentbelas- tungen im Antriebsstrang der Windenergieanlage. Außerdem entstehen statische Belastungen im Antriebsstrang, wenn bei der Montage der Wellen zwischen den beteiligten Komponenten eine Fehlstellung entstanden ist. Diese Fehlstellung kann auch mit der Zeit durch Eigenbewegung von Anlagenkomponenten (z.B. Kriechen bei Elastomerlagerungen oder Setzen bei Schraubenverbindungen) entstehen und resultiert somit in zusätzlichen Biege- momentbeanspruchungen und Kräften.
Schwingungen und sonstige zusätzliche Lasten wirken sich nachteilig auf die Lebensdauer der beteiligten Komponenten, insbesondere des Getriebes, aus. Stetige Schwellbelastungen und statische Zusatzbelastungen erhöhen den Verschleiß der betroffenen Bauteile und führen zu kürzeren Austauschintervallen, was eine finanzielle und technische Belastung für den Anlagen- und Netzbetreiber bedeutet und den Anlagenertrag vermindert. Insbesondere unter dem Gesichtspunkt der voraussichtlich zunehmenden Verbreitung von Windenergieanlagen im Offshore-Bereich in absehbarer Zukunft spielt dieser Aspekt eine immer größere Rolle, da der Austausch beschädigter Komponenten dort weiter erschwert wird. Es ergibt sich daher das Ziel, diese Lasten zu reduzieren, um die Lebensdauer der Komponenten zu erhöhen. Aus der DE 1 993 07 51 A1 ist ein Verfahren zur Reduzierung von Schwingungen von Bauteilen in einer Windkraftanlage bekannt, bei dem in der Anlage Lager aus einem elastome- ren Werkstoff verwendet werden, der einen Dämpfungswinkel von mindestens 12 0 aufweist und eine Federsteifigkeit besitzt, die so gewählt wird, dass die Eigenfrequenz der schwingenden Bauteile weniger als 50 Hz beträgt. Nachteilig hieran ist, dass zur Dämpfung be- stimmter Schwingungen jeweils vorbekarinte elastomere Werkstoffe verwendet werden müssen und dass eine Anpassung an variable Schwingungen, beispielsweise an schwankende Schwingungsamplituden, nicht möglich ist. Vor diesem Hintergrund besteht der Bedarf nach verbesserten Lösungen zur Reduzierung von Lasten im Antriebsstrang von Windenergieanlagen, insbesondere von Torsionsschwingungen, sowie dynamischen Zusatzbelastungen, die flexibel an diese auftretenden Belastungen anpassbar sind und eine bessere Reduktion gewährleisten. Statische Zusatzbelas- tungen aufgrund von Fehlstellungen sollen vermindert werden, um den gesamten Antriebsstrang weiter zu entlasten.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Lasten, insbesondere von Torsionsschwingungen sowie statischen und dynamischen Zusatzlasten, im Antriebsstrang einer Windenergieanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen kann eine signifikante Reduzierung von Drehmomentschwingungen oder Torsionsschwingungen und Belastungen im Antriebsstrang, insbe- sondere im Getriebe, von Windenergieanlagen bewirkt werden. Insbesondere in derartigen Windenergieanlagen mit Getriebe ist aufgrund der exponierten Anordnung, des möglichen Auftretens von Windstößen, der periodisch schwankenden Belastung des Rotors (Turmvorstau Turmschatten beim Passieren des Turms durch ein Rotorblatt) sowie möglicher Belastungen durch Fehlstellung einer oder mehrerer Komponenten eine Reduktion von Schwingungen und Lasten besonders vorteilhaft.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird eine aktive Dämpfung einer mechanischen Schwingung oder Belastung in einem Antriebsstrang durch ansteuerbare Dämpfungsmittel ermöglicht. Durch die ansteuerbaren Dämpfungsmittel wird ein Moment oder eine Kraft zur Schwingungsdämpfung bzw. Lastreduzierung erzeugt. Durch die Verwendung einer geeigneten Sensorik, insbesondere unter Verwendung von Beschleunigungssensoren nach dem Ferraris-Prinzip, aber auch beispielsweise von Kraft-, Drehzahl-, Drehwinkel-, Lage- und/oder Momentsensoren sowie einer darauf abgestimmten Regelungs- und/oder Steuerungstechnik, kann eine besonders schnelle, adaptive Schwingungsbedämpfung und Last- reduzierung bewirkt werden. Hierbei kann beispielsweise eine geeignete Aktorik oder eine einstellbare, veränderliche Dämpfung, wie an sich bekannt, eingesetzt werden.
Um Torsionsschwingungen zu dämpfen, bewirken die Aktoren vorteilhafterweise eine Dre- hung des Antriebsstrangs bzw. des entsprechenden Getriebes und/oder führen zu einem vorgegebenen Dämpfungsablauf einer Drehbewegung. In diesem Zusammenhang kann bereits eine geringe Drehbewegung um wenige Grad um die Rotationsachse insbesondere in Verbindung mit geeigneten Übersetzungen, eine signifikante Bedämpfung von Torsionsschwingungen hervorrufen.
Zusätzlich kann durch die Aktorik ein Anheben oder Absenken des Getriebes bewirkt werden. Hierbei führt vorteilhafterweise das Verfahren bzw. Verstellen mindestens eines Aktors oder einer Kombination aus mehreren Aktoren zu einem Ausgleich von Belastungen. Letztere können sowohl durch periodisches Verfahren (um beispielsweise Lasten aus dem Turm- vorstau/Turmschatten auszugleichen) als auch durch eine permanente Verstellung (Lasten durch Fehlstellung von Anlagenkomponenten) kompensiert werden. Auch bei diesem Lösungsansatz lässt sich bereits durch sehr geringe Stellwege eine signifikante Dämpfung von zusätzlichen Lasten bewirken. Durch die vorliegende Erfindung wird eine angesteuerte aktive und/oder abgebremste Drehbewegung eines Antriebsstrangs und/oder eines in dem Antriebsstrang integrierten Getriebegehäuses bewirkt. Mit anderen Worten wird durch Dämpfungsmittel, also beispielsweise durch entsprechende Aktoren oder Federn, eine Dämpfung einer Drehbewegung oder anderer Lasten bewirkt, wobei ein aus einem Lastmoment resultierendes oder ein diesem ent- sprechendes Stellmoment erzeugt wird. Das entsprechende Stellmoment kann durch gesteuertes Verfahren bzw. Verstellen wenigstens eines Dämpfers oder durch eine Kombination der hier beschriebenen Dämpfungsmittel erzeugt werden. Die Dämpfungsbewegungen sind durch geeignete Steuer- bzw. Regelmittel einstellbar. Durch Auswahl geeigneter Regelungs- und/oder Steuerstrategien kann auf die besonderen Anforderungen von Windenergieanlagen besonders vorteilhaft Rücksicht genommen werden. Beispielsweise kann eine besonders vorteilhafte Dämpfung durch eine Ausregelung von Windschattenschlägen bewirkt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dämpfungseinrichtungen mit der zugehörigen Rege- lungs- und/oder Steuerungstechnik können vorteilhafterweise in Drehmomentstützen des Antriebsstrangs, also Stützen bzw. Befestigungen zur Ableitung eines Drehmoments, vorzugsweise an einem Getriebegehäuse, integriert werden.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen lässt sich also eine Verminderung von Schwingungen und Belastungen im Antriebsstrang bewirken. Hierdurch kann insbesondere eine Reduzierung der Lasten in Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere dem Getriebe, erzielt werden. Hierdurch wird die mechanische Belastung von Windenergieanlagen vermin- dert, wodurch die Langlebigkeit derartiger Anlagen signifikant verbessert wird. Ferner wird durch eine Verminderung von Schwingungen insbesondere auch die Ausgangsleistung eines Generators der Windenergieanlage verbessert, da Geschwindigkeitsvarianzen ansonsten im Generator ausgeregelt werden müssten. Die Schwingungen können hierbei, wie erwähnt, über eine Messung einer Beschleunigung an dem Antriebsstrang, vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen des Antriebsstrangs, und/oder durch Geschwindigkeitssensoren erfasst werden. Bei Geschwindigkeitssensoren kann eine Ableitung der Geschwindigkeit zur Ermittlung der Beschleunigung sinnvoll sein. Die Fehlstellung kann ebenfalls an den betroffenen Stellen durch entsprechende Lagesen- soren erfasst werden. Mit besonderem Vorteil können Parallelmodelle (wie beispielsweise in der EP 0 473 914 B1 offenbart) und/oder regelungstechnische Beobachter (unter Berechnung auftretender Größen, insbesondere von Momenten, aus den Sensorgrößen mit Hilfe von Modellen) zum Einsatz kommen. Vorteilhafterweise kann auch eine Streckenadaption, die Besonderheiten und Abweichungen vom theoretischen Modell berücksichtigt, im Rah- men der Regelung vorgesehen sein. Eine digitale und/oder analoge Übertragung eines ausgegebenen Sensorsignals kann zur Regelung, Visualisierung, Steuerung und/oder Schaltung eingesetzt werden.
Insbesondere im Rahmen von Notabschaltungen (Netz- bzw. Lastabwurf) werden durch das plötzlich wegfallende Generatormoment in Windenergieanlagen signifikante Antriebsstrangschwingungen induziert. Mit besonderem Vorteil kann daher eine erfmdungsgemäße Vorrichtung im Rahmen eines Notabschaltungsverfahrens zum Einsatz kommen, um hierbei auftretende Schwingungen signifikant zu reduzieren. Eine Regel- und/oder Steuereinrichtung kann ferner Windfeldsensoren zur Voraktivierung eines Dämpfungssystems beinhalten, die beispielsweise im Dämpfungssystem eine Auslenkung aus der neutralen Lage bewirken können, um hierdurch einen Dämpfungsweg zu vergrößern. Derartige Windfeldsensoren sind vorteilhafterweise luvseitig angeordnet.
Es sei zu verstehen gegeben, dass auch eine derartige Voraktivierung des Dämpfungssystems unter Verwendung einer Vielzahl von Sensoren, beispielsweise von Beschleunigungs-, Kraft-, Drehzahl-, Drehwinkel-, Lage- und/oder Momentsensoren, entweder einzeln oder in Kombination, erfolgen kann.
Mit besonderem Vorteil kann eine Vielzahl von Aktoren im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Geeignete Aktoren umfassen elektrodynamische, piezoelektrische, hydraulische (Zylinder-, Membran-) und pneumatische Aktoren, die beispielsweise auch unter Verwendung elektroaktiver Polymere, von Formgedächtnisaktoren oder von elektro- oder magnetorheoiogischen Fluiden realisiert sein können.
Beispielsweise als einstellbare Federelemente verwendbare Einrichtungen beinhalten jene, wie sie in der EP 1 566 543 A1 offenbart sind. Hierbei sind hydraulisch vorgespannte Elastomerfederelemente zur Abstützung eines Getriebes an seinen Drehmomentstützen vorgesehen. Diese Elastomerfederelemente sind über hydraulische Leitungen verbunden. Zur Dämpfung eines Drehmoments eines Getriebes kann eine Drosselung des Flui- daustauschs der Elastomerfederelemente vorgenommen werden. In entsprechender Weise können Federelemente, wie sie aus der EP 2 003 362 A2 bekannt sind, eingesetzt werden. Wie bereits zuvor erläutert, können derartige Aktoren an Auflagerpunkten von Drehmomentstützen vorgesehen sein, wobei beispielsweise eine gesteuerte Öl- und/oder Luftblase im Gummi verwendet werden kann. Neben Einzelaktoren können mehrere Aktoren, insbesondere in Reihen- oder Parallelschaltung, für verschiedene Frequenzbereiche, gegebenenfalls auch unter Verwendung unterschiedlicher Typen dieser Aktoren, zum Einsatz kommen.
Insbesondere zur Regelung der Ausgangsleistung, aber auch zur Dämpfung, kann eine Energiespeicherung in einen Speicher, wie etwa einem Hydrospeicher, einem Akkumulator, einem Doppelschichtkondensator, in Form supraleitender Spulen, von Schwungrädern und/oder anderen Trägheitsmassensystemen vorteilhaft sein. Im Hinblick auf eine verbes- serte Energieeffizienz ist mit besonderem Vorteil eine Nutzung der Energie aus einem Aktor zur Netzspeisung vorteilhaft, so dass eine abgefangene Schwingung auch zur Energiegewinnung eingesetzt werden kann. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Antriebsstrangs einer Windenergieanlage mit einer Einrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. zeigt eine schematische Längsschnittsansicht eines Antriebsstrangs einer Windenergieanlage mit einer Einrichtung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. zeigt einen Graphen, an dem eine Verminderung von Schwingungen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht wird.
In den Figuren 1 und 2 ist eine Quer- bzw. eine Längsschnittsansicht eines Antriebsstrangs einer Windenergieanlage mit einer Einrichtung zur Reduzierung von Lasten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Figuren 1 und 2 werden gemeinsam erläutert, wobei die Querschnittsansicht insgesamt mit 100 und die Längsschnittsansicht insgesamt mit 200 bezeichnet ist. Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Antriebsstrang setzt sich im Wesentlichen aus einer Hauptwelle 10, einem Getriebe 20 sowie einer Generatorwelle 30 zusammen. Bei dem Getriebe 20 kann es sich beispielsweise um ein üblicherweise in Windenergieanlagen verwen- 5 detes dreistufiges Getriebe handeln. Die Hauptwelle 10 ist kraftschlüssig mit einem Rotor, beispielsweise einem Drehflügelrotor R verbunden. Das Getriebe 20 ist durch ein Getriebegehäuse 21 umschlossen. Die Generatorwelle 30 ist über eine Kupplung 31 mit einem Generator 40 verbunden. In Figur 2 ist zusätzlich ein Hauptlager 90 gezeigt, in welchem die Hauptwelle 10 gelagert ist.
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Zur Fixierung bzw. Abstützung des Getriebegehäuses 21 sind Drehmomentstützen 22 vorgesehen. Der Antriebsstrang 10 bis 30 ist insgesamt auf einem Maschinenträger 60 gelagert. Die Lagerung selbst kann z.B. als Elastomerlagerung 24 ausgeführt sein, mit jeweils zwei Lagerbuchsen 24a und 24b pro Drehmomentstütze 22. Zwischen dem Maschinenträger
15 60 und den Drehmomentstützen 22 sind jeweils insgesamt mit 25 bezeichnete Dämpfungssysteme vorgesehen. Wie erläutert, können die Dämpfungssysteme 25 eine Reihe unterschiedlicher Dämpfungseinrichtungen aufweisen, wobei im Rahmen der Figur 2 beispielhaft jeweils ein Aktor pro Lagerbuchse 25a und 25b dargestellt ist. Bei den Dämpfungseinrichtungen 25 handelt es sich um einstellbare Dämpfer. Die Regelung derartiger Dämpfer erfolgt
20 nach Maßgabe einer nicht im Detail dargestellten Steuereinrichtung, die in Figur 1 und 2 schematisch mit 70 angegeben ist. Die Regelung erfolgt unter Berücksichtigung einer Messwertausgabe eines oder mehrerer Sensoren 80 und 82.
Die Sensoren 80 detektieren eine Momentschwankung, bspw. durch eine Beschleunigungs- 25 änderung, im Antriebsstrang 10 bis 30. Mittels der Sensoren 82 wird ein Winkelversatz bzw. eine Abweichung von der idealen Fluchtung der Wellen, bspw. laser-optisch, erfasst. Eine Steuereinrichtung 70 steuert wenigstens eines der vorgesehenen Dämpfungssysteme 25 derart, dass ein Stellmoment erzeugt wird und hierdurch eine Momentschwankung, bspw. Torsions- oder Biegemoment, minimiert wird. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Stell- 30 moment durch eine Drehung oder durch das Anheben bzw. Absenken des Getriebes 20 bzw. Getriebegehäuses 21 bewirkt.
Um Torsionsschwingungen zu reduzieren, wird beispielsweise durch das in Figur 1 linke Dämpfungssystem 25 die linke Drehmomentstütze 22 nach oben bewegt und durch das in Figur 1 rechte Dämpfungssystem 25 die rechte Drehmomentstütze 22 ebenso nach unten bewegt. Der Maschinenträger 60 bildet den gemeinsamen Bezugspunkt sowohl für die Erfassung des Moments als auch für die Erzeugung des Stellmoments, d.h. es wird eine Drehzahlvariation relativ zum Maschinenträger erfasst und eine aktive Gegendrehung des Ge- triebes 20 relativ zum Maschinenträger bewirkt. Alternativ kann eine Dämpfung derart erfolgen, dass die Dämpfungseigenschaften der Dämpfungssysteme 25 zeitlich variabel so vorgegeben werden, dass eine von einer Momentschwankung hervorgerufene Drehung des Getriebes 20 optimal bedämpft wird. Dynamische Lasten, die entstehen, wenn die Rotorblätter bei ihrer Drehung den Turm passieren, können bspw. durch das parallele Verfahren der in Figur 2 gezeigten Dämpfungssysteme 24a und/oder 24b reduziert werden. Der genaue periodische Dämpfungsablauf und somit der Verfahrzyklus der Dämpfungsmittel richtet sich nach der Anzahl der Rotorblätter sowie deren Drehzahl und ist somit abhängig von der jeweils betrachteten Windenergieanla- ge.
Sollen aus einer Fehlstellung (a od. ß) resultierende Biegemomente und Kräfte kompensiert werden, kann bspw. das in Figur 2 rechte Dämpfungssystem 25b nach unten, oder das in Figur 2 linke Dämpfungssystem 25a nach oben bewegt werden. Die jeweiligen gegenüberliegenden Dämpfungssysteme, die in Figur 2 verdeckt sind, werden dabei ebenfalls in ent- sprechender Weise bewegt. Insgesamt entsteht ein Ausgleich von eventuellen Fluchtungsfehlern zwischen Getriebe und Hauptwelle und/oder zwischen Getriebe und Kupplung durch das Anheben bzw. Absenken einer Seite oder des kompletten Getriebes 20.
In Figur 3 ist in Form eines Diagramms 300 ein Torsionsmoment 310 ohne Dämpfung und ein Torsionsmoment 320 nach einer Dämpfung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform in Form eines Moments M auf der y-Achse 302 gegenüber einer Zeit t von 5 s auf der x-Achse 301 dargestellt. Wie ersichtlich, wird durch das Dämpfungsverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine Torsionsmomentenschwingung gegenüber dem un- bedämpften Zustand deutlich vermindert.

Claims

Patentansprüche
1 . Einrichtung zur Reduzierung von Lasten im Antriebsstrang ( 10 - 30) einer Windenergieanlage mit einem Maschinenträger (60), gekennzeichnet durch
Sensormittel (80, 82) zur Erfassung wenigstens einer Schwingungen und/oder Fehlstellungen im Antriebsstrang ( 10 - 30) kennzeichnenden Größe,
ansteuerbare Dämpfungsmittel (25) zur Erzeugung wenigstens eines Stellmoments, das wenigstens ein der Last zugeordnetes Moment (M) in dem Antriebsstrang ( 10 - 30) kompensiert, und
Ansteuermittel (70) zum Ansteuern der Dämpfungsmittel (25) auf Grundlage der durch die Sensormittel erfassten wenigstens einen Größe.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Dämpfungsmittel (25) Aktormittel (25a, 25b) aufweisen, durch die eine ansteuerbare Bewegung wenigstens eines Elements (20) des An- triebsstrangs (10 - 30) relativ zu dem Maschinenträger (60) bewirkt werden kann.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dämpfungsmittel (24) Bremsmittel aufweisen, durch die eine ansteuerbare Abbremsung einer Bewegung wenigstens eines Elements (20) des Antriebsstrangs (10 - 30) relativ zu dem Maschinenträger (60) bewirkt werden kann.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bewegung eine Drehung des wenigstens einen Elements (20) um die Rotationsachse des Antriebsstrangs ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bewegung ein Anheben oder Absenken wenigstens eines Elements (20) relativ zu dem Maschinenträger (60) ist.
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensormittel (80, 82) Geschwindigkeits-, Beschleunigungs-, Kraft-, Drehzahl-, Drehwinkel-, Lage- und/oder Momentsensoren aufweisen.
7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensormittel (80, 82) zur Erfassung von Schwingungen und Lasten in Bezug auf den Maschinenträger (60) und/oder in Bezug auf eine Erdoberfläche eingerichtet sind.
8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsmittel (25) und/oder die Sensormittel (80, 82) an Drehmomentstützen (22) des Antriebsstrangs (10 - 30) vorgesehen sind.
5
9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Modell- und/oder Beobachtermittel vorgesehen sind und die Ansteuermittel (70) zu einer Streckenadaption eingerichtet sind.
10 10. Verfahren zur Reduzierung von Lasten im Antriebsstrang (10 - 30) einer Windenergieanlage, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erfassen wenigstens einer eine Schwingung und/oder eine Fehlstellung im Antriebsstrang (10 - 30) kennzeichnenden Größe,
Bestimmen wenigstens eines der Last im Antriebsstrang (10 - 30) zugeordneten 15 Moments (M) auf Grundlage der wenigstens einen erfassten Größe,
Bestimmen wenigstens eines das wenigstens eine Moment (M) kompensierenden Stellmoments zur Reduzierung der Lasten,
Beaufschlagen wenigstens eines Elements (20) des Antriebsstrangs (10 - 30) mit dem wenigstens einen bestimmten Stellmoment.
20
11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei auf Grundlage der erfassten Größe eine Torsions- und/oder eine Biegemomentveränderung in dem Antriebsstrang (10 - 30) bestimmt wird.
25 12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei zur Beaufschlagung des wenigstens einen Elements (20) des Antriebsstrangs (10 - 30) mit dem wenigstens einen bestimmten Stellmoment das wenigstens eine Element (20) relativ zu einem Maschinenträger (60) der WEA ansteuerbar gedreht und/oder erhöht oder abgesenkt wird und/oder eine Drehbewegung des wenigstens einen Elements (20) ansteuerbar abgebremst wird.
30
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