JP2020516814A - 風力タービンタワーの振動減衰 - Google Patents

風力タービンタワーの振動減衰 Download PDF

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Abstract

本発明は、タワーの振動特性に影響を与えるために、振動体(12)とタワー壁(4)との間の相対運動に影響を及ぼすために、振動体(12)と風力タービン(100)のタワーのタワー壁(4)との間を締結するように設計された結合要素(32)に関し、結合要素(32)を介して振動体(12)とタワー壁(4)との間に機械的結合を生成するために、振動体(12)に固定するための第1締結部と、タワー壁(4)に固定するための第2締結部とを備え、第1および第2の移動方向におけるばね機能を互いに等しくするために、その結合は、振動体(12)とタワー壁(4)の間の相対運動を可能にし、その相対移動は、第1および第2締結部が互いに向かって移動する場合の第1の移動方向と、第1および第2締結部が互いから離れる場合の第2の移動方向とを有し、結合要素(32)は、第1および第2締結部間の弾性力のある弾性結合のためのバネ手段を有し、弾性力のある弾性結合は、バネ機能によって表され、バネ手段は、バネ機能が第1および第2の移動方向に対して実質的に同一であるように形成され、さらに、または代替として、バネ手段は、バネ手段の第1の移動方向における動きが、第1バネ部の圧縮および第2バネ部の伸長をもたらすように形成され、バネ手段における第2の移動方向における動きが、第1バネ部の伸長および第2バネ部の圧縮をもたらすように形成されている。【選択図】図2

Description

本発明は、このようにしてタワーの振動特性に影響を与えるために、振動体とタワー壁の間の相対的な動きに影響を与えるために、振動体と風力タービンのタワーのタワー壁との間を固定するための結合要素に関する。本発明はさらに、タワーの振動に影響を及ぼすための振動装置を有する風力タービンのタワーに関する。本発明はさらに、タワーの振動に影響を与えるために風力タービンのタワーで使用するように設計された振動装置に関する。本発明はさらに、タワーの振動に影響を及ぼす方法に関する。本発明はさらに風力タービンに関する。
風力タービンは一般的に知られており、現代の風力タービンは、ナセルが配置された風力タービンタワーを有している。ナセルは、風から電気エネルギーを得るために、ロータブレードを備えたロータを有している。特に運転中、風は前記ロータブレードに作用するが、部分的にナセルとタワーにも作用し、風は風力タービン、特に、風力タービンのタワーの振動にもつながり得る。ロータの回転は、タワーの振動につながる可能性がある。最悪の場合、タワーの固有振動数に応じて、特定のロータ回転速度で共振状態が発生する可能性がある。理論的に最悪の場合、これは共振の大惨事につながる可能性がある。
このような振動の問題は、対応するタワー構造によって対処できる。1つの可能性は、タワーを非常に頑丈または堅固に構築し、実質的に大きな振動を全くまたは全く発生させないことである。しかしながら、そのような構造は、一般的に非常に高い出費、特に材料に関する出費に関連している。
他のより現代的なアプローチは、共鳴周波数が、そのような共鳴周波数を誘発するか、またはそのような共鳴周波数に対応できる回転速度が生じる風力タービンの動作点と一致しないようなタワー構造を提案する。そのような解決策は、一般に設置コントローラを用いて調整され、特に、設置コントローラは、例えば、風力タービンの起動中に、可能な限り迅速に回転速度で共振点を通過するように制御を実装する。
しかし、そのようなタワーの建設も、支出の増加を伴う可能性がある。さらに、このような解決策は、風力タービンの動作範囲を制限する。
風力タービンのタワーに吸収システムを装備するための解決策も基本的に提案されており、吸収システムはそのようなタワーの振動を減衰するように設計されている。しかしながら、そのような吸収システムは扱いにくく、しばしば洗練されておらず、さらにタワー内部で非常に邪魔になる可能性がある。特に、タワーの中央に吊り下げられた振り子ダンパーは、特に、中央のケーブルガイドやそこに配置された他の要素と衝突する可能性がある。一般に、振動体に導入される水によって実現され得る大きな振動質量の導入のために、一般に、必要な構造的空間は存在しない場合がある。振り子の動きは、好ましくない動き成分を示す場合もある。
同様に、ナセル内で、対応するパイプシステムにより、液体減衰システムが振動減衰を達成することを目的とする解決策がすでに提案されている。ここで、液体、特に、水は、振動運動に対抗できるように、特にポンプで移動することができる。このようなシステムも非常に複雑であり、ここでは、タワーの振動に対抗する力がナセルからタワーに伝達されなければならない、つまり方位軸受けに負荷を生じさせるという問題もある。
さらに、独国特許出願公開第10 2012 222 191号明細書は、そこで使用される振り子システムの懸架軸の方向に走る振り子バネ要素が使用される振動吸収モジュールを開示している。
本願の優先権主張出願について、ドイツ特許商標庁は、以下の先行技術文献をサーチした:独国特許出願公開第198 56 500号明細書、独国特許出願公開第10 2012 222 191号明細書。
独国特許出願公開第10 2012 222 191号明細書 独国特許出願公開第198 56 500号明細書
したがって、本発明によって対処される問題は、上記の問題の少なくとも1つに対処することである。特に、風力タービンのタワーの振動問題を簡単な方法で、特に構造に関して簡単な方法で、特に受動的な方法で相殺することを意図した解決策を提案することが求められている。少なくとも、以前から知られている解決策に関連する代替案を提案することが求められている。
本発明によれば、請求項1による結合要素が提案されている。そのような結合要素は、振動体と風力タービンのタワーのタワー壁との間を固定するように設計されている。前記結合要素は、振動体とタワー壁との間の相対移動に影響を与えることを意図している。これを、タワーの振動特性がこのように影響される程度に実現することが求められている。したがって、結合要素およびそれに対応して前記結合要素が1つの部分によって固定される振動体も、タワーの振動を含む振動特性に影響を与えることができるように、すなわち特にかなり影響を与えるように、寸法が決められる。
この目的のために、結合要素は、第1および第2締結部を有している。第1締結部は、振動体に固定され、第2締結部は、タワー壁に固定される。このように、機械的結合は、結合要素を介して、振動体とタワー壁との間で形成される。したがって、この位置で振動体がタワー壁に対して振動する場合、つまり、タワー壁と振動体との間の相対移動がそこで発生する場合、前記相対移動は、第1および第2締結部の間で対応するように発生する。
ここで、基本的には、1つのタワーと1つの振動体に対して、そのような複数の結合要素、例えば、6つ以上の結合要素が1つの例として挙げられる。
したがって、結合は、振動体とタワー壁との間の相対移動を可能にし、前記相対移動は、第1および第2の移動方向を有する。第1の移動方向の場合、第1および第2締結部は互いに向かって移動し、一方、第2の移動方向の場合、第1および第2締結部は、互いに離れるように移動する。第1および第2の移動方向の定義も基本的に逆にすることができる。いずれにせよ、これらの2つの移動方向は、互いに反対の方向を向いていると理解される。これらが互いに横方向に向けられているわけではない。
さらに、第1および第2締結部の間の弾性力のある弾性結合を実現し、したがって結合要素が設置されたときに、タワー壁と振動体との間の弾性力のある弾性結合を実現するバネ手段が設けられる。弾性力のある弾性結合は、バネ関数によって説明される。バネ手段は、バネ手段の第1の動きが第1バネ部の圧縮と第2バネ部の伸長をもたらすように設計されている。さらに、バネ手段は、バネ手段の第2の動きが第1バネ部の伸長および第2バネ部の圧縮をもたらすように設計されている。したがって、2つのバネ部が設けられ、そのうちの一方は常に圧縮され、他方は伸長される。移動方向が逆の場合、この関数も逆になるため、圧縮されたバネ部が再び伸び、伸びたバネ部が圧縮される。
前記2つのバネ部によるこの機能性は、この場合、第1および第2の移動方向に対するバネ関数が可能な限り互いに等しくなるように構成される。
特に、したがって、1つの移動方向がバネを伸ばし、逆移動方向が前記バネを圧縮する場合のバネ変形が改善され、その結果、方向依存性および撓み振幅依存性の両方のバネ関数が一般に実現できる。したがって、前記2つのバネ部の提案は、前記バネ関数の均一性、したがって、タワー壁と振動体との間の使用における前記結合要素の機械的結合の均一性を実現する。
したがって、バネ関数が両方の移動方向で実質的に等しくなることが求められている。また、バネ関数が第1および第2の移動方向に対して実質的に等しいことが他の何らかの方法で達成される場合、本発明による概念に適合する。
結合要素は、好ましくは、バネ減衰要素として形成され、バネ手段とは別に、第1および第2締結部の間の減衰作用で結合するための減衰部を有する。前記減衰作用を伴う結合は、減衰関数によって説明することができる。この目的のために、減衰関数は、第1および第2の移動方向に対して実質的に等しいことが提案されている。したがって、第1および第2の移動が等しく、すなわち対称的に影響されるように、減衰についても均一性を達成することができる。
好ましくは、バネ関数が両方の移動方向で実質的に等しいだけでなく、実質的に線形でもある場合である。したがって、バネ手段全体のバネ力、すなわち第1および第2バネ部のバネ力の合計は、大きさに関して、中央位置または静止位置からのたわみに実質的に比例する。
また、減衰関数が第1および第2の移動方向で実質的に等しいだけでなく、実質的に線形である場合も好ましい。したがって、減衰部の移動に対抗する減衰力は、大きさに関して、第1および第2締結部の間の相対移動の速度、すなわち振動体とタワーの壁との間の相対移動の速度に実質的に比例する。
このように、特に、バネ関数と減衰関数の両方が線形の場合には、タワーダイナミクスの振動または風力タービン全体の運動ダイナミクスの減衰、特に、不変の減衰定数による減衰を達成することが可能である。
バネ関数の線形特性は、特に、両方のバネ部のプレストレスによって達成され得る。結合要素、特に、バネ手段が、停止部に到達しない場合には、所定の設計行程に対してのみ線形バネ関数を実現することは自明である。したがって、バネ関数は、所定の設計移動に対して実質的に線形であることが提案されている。
減衰関数については、特に、対称設計によって直線性と対称性とを実現できる。
一実施形態では、結合要素は、互いに固定的に接続された第1および第2アンカー部を有することが提案されている。さらに、第1および第2アンカー部の間には、前記2つのアンカー部に対して移動可能な中央部が配置されている。ここで、第1または第2アンカー部は、第2固定部に固定接続され、中央部は第1固定部に固定接続される。したがって、中央部は、2つのアンカー部の間を移動でき、したがって、2つのアンカー部の間で、したがってタワー壁に対して振動体とともに移動できる。したがって、振動体とタワー壁との間の相対的な動きは、アンカー部間の中央部の動きに対応する。
このように、特に、簡単な方法で、バネ手段を2つのバネ部に均一に分割することも可能である。
好ましくは、ここで、バネ手段は、中央部と第1アンカー部との間に第1バネを有し、中央部と第2アンカー部との間に第2バネを有する。ここで、第1バネは第1バネ部を形成し、第2バネは第2バネ部を形成する。両方のバネが同一であることが望ましい。バネは、例えば、つる巻きバネとして形成されてもよい。
結合要素の移動中に2つのバネのいずれも弛緩状態に到達またはオーバーシュートしないことを達成するために、第1および第2バネにプレストレスをかけることが好ましい。特に、2つのバネは、中央部と第1アンカー部との間、および中央部と第2アンカー部との間にそれぞれ締め付けられてもよい。前記プレストレスは、好ましくは、前記第1バネがそれ以上圧縮されない停止までの第1バネの圧縮の場合でさえ、第2バネがまだ応力下にある、すなわち、まだプレストレスがかかっているような強さである。同様に、逆に、具体的には、第2バネが完全に圧縮されたとき、つまり停止に達したときに、第1バネにまだストレスがかかっているため、まだプレストレスがかかっていることも当てはまる。ここで、状況は、2つのバネの1つが停止位置まで圧縮され、通常の動作範囲ではなくなったことに関するものである。換言すれば、結合要素は、記載された最大圧縮に達しない場合の使用を意図している。
第1アンカー部と第2アンカー部との間の間隔は、好ましくは、プレストレスを調整するために調整可能である。
好ましくは、この目的のために、アクチュエータによって作動される調整手段が設けられており、オンライン調整も可能である。したがって、必要に応じて、タワーの振動特性の最小限の変化に対応することが可能である。これは、風力タービンの他の要素の変化によっても引き起こされる可能性がある。
別の実施形態では、減衰部は、中央部と第1アンカー部との間、または中央部と第2アンカー部との間に固定されることが提案されている。ここで、特に、両移動方向に対称な減衰機能、および線形減衰機能でさえ、この場合には、互いに相対移動する2つの部分の間に配置される単一の減衰部によって実現できることが認識されている。あるいは、中央部と2つのアンカー部とのそれぞれとの間に、1つの減衰部が設けられてもよく、この減衰部は特に同一であるか、少なくとも同じ特性を有する。このようにして、減衰が両方の移動方向で等しくなることが保証される。
本発明によれば、風力タービンのタワーも提案されている。そのようなタワーは、タワーの中心軸と、タワーが実質的に構築されるタワー壁を有する。さらに、タワーの振動に影響を及ぼすための振動装置が提供される。振動装置は、タワー壁から離間するようにタワーに吊り下げられた振動体を有する。したがって、前記振動体はタワー内部に懸架されており、基本的にタワー壁に対して様々な方向に振動することもできる。振動体は、基本的に、懸架以外の何らかの方法で、例えば、タワーの中心軸に垂直な平面内の任意の方向への実質的な移動を可能にするベアリング構成によって、タワー内に配置されてもよい。
ここで、振動体は、タワーに対して移動できるように十分なスペースが残るように、タワー壁から離れるように吊り下げられるか、他の方法で取り付けられる。
さらに、振動体とタワー壁との間の相対的な移動に影響を与えるために、振動体とタワー壁との間に結合要素が固定されている。複数の結合要素、特に、4つ、6つまたは8つの結合要素が提供されることが好ましい。特に、前記結合要素は、構造的に同一であって、振動体の周囲に均一に分布している。特に、6つの結合要素の使用は、振動体の周囲にわたって良好な均一な分布を作成すると同時に、材料に関して過剰な支出を伴わず、6つの結合要素が特に好ましい。
さらに、振動体が垂直中心軸に沿って中空になるように形成されるようになっている。特に、前記振動体は、タワーの中心軸に沿って中空になるように形成されている。この中空の形態により、振動体は、例えば、人員または機器のエレベータなどのタワー内の装置を妨害しないことが達成される。したがって、振動体は、風力タービンの人員用エレベータが振動体を通って垂直方向および中央に延びることができるように十分なスペースが残るように、中空形状であることが好ましい。
また、非常に大きな質量を外部のシェルに収容できることも認識されている。したがって、大きな質量を有し、それにもかかわらず他の必要な装置のためにタワー内に十分なスペースを残す振動体を実現することが可能である。
振動体は、好ましくは、実質的に中空の円錐台または中空の円筒として形成される。このようにして、振動体の大きな質量を、単純で均一な方法で前記中空の円錐台または中空円筒に収容することが可能である。基本的に、中空円筒が提案されているが、タワーの円錐形状に適合させるためにシェルの対応する円錐形状も提案され、そのため、前述の中空円錐台がこの目的のために提案される。
必要に応じて、上記タイプの中空の円錐台は、サービス担当者がタワーのこのタワーはしごに沿って昇降できるように、タワー壁の内側に配置されたタワーはしごのためのスペースを提供するために、ケーシングに垂直開口を備えており、そうすることで、開口部の領域で振動体を通過させることができる。
例えば、中空円筒または中空円錐台は、全周の360度に対して約60度の範囲の開口部を有してもよい。ある程度大きい範囲または小さい範囲も考えられ、開口部は、30度から90度のサイズの範囲で提供されることが好ましい。
特に、開口部の値が60度の場合には、円周上に均一に分布するように、6つの結合要素を配置することも可能である。90度の値は、4つの結合要素を備えた変形形態に対して特に好ましく提案される。特にタワー直径が大きい場合は、30度の値が提案される。それでも、サービス要員が、そこに配置されたはしごを登るときに、その開口部の領域で振動体を通過させることは依然として可能である。360度の周囲に関する角度範囲に関する開口の定義により、いずれの場合でも、小さな中央空洞のみの場合でも十分なスペースを提供できる十分な開口を提供することが可能である。偶数個の結合要素が提案されていることが好ましく、結合要素は振動体の周囲に均一に分布している。開口部の最小値として10度が提案されている。
一実施形態では、振動体は、中心軸を開口で囲むケーシングを有することが提案されている。ここでは、前記包囲ケーシングの壁厚が円周方向に変化するように準備されている。壁の厚さは、振動体が、開口部にもかかわらず中心軸に重心を持つように変化する。中心軸は垂直に向けられ、この場合、振動体の幾何学的中心にある。特に、前記中心軸は、振動体の外側輪郭に対する中心軸である。さらにまたは代替的に、前記中心軸は、振動体およびタワーの静止状態で、タワー中心軸に対応する。
特に、同時減衰のために、タワーの振動に影響を与えるには、振動体の重心は、静止状態ではタワーの中心軸にある。振動体のシェルに設けられた開口部により、壁の厚さが円周方向に均一である場合、重心が変位する。これは、振動体の壁厚の提案された変動によって補償することができる。振動体の壁厚に対応して均一に分散された変動により、重心は、開口部にかかわらず、タワーの中心軸または振動体の中心軸に配置することができる。このようにして、例えば、追加のバランスウェイトの提供を回避することも可能である。
振動体は、好ましくは、平均の壁間隔でタワー壁から中心に離間するように吊り下げられ、壁間隔は、それぞれの領域のタワー内径の1/4よりも小さい。特に、前記壁間隔は、各場合において、前記タワー内径の1/8よりも小さい。このようにして、前記振動体はタワー壁に非常に近く、それ自体が比較的大きな直径を有することが達成される。このようにして、振動体が、その振動特性の観点からタワーに著しく影響を与えることができるように、対応して大きな体積、したがって対応して大きな有意な質量を有することも可能である。前記位置におけるタワー内径の1/4未満、または好ましくは1/8未満である前記間隔は、振動体とタワー壁との間の相対移動のために十分なスペースを依然として残している。間隔は、タワー内径の1/20よりも大きいことが好ましい。これにより、振動体とタワー壁との間のスペースが小さくなりすぎないように選択される。
振動体は、好ましくは、その直径の少なくとも半分、好ましくは少なくともその直径の値に対応し、好ましくはその直径の少なくとも2倍である高さを有する。このようにして、振動体に非常に高い質量を提供することが全体的に可能である。それにも関わらず、これらの解決策は全て、例えば、ケーブルガイドや、必要に応じて、エレベータ等のために、タワー内部スペースを十分に活用できる。
一実施形態では、振動体は、固定部、特に、タワートップフランジの振り子ロッドによって吊り下げられることが提案されている。4つ以上の振り子ロッドが提案されることが好ましい。特に、偶数個の振り子ロッドが提案される。振り子ロッドを使用することにより、振動体が実質的に並進運動または傾きのない運動に制限されるようにすることが求められている。ここで、振り子ロッドは、好ましくは、両側に球形ジョイントヘッド、すなわちボールジョイント、またはカルダンサスペンションで形成される。このようにして、振り子の動きがすべての水平方向で可能になる。ここでは、振り子ロッドの関節が振り子の動きの方向に影響を及ぼさないことが意図されている。振り子ロッドは、振動体が高い限り少なくともほぼ同じ長さであることが好ましい。このようにして、特に、振り子の動きに重要な垂直成分がないか、またはまったくないことが達成される。振り子ロッドは、静止状態における振動体とタワー壁との間隔のそれぞれとして、好ましくはそれぞれ少なくとも3倍、特に少なくとも5倍、好ましくは少なくとも7倍の長さである。
特に、複数の振り子ロッド上における振動体のサスペンションの性質により、振動体のたわみの後、重量力が復元力を生じさせ、最終的に少なくとも、ここでは、振動体を静止位置に戻すのに役立つ。同様に、復元バネの使用を回避または削減することができる。
振動体は、水よりも高い密度を有する材料から製造されることが好ましい。少なくとも、全体的に水よりも密度が高く、特に、密度は水の少なくとも2倍であることが提案されている。このための好ましい材料として、コンクリートが提案されている。特に、振動体は、実質的にコンクリート、好ましくは、鉄筋コンクリートから製造される。ただし、この目的のために、コンクリートで満たされた受体を提供することもできる。特に、この場合、鉄筋コンクリートを使用せずに、コンクリートのみを使用または導入することができる。剛性と強度、およびサスペンションまたはサスペンションポイントの提供は、これらの受け部によって実現される。
コンクリートと一緒に受体を使用することの利点は、まだ固まっていない液体コンクリートがポンプで汲み上げられることであり、したがって、振動体を空の受け体として建てられたタワーに設置し、その後、所望のコンクリートを汲み上げることが可能である。
しかしながら、一実施形態では、振動体は、事前に作成された要素、特に、事前に作成されたコンクリート部品として提供される。
タワーは、好ましくは、複数の結合要素が振動体とタワー壁との間に配置され、振動体の周りの円周方向に分布することを特徴とする。前記結合要素のそれぞれは、振動体およびタワー壁に固定されている。このようにして、振動体とタワー壁との間で機械的結合が実現され、その結合は、振動体とタワー壁との間の水平方向における相対移動を可能にするが、それに影響を与える。
これにより、そのサスペンションを含む振動体は、結合要素とともに、タワーの振動に影響を与える振動装置を形成する。前記振動装置は、この場合、好ましくは、発生する振動を低減する、または最適な場合には除去することさえできる吸収システムとして形成される。前記振動装置、特に吸収システムは、振動体および結合要素の選択を通じて、タワーの予想振動、特に周波数に合わせて設定または再調整される。これに影響を与えるために、それに応じて、振動体の質量、結合要素のバネ剛性、各結合要素の減衰部の減衰特性、特に、減衰定数、および結合要素の数、結合要素の位置、振り子ロッドの長さを設定または選択することができる。
上記の結合要素の少なくとも1つの実施形態による結合要素が使用されることが好ましい。したがって、結合要素に関して説明した利点を、風力タービンタワーの振動の変動または減衰または吸収のために、ここで対応して使用することが可能である。
結合要素は、好ましくは、振動体の上には位置され、さらにまたは代替として、振動体の下に配置される。この方法では、特に、振動体とタワー壁との間に存在する中間空間の範囲よりもはるかに大きい範囲を有する結合要素で使用することも可能である。ここで、各結合要素の中央部が振動体の上縁または下縁に固定されることが特に好ましいが、2つのアンカー部の一方はタワー壁に、残りのアンカー部は固定されるタワーの内部空間、特に、振動体の内部空洞の上の領域にも自由に突出する。ここでは、タワーの内部領域をさまざまな技術機器に使用するため、特に電線、特にケーブルハーネスをその中に導くために、全体の構造、つまり結合要素を備えたタワーに設置された振動体は、それでもタワー内部に十分なスペースを残す。
振動体は、好ましくは重心を有し、振動体は、重心がタワーの上半分、特に上部3/5に位置するようなタワーの高さに吊り下げられる。さらにまたは代替として、振動体は、タワートップフランジ上に配置された、またはタワートップフランジに配置された固定部または複数の固定部に吊り下げられている。タワートップフランジの近くの配置も考えられるが、これは、おそらくタワートップフランジに直接ではなく、タワートップフランジのすぐ近くで締結が実現されることを意味すると理解されるべきである。例えば、最後のタワーセグメントでは、締結部は、その上に中間リングを備え、後者にタワートップフランジを備えた、取り囲む締結フランジとして提供されてもよい。しかしながら、タワートップフランジへの固定部の固定が提案されることが好ましい。
第1に、振動体の重心の前記垂直位置は、第1の固有振動数が大きなたわみを有する位置に提供され、したがって固有モードはそこで大きなたわみを示す。ここでは、タワーの曲げ振動中に異なる固有モードが発生する可能性もある。
振動装置は、好ましくは、その固有振動数に関してタワーの振動を減衰するように設計されている。上記のように、対応する設計は、振動体の質量、結合要素のバネ機能、結合要素の減衰機能、結合要素の数、振り子ロッドの長さ、および振動体の重心の垂直位置も用いて設定される。
さらに、タワーの振動に影響を与える目的で、風力タービンのタワーで使用するように設計された振動装置が提案されている。前記振動装置は、タワー壁から離間するようにタワー内に吊り下げることができる振動体を有しており、前記振動装置は、振動体とタワー壁の間の相対的な移動に影響を与えるために、振動体とタワー壁との間を固定するための少なくとも1つの結合要素を有している。この目的のために、振動体は、垂直中心軸に沿って中空になるように形成され、さらにまたは代替的に、各結合要素はバネ機能を有し、バネ機能は、互いに反対の方向を向いた第1および第2の移動方向に対して実質的に同一であることが提案される。特に、振動体の周囲に、好ましくは振動体の上および/または振動体の下に均一に分布する、少なくとも4つ、特に、正確に4つまたはちょうど6つまたは正確に8つの結合要素を提供することが可能である。
前記振動装置は、この点に関して上述した実施形態によるタワーで使用するように設計されることが好ましい。特に、振動装置は、振動装置に関連するタワーの実施形態の説明に関連して説明された少なくとも1つの特徴を有する。
さらにまたは代替として、振動装置は、結合要素に関する少なくとも1つの上述の実施形態に従って説明されたように、少なくとも1つの結合要素を有する。また、タワーの振動、または風力タービンのタワーのタワー固有振動数に影響を与える方法も提案されており、前記タワーは、複数の結合要素を備えた振動装置を備えている。前記方法は、タワーの固有振動数を検出し、次に所望の吸収体周波数を事前定義し、その後、結合要素を吸収体周波数に設定することを提案する。検出、事前定義、および設定のこれらのステップは、特性を改善するために繰り返されることが好ましい。
または、タワーの振動振幅が検出され、所望の最大タワー振動振幅が事前定義され、結合要素は、タワーの振動振幅が所望の最大タワー振動振幅を下回るように設定される。ここで、振動振幅を低減するために、減衰機能の変化も特に考慮される。この場合も、検出、事前定義、設定の手順を繰り返すことができる。特に、タワーの固有振動数またはタワーの振動振幅を連続的に検出し、これに依存する方法で、さらなるステップが必要かどうかに関して決定を下すことが提案されている。特に、また、望ましい吸収体の固有振動数や新しい望ましい最大タワー振動振幅を事前に定義することなく、したがって、再調整とも呼ばれる結合要素を再度設定することも考慮されている。ただし、結合要素の設定を再調整するだけでなく、所望の吸収器の固有振動数および/または所望の最大タワー振動振幅を再調整する、つまりこれらの設定値を変更することも考慮される。
結合要素の上記実施形態による結合要素を備えた振動装置、タワーの上記実施形態によるタワー、および上記実施形態による振動装置を有する風力タービンも提案される。振動装置の実施形態、およびさらにまたは代替的に、一実施形態によれば、タワー振動に影響を与える目的で上記の方法を実行するように設計された制御装置を有する。
また、タワーの振動に影響を与える方法は、結合要素に関して上述した実施形態による振動装置および結合要素とともに使用されること、前記方法は、タワーに関する上述の実施形態によるタワーとともに使用されること、および前記方法は、振動装置に関する上記の実施形態による振動装置と共に、さらにまたは代替的に使用されること、も提案されている。したがって、それぞれ記載された実施形態の利点を、提案された方法および提案された風力タービンに利用することが可能である。
その結果、特に、簡単かつ同時に効率的な方法で、風力タービンのタワーの振動または風力タワー全体の振動を変化させる解決策が提案されており、これは特にタワーで顕著である。その変化は、周波数特性または振幅に関連する場合がある。ここで、前記解決策は、特に受動的解決策として構成され、これは、振動特性に関するタワーまたは風力タービンの少なくとも1つの特性に影響を与えることができる。この方法では、特に、振動特性に関してタワーまたは風力タービンのシステム特性の変化を達成することが可能である。ここでは、その解決策は効率的であって、特に、タワー内部も過度に遮られないように構成されている。調整可能性も提供することができ、それにより、特に、振動の影響をその場で設定および適合させることも可能である。
本発明は、例示的な実施形態に基づいて、添付の図面を参照して、例として以下で詳細に説明される。
風力タービンの斜視図。 風力タービンタワーの詳細を示す断面図。 図2をさらに詳細にした図。 図2をさらに詳細にした図。 図2に示すタワー詳細の水平断面を示す図。 結合要素を示す横断面図。
図1は、タワー102とナセル104とを有する風力タービン100を示す。ハブの一部である、3つのロータブレード108を有するロータ106とスピナ110とは、ナセル104に設けられている。ロータ106は、運転時に、風によって回転運動するように設定され、それにより、ナセル104内の発電機を駆動する。
図2は、高さにわたって性質および厚さが異なっていてもよいタワー壁4を備えたタワー部2を示している。タワー部2は、タワートップフランジ6によって閉じられている。タワートップフランジ6は、取り囲んでいるフランジとして形成され、特に、ナセルを回転可能に取り付けるための方位軸受を保持するために設けられている。
タワートップフランジ6に取り付けられているのは、サスペンション固定部8であって、振動体12は、振り子ロッド10に吊り下げられている。この目的のために、同様に、振り子ロッド10は、振動体固定具14によって振動体12に旋回可能に固定される。
よって、振り子ロッド10は、振動体12のサスペンションとして機能する。サスペンション固定部8は、この場合、タワートップフランジ固定部とも呼ばれる。
よって、振動体12は、比較的長い振り子ロッド10によって、実質的に全ての方向における水平面内で振動することができる。さまざまな方向における縦振動とは別に、循環運動、つまり複数の縦振動の重ね合わせも考慮される。
振動体12は、振動体キャビティ18を囲む振動体シェル16によって実質的に形成される。振動体シェル16は、図2および他のいくつかの図に示されるように、容器充填物22を備えた振動体容器20として形成されてもよい。
図2には、タワーの中心軸24も示されており、これは、タワー、したがってタワー部2の中心軸を形成する。ここで、タワー中心軸は、振動体12の垂直中心軸を形成する本体中心軸26と一致する。
振動体12は、結合要素32によって、タワー壁4に下縁28および上縁30で結合される。上縁部30の領域における結合の詳細は図3に示され、下縁部28の領域における結合の詳細は図4に示されている。
各結合要素32のタワー壁4への固定は、結合要素32が上端30に固定されている場合、タワー隔壁34への固定によって実現される。前記タイプのタワー隔壁34は、基本的に、風力タービンのタワー内で、作業を行うことができる、または休憩を取ることができるプラットフォームを作成するために使用される。そのようなタワー隔壁34はまた、ナセル104からタワー内に何かが落下することを防止する。タワー隔壁は、タワー壁4に円周方向に均一に固定されており、この場合、タワーの補剛リングまたは補剛表面も形成することができる。結合要素32をタワー隔壁34に固定することにより、タワー壁への点状の力の導入を回避することができる。代わりに、力がタワー隔壁34に導入され、これにより、前記力を円周方向に均一にタワー部2のタワー壁4に伝達することができる。
下縁28の領域では、結合要素32は、補強リング36によってタワー壁4に固定されている。補強リング36によるタワー壁4への前記接続はまた、それぞれの結合要素32を介してタワー壁4に力が点状に導入されることを防止する。振動体12がタワー部2に対して振動する場合には、したがって、タワー隔壁34と補強リング36に対しても振動する。振動体12は、タワー隔壁34の下に位置するため、振り子ロッド10は、タワー隔壁34を通る対応する開口部を通って導かれる。
図3は、図3に1つだけ示されている結合要素32による振動体12のタワー壁4への結合を拡大詳細で示している。図6の詳細図は、中央部38によって、振動体12またはその振動体ケーシング16の上縁30に固定されている。
中央部38は、第1アンカー部41および第2アンカー部42の間において、弾性力のある弾性形態で配置されている。第1および第2アンカー部41,42は、互いに堅く接続されている。第1アンカー部41は、固定アングルブラケット44によってタワー隔壁34に固定されている。
タワー壁4に対する振動体12の振動運動の場合、したがって、振動体12から中央部38を介して結合要素32への力の導入が行われ、結合要素32は、これを第1アンカー部41に弾性力を持って弾性的に伝達し、これを介して、および固定アングルブラケット44を介して、タワー隔壁34、よってタワー壁4に伝達する。したがって、振動体12は、タワー壁4に弾性力を持って弾性的に結合される。
さらに、また、図3には、タワー隔壁34、特に、内部空洞、具体的には振動体12の振動体空洞18を通って導くことができるケーブルハーネス46が示されている。この目的のために、タワー隔壁34には、ケーブルハーネス46がケーブルガイド48を通って導かれる開口部を設けることができる。
下縁28の領域の構造は、図4に示されており、上縁30の領域の構造に非常に類似している。下縁28の領域においても、振動体12は結合要素32の中央部38に結合されている。結合要素32は、第1アンカー部41を介して、および固定アングルブラケット44を介して補強リング36に結合されている。補強リング36は、座屈抵抗器と呼ばれることもある。
振動体12はまた、その底面にケーブルガイド49を有してもよい。
図5の平面図は、特に、振動体12の形状を示している。それは、垂直開口部50を備えた実質的に円筒形の形状を有する。前記垂直開口部50は、タワーはしご52の領域に空間を作り出すのに役立つ。したがって、振動体12は、その比較的大きな外径により、大きな容積、したがって大きな質量を有することができる。それにもかかわらず、タワーの内部空間はそれでも使用可能なままであり、特に、タワーはしご52を介した上昇はそれにより妨げられない。
開口部50にもかかわらず、振動体12の重心を実現するために、振動体12の壁厚は、タワーはしご52の領域において、タワーはしご52を避けた領域よりもわずかに厚く形成されてもよい。説明の目的で、タワーはしご52に近い領域54とタワーはしご52から離れた領域56とが示されている。したがって、質量補償は、タワーはしごに近い領域54に、特に、大きな壁厚を設けることにより実現される。一方、タワーはしごから離れた領域56では、可能な限り薄い壁厚が提供される。
図6は、横断面図で、結合要素32をさらに詳細に示している。第1および第2アンカー部41,42は、テンションロッド58によって互いに固定接続されている。中央部38は、2つのアンカー部41および42に対して移動することができる。この目的のために、テンションロッド58はまた、そのような動きのために中央部38のためのガイドを形成してもよい。さらに、各アンカー部は、エンドプレートと呼ばれることもあり、中央部38は中央プレートと呼ばれることもある。
中央部38と第1アンカー部41との間には、第1バネ部を形成する第1バネ61が配置されている。中央部38と第2アンカー部42との間には、第2バネ部を形成する第2バネ62が配置されている。
前記2つのバネ61,62はともに、結合要素32の共通のバネ手段を形成する。2つのバネ61,62は、実質的に同一であって、2つのバネ61,62は、予め応力がかけられている。したがって、図6は、結合要素32の静止位置を示している。2つのバネ61,62は、つる巻きバネとして形成され、それぞれ第1または第2アンカー部41,42および中央部38の受容部に受容される。
2つのバネ61,62がプレストレスされているという記述は、図6に示す位置においてすでに圧縮されていることを意味する。したがって、両方のバネ61,62は、それぞれ中央部38上の第1および第2アンカー部41,42から、またはその逆に、それぞれの場合に既に力を及ぼしている。ただし、この2つの力は、示されている静止位置では互いに相殺される。このプレストレスにより、テンションロッド58に沿った中央部38の動きは、撓みとバネ力との間に実質的に線形の関係を経験する。一方向、例えば、第1アンカー部41に向かって移動した結果、第1バネ61のバネ力は増加するが、第2バネ62のバネ力は減少する。中央部38が反対方向に示されている静止位置から移動する場合、同じ効果が生じる。ここで、第2バネ62によって付与される力は増加し、第1バネ61によって付与される力は減少する。中央部38、ひいては振動体12に対する合力は、2つのバネ61,62のばね力の差から生じる。したがって、力の関係は、両方のたわみ方向で等しくなる。
さらに、減衰ピストン68が移動する減衰シリンダ66を実質的に有する減衰部64が設けられている。減衰ピストン68は、抵抗プランジャ70を有し、減衰シリンダ66内の流体が前記抵抗プランジャ70を通過しなければならないという事実により、減衰シリンダ66内の動きは制動される。この場合、減衰作用、すなわち移動速度依存抵抗は、減衰ピストン68の移動方向、したがって抵抗プランジャ70の移動方向とは実質的に独立している。
減衰ピストン68、したがって抵抗プランジャ70の結合は、中央部38に固定され、したがって中央部38の移動中に、中央部38とともに移動する被覆管72を介して実現され、このプロセスでは、同時に減衰ピストン68も駆動する。中央部38のガイダンスについては、さらに、テンションロッド58上の中央部38を案内するガイドシリンダ74が設けられている。
結合要素は、振動体12とタワー壁4との間、したがって中央部38と第1アンカー部41との間の移動振幅が、その静止位置において、第1アンカー部41と中央部38との間の間隔の最大で半分になるように、設計されていることも分かる。したがって、2つのバネ61,62は、それらの最大たわみ限界まで動かされないことも達成され、これにより、提供された移動範囲に対して、移動範囲で直線性を達成することは実質的に可能である。
さらに、図6は、結合要素32の取り付けを示し、したがって、結合要素32は、その中央部38によって振動体12の上側に固定されている。そのアンカー部41によって、前記結合要素は、ジョイントヘッド43を介して、振動が減衰されるタワーのタワー壁4に固定される。この場合、タワーの振動運動は、タワー壁4と振動体12との間の相対移動をもたらし、したがって、アンカー部41と中央部38との間の相対運動をもたらす。振動体12の小さな垂直運動も生じ得るが、これは、ジョイントヘッド43によって可能にされ得る。
明確にするために、類似するが場合によっては同一ではない要素に対して同じ参照指定が使用されていることが指摘されている。これは、全ての図の説明に適用される。このように、タワーの固有振動数に影響を与えるか、少なくとも減衰させることができ、新しいタワーを設計する際の自由度が高まる解決策が作成および提案されている。振動ダンパーが不要な限り、新しいタワーの設計では、共振の損傷を避けるために、タワーの曲げ振動の固有振動数が施設の運転からの励起振動数と一致しないか、それに近いことを保証することが特に必要である。
振動ダンパーを備えたタワーの設計では、吸収体が調整される固有振動数の位置を考慮する必要がないため、設計プロセスの自由度が向上する。
中空シリンダとして設計され、吸収体とも呼ばれる振動体は、ケーブルをタワーの中央に通すことを許容する。可能な限り最大の吸収体質量半径を使用することにより、構造空間は、体積に関して最適に、または少なくとも非常に効果的に利用され、したがって、大きな質量を振動体に収容することが可能である。バネダンパー要素の星形の配置、すなわち結合要素の星形の配置は、全方向性、つまり、実質的に方向に依存しない振動ダンパー、つまり結合要素の動作を許可する。
議論された振り子ロッド上の振動体の吊り下げは、同様に、事実上、全方向の動作を可能にし、振動体、すなわち吸収体の傾きのない動きを強制する。動作方向の独立性は、振動ダンパーの数、つまり結合要素の数とともに増加する。

Claims (23)

  1. タワーの振動特性に影響を与えるために、振動体(12)とタワー壁(4)との間の相対移動に影響を及ぼすために、前記振動体(12)と風力タービン(100)のタワーの前記タワー壁(4)との間を締結するように設計された結合要素(32)であって、
    前記結合要素(32)を介して前記振動体(12)と前記タワー壁(4)との間に機械的結合を生成するために、
    前記振動体(12)に固定するための第1締結部と、
    前記タワー壁(4)に固定するための第2締結部と、
    を備え、
    第1および第2の移動方向におけるバネ関数を互いに等しくするために、
    その結合は、前記振動体(12)と前記タワー壁(4)の間の前記相対移動を可能にし、
    その相対移動は、前記第1および前記第2締結部が互いに向かって移動する場合の前記第1の移動方向と、前記第1および前記第2締結部が互いから離れる場合の前記第2の移動方向とを有し、
    前記結合要素(32)は、前記第1および前記第2締結部間の弾性力のある弾性結合のためのバネ手段を有し、
    前記弾性力のある弾性結合は、前記バネ関数によって表され、
    前記バネ手段は、前記バネ関数が前記第1および前記第2の移動方向に対して実質的に同一であるように形成され、さらに、または代替として、
    前記バネ手段は、前記バネ手段における前記第1の移動方向における動きが、第1バネ部の圧縮および第2バネ部の伸長をもたらすとともに、
    前記バネ手段における前記第2の移動方向における動きが、前記第1バネ部の伸長および前記第2バネ部の圧縮をもたらすように形成されている、
    結合要素(32)。
  2. 前記結合要素(32)は、バネダンパー要素として形成され、
    前記第1および前記第2締結部の間の減衰作用と結合するための減衰部(64)を有し、前記減衰作用を持つ前記結合は、減衰関数によって表され、
    前記減衰関数は、前記第1および前記第2の移動方向に対して略等しい、
    請求項1に記載の結合要素(32)。
  3. 前記バネ関数は、線形であって、さらに、または代替的に、
    前記減衰関数は、線形である、
    請求項1または2に記載の結合要素(32)。
  4. 前記結合要素は、
    互いに固定接続された第1および第2アンカー部(41,42)と、
    前記第1および前記第2アンカー部(41,42)の間に配置され、前記第1および前記第2アンカー部(41,42)に対して移動可能な中央部(38)と、を有し、
    前記第1または前記第2アンカー部(41,42)は、前記第2締結部に固定接続され、
    前記相対移動が前記第1および前記第2アンカー部(41,42)の間の前記中央部(38)の運動に対応するように、前記中央部(38)は、前記第1締結部に固定接続されている、
    請求項1から3のいずれか1つに記載の結合要素(32)。
  5. バネ手段として、
    第1バネが、前記中央部(38)と前記第1アンカー部(41)との間に設けられ、
    第2バネが、前記中央部(38)と前記第2アンカー部(42)との間に設けられ、前記第1バネは、前記第1バネ部を形成し、前記第2バネは、前記第2バネ部を形成し、両方のバネ(61,62)は、好ましくは同一である、
    請求項4に記載の結合要素(32)。
  6. 前記第1および前記第2バネ(61,62)は、前記結合要素の移動中に、2つのバネのいずれも弛緩状態に達する、またはオーバーシュートしないように、プレストレスが掛けられている、
    請求項5に記載の結合要素(32)。
  7. 前記第1および前記第2アンカー部(41,42)の間の空間は、前記プレストレスを調整するために調整される、
    請求項1から6のいずれか1つに記載の結合要素(32)。
  8. タワー中心軸(24)と、タワー壁(4)と、タワー(102)の振動に影響を与えるための振動装置とを備えた風力タービン(100)のタワー(102)であって、
    前記振動装置は、
    前記タワー壁(4)から間隔をあけるように、前記タワー(102)内で吊り下げられた振動体(12)と、
    前記振動体(12)と前記タワー壁(4)との間に締結され、前記振動体(12)と前記タワー壁(4)との間の相対移動に影響を与える少なくとも1つの結合要素と、
    を有し、
    前記振動体(12)は、垂直な本体中心軸(26)に沿って中空になるように形成されている、
    タワー(102)。
  9. 前期振動装置(12)は、実質的に中空の円錐台または中空円筒として形成され、付加的には、サービス要員が、タワーはしご(52)に沿って前記タワー(102)内を昇降し、そうすることで、開口部の領域で前記振動体を通過することができるように、前記タワー壁の内側に配置された前記タワーはしご(52)のためのスペースを提供するために、ケーシングに垂直開口部(50)を有する、
    請求項8に記載のタワー(102)。
  10. 前記振動体(12)は、前記中心軸(26)を取り囲み、壁厚を有する振動体壁を有し、前記振動体(12)が前記中心軸(26)に重心を有するように、周方向において前記壁厚が変化するとともに、前記中心軸(26)は、前記振動体(12)の幾何学的中心に対応し、および/または前記振動体(12)の静止状態で、前記タワー中心軸(24)と一致する、
    請求項8または9に記載のタワー(102)。
  11. 前記振動体(12)は、平均壁間隔で中央に前記タワー壁(4)から間隔を空けて吊り下げられ、前記壁の間隔は、それぞれの領域のタワー内径の4分の1よりも小さく、特に、各場合において、前記タワー内径の8分の1よりも小さい、
    請求項8から10のいずれか1つに記載のタワー(102)。
  12. 前記振動体(12)は、締結部、特に、タワートップフランジ(6)の振り子ロッド(10)によって吊り下げられており、好ましくは、前記振動体が並進運動または傾きのない運動に制限されるように、3つ、4つまたはそれ以上の前記振り子ロッド(10)が提供され、前記振り子ロッドは、全ての水平方向の動きが可能になるように、好ましくは両側に球面ジョイントヘッドまたはカルダンサスペンションを装備している、
    請求項8から11のいずれか1つに記載のタワー(102)。
  13. 前記振動体(12)は、水以上の密度、特に、水の少なくとも2倍の密度を有する材料から製造され、特に、コンクリートが材料として使用され、特に、前記振動体は、実質的に鉄筋コンクリートから製造されている、
    請求項8から12のいずれか1つに記載のタワー(102)。
  14. 複数の前記結合要素(32)は、前記振動体(12)と前記タワー壁(4)との間に配置され、前記振動体(12)の周りの円周方向において分布されており、いずれの場合も、前記振動体(12)と前記タワー壁(4)の間に機械的結合を生成するために、前記振動体(12)と前記タワーの壁(4)に固定されており、前記結合は、前記振動体(12)と前記タワー壁(4)との間における水平方向の相対移動を可能にする、
    請求項8から13のいずれか1つに記載のタワー(102)。
  15. 結合要素(32)として、請求項1から7のいずれかに記載の結合要素(32)の各場合に使用され、特に、偶数個、特に、6個の結合要素が提供されることが提案される、
    請求項8から14のいずれか1つに記載のタワー(102)。
  16. 複数の前記結合要素(32)または前記結合要素のいくつかは、前記振動体(12)の上方、さらに、または代替として、下方に配置されている、
    請求項8から15のいずれか1つに記載のタワー(102)。
  17. 前記振動体(12)は、重心を有し、前記振動体は、その重心が、前記タワー(102)の上半分、特に、上3/5に位置するような前記タワー(102)内の高さで吊り下げられており、さらに、または代替として、タワートップフランジ(6)上またはその近傍に配置された締結部に吊り下げられている、
    請求項8から16のいずれか1つに記載のタワー(102)。
  18. タワー(102)の振動に影響を与える目的で風力タービン(100)のタワー(102)で使用するために設計された振動装置であって、
    タワー壁(4)から離間するように前記タワー(102)に吊り下げることができる振動体(12)と、前記振動体(12)と前記タワー壁(4)の間の相対移動に影響を与えるために、前記振動体(12)と前記タワー壁(4)との間を固定するための少なくとも1つの結合要素(32)とを有し、
    前記振動体(12)は、垂直中心軸(26)に沿って中空になるように形成され、さらにまたは代替的に、
    それぞれの前記結合要素(32)は、バネ関数を有し、前記バネ関数は、第1の移動方向と、前記第1の移動方向と反対の第2の移動方向とにおいて、実質的に同一である、
    振動装置。
  19. 請求項8から17のいずれか1つに記載のタワー(102)内での使用のために設計されており、さらに、または代替的に、
    請求項1から7のいずれか1つに記載の少なくとも1つの前記結合要素(32)として使用される、
    請求項18に記載の振動装置。
  20. タワー振動または風力タービン(100)のタワー(102)の固有振動数に影響を及ぼす方法であって、前記タワー(102)は、複数の結合要素(102)を備えた振動装置を有し、
    前記タワーの固有振動数または前記タワーの振動振幅を検出するステップと、
    所望の吸収体の固有振動数または所望の最大タワー振動振幅を事前に定義するステップと、
    前記結合要素を前記吸収体の固有振動数に設定するか、前記タワーの振動振幅が所望の最大タワー振動振幅を下回るように設定するステップと、
    必要に応じて、前記ステップが繰り返されるステップと、
    を備えた方法。
  21. 請求項1から7のいずれか1つに記載の結合要素(32)を備えた振動装置、
    請求項8から17のいずれか1つに記載のタワー(102)、および、
    請求項18または19に記載の振動装置、
    を含むリストから選択される少なくとも1つの装置とともに使用される、
    請求項20に記載の方法。
  22. 空気力学的ロータ(106)を持つナセル(104)と、タワー中心軸(24)を持つタワー(102)と、タワー壁(4)と、前記タワー(102)の振動に影響を与えるための振動装置とを備えた風力タービン(100)であって、
    前記振動装置は、請求項1から7のいずれか1つに記載の結合要素(32)を有し、
    前記タワー(102)は、請求項8から17のいずれか1つに記載されているように設計されており、
    請求項18または19に記載のように、前記振動装置が形成され、
    前記風力タービン(100)は、請求項20または21に記載の方法を実行するように設計された制御装置を備えている、
    を含むリストから選択される特徴の少なくとも1つによって特徴づけられる、
    風力タービン(100)。
  23. 請求項18または19に記載の前記振動装置の振動体。
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