JP2020516814A - 風力タービンタワーの振動減衰 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (23)
- 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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)。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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)。 - 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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