KR20190135525A - 풍력 터빈 타워의 진동 댐핑 - Google Patents

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요르그 쉴러
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 풍력 터빈(100) 타워의 타워 벽(4)과 진동 본체(12) 사이에 고정되도록 준비되어, 진동 본체(12)와 타워 벽(4) 사이의 상대 이동에 영향을 줌으로써, 이에 따라 타워의 진동 거동에 영향을 주는 커플링 요소(32)에 관한 것으로서, 진동 본체(12)에 고정되기 위한 제 1 고정 섹션 및 타워 벽(4)에 고정되기 위한 제 2 고정 섹션을 포함하여, 커플링 요소(32)를 통해 진동 본체(12)와 타워 벽(4) 사이의 기계적 커플링을 확립하고, 상기 커플링은 진동 본체(12)와 타워 벽(4) 사이의 상대 이동을 허용하고, 상기 상대 이동은 제 1 및 제 2 고정 섹션이 서로를 향해 이동하는 제 1 이동 방향, 그리고 제 1 및 제 2 고정 섹션이 서로로부터 멀어지게 이동하는 제 2 이동 방향을 가지며, 커플링 요소(32)는 제 1 및 제 2 고정 섹션 사이에 스프링 탄성 커플링을 위한 스프링 수단을 가지며, 스프링 탄성 커플링은 스프링 함수에 의해 설명되고, 스프링 수단은 스프링 함수가 제 1 및 제 2 이동 방향에 대해 실질적으로 동일한 방식으로 설계되고, 추가적으로 또는 대안적으로 스프링 수단은 스프링 수단에서 제 1 이동 방향으로의 이동이 제 1 스프링 섹션의 압축 및 제 2 스프링 섹션의 연장으로 이어지고 스프링 수단에서 제 2 이동 방향으로의 이동이 제 1 스프링 섹션의 연장 및 제 2 스프링 섹션의 압축으로 이어지는 방식으로 설계되어, 이에 따라 제 1 및 제 2 이동 방향에 대한 각각의 스프링 함수가 서로에 대해 매칭된다.

Description

풍력 터빈 타워의 진동 댐핑
본 발명은 풍력 터빈의 타워의 타워 벽과 진동 본체 사이에 고정되어, 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동에 영향을 줌으로써, 이를 통해 타워의 진동 거동에 영향을 주는 커플링 요소(coupling element)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 타워의 진동에 영향을 주기 위한 진동 장치를 구비하는 풍력 터빈의 타워에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 타워의 진동에 영향을 주기 위해 풍력 터빈의 타워에서 사용되도록 준비되는 진동 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 타워 진동에 영향을 주기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 풍력 터빈에 관한 것이다.
풍력 터빈은 일반적으로 알려져 있으며, 현대의 풍력 터빈은 나셀이 배치되는 풍력 터빈 타워를 포함한다. 나셀은 바람으로부터 전기 에너지를 얻기 위해 로터 블레이드를 구비하는 로터를 포함한다. 특히 작동 시 바람은 이러한 로터 블레이드에 작용하지만, 부분적으로는 또한 나셀 및 타워에도 작용하며, 바람은 풍력 터빈, 특히 풍력 터빈의 타워의 진동으로 이어질 수 있다. 또한 로터의 회전은 타워의 진동으로 이어지거나 또는 타워에 영향을 줄 수 있다. 최악의 경우, 타워 고유 주파수에 따라 특정 로터 회전 속도에서 공진 상황이 발생할 수 있다. 이론적으로 최악의 경우에는 이것은 공진 재앙으로 이어질 수 있다.
이러한 진동 문제는 해당 타워 구조에 의해 대응될 수 있다. 한 가지 가능성은 타워를 거대하고 강성으로 형성하여, 실제로 진동하지 않거나 또는 눈에 띄게 진동하지 않게 하는 것이다. 그러나 이러한 구조는 일반적으로 매우 높은 비용, 특히 재료 비용과 관련된다.
다른 더 현대적인 접근 방법은, 이러한 공진 주파수에 응답할 수 있거나 또는 이들에 대응할 수 있는 회전 속도가 발생하는 풍력 터빈의 작동점과 해당 공진 주파수가 일치하지 않는 타워 구조를 제안한다. 이 경우 이러한 해결 방안은 일반적으로 시스템 제어 장치로 조정되며, 특히 시스템 제어 장치는 예를 들어 풍력 터빈의 기동 시 회전 속도에 의한 임의의 공진점을 가능한 한 빨리 통과하도록 제어한다.
그러나 전술한 타워의 건설은 또한 노력의 증가를 의미할 수 있다. 또한 이러한 해결 방안은 풍력 터빈의 작동 범위를 제한한다.
또한 이러한 타워 진동을 댐핑하도록 설계된 흡수체 시스템을 풍력 터빈의 타워에 제공하는 해결 방안도 또한 원칙적으로 제안되어 있다. 그러나, 이러한 흡수체 시스템은 비싸고, 종종 완전하지 않으며, 또한 타워 내부에서 큰 장애가 될 수 있다. 특히 타워 내에서 중앙에 현수되는 진자 댐퍼는 특히 중앙 케이블 가이드 및 거기에 배치된 다른 요소들과 충돌할 수 있다. 특히, 진동 본체 내에 채워진 물을 통해 구현될 수 있는 큰 진동 질량의 도입을 위해, 일반적으로 필요한 구조 공간이 부족할 수 있다. 또한, 진자 이동은 바람직하지 않은 이동 성분을 가질 수 있다.
또한, 나셀에서 상응하는 파이프 시스템을 통해 유체 댐퍼 시스템이 진동 댐핑을 달성하는 해결 방안이 이미 제안되어 있다. 이 경우 액체, 특히 물이 이동되고, 특히 펌핑되어, 이것이 진동 운동을 상쇄시킬 수 있다. 이러한 시스템조차도 상당히 비싸고, 여기서 타워 진동을 상쇄시키는 힘이 나셀로부터 타워로 전달되어야 하므로 방위 베어링의 하중을 발생시킬 수 있다는 문제가 발생한다.
추가적으로, 독일 특허 출원 DE 10 2012 222 191 A1으로부터 진동 흡수체 모듈이 개시되어 있고, 이 진동 흡수체 모듈에서는 진자 스프링 요소가 사용되며, 이러한 진자 스프링 요소는 여기에 사용되는 진자 시스템의 서스펜션 축의 방향으로 연장된다.
독일 특허 및 상표청은 본 출원의 우선권 출원에서 다음의 종래 기술, 즉 DE 198 56 500 A1 및 DE 10 2012 222 191 A1을 조사하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 위에서 언급된 문제점 중 적어도 하나를 해결하기 위한 것이다. 특히, 간단한 방식으로, 특히 간단한 건설적인 방식으로, 특히 수동적으로 풍력 터빈의 타워의 진동 문제에 대응하기 위한 해결 방안이 제안되어야 한다. 적어도 이전에 알려진 해결 방안과 비교하여 대안적인 해결 방안이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 본원의 청구범위 제 1 항에 따른 커플링 요소가 제안된다. 이러한 커플링 요소는 진동 본체와 풍력 터빈의 타워의 타워 벽 사이에 고정되도록 준비된다. 이러한 커플링 요소는 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동에 영향을 준다. 이것은 이를 통해 타워의 진동 거동에 영향을 줄 수 있는 정도로 이루어져야 한다. 커플링 요소 및 이에 상응하여 또한 일 섹션이 고정되어 있는 진동 본체는 또한 타워의 진동을 포함하는 진동 거동이 영향을 받을 수 있도록, 즉 특히 크게 영향을 받을 수 있도록 치수가 정해진다.
이를 위해, 커플링 요소는 제 1 및 제 2 고정 섹션을 포함한다. 제 1 고정 섹션은 진동 본체에 고정되고, 제 2 고정 섹션은 타워 벽에 고정된다. 이를 통해, 진동 본체와 타워 벽 사이에 커플링 요소를 통해 기계적 커플링이 확립된다. 따라서 진동 본체가 타워 벽에 대해 이 지점에서 진동하는 경우, 즉 거기에서 타워 벽과 진동 본체 사이에서 상대 이동이 발생하면, 이러한 상대 이동은 그에 상응하게 제 1 고정 섹션과 제 2 고정 섹션 사이에 발생한다.
기본적으로, 여기서 타워 및 진동 본체에 대해 복수의 이러한 커플링 요소가 제공되는데, 단지 하나의 예를 들자면, 예를 들어 6 개 이상의 커플링 요소가 제공된다.
따라서 커플링은 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동을 허용하고, 이러한 상대 이동은 제 1 및 제 2 이동 방향을 갖는다. 제 1 이동 방향에서, 제 1 및 제 2 고정 섹션은 서로를 향해 이동하는 반면, 제 2 이동 방향에서는 서로로부터 멀어지게 이동된다. 원칙적으로, 제 1 및 제 2 이동 방향은 또한 반대로 정의될 수도 있다. 어떤 경우든, 이러한 두 개의 이동 방향은 서로 반대 방향으로 지향되는 것으로 이해되어야 한다. 이들이 서로에 대해 횡 방향으로 지향되는 것은 아니다.
또한, 제 1 고정 섹션과 제 2 고정 섹션 사이에 스프링 탄성 커플링이 달성되어 이에 따라 커플링 요소가 설치될 때 타워 벽과 진동 본체 사이에 스프링 탄성 커플링을 달성하는 스프링 수단이 제공된다. 스프링 탄성 커플링은 스프링 함수에 의해 설명될 수 있다. 스프링 수단은 스프링 수단에서 제 1 이동이 제 1 스프링 섹션의 압축 및 제 2 스프링 섹션의 연장으로 이어지도록 설계된다. 또한, 스프링 수단은 스프링 수단에서 제 2 이동이 제 1 스프링 섹션의 연장 및 제 2 스프링 섹션의 압축으로 이어지도록 설계된다. 따라서 2 개의 스프링 섹션이 제공되며, 이 중 하나는 항상 압축되고 다른 하나는 연장된다. 반대의 이동 방향의 경우, 이러한 기능은 또한 반대로 되어, 이 경우 압축되었던 스프링 섹션이 다시 연장되고 연장되었던 스프링 섹션은 압축된다.
이러한 두 개의 스프링 섹션을 통한 이러한 기능성은 이 경우 제 1 및 제 2 이동 방향에 대해 스프링 함수가 서로에 대해 가능한 한 매칭되도록 설계된다.
따라서 특히 일 이동 방향이 스프링을 연장시키고 이에 대해 반대로 지향되는 이동 방향이 이 스프링을 압축시키는 스프링 변형예가 개선되어, 그 결과 일반적으로 방향 및 편향 진폭 모두에 대한 의존성 스프링 함수가 발생될 수 있다. 따라서, 이들 2 개의 스프링 섹션의 제안은 이러한 스프링 함수의 균일성 및 이에 따라 타워 벽과 진동 본체 사이의 적용에서 이러한 커플링 요소의 기계적 커플링의 균일성을 달성한다.
이를 통해 스프링 함수는 두 개의 이동 방향에서 본질적으로 동일해야 한다. 달리 달성된다면, 제 1 및 제 2 이동 방향에 대해 스프링 함수가 본질적으로 동일한 것이 또한 본 발명에 따른 개념에 대응한다.
바람직하게는, 커플링 요소는 스프링 댐퍼 요소로서 설계되고, 스프링 수단에 추가하여, 제 1 고정 섹션과 제 2 고정 섹션 사이의 댐핑 커플링을 위한 댐핑 섹션을 포함한다. 이러한 댐핑 커플링은 댐핑 함수에 의해 설명될 수 있다. 이를 위해, 제 1 및 제 2 이동 방향에 대한 댐핑 함수는 실질적으로 동일한 것이 제안된다. 따라서, 댐핑에 대해 균일성이 또한 달성될 수 있으므로, 제 1 및 제 2 이동이 동일하게, 즉 대칭적으로 영향을 받는다.
바람직하게는, 스프링 함수는 두 개의 이동 방향에서 실질적으로 동일할 뿐만 아니라, 실질적으로 선형이다. 따라서, 전체 스프링 수단의 스프링 힘, 즉, 제 1 및 제 2 스프링 섹션의 스프링 힘의 합은, 그 크기가 중심 위치 또는 휴지 위치로부터의 편향에 실질적으로 비례한다.
바람직하게는, 또한 댐핑 함수는 제 1 및 제 2 이동 방향에서 실질적으로 동일할 뿐만 아니라, 실질적으로 선형이다. 따라서, 이동에 반대로 지향되는 댐핑 섹션의 댐핑 힘은 본질적으로 크기가 제 1 고정 섹션과 제 2 고정 섹션 사이의 상대 이동의 속도, 즉 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동에 비례한다.
이를 통해, 특히 스프링 함수 및 댐핑 함수가 모두 선형인 경우, 타워 다이내믹의 진동 또는 풍력 터빈의 이동 다이내믹에 대한 댐핑, 특히 일정한 댐핑 상수를 갖는 댐핑이 전체적으로 달성될 수 있다.
스프링 함수의 선형 거동은 특히 두 개의 스프링 섹션의 예압(prestress)에 의해 달성될 수 있다. 물론, 선형 스프링 함수는 커플링 요소 및 특히 스프링 수단이 정지에 도달하지 않는 미리 결정된 설계 이동 경로에 대해서만 달성될 수 있다. 따라서, 미리 결정된 설계 이동 경로에 대한 스프링 함수는 실질적으로 선형인 것이 제안된다.
댐핑 함수의 경우, 특히 대칭 설계를 통해 선형성 및 대칭성이 달성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커플링 요소는 서로 고정적으로 연결되는 제 1 및 제 2 앵커 섹션을 포함하는 것이 제안된다. 또한, 제 1 앵커 섹션과 제 2 앵커 섹션 사이에는 이들 두 개의 앵커 섹션에 대해 이동 가능한 중간 섹션이 배치된다. 이 경우, 제 1 앵커 섹션 또는 제 2 앵커 섹션은 제 2 고정 섹션에 고정적으로 연결되고, 중간 섹션은 제 1 고정 섹션에 고정적으로 연결된다. 중간 섹션은 따라서 두 개의 앵커 섹션 사이에서 이동할 수 있고, 따라서 두 개의 앵커 섹션 사이에서 그리고 이에 따라 타워 벽에 대해 진동 본체와 함께 이동할 수 있다. 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동은 따라서 앵커 섹션 사이의 중간 섹션의 이동에 대응한다.
이를 통해, 특히 간단한 방식으로 스프링 수단을 2 개의 스프링 섹션으로 균일하게 분포시키는 것이 구현될 수 있다.
바람직하게는, 이 경우에 스프링 수단은 중간 섹션과 제 1 앵커 섹션 사이의 제 1 스프링, 및 중간 섹션과 제 2 앵커 섹션 사이의 제 2 스프링을 포함한다. 이 경우, 제 1 스프링은 제 1 스프링 섹션을 형성하고, 제 2 스프링은 제 2 스프링 섹션을 형성한다. 바람직하게는, 두 개의 스프링은 동일하다. 스프링은 예를 들어 나선형 스프링으로 설계될 수 있다.
바람직하게는, 제 1 스프링 및 제 2 스프링은 커플링 요소의 이동 동안 두 개의 스프링 중 어느 것도 이완 상태에 도달하거나 또는 이를 초과하지 않도록 보장하기 위해 예압된다. 특히, 2 개의 스프링은 중간 섹션과 제 1 앵커 섹션 사이에서 또는 중간 섹션과 제 2 앵커 섹션 사이에서 클램핑될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 예압은 제 1 스프링이 더 이상 압축될 수 없는 정지 상태까지 압축된 경우에도, 제 2 스프링은 여전히 인장 상태에 있도록, 즉 여전히 예압되는 강도로 이루어진다. 반대로, 제 2 스프링이 완전히 압축될 때, 즉 정지 상태에 도달한 경우에도, 제 1 스프링은 여전히 인장 상태에 있고 따라서 여전히 예압되어 있는 것도 마찬가지이다. 이 경우 두 개의 스프링 중 하나가 정지 상태까지 압축되는 상황은 더 이상 정상 작동 범위에 영향을 주지 않는다. 다른 말로 하면, 커플링 요소는 설명된 최대 압축이 달성되지 않는 사용을 위해 제공된다.
바람직하게는, 제 1 앵커 섹션와 제 2 앵커 섹션 사이의 거리는 조정 가능하여, 이를 통해 예압을 조정한다.
바람직하게는, 이를 위해, 온라인 조절이 또한 가능하도록, 액추에이터를 통해 작동되는 조정 수단이 제공된다. 따라서 필요한 경우, 풍력 터빈의 다른 요소의 변화로 인해 발생할 수도 있는 타워의 진동 특성의 최소 변화에 대응할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 댐핑 섹션이 중간 섹션과 제 1 앵커 섹션 사이에 또는 중간 섹션과 제 2 앵커 섹션 사이에 고정되는 것이 제안된다. 이 경우, 두 개의 이동 방향으로 대칭인 댐핑 함수 및 또한 선형 댐핑 함수가, 여기서 서로에 대해 이동하는 두 개의 섹션 사이에 배치되는 단일의 댐핑 섹션에 의해 또한 구현될 수 있다는 것이 특히 인식되었다. 대안적으로, 중간 섹션과 두 개의 앵커 섹션 각각 사이에는 각각, 특히 동일하고 적어도 동일한 특성을 갖는 댐핑 섹션이 제공될 수 있다. 이를 통해, 댐핑이 두 개의 이동 방향에서 동일하게 거동하는 것이 보장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 또한 풍력 터빈의 타워가 제안된다. 이러한 타워는 타워 중심 축 및 타워를 본질적으로 구성하는 타워 벽을 포함한다. 또한, 타워의 진동에 영향을 주기 위한 진동 장치가 제공된다. 진동 장치는 타워 내에서 타워 벽에 대해 이격되어 현수되는 진동 본체를 포함한다. 따라서, 이러한 진동 본체는 타워의 내부에 현수되며, 원칙적으로 또한 여기에서 타워 벽에 대해 다양한 방향으로 진동할 수 있다. 원칙적으로, 진동 본체는 예를 들어 타워의 중심 축에 수직인 평면에서 본질적으로 임의의 방향으로의 이동을 허용하는 베어링에 의해 타워 내에 현수되는 것과 다른 방식으로 배치될 수 있다.
진동 본체는 이 경우 진동 본체가 타워에 대해 이동을 수행할 수 있기에 충분한 공간이 유지되는 방식으로 타워 벽에 대해 이격되어 현수되거나 또는 다른 방식으로 장착될 수 있다.
또한, 진동 본체와 타워 벽 사이의 커플링 요소는 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동에 영향을 주도록 고정된다. 바람직하게는, 복수의 커플링 요소, 특히 4 개, 6 개 또는 8 개의 커플링 요소가 제공된다. 특히, 이들 커플링 요소는 구성이 동일하고, 진동 본체의 원주에 걸쳐 균일하게 분포된다. 특히, 6 개의 커플링 요소를 사용하면, 너무 고가의 재료가 아닌 동시에 진동 본체의 원주에 걸쳐 양호한 균일한 분포를 제공하므로, 6 개의 커플링 요소가 특히 바람직하다.
또한, 진동 본체는 수직 중심 축을 따라 중공으로 형성되는 것이 제공된다. 특히 타워 중심 축을 따라 중공으로 형성된다. 이러한 중공 형성을 통해, 진동 본체가 예를 들어 사람 또는 장비 엘리베이터와 같은 타워 내의 장치를 방해하지 않는 것이 달성된다. 따라서, 바람직하게는, 진동 본체는 풍력 터빈의 승용 엘리베이터가 진동 본체를 통해 수직으로 그리고 중앙에서 연장될 수 있기에 충분한 공간이 유지되는 방식으로 중공으로 형성된다.
또한 외부에 위치하는 케이싱 내에 매우 많은 양이 수용될 수 있는 것으로 또한 인식되었다. 따라서, 진동 본체는 큰 크기로 생성될 수 있지만, 그럼에도 불구하고 타워 내에 다른 필요한 장치를 위한 충분한 공간을 허용한다.
바람직하게는, 진동 본체는 실질적으로 중공 절두 원추형 또는 중공 실린더로서 형성된다. 이를 통해, 큰 크기의 진동 본체가 이러한 중공 절두 원추형 또는 중공 실린더 내에 간단하고 균일한 방식으로 수용될 수 있다. 기본적으로, 중공 실린더가 제안되지만, 타워의 원추형 형상에 적응하기 위해, 케이싱의 상응하는 원추형 형상이 또한 제안될 수 있으므로, 이를 위해 위에서 언급된 중공 절두 원추형이 제안된다.
선택적으로, 이러한 중공 절두 원추형은 타워 벽의 내부에 배치된 타워 사다리를 위한 공간을 제공하기 위해 케이싱 내에 수직 중단부를 포함하여, 서비스 직원이 타워 내의 전술한 타워 사다리를 따라 올라가고 내려갈 수 있고 이 경우 중단부의 영역에서 진동 본체를 통과할 수 있다.
예를 들어, 중공 실린더 또는 중공 절두 원추형은 전체 원주의 360 도에 대해 약 60 도의 범위에서 중단부를 가질 수 있다. 또한 예를 들어 더 크거나 또는 더 작은 영역이 고려되며, 바람직하게는 이러한 중단부는 30 내지 90 도의 크기의 범위로 제공된다.
특히 60 도의 중단부의 값에 의해, 6 개의 커플링 요소가 원주에 걸쳐 균일하게 분포되어 배치될 수 있다. 4 개의 커플링 요소를 갖는 변형예에 대해 90 도의 값이 특히 바람직하게 제안될 수 있다. 특히 타워 직경이 큰 경우 30 도의 값이 제안될 수 있다. 또한 이 경우 서비스 직원은 여기에 배치된 사다리를 올라갈 때 중단부의 영역에서 진동 본체를 통과할 수 있다. 360 도 원주에 대해 각도 범위에 걸친 중단부를 형성함으로써, 각 경우에 작은 중심 공동만으로도 충분한 공간을 제공할 수 있는 충분한 중단부가 제공될 수 있다. 바람직하게는 짝수 개의 커플링 요소가 제안되며, 이 경우 커플링 요소는 진동 본체의 원주 둘레에 균일하게 분포된다. 중단부에 대한 가장 작은 값으로서 10°가 제안된다.
일 실시예에 따르면, 진동 본체는 중단부에 의해 중심 축 주위를 둘러싸는 케이싱을 포함하는 것이 제안된다. 이 경우, 이러한 둘러싸는 케이싱의 벽 두께는 원주 방향으로 변하는 것이 제안된다. 벽 두께는, 진동 본체가 중단부에도 불구하고 중심 축에서 무게 중심을 갖도록 변한다. 중심 축은 수직으로 정렬되고, 이 경우 진동 본체의 기하학적 중심에 정렬된다. 특히, 이는 진동 본체의 외부 윤곽에 대한 중심 축이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이는 진동 본체 및 타워의 휴지 상태에서 타워 중심 축에 대응한다.
타워의 진동에 영향을 주기 위해, 특히 균일한 댐핑을 위해, 진동 본체의 질량 중심은 휴지 상태에서 타워 중심 축에 있다. 진동 본체의 케이싱 내의 제안된 중단부로 인해, 원주 방향으로 벽 두께가 동일한 경우, 질량 중심은 변위된다. 이는 진동 본체의 벽 두께의 제안된 변동에 의해 보상될 수 있다. 진동 본체의 벽 두께의 대응하는 균일하게 분포된 변동에 의해, 무게 중심은 중단부에도 불구하고 타워 중심 축 또는 진동 본체의 중심 축으로 이동될 수 있다. 이를 통해, 예를 들어 추가의 밸런싱 중량을 제공하는 것이 또한 회피될 수 있다.
바람직하게는, 진동 본체는 타워 벽에 대해 평균 벽 거리로 중심에 현수되고, 여기서 벽 거리는 각각의 경우에 해당 영역에서 타워 내경의 1/4보다 작다. 특히 각각의 경우에 이러한 타워 내경의 1/8보다 작다. 이를 통해, 이러한 진동 본체가 타워 벽에 매우 가깝고 이에 따라 자체적으로 비교적 큰 직경을 갖는 것이 달성된다. 이를 통해, 진동 본체는 또한 그에 상응하는 부피를 가질 수 있고, 따라서 진동 거동의 관점에서 타워에 또한 크게 영향을 줄 수 있도록 상응하는 큰 질량을 가질 수 있다. 이 지점에서 타워의 내경의 1/4보다 작거나 또는 바람직하게는 1/8보다 작은 이러한 거리는 여전히 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동을 위한 충분한 공간을 허용한다. 바람직하게는, 거리는 타워의 내경의 1/20보다 크다. 이를 통해, 진동 본체와 타워 벽 사이의 이러한 공간이 너무 작게 선택되는 것이 방지된다.
바람직하게는, 진동 본체는 그 직경의 적어도 절반, 바람직하게는 적어도 그 직경의 크기, 바람직하게는 그 직경의 적어도 2 배에 해당하는 높이를 갖는다. 이를 통해, 진동 본체에 대해 매우 높은 질량이 전체적으로 제공될 수 있다. 이러한 모든 해결 방안은 그럼에도 불구하고 또한 타워 내부 공간을 예를 들어 케이블 가이드 또는 필요한 경우 엘리베이터에 대해 양호하게 사용하는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 진동 본체는 진자 로드를 통해 고정 섹션 상에, 특히 타워 헤드 플랜지 상에 현수되는 것이 제안된다. 바람직하게는, 4 개 이상의 진자 로드가 제안된다. 특히, 짝수 개의 진자 로드가 제안된다. 진자 로드를 사용함으로써, 진동 본체가 본질적으로 병진 이동 또는 틸트 프리(tilt-free) 이동으로 제한되는 것이 달성된다. 바람직하게는, 진자 로드는 이 경우 양 측에 구형 조인트 헤드, 즉 볼 조인트, 카르단(cardanic) 서스펜션으로 형성된다. 이를 통해, 모든 수평 방향으로의 진자 이동이 가능한 것이 달성된다. 진자 로드의 조인트는 이 경우 진자 이동의 방향에 영향을 주지 않아야 한다. 바람직하게는, 진자 로드는 길이가 적어도 대략 진동 본체의 높이만큼 길다. 이를 통해 특히, 진자 이동이 수직 성분을 갖지 않거나 또는 상당한 수직 성분을 갖지 않는 것이 달성된다. 바람직하게는, 진자 로드의 길이는 각각 휴지 상태에서 진동 본체의 타워 벽까지의 거리보다 적어도 3 배, 특히 적어도 5 배, 바람직하게는 적어도 7 배 길다.
특히 복수의 진자 로드 상에 진동 본체를 현수하는 방법을 통해, 중량에 의한 진동 본체의 편향 후에도, 궁극적으로 이 경우 적어도 진동 본체를 그 휴지 위치로 복귀시키는 데 도움이 되는 복원력이 발생된다. 따라서 복귀 스프링의 사용이 회피되거나 또는 감소될 수 있다.
바람직하게는, 진동 본체는 물보다 높은 밀도를 갖는 재료로 제작된다. 적어도 전체적으로 물보다 높은 밀도를 갖는다. 특히 밀도는 물의 밀도보다 적어도 2 배 큰 것이 제안된다. 바람직한 재료로서 이를 위해 콘크리트가 제안된다. 특히, 진동 본체는 본질적으로 콘크리트, 바람직하게는 철근 콘크리트로 제작된다. 그러나 이를 위해 또한 콘크리트를 채워 넣기 위한 리셉터클 본체가 제공될 수도 있다. 특히 이 경우 철근 콘크리트를 사용하지 않고, 콘크리트만이 사용되거나 또는 채워 넣어지는 것이 고려된다. 현수 또는 현수 지점의 제공뿐만 아니라 강성 및 강도는 이러한 리셉터클 본체에 의해 달성될 수 있다.
콘크리트와 함께 리셉터클 본체를 사용하는 것의 장점은, 아직 경화되지 않은 액체 콘크리트가 펌핑될 수 있으므로, 이에 따라 설치된 타워 내에 빈 리셉터클 본체로서 진동 본체를 설치한 다음 원하는 콘크리트를 펌핑하는 것이 가능하다는 것이다.
그러나 일 실시예에 따르면, 진동 본체는 조립식 요소, 특히 콘크리트 프리캐스트 부품으로 제공되는 것이 제안된다.
바람직하게는, 타워는 진동 본체와 타워 벽 사이에 복수의 커플링 요소가 배치되어 진동 본체의 주위에 원주 방향으로 분포되는 것을 특징으로 한다. 이들 커플링 요소 각각은 진동 본체 및 타워 벽에 고정된다. 이를 통해, 진동 본체와 타워 벽 사이의 기계적 커플링이 달성되고, 여기서 커플링은 진동 본체와 타워 벽 사이의 수평 상대 이동을 허용하지만, 이것에 영향을 준다.
서스펜션을 포함한 진동 본체는 이로써 커플링 요소와 함께 타워의 진동에 영향을 주기 위한 진동 장치를 형성한다. 이 경우, 이러한 진동 장치는 바람직하게는 발생하는 진동을 감소시키거나 또는 최적의 경우에는 심지어 제거할 수 있는 흡수체 시스템으로서 설계될 수 있다. 이러한 진동 장치, 특히 흡수체 시스템은 진동 본체 및 커플링 요소를 선택함으로써 타워의 예상되는 진동, 특히 또한 주파수로 조정되거나 또는 재조정된다. 영향을 주기 위해, 진동 본체의 질량, 커플링 요소의 스프링 강성, 댐핑 특성, 특히 각 커플링 요소의 댐핑 섹션의 댐핑 상수 및 커플링 요소의 개수, 커플링 요소의 위치, 진자 로드의 길이는 그에 상응하게 조정되거나 또는 선택될 수 있다.
바람직하게는, 커플링 요소는 위에서 설명한 커플링 요소의 적어도 하나의 실시예에 따라 사용된다. 따라서, 커플링 요소들에 대해 설명된 장점들은 여기서 풍력 터빈 타워의 진동 변화 또는 댐핑, 흡수를 위해 그에 대응하여 사용될 수 있다.
바람직하게는, 커플링 요소는 진동 본체 위에 그리고 추가적으로 또는 대안적으로 진동 본체 아래에 배치된다. 이를 통해, 특히 진동 본체와 타워 벽 사이에 존재하는 사이 공간보다 상당히 더 큰 범위를 갖는 커플링 요소가 또한 사용될 수 있다. 이 경우에, 각각의 커플링 요소의 중간 섹션 또는 상기 중간 섹션은 특히 바람직하게는 진동 본체의 상부 에지 또는 하부 에지에 고정되며, 한편 두 개의 앵커 섹션 중 하나는 타워 벽에 고정되고, 나머지 다른 앵커 섹션은 타워의 내부 공간 내로, 특히 또한 진동 본체의 내부 공동 위의 영역 내로 자유 돌출된다. 전체 구조, 즉 커플링 요소와 함께 타워 내에 설치된 진동 본체는 이 경우 그럼에도 불구하고, 다양한 기술 장치를 위해 타워 내부 영역을 사용하지만, 특히 내부에 전기 배선, 특히 케이블 번들을 안내하기에 충분한 공간을 타워 내부에 자유롭게 남겨둔다.
바람직하게는, 진동 본체는 질량 중심을 포함하며, 진동 본체는 타워 내에서 질량 중심이 상반부에, 특히 타워의 상부 3/5에 위치하도록 이러한 높이에 현수된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 진동 본체는 타워 헤드 플랜지 상에 배치되는 고정 섹션 또는 복수의 고정 섹션 상에 현수되는 것이 제안된다. 또한, 타워 헤드 플랜지의 근처에 배치되는 것이 고려되는데, 이는 그러나 고정이 필요한 경우 타워 헤드 플랜지 상에서 바로 이루어지는 것이 아니라 타워 헤드 플랜지의 바로 근처에서 이루어진다는 것을 의미한다. 예를 들어 마지막 타워 세그먼트에는 고정 섹션이 주변 고정 플랜지로서 제공되고, 그 위에는 중간 링 및 그 위에 타워 헤드 플랜지가 제공될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 타워 헤드 플랜지 상에 고정 섹션을 고정하는 것이 제안된다.
우선, 진동 본체의 질량 중심의 이러한 수직 위치는 제 1 고유 주파수가 큰 편향을 갖는 위치, 즉 그 고유 모드가 거기에서 큰 편향을 갖는 위치에 제공된다. 이 경우 타워의 굽힘 진동에서 다른 고유 모드가 발생할 수 있다.
바람직하게는, 진동 장치는 고유 주파수에 대해 타워의 진동을 댐핑시키도록 설계된다. 위에서 설명한 바와 같이, 진동 본체의 질량, 커플링 요소의 스프링 함수, 커플링 요소의 댐핑 함수, 커플링 요소의 개수, 진자 로드 길이 및 또한 진동 본체의 질량 중심의 수직 위치에 대해 상응하는 설계가 조정될 수 있다.
추가적으로, 타워의 진동에 영향을 주기 위해 풍력 터빈의 타워에서 사용하도록 준비되는 진동 장치가 제안된다. 이러한 진동 장치는 타워 내에서 타워 벽으로부터 이격되어 현수될 수 있는 진동 본체를 포함하며, 이에 따라 진동 본체와 타워 벽 사이의 상대 이동에 영향을 주기 위해 진동 본체와 타워 벽 사이에 고정되기 위한 적어도 하나의 커플링 요소를 포함한다. 이를 위해, 진동 본체는 수직 중심 축을 따라 중공으로 형성되며, 추가적으로 또는 대안적으로, 각각의 커플링 요소는 스프링 함수를 가지며, 스프링 함수는 서로에 대해 반대 방향으로 지향되는 제 1 및 제 2 이동 방향에 대해 실질적으로 동일하다. 특히, 적어도 4 개, 특히 정확히 4 개 또는 정확히 6 개 또는 정확히 8 개의 커플링 요소가 제공될 수 있으며, 이들은 원주 방향으로 진동 본체 주위에, 바람직하게는 진동 본체 위에 그리고/또는 진동 본체 아래에 균일하게 분포된다.
바람직하게는, 이러한 진동 장치는 위에서 설명한 실시예에 따른 타워에서 사용하도록 준비된다. 특히, 진동 장치는 진동 장치와 관련하여 타워의 실시예의 설명과 관련하여 설명된 바와 같은 적어도 하나의 특징을 포함한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 진동 장치는 커플링 요소에 대해 위에서 설명한 적어도 하나의 실시예에 따라 설명된 바와 같은 적어도 하나의 커플링 요소를 포함한다.
추가적으로, 풍력 터빈의 타워의 타워 진동 또는 타워 고유 주파수에 영향을 주기 위한 방법이 제안되며, 여기서 이러한 타워는 복수의 커플링 요소를 갖는 진동 장치를 포함한다. 이 방법은 타워 고유 주파수를 검출하는 단계, 그 후 원하는 흡수체 주파수를 사전 설정하는 단계, 그 후 커플링 요소를 흡수체 주파수로 조정하는 단계를 제안한다. 이러한 검출하는 단계, 사전 설정하는 단계 및 조정하는 단계는 거동을 개선하기 위해 반복되는 것이 바람직하다.
대안적으로, 타워 진동 진폭이 검출되고, 원하는 최대 타워 진동 진폭이 사전 설정되며, 커플링 요소는 타워 진동 진폭이 원하는 최대 타워 진동 진폭 미만으로 유지되도록 조정된다. 이 경우, 진동 진폭을 감소시키기 위해, 댐핑 함수의 변화가 특히 또한 고려될 수 있다. 또한 여기서 검출하는 단계, 사전 설정하는 단계 및 조정하는 단계는 반복될 수 있다. 특히, 타워 고유 주파수 또는 타워 진동 진폭을 지속적으로 검출하고, 이에 기초하여 추가의 단계가 필요한지 아닌지 여부를 결정하는 것이 제안된다. 특히, 원하는 흡수체 고유 주파수 또는 새로운 원하는 최대 타워 진동 진폭을 사전 설정하지 않고, 이와 관련하여 재조정으로도 지칭될 수 있는, 커플링 요소를 다시 조정하는 것이 또한 고려된다. 그러나 커플링 요소의 조정을 업데이트하는 것뿐만 아니라, 원하는 흡수체 고유 주파수 또는 원하는 최대 타워 진동 진폭을 업데이트하는 것, 즉 이를 위해 설정값을 변경하는 것도 또한 고려된다.
추가적으로, 위에서 설명한 커플링 요소의 실시예에 따른 커플링 요소를 구비하는 진동 장치를 포함하고, 위에서 설명한 타워의 실시예에 따른 타워를 포함하고, 위에서 설명한 진동 장치의 실시예에 따른 진동 장치를 포함하고 추가적으로 또는 대안적으로 위에서 실시예에 따라 설명된 타워 진동에 영향을 주기 위한 방법을 수행하도록 준비된 제어 장치를 포함하는 풍력 터빈이 제안된다.
또한, 타워 진동에 영향을 주기 위한 방법은 커플링 요소에 대해 위에서 설명한 실시예에 따른 진동 장치 및 커플링 요소와 함께 사용되고, 타워에 대해 위에서 설명한 실시예에 따른 타워와 함께 사용되며, 추가적으로 또는 대안적으로 진동 장치에 대해 위에서 설명한 실시예에 따른 진동 장치와 함께 사용되는 것이 제안된다. 따라서, 제안된 방법 또는 제안된 풍력 터빈에 대해 각각 설명된 실시예의 장점이 이용될 수 있다.
결과적으로, 간단한 방식으로 그리고 이 경우 동시에 효율적으로 풍력 터빈의 타워의 진동 또는 특히 타워에서 두드러질 수 있는 전체 풍력 터빈의 진동을 변경시키는 해결 방안이 특히 제안된다. 이러한 변경은 주파수 거동 또는 진폭에 관련될 수 있다. 이 경우, 이러한 해결 방안은 특히 진동 거동과 관련하여 타워 또는 풍력 터빈의 적어도 하나의 특성에 영향을 줄 수 있는 수동 해결 방안으로 설계된다. 이를 통해, 특히 진동 거동과 관련하여 타워 또는 풍력 터빈의 시스템 거동의 변경이 달성될 수 있다. 이러한 해결 방안은 이 경우 효율적이고, 특히 타워 내부 공간이 불필요하게 방해받지 않도록 설계된다. 또한 진동에 영향을 주는 방법을 특히 또한 현장에서 조정하고 적응시킬 수 있는 조정 가능성이 제공될 수 있다.
본 발명은 이제 이하에서 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시예에 기초하여 예로서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 풍력 터빈을 사시도로 도시한다.
도 2는 풍력 터빈 타워의 일부를 단면도로 도시한다.
도 3은 도 2의 일부를 더욱 상세하게 도시한다.
도 4는 도 2의 추가 부분을 더욱 상세하게 도시한다.
도 5는 도 2에 따른 타워 부분을 통한 수평 단면도를 도시한다.
도 6은 커플링 요소를 측단면도로 도시한다.
도 1은 타워(102) 및 나셀(104)을 갖는 풍력 터빈(100)을 도시한다. 나셀(104) 상에는, 3 개의 로터 블레이드(108) 및 허브의 일부인 스피너(110)를 갖는 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 바람에 의해 회전 운동하도록 설정되고, 이를 통해 나셀(104) 내의 발전기를 구동시킨다.
도 2는 높이에 걸쳐 또한 유형 및 두께가 변할 수 있는 타워 벽(4)을 갖는 타워 섹션(2)을 도시한다. 타워 섹션(2)은 타워 헤드 플랜지(6)에 의해 종료된다. 타워 헤드 플랜지(6)는 원주 방향 플랜지로서 형성되고, 특히 나셀을 회전 가능하게 지지하기 위한 방위 베어링을 수용하기 위해 제공된다.
타워 헤드 플랜지(6) 상에는 서스펜션 고정부(8)가 장착되고, 이 서스펜션 고정부는 각각 진자 로드(10)를 피봇식으로 지지하며, 여기서 진자 로드(10) 상에는 진동 본체(12)가 현수된다. 이를 위해, 진자 로드(10)는 마찬가지로 진동 본체(12) 상에 진동 본체 고정부(14)를 통해 피봇식으로 고정된다.
진자 로드(10)는 이에 따라 진동 본체(12)에 대한 서스펜션으로서 작용을 한다. 서스펜션 고정부(8)는 이 경우 또한 타워 헤드 플랜지 고정부로 지칭될 수도 있다.
진동 본체(12)는 따라서 본질적으로 수평면에서 비교적 긴 진자 로드(10)에 의해 모든 방향으로 진동할 수 있다. 다양한 방향으로의 종 방향 진동 이외에, 원형 이동, 즉 복수의 종 방향 진동의 중첩이 또한 고려된다.
진동 본체(12)는 본질적으로 진동 본체 공동(18)을 둘러싸는 진동 본체 케이싱(16)에 의해 형성된다. 진동 본체 케이싱(16)은, 도 2 및 일부 다른 도면들에 도시된 바와 같이, 컨테이너 충전물(22)을 구비한 진동 본체 컨테이너(20)로서 설계된다.
도 2에는 또한 타워 중심 축(24)이 도시되며, 이 타워 중심 축은 따라서 타워 및 이에 따라 타워 섹션(2)에 대한 중심 축을 형성한다. 이는 여기서 진동 본체(12)에 대한 수직 중심 축을 형성하는 본체 중심 축(26)과 일치한다.
진동 본체(12)는 하부 에지(28) 및 상부 에지(30)에서 커플링 요소(32)를 통해 타워 벽(4)에 커플링될 수 있다. 상부 에지(30)의 영역에서의 커플링의 세부 사항이 도 3에 도시되어 있고, 하부 에지(28)의 영역에서의 커플링의 세부 사항은 도 4에 도시되어 있다.
타워 벽(4)과 각각의 커플링 요소(32)의 고정은 커플링 요소(32)가 상부 에지(30) 상에 고정되는 경우 타워 벌크 헤드(34)에 대한 고정을 통해 수행된다. 이러한 타워 벌크 헤드(34)는 기본적으로 풍력 터빈 타워에, 작업이 수행될 수 있거나 또한 휴식을 취할 수도 있는 플랫폼을 제공하는 데 사용된다. 이러한 타워 벌크 헤드(34)는 또한 나셀(104)로부터의 무언가가 타워 내에서 아래로 떨어질 수 있는 것을 방지한다. 타워 벌크 헤드는 타워 벽(4)에서 원주 방향으로 균일하게 고정되며, 이 경우 타워를 위한 강화 링 또는 강화 표면을 또한 형성할 수도 있다. 커플링 요소(32)를 타워 벌크 헤드(34)에 고정함으로써, 타워 벽으로 힘이 점형(punctiform)으로 도입되는 것이 회피될 수 있다. 그 대신에, 타워 벌크 헤드(34)에 힘이 도입되고, 이 힘은 다시 타워 섹션(2)의 타워 벽(4)으로 원주 방향으로 균일하게 전달될 수 있다.
하부 에지(28)의 영역에서, 커플링 요소(32)는 강화 링(36)을 통해 타워 벽(4)에 고정된다. 강화 링(36)을 통해 타워 벽(4)과 이와 같이 연결되는 것은 또한 각각의 커플링 요소(32)를 통해 타워 벽(4)으로 힘이 점형으로 도입되는 것을 방지한다. 진동 본체(12)가 타워 섹션(2)에 대해 진동할 때, 이것은 따라서 또한 타워 벌크 헤드(34) 및 강화 링(36)에 대해서도 진동한다. 진동 본체(12)가 타워 벌크 헤드(34) 아래에 위치되기 때문에, 진자 로드(10)는 타워 벌크 헤드(34)를 통해 대응하는 개구를 통해 안내된다.
도 3은 커플링 요소(32)를 통한 진동 본체(12)의 커플링을 확대된 상세도로 도시하고 있고, 이들 중 하나만이 도 3에서 타워 벽(4)과 함께 도시되어 있다. 도 6에 보다 상세한 표현으로 도시되어 있는 커플링 요소(32)는 진동 본체(12) 또는 그 진동 본체 케이싱(16)의 상부 에지(30) 상에서 중간 섹션(38)에 의해 고정된다.
중간 섹션(38)은 제 1 앵커 섹션(41)과 제 2 앵커 섹션(42) 사이에 스프링 탄성적으로 배치된다. 제 1 및 제 2 앵커 섹션(41, 42)은 서로 강성으로 연결되어 있다. 제 1 앵커 섹션(41)은 고정 브래킷(44)을 통해 타워 벌크 헤드(34) 상에 고정된다.
타워 벽(4)에 대한 진동 본체(12)의 진동 운동 시에, 따라서 진동 본체(12)로부터 중간 섹션(38)을 통해 커플링 요소(32) 내로 힘이 도입되며, 커플링 요소는 이러한 힘을 스프링 탄성적으로 제 1 앵커 섹션(41)으로 그리고 또한 고정 브래킷(44)을 통해 타워 벌크 헤드(34) 및 이에 따라 타워 벽(4)으로 전달한다. 이를 통해, 진동 본체(12)는 타워 벽(4)에 스프링 탄성적으로 커플링된다.
또한, 도 3에는 케이블 번들(46)이 또한 도시되어 있고, 이는 타워 벌크 헤드(34)를 통해 그리고 특히 또한 내부 공동, 즉 진동 본체(12)의 진동 본체 공동(18)을 통해 안내될 수 있다. 이를 위해, 타워 벌크 헤드(34)에 개구가 제공될 수 있으며, 이 개구 내에서 케이블 번들(46)은 케이블 가이드(48)에 의해 안내된다.
하부 에지(28)의 영역에서의 구조가 도 4에 도시되어 있고, 상부 에지(30)의 영역에서의 구조와 매우 유사하다. 또한 하부 에지(28)의 영역에서 진동 본체(12)는 커플링 요소(32)의 중간 섹션(38)에 커플링된다. 커플링 요소(32)는 다시 고정 브래킷(44)을 통해 제 1 앵커 섹션(41)을 통해 강화 링(36)과 커플링된다. 강화 링(36)은 또한 좌굴 저항으로 지칭될 수 있다.
진동 본체(12)는 또한 그 하부에 케이블 가이드(49)를 포함할 수도 있다.
도 5의 평면도에는 특히 진동 본체(12)의 형상이 도시되어 있다. 이것은 실질적으로 원형 원통 형상을 가지며, 수직 중단부(50)가 제공된다. 이러한 수직 중단부(50)는 타워 사다리(52)의 영역에 공간을 제공하는 역할을 한다. 진동 본체(12)는 따라서 상대적으로 큰 외경으로 인해 많은 부피 및 이에 따라 높은 질량을 가질 수 있다. 타워의 내부 공간은 이를 통해 여전히 사용 가능하며, 이를 통해 특히 타워 사다리(52)를 통해 올라가는 것이 방해를 받지 않는다.
중단부(50)가 존재함에도 불구하고 진동 본체(12)의 중앙에서의 질량 중심을 달성하기 위해, 타워 사다리(52)의 영역에서 진동 본체(12)의 벽 두께는 타워 사다리(52)에 대한 반대쪽의 영역보다 약간 더 크게 형성될 수 있다. 예시를 위해, 타워 사다리(52)에 가까운 영역(54) 및 타워 사다리(52)로부터 떨어진 영역(56)이 도시되어 있다. 따라서 이를 통해, 타워 사다리에 가까운 영역(54)에서는 특히 큰 벽 두께가 제공되는 한편, 타워 사다리로부터 떨어진 영역(56)에서는 가능한 한 작은 벽 두께가 제공되는 방식으로 질량 보상이 이루어질 수 있다.
도 6은 추가 세부 사항을 갖는 커플링 요소(32)를 측단면도로 도시하고 있다. 제 1 및 제 2 앵커 섹션(41, 42)은 타이 로드(58)를 통해 서로 고정적으로 연결된다. 중간 섹션(38)은 2 개의 앵커 섹션(41 및 42)에 대해 이동될 수 있다. 또한 타이 로드(58)는 그러한 이동을 위해 중간 섹션(38)을 위한 가이드를 추가로 형성할 수 있다. 또한, 각각의 앵커 섹션은 단부 플레이트로도 역시 지칭될 수 있고, 중간 섹션(38)은 중간 플레이트로 지칭될 수 있다.
중간 섹션(38)과 제 1 앵커 섹션(41) 사이에, 제 1 스프링 섹션을 형성하는 제 1 스프링(61)이 배치된다. 중간 섹션(38)과 제 2 앵커 섹션(42) 사이에, 제 2 스프링 섹션을 형성하는 제 2 스프링(62)이 배치된다.
이러한 2 개의 스프링(61, 62)은 함께 커플링 요소(32)의 공통 스프링 수단을 형성한다. 두 개의 스프링(61, 62)은 실질적으로 동일하며, 두 개의 스프링(61, 62)은 예압되어 있다. 도 6은 이와 관련하여 커플링 요소(32)의 휴지 위치를 도시한다. 두 개의 스프링(61, 62)은 나선형 스프링으로서 설계되고, 각각 제 1 또는 제 2 앵커 섹션(41, 42) 및 중간 섹션(38) 상의 수용 섹션에 수용된다.
두 개의 스프링(61, 62)이 예압되어 있다는 것은 이들이 도 6에 도시된 위치에서 이미 압축되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 두 개의 스프링(61, 62)은 이미 제 1 및 제 2 앵커 섹션(41, 42)으로부터 중간 섹션(38)으로 힘을 각각 가하거나, 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이며, 그러나 이 경우 이 두 개의 힘은 도시된 휴지 위치에서 서로 상쇄된다. 타이 로드(58)를 따른 중간 섹션(38)의 이동은 이러한 예압을 통해 편향과 스프링 힘 사이의 실질적인 선형 관계를 겪는다. 예를 들어 제 1 앵커 섹션(41)을 향한 일 방향으로의 이동을 통해 제 1 스프링(61)의 스프링 힘이 증가하고, 한편 제 2 스프링(62)의 스프링 힘은 감소한다. 중간 섹션(38)이 도시된 휴지 위치로부터 반대 방향으로 이동할 때, 동일한 효과가 발생하며, 이 경우 힘은 제 2 스프링(62)에 의해 증가되고 제 1 스프링(61)에 의해 감소된다. 이로 인해 발생하는 중간 섹션(38) 및 이에 따라 또한 진동 본체(12)에 대한 힘은 2 개의 스프링(61, 62)의 스프링 힘의 차이에 기인한다. 따라서 힘 관계는 두 개의 편향 방향에서 동일하다.
추가적으로, 댐핑 피스톤(68)이 이동하는 댐핑 실린더(66)를 본질적으로 포함하는 댐핑 섹션(64)이 제공된다. 댐핑 피스톤(68)은 저항 플런저(70)를 포함하고, 댐핑 실린더(66) 내에서의 이러한 저항 플런저의 이동은, 댐핑 실린더(66) 내의 유체가 이러한 저항 플런저(70)를 통과해야 하므로, 감속된다. 댐핑 효과, 즉 이동 속도 의존성 저항은 이 경우 본질적으로 댐핑 피스톤(68)의 이동 방향 및 이에 따라 저항 플런저(70)의 이동 방향과 무관하다.
댐핑 피스톤(68) 및 이에 따라 저항 플런저(70)의 커플링은 피복 튜브(72)를 통해 이루어지고, 이러한 피복 튜브는 중간 섹션(38)에 고정되고, 이에 따라 중간 섹션(38)의 이동 시에 이와 함께 이동되고, 이 경우 또한 댐핑 피스톤(68)을 동반한다. 중간 섹션(38)을 안내하기 위해, 타이 로드(58) 상으로 중간 섹션(38)을 안내하는 안내 실린더(74)가 또한 제공된다.
커플링 요소는 진동 본체(12)와 타워 벽(4) 사이의 이동 진폭, 이에 따라 중간 섹션(38)과 제 1 앵커 섹션(41) 사이의 이동 진폭이 휴지 위치에서 제 1 앵커 섹션(41)과 중간 섹션(38) 사이의 거리의 최대 절반이 되도록 설계되는 것을 또한 인식할 수 있다. 따라서 또한 두 개의 스프링(61, 62)이 그 최대 편향 한계까지 도달하지 않게 되고, 이를 통해 제공된 이동 범위에 대해 작동 범위 내에서 실질적으로 선형성이 달성될 수 있는 것이 또한 이루어질 수 있다.
추가적으로, 도 6에는 커플링 요소(32)의 연결이 도시되어 있으며, 이에 따라 커플링 요소(32)는 그 중간 섹션(38)에 의해 진동 본체(12)의 상부면에 고정된다. 그 앵커 섹션(41)은 조인트 헤드(43)를 통해, 진동이 댐핑될 타워의 타워 벽(4)에 고정된다. 타워의 진동 운동은 이 경우 타워 벽(4)과 진동 본체(12) 사이의 상대 이동으로 이어지고, 이에 따라 앵커 섹션(41)과 중간 섹션(38) 사이의 상대 이동으로 이어진다. 또한 진동 본체(12)의 적은 수직 이동이 발생할 수 있으며, 이는 조인트 헤드(43)에 의해 고려될 수 있다.
명료성을 위해, 유사하지만 가능하게는 동일하지 않은 요소들에 대해 동일한 참조 번호들이 사용된다는 점에 유의해야 한다. 이것은 모든 도면의 설명에 적용된다. 따라서 타워의 고유 주파수에 영향을 주고, 이를 적어도 댐핑시킬 수 있으며 이에 따라 새로운 타워를 설계할 때 더 많은 자유도를 창출할 수 있는 해결 방안이 제공되고 제안되었다. 진동 댐퍼가 생략되는 경우, 새로운 타워를 설계할 때, 타워의 굽힘 진동의 고유 주파수가 유해한 공진을 회피하도록 풍력 터빈의 작동으로부터의 여기 주파수와 일치하지 않거나 또는 이것에 근접하지 않게 고려되어야 한다.
진동 댐퍼를 구비하는 타워를 설계할 때, 흡수체가 튜닝되는 고유 주파수의 위치를 고려할 필요가 없으므로, 이를 통해 설계 시에 보다 큰 자유도가 달성될 수 있다.
흡수체 질량으로도 또한 지칭될 수 있는 중공 실린더로 설계되는 진동 본체는 타워 내에서 중간에 케이블이 안내되는 것을 가능하게 한다. 가능한 한 큰 흡수체 질량 반경을 사용함으로써, 구조 공간은 부피 측면에서 최적이 되며, 적어도 매우 양호하게 활용되므로, 이를 통해 진동 본체에 많은 질량이 수용될 수 있다. 스프링 댐퍼 요소의 별 모양 배치, 즉 커플링 요소의 별 모양 배치는 진동 댐퍼, 이에 따라 커플링 요소의 전 방향으로의, 즉 거의 방향-독립적인 작동을 가능하게 한다.
설명된 진자 로드 상에 진동 본체를 현수시키는 것은 마찬가지로 거의 전 방향으로의 작동을 가능하게 하고, 진동 본체, 즉 흡수체 질량의 틸트-프리 이동을 강제한다. 작동의 방향 독립성은 진동 댐퍼, 즉 커플링 요소의 개수에 따라 증가한다.

Claims (23)

  1. 풍력 터빈(100)의 타워의 타워 벽(4)과 진동 본체(12) 사이에 고정되도록 준비되어, 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이의 상대 이동에 영향을 줌으로써, 이를 통해 상기 타워의 진동 거동에 영향을 주는 커플링 요소(32)로서,
    - 상기 진동 본체(12)에 고정되기 위한 제 1 고정 섹션;
    - 상기 타워 벽(4)에 고정되기 위한 제 2 고정 섹션
    을 포함하여,
    상기 커플링 요소(32)를 통해 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이의 기계적 커플링을 확립하고,
    - 상기 커플링은 진동 본체(12)와 타워 벽(4) 사이의 상대 이동을 허용하고,
    상기 상대 이동은
    - 상기 제 1 고정 섹션과 상기 제 2 고정 섹션이 서로를 향해 이동하는 제 1 이동 방향을 포함하고,
    - 상기 제 1 고정 섹션과 상기 제 2 고정 섹션이 서로로부터 멀어지게 이동하는 제 2 이동 방향을 포함하며,
    상기 커플링 요소(32)는
    - 상기 제 1 고정 섹션과 상기 제 2 고정 섹션 사이의 스프링 탄성 커플링을 위한 스프링 수단
    을 포함하고, 상기 스프링 탄성 커플링은 스프링 함수에 의해 설명되며,
    상기 스프링 수단은
    - 상기 제 1 이동 방향 및 상기 제 2 이동 방향에 대한 상기 스프링 함수가 실질적으로 동일하도록 설계되고, 추가적으로 또는 대안적으로
    상기 스프링 수단은
    - 상기 스프링 수단에서 상기 제 1 이동 방향으로의 이동이 제 1 스프링 섹션의 압축 및 제 2 스프링 섹션의 연장으로 이어지도록, 그리고
    - 상기 스프링 수단에서 상기 제 2 이동 방향으로의 이동이 상기 제 1 스프링 섹션의 연장 및 상기 제 2 스프링 섹션의 압축으로 이어지도록
    설계되어, 이에 의해 상기 제 1 이동 방향 및 상기 제 2 이동 방향에 대한 상기 스프링 함수가 서로에 대해 매칭되는 것인, 커플링 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 요소(32)는 스프링 댐퍼 요소로 설계되고,
    - 상기 제 1 고정 섹션과 상기 제 2 고정 섹션 사이의 댐핑 커플링을 위한 댐핑 섹션(64)을 포함하고, 상기 댐핑 커플링은 댐핑 함수에 의해 설명되며,
    - 상기 댐핑 함수는 상기 제 1 이동 방향 및 상기 제 2 이동 방향에 대해 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    - 상기 스프링 함수는 선형이고, 추가적으로 또는 대안적으로
    - 상기 댐핑 함수는 선형인 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 서로 고정적으로 연결되는 제 1 앵커 섹션(41) 및 제 2 앵커 섹션(42);
    - 상기 제 1 앵커 섹션(41)과 상기 제 2 앵커 섹션(42) 사이에 배치되고 상기 제 1 앵커 섹션(41) 및 상기 제 2 앵커 섹션(42)에 대해 이동 가능한 중간 섹션(38)
    을 포함하고,
    - 상기 제 1 앵커 섹션(41) 또는 상기 제 2 앵커 섹션(42)은 상기 제 2 고정 섹션에 고정적으로 연결되고,
    - 상기 중간 섹션(38)은 상기 제 1 고정 섹션에 고정적으로 연결되어, 상기 상대 이동은 상기 앵커 섹션들(41, 42) 사이의 상기 중간 섹션(38)의 이동에 대응하는 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스프링 수단으로서
    - 상기 중간 섹션(38)과 상기 제 1 앵커 섹션(41) 사이에 제 1 스프링(61)이 배치되고,
    - 상기 중간 섹션(38)과 상기 제 2 앵커 섹션(42) 사이에 제 2 스프링(62)이 배치되며,
    상기 제 1 스프링(61)은 상기 제 1 스프링 섹션을 형성하고, 상기 제 2 스프링(62)은 상기 제 2 스프링 섹션을 형성하며, 두 개의 스프링(61, 62)은 바람직하게는 동일한 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 스프링(61) 및 상기 제 2 스프링(62)은 이들 두 개의 스프링 중 어느 것도 상기 커플링 요소의 이동 시에 이완 상태에 도달하거나 또는 이를 초과하지 않도록 예압되는(prestressed) 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 앵커 섹션(41)과 상기 제 2 앵커 섹션(42) 사이의 거리는 상기 예압을 조정하도록 조정 가능한 것을 특징으로 하는 커플링 요소.
  8. 타워 중심 축(24), 타워 벽(4) 및 타워(102)의 진동에 영향을 주기 위한 진동 장치를 구비하는, 풍력 터빈(100)의 타워(102)로서,
    상기 진동 장치는
    - 상기 타워(102) 내에서 상기 타워 벽(4)에 대해 이격되어 현수되는 진동 본체(12), 및
    - 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이의 상대 이동에 영향을 주기 위해 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이에 고정된 적어도 하나의 커플링 요소
    를 포함하고,
    - 상기 진동 본체(12)는 수직 본체 중심 축(26)을 따라 중공으로 형성되는 것인, 타워.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 진동 본체(12)는 실질적으로 중공 절두 원추형 또는 중공 실린더로서 형성되며, 상기 타워 벽(4)의 내부에 배치된 타워 사다리(52)를 위한 공간을 제공하기 위해, 선택적으로 케이싱 내에 수직 중단부(50)를 포함하여, 서비스 직원이 상기 타워(102) 내의 상기 타워 사다리(52)를 따라 올라가고 내려갈 수 있고 이 경우 상기 수직 중단부의 영역에서 상기 진동 본체를 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 타워.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 진동 본체(12)는 상기 수직 본체 중심 축(26) 주위를 둘러싸는 벽 두께를 갖는 진동 본체 벽을 포함하며, 상기 벽 두께는, 상기 진동 본체(12)가 상기 수직 본체 중심 축(26)에서 무게 중심을 갖도록 원주 방향으로 변하고, 상기 수직 본체 중심 축(26)은 상기 진동 본체(12)의 기하학적 중심에 대응하고 그리고/또는 상기 진동 본체(12)의 휴지 상태에서 상기 타워 중심 축(24)과 일치하는 것을 특징으로 하는 타워.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 본체(12)는 상기 타워 벽(4)에 대해 평균 벽 거리로 이격되어 중심에 현수되고, 상기 벽 거리는 각각의 경우에 해당 영역에서 타워 내경의 1/4보다 작고, 특히 각각의 경우에 상기 타워 내경의 1/8보다 작은 것을 특징으로 하는 타워.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 본체(12)는 진자 로드(10)를 통해 고정 섹션 상에, 특히 타워 헤드 플랜지(6) 상에 현수되고, 바람직하게는 3 개, 4 개 또는 4 개 초과의 진자 로드(10)가 제공되어, 상기 진동 본체는 병진 이동 또는 틸트-프리(tilt-free) 이동으로 제한되고, 상기 진자 로드는 바람직하게는 양 측에 구형 조인트 헤드 또는 카르단(cardanic) 서스펜션이 제공되어, 모든 수평 방향으로의 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 타워.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 본체(12)는 물보다 높거나 또는 동일한 밀도, 특히 물보다 적어도 2 배 큰 밀도를 갖는 재료로 제조되고, 특히 재료로서 콘크리트가 사용되며, 특히 상기 진동 본체는 본질적으로 철근 콘크리트로 제작되는 것을 특징으로 하는 타워.
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 커플링 요소(32)가 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이에 배치되고 상기 진동 본체(12) 주위에 원주 방향으로 분포되며, 상기 진동 본체(12) 및 상기 타워 벽(4) 상에 각각 고정되어, 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이의 기계적 커플링을 확립하고, 상기 커플링은 진동 본체(12)와 타워 벽(4) 사이의 수평 상대 이동을 허용하는 것을 특징으로 하는 타워.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 요소(32)로서 각각의 경우에 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 커플링 요소(32)가 사용되며, 특히 짝수 개의 커플링 요소, 특히 6 개의 커플링 요소가 제공되는 것이 제안되는 것을 특징으로 하는 타워.
  16. 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 커플링 요소(32) 또는 그 중 일부가 상기 진동 본체(12) 위에 그리고 추가적으로 또는 대안적으로 상기 진동 본체 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 타워.
  17. 제 8 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 본체(12)는 질량 중심을 포함하며, 상기 진동 본체는 상기 타워(102) 내에서 상기 질량 중심이 상반부에, 특히 상기 타워(102)의 상부 3/5에 위치하도록 하는 높이에 현수되며, 추가적으로 또는 대안적으로 상기 타워 헤드 플랜지(6) 상에 또는 그 부근에 배치되는 고정 섹션 상에 현수되는 것을 특징으로 하는 타워.
  18. 타워(102)의 진동에 영향을 주기 위해 풍력 터빈(100)의 상기 타워(102)에 사용하도록 준비되는 진동 장치로서,
    상기 진동 장치는
    - 상기 타워(102) 내에서 타워 벽(4)에 대해 이격되어 현수될 수 있는 진동 본체(12);
    - 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이의 상대 이동에 영향을 주기 위해, 상기 진동 본체(12)와 상기 타워 벽(4) 사이에 고정되기 위한 적어도 하나의 커플링 요소(32)
    를 포함하며,
    - 상기 진동 본체(12)는 수직 중심 축(26)을 따라 중공으로 형성되며, 추가적으로 또는 대안적으로,
    - 각각의 커플링 요소(32)는 스프링 함수를 가지며, 상기 스프링 함수는 제 1 이동 방향 및 상기 제 1 이동 방향과 반대 방향인 제 2 이동 방향에 대해 본질적으로 동일한 것인, 진동 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    - 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 타워(102) 내에 사용하기 위해 준비되고, 추가적으로 또는 대안적으로
    - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 커플링 요소(32)로서 사용되는 것을 특징으로 하는 진동 장치.
  20. 풍력 터빈(100)의 타워(102)의 타워 진동 또는 고유 주파수에 영향을 주기 위한 방법으로서,
    상기 타워(102)는 복수의 커플링 요소(102)를 갖는 진동 장치를 포함하며,
    상기 방법은
    - 타워 고유 주파수 또는 타워 진동 진폭을 검출하는 단계;
    - 원하는 흡수체 고유 주파수 또는 원하는 최대 타워 진동 진폭을 사전 설정하는 단계;
    - 상기 타워 진동 진폭이 상기 원하는 최대 타워 진동 진폭 미만으로 유지되도록, 상기 커플링 요소를 상기 흡수체 고유 주파수로 조정하는 단계
    를 포함하고,
    - 필요한 경우 상기 단계들이 반복되는 것인, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 커플링 요소(32)를 구비하는 진동 장치;
    - 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 타워(102);
    - 제 18 항 또는 제 19 항에 따른 진동 장치
    를 포함하는 목록에서 선택된 적어도 하나의 장치와 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 공기 역학적 로터(106)를 갖는 나셀(104)과, 타워 중심 축(24), 타워 벽(4) 및 타워(102)의 진동에 영향을 주기 위한 진동 장치를 갖는 타워(102)를 구비하는 풍력 터빈(100)으로서,
    상기 풍력 터빈(100)은
    - 상기 진동 장치가 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 커플링 요소(32)를 포함하는 것;
    - 상기 타워(102)가 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따라 설계되는 것;
    - 진동 장치가 제 18 항 또는 제 19 항에 따라 설계되는 것;
    - 상기 풍력 터빈(100)이 제 20 항 또는 제 21 항에 따른 방법을 수행하도록 준비되는 제어 장치를 포함하는 것
    을 포함하는 목록에서 선택된 특징들 중 적어도 하나를 특징으로 하는 풍력 터빈.
  23. 제 18 항 또는 제 19 항에 따른 진동 장치의 진동 본체.
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