JP4776857B2 - 海上発電プラントのタワー固有振動数依存管理 - Google Patents

海上発電プラントのタワー固有振動数依存管理 Download PDF

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Description

【従来技術】
【０００１】
風力発電プラントは、現在のところ、主に陸地に設置されており、様々な強度の基礎地盤に建設される。地盤が十分な支持力を有する場合は、コンクリートの基礎が、静的及び動的要件に適する。表面エリアが不十分な支持力を有する場合は、風力発電プラントの負荷を地盤に導入するために、パイルが、基底耐力層に導入される。タワー及び基礎部分の構造的寸法決定に関する設計基準は、最も低いタワー固有曲げ振動数である。
【０００２】
ロータの励振振動数は、プラントの動作において、前述のタワー固有振動数からの特定の間隔を常に有する必要があり、これは、そうでない場合、構造的負荷の動的な片勾配が存在し、これが構成要素の早期疲れ破壊につながるためである。励振振動数は、ロータの速度及びそのブレードの倍数となる。共振の結果であるこうした動的な片勾配は、風力発電プラントの荷重伝達構成要素で意図される数学的な耐用年数を達成するために、回避する必要がある。したがって、陸地支持プラントのタワー及び基盤の構造的寸法決定を通じて、初期タワー固有振動数は、従来、あらゆる動作条件下において励振振動数がタワー固有振動数から十分な間隔を空けていなければならないという形で解釈される。
【０００３】
必要な固有振動数の数学的解釈においては、周囲の地盤の特性を考慮に入れる必要がある。こうした地盤特性は、基盤固定の剛性に影響を与えるため、固有振動数にも影響する。陸地支持プラントの場合、第一近似において、基盤の固定剛性における経時的な変化は存在しない。したがって、プラントの固有振動数も、耐用年数に渡って、ほぼ一定のままである。
【０００４】
ＥＰ ２４４ ３４１ Ａ１では、共振の発生に言及しており、これは特定のロータ速度に達することで生じる。この範囲は、素早く通過することによって回避することが提案されている。
【特許文献１】
ＥＰ ２４４ ３４１ Ａ１
【０００５】
海底の一本以上のパイルによって固定される海上プラントでは、基盤構造の周りでの流れの変化、潮流、或いは強い波の動きの結果として、パイルは、多かれ少なかれ洗い出される。
この現象は、浸食として知られており、パイルの固定剛性の変化という結果を生み、そのため、タワーの固有振動数も変化する。加えて、プラントの力学も、パイルを囲む海底の変化につながり、そのため、固有振動数の変化につながる。 更に、海上風力発電地帯において、地盤条件は、各プラントの場所によって異なる。コストの理由から、基盤部分が同じ構造を有すると、固定剛性、及びしたがって固有振動数は、各プラントで異なることになる。こうした変化及び格差は、事前に計算することが不可能であり、恣意的な性質のものであり、各プラントで異なり、時間と共に恒久的に変化する。その結果、可変性のある振動数により、プラントは、片勾配のある動作強度荷重に晒され、故障が早期に発生する可能性がある。
【本発明の課題】
【０００６】
本発明によれば、この問題は、プラント全体（プラントの全風力発電機ともいう）又はプラント部品（プラントの個々の風力発電機ともいう）の臨界固有振動数が決定され解決される。ここで、臨界固有振動数の範囲に、プラント全体又は個々のプラント部品のロータの回転によって生じる励振振動数が存在するように前記ロータの回転速度範囲（禁止速度範囲）が設定され、風力発電プラントは前記禁止速度範囲の迅速な通過を伴う禁止速度範囲より上又は下でのみ運転される。プラントの臨界固有振動数が常に決定され、固定強度の変化が認識され、これに応じて、ロータの回転によって生じる励振振動数について、禁止共振範囲の置き換えが行われる。
【０００７】
本発明によれば、この問題は、単一の請求項の特徴によって解決される。プラントの臨界固有振動数が常に決定され、固定強度の変化が認識され、これに応じて、禁止共振範囲の置き換えが行われる。
【０００８】
この臨界固有振動数は、好ましくは、プラント全体の固有曲げ振動数であるが、例えば、特定のロータブレードの固有振動数にすることもできる。
この臨界固有曲げ振動数は、好ましくは、加速センサ、歪みゲージ、又はパスセンサを使用して、恒久的に決定される。
【発明の実施の形態】
【０００９】
図２は、プラントのロータの回転速度の禁止速度範囲を、可変臨界固有振動数ｆ１及びｆ２の関数として示している。
プラントのロータの回転が共振振動数の範囲内で運転されるのを回避するために、プラントの臨界固有振動数が決定され、これは、プラントが臨界固有振動数の範囲で励振するロータの速度となる。風力発電プラントの運転中は、前記臨界速度範囲より上又は下で運転することで、このロータの回転速度の禁止速度範囲を回避し、必要であれば、臨界速度範囲の迅速な通過を行う。
【００１０】
図３は、一定のロータ振動数に達することで誘発される動的な片勾配Hdynを、固有振動数ｆに対する励振振動数ｆＲの比率として示している。この比率が１に近い場合は、「禁止範囲」（ロータ回転速度禁止範囲ともいう）に到達するため、これを迅速に通過する必要がある（動的荷重の１０％の片勾配は、耐用年数の５０％減少につながる）。
固有曲げ振動数は、加速センサ、歪みゲージ、又はパスセンサによって決定することができる。これは、特に増加する浸食の関数として、経時的に変化するため、定期的に決定することが重要である。
臨界固有振動数は、プラント全体のもの（プラントの全風力発電機ともいう）にする必要はなく、重要なプラント部品（個々の発電機ともいう）、更に詳しくは、ロータブレードのものでも良いことは明白である。
【００１１】
図３は、一定のロータ振動数に達することで誘発される動的な片勾配を、固有振動数ｆに対する励振振動数ｆＲの比率として示している。この比率が１に近い場合は、「禁止範囲」に到達するため、これを迅速に通過する必要がある（動的荷重の１０％の片勾配は、耐用年数の５０％減少につながる）。
固有曲げ周波数は、加速センサ、歪みゲージ、又はパスセンサによって決定することができる。これは、特に増加する浸食の関数として、経時的に変化するため、定期的に決定することが重要である。
臨界固有振動数は、プラント全体のものにする必要はなく、重要なプラント部品、更に詳しくは、ロータブレードのものでも良いことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａ、１ｂ、及び１ｃ：浸食がａからｃに向けて増加している海上風力発電プラントを示す図である。
【図２】 励振振動数を速度の関数とし、禁止速度範囲をプラントの臨界固有振動数の関数とした図である。
【図３】 動的片勾配をプラント固有振動数に対する励振振動数の比率の関数として表す図である。

Claims (3)

  1. 海上風力発電プラントの運転方法であって、
    海上に設置された風力発電プラントの全風力発電機及び／又はプラントの個々の風力発電機の経時変化する臨界固有振動数ｆ（ｆ １ 、ｆ ２ 、ｆ ３ ）に対して、ロータ回転による振動数においてプラントの風力発電機の共振を引き起こす励振振動数ｆｒの範囲が設定され、さらに、前記励振振動数ｆｒの範囲に対応するロータの回転速度の範囲が禁止範囲として設定され、
    ロータの回転速度により生じる振動数が励振振動数ｆｒの所定範囲にはいった場合に、該振動数が前記所定範囲からでるようにロータの回転速度が機械的に調整可能であり、ロータの回転速度がロータの回転速度の禁止範囲より上又は下で前記風力発電プラントが運転されるようにロータの回転速度を調整するデバイスが機械的に調整されることによって特徴付けられる海上風力発電プラントの運転方法。
  2. 前記臨界固有振動数ｆが、海上風力発電プラントの全風力発電機のものであることを特徴とする、請求項１記載の方法。
  3. 前記臨界固有振動数が、加速センサ、歪みゲージ、又はパスセンサを用いて機械的に設定されることを特徴とする、前記請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
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