TWI572780B - 具有纖維繞組之風力渦輪機 - Google Patents

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Description

具有纖維繞組之風力渦輪機
本發明係關於一種根據獨立技術方案1之風力渦輪機，其具有用於使振動減弱之纖維繞組。
風力渦輪機或風力發電設施包含塔架及安裝於塔架之上端處之機艙。轉子亦實現於機艙上，該轉子在風力渦輪機處於操作中時旋轉且驅動機艙內部之發電機。由於風力渦輪機之呈長桿(塔架)形式之設計(該桿在桿之末端處具有重質量(機艙加上發電機))，因此風力渦輪機對振動敏感。造成塔架之振動的原因或激勵可為(例如)外力，例如作用於機艙及塔架上之風。然而，另外，塔架亦可由內力激勵而振動，例如機艙內部之發電機之振動。在此狀況下，當激勵頻率滿足塔架之諧振頻率時，振動可「累積」至所謂的諧振災難之程度。在每一種狀況下，振動導致對材料之增加加載，使得僅短時間之後，疲勞現象(詳言之，(微)裂紋)便可出現於塔架之材料中。
因此將需要提供一種裝置及/或一種風力渦輪機，其中風力渦輪機之塔架之振動受到抑制及/或減弱。詳言之，將需要提供一種裝置及/或一種風力渦輪機，在該裝置及/或該風力渦輪機之情況下，由於發電機造成之振動減弱。
針對此情形之各種解決方案自先前技術而知曉。
因此，例如，用於借助於複數個阻尼元件將發電機安裝於風力 渦輪機中之裝置自專利文件DE 10 2005 018 749 B4而知曉。在此狀況下，發電機支腳連接至具有複數個阻尼元件之板，以使得由該發電機產生之振動不會傳輸至風力渦輪機之機艙及/或傳輸至塔架。
此外，專利申請案DE 10 2010 009 863 A1提議用於減少風力渦輪機之傳動鏈中之負載的構件。在此狀況下，借助於感測器來感測傳動鏈中之振動，且接著借助於主動控制，詳言之借助於可主動控制之阻尼構件，來補償該等振動。
用於進行風力渦輪機中之傳動鏈之主動阻尼的裝置自文件DE 10 2007 019 907 B4而知曉。
自先前技術而知曉之解決方案之設計複雜，且就維護而言昂貴且要求高。
本發明就在此時流行起來，本發明之目標係提供一種改良之裝置及/或風力渦輪機，其意欲提供對該風力渦輪機之一塔架之振動的改良之阻尼(詳言之，便宜、低維護阻尼)。詳言之，本發明之目標係提供一種裝置及/或風力渦輪機，在該裝置及/或風力渦輪機之情況下，由發電機產生之風力渦輪機振動減弱。然而，至少提議一種解決方案作為自先前技術而知曉之解決方案之一替代方案。
根據本發明，此目標係藉由根據獨立技術方案1之具有纖維繞組之風力渦輪機來達成。
本發明包含一種風力渦輪機之概念，該風力渦輪機包含一塔架及一機艙，其中具有至少一個轉子葉片之一轉子安置於該機艙上，且該轉子在該風力渦輪機處於操作中時執行一旋轉運動且該旋轉運動經由一轉軸驅動該機艙內之一發電機，其中存在安置於該風力渦輪機之該塔架上的一纖維繞組，該纖維繞組纏繞該風力渦輪機之該塔架之一垂直塔架軸線且該纖維繞組經組態以使該塔架之一振動減弱。在下文 中例示性地描述本發明之概念，但並不藉此限制本發明。本發明已識別：該風力渦輪機塔架之振動可借助於纏繞一風力渦輪機之塔架之一纖維繞組來抑制及減弱。在此狀況下，該風力渦輪機之該塔架之振動能量由該纖維繞組吸收且轉換成(例如)熱能。本發明之此等及其他較佳實施例構成附屬技術方案之標的物且指定根據本發明之風力渦輪機。詳言之，較佳發展構成附屬技術方案之標的物及在本發明之目標之範疇內及其他優點方面用於實現或設計上文所解釋之風力渦輪機的細節有利可能性。
一較佳設計假定：發電機為同步發電機。此設計考慮以下概念：風力渦輪機經設計而具有一同步或一異步發電機，接著直接地或間接地實現該風力渦輪機之電網連接(詳言之，電流之饋進)。直接電網連接(在同步發電機之狀況下)意謂：將發電機電流直接饋送至電網中，而間接電網連接(在異步發電機之狀況下)意謂：必須首先將發電機電流調適成電網電流(詳言之，電網頻率)。本發明設計係關於包含一同步發電機之風力渦輪機。
同步發電機經設計而具有一發電機轉子及一發電機定子，該發電機轉子具有藉由永久磁體或藉由電磁體產生之一磁場。該發電機定子包含大量線圈(詳言之，定子繞組)，該等線圈按以下方式組態，使得當該發電機轉子在該發電機定子中旋轉時，產生一交流電壓或發電機電流，該交流電壓或發電機電流之量值及頻率取決於該發電機轉子之旋轉速度。
對於該同步發電機，該發電機轉子中之該等永久磁體及該發電機定子之該等極性相反的感應磁體產生一掣止扭矩(其亦被稱為「齒槽扭矩」)。該掣止扭矩亦可解譯為一種類型之「磁性摩擦」或「磁性摩擦扭矩」。在旋轉期間以週期性方式發生之該掣止扭矩或該磁性摩擦可使該發電機以某一齒槽扭矩變動頻率振動。該發電機之振動可 經由發電機懸吊件(詳言之，經由發電機支腳)傳播或傳輸至該風力渦輪機(詳言之，傳播或傳輸至該風力渦輪機之該塔架)，以致激勵該塔架振動。
在此狀況下的該發電機之齒槽扭矩變動頻率取決於該發電機中之磁極之數目、該旋轉運動之頻率或旋轉速度，及該轉子之直徑。通常，具有大約80m之直徑之風力渦輪機轉子以20rpm之旋轉速度旋轉，該旋轉速度對應於1/3Hz之頻率。通常，一同步發電機包含大約150至180個磁極，且因此能夠產生具有50Hz之頻率之交流電，且因此具有正確的電網頻率。然而，此情形亦導致該發電機及該風力渦輪機塔架之一機械振動之一激勵頻率(齒槽扭矩變動頻率)，該頻率為大約50Hz。
此等振動將借助於安置於該風力渦輪機之該塔架上之一纖維繞組來減弱。
較佳地，一個設計提議：將該纖維繞組在該塔架之垂直塔架軸線之方向上安置於上端處(詳言之，安置於最上塔架節段上)。詳言之，在此狀況下，可假定：該塔架係藉由複數個塔架節段實現。較佳地，該纖維繞組係接近該發電機而安置，亦即較佳安置於該塔架之上端處，詳言之安置於最上塔架節段之上端處。然而，在另一實施例中，亦可假定：形成複數個纖維繞組，該等纖維繞組安置於(例如)第一、第二及/或每一更遠塔架節段上。此外，在另一實施例中，可能為以下狀況：額外纖維繞組安置於該風力渦輪機之該機艙上。
在一有利設計之狀況下，可假定：該纖維繞組在關於塔架軸線之徑向方向上具有某一厚度，其中該厚度之尺寸經選擇以使得該塔架之振動經歷最大阻尼，其中該振動係根據該發電機之一齒槽扭矩變動頻率產生。
較佳地，一個設計假定：該纖維繞組之該厚度在自50mm至100 mm之範圍內。
一較佳發展假定：該纖維繞組在塔架軸線之軸向方向上具有一寬度b，其中寬度b之尺寸經選擇以使得該塔架之振動經歷最大阻尼，其中該塔架之振動係根據該發電機之該齒槽扭矩變動頻率產生。
在一有利設計之狀況下，可假定：該纖維繞組安置於該塔架(詳言之，該最上塔架節段)之一表面中之一凹座中，其中該纖維繞組之表面在關於該塔架軸線之徑向方向上與該塔架之該表面齊平。在此狀況下，以一特殊方式假定：該纖維繞組以使得該纖維繞組不會更改該塔架之外觀的方式整合至該塔架中，詳言之整合至該最上塔架節段中。
一最佳發展假定：該纖維繞組安置於該塔架(詳言之，該最上塔架節段)之一內表面上之一凹座中，且該纖維繞組之表面在關於該塔架軸線之徑向方向上與該塔架之該內表面齊平。作為該塔架之外部之表面上的纖維繞組的替代方案或除該塔架之外部之表面上的纖維繞組之外，亦可提供此實施例。在此狀況下，該纖維繞組在該塔架內部之安置具有以下優點：無法自外部看見該纖維繞組，且因此該纖維繞組不會更改該風力渦輪機之外觀。
一發展可假定：該塔架節段實現為鋼元件。
較佳地，一個設計假定：該纖維繞組係以具有一基質及一加強纖維之一纖維複合材料之形式實現。
一較佳實施例係關於一種具有一纖維繞組之風力渦輪機，其中該纖維複合材料之該基質、其樹脂係選自以下材料中之一者：熱固性樹脂、熱固性塑膠、合成樹脂、彈性體及/或彈性熱塑性塑膠，及/或該纖維繞組係藉由複數個纖維墊實現。在一較佳設計中，可假定：使用夾芯材料。
另一有利實施例係關於一種具有一纖維繞組之風力渦輪機，其 中該纖維繞組係藉由由以下材料中之至少一者製成之加強纖維實現：玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維、硼纖維、玄武岩纖維、鋼纖維、耐綸纖維及/或天然纖維，該等纖維關於該塔架軸線對角地、平行地及/或垂直地定向。
在下文中參看諸圖相比於先前技術描述本發明之例示性實施例，亦部分地表示了先前技術。此等圖未必既定作為例示性實施例之尺度表示，而是確切而言，諸圖係以示意性及/或稍微失真形式(在該情況下，此情形可用於解釋)來實現。關於補充可直接自諸圖獲得之教示之信息，參考相關先前技術。在此狀況下，必須考慮：可在不偏離本發明之大體理念之情況下作出關於實施例之形式及細節的各種修改及更改。在描述、諸圖及申請專利範圍中所揭示的本發明之特徵(單獨地及以任何組合)對於發展本發明而言可為必不可少的。另外，在描述、諸圖及/或申請專利範圍中所揭示的特徵中之至少兩者的所有組合在本發明之範疇內。本發明之大體理念不限於下文所展示及描述的較佳實施例之確切形式或細節，或不限於與申請專利範圍中所主張之標的物相比將受限制之標的物。在所指定之量測範圍之狀況下，位於該等極限內之值亦既定揭示為極限值，且視情況為可應用的及可主張的。為簡單起見，類似或相同之部分或功能相同或類似之部分在適當時藉由相同參考符號表示。
本發明之其他優點、特徵及細節係藉由較佳例示性實施例之以下描述且藉由諸圖給出。
1‧‧‧風力渦輪機
2‧‧‧塔架
2.1‧‧‧第一塔架節段/最上塔架節段
2.2‧‧‧第二塔架節段
2.3‧‧‧第三塔架節段
2.4‧‧‧塔架軸線
4‧‧‧機艙
5‧‧‧轉軸
6‧‧‧轉子
7‧‧‧發電機
7.1‧‧‧發電機轉子
7.2‧‧‧發電機定子
7.3‧‧‧懸吊件
7P‧‧‧磁極
7S‧‧‧定子繞組
8‧‧‧轉子葉片
8.1‧‧‧轉子葉片輪轂
9‧‧‧纖維繞組
9.1‧‧‧基質
9.2‧‧‧加強纖維
10‧‧‧整流罩
19‧‧‧短軸
41‧‧‧凹座
42‧‧‧塔架之表面
43‧‧‧凹座
44‧‧‧塔架之內表面
b‧‧‧寬度
d‧‧‧厚度
詳細地，展示：圖1 具有纖維繞組之風力渦輪機之可能實施例；圖2 具有纖維繞組之風力渦輪機之另一實施例；圖3 風力渦輪機之機艙之內部的較佳例示性實施例；以及 圖4A及4B 具有纖維繞組之風力渦輪機的另一實施例之兩個(部分)節段。
圖1展示具有塔架2及機艙4之風力渦輪機1。例示性地，塔架係藉由三個塔架節段實現，該三個塔架節段為第一塔架節段2.1、第二塔架節段2.2及第三塔架節段2.3，該等塔架節段在塔架軸線2.4之垂直方向上安置於彼此之上且連接，且該等塔架節段形成風力渦輪機1之塔架2。在整流罩10上具有三個轉子葉片8之轉子6安置於機艙4上。當風力渦輪機1處於操作中時，轉子6隨著風而進入旋轉運動，且驅動機艙4內部之發電機(未加以表示)。借助於發電機，將旋轉運動之機械能轉換成電能，電能可接著饋送至電網中。
此外，風力渦輪機1包含纖維繞組9，該纖維繞組安置於風力渦輪機1之塔架2上，詳言之安置於最上塔架節段2.1上。在此狀況下，纖維繞組9平行於風力渦輪機1之塔架2之垂直塔架軸線2.4纏繞塔架之外表面。纖維繞組9經組態以抑制及/或減弱塔架2之振動。
圖2展示具有纖維繞組9之風力渦輪機之另一實施例。風力渦輪機1再次包含塔架2，詳言之塔架節段2.1。在安置於塔架(詳言之塔架節段2.1)上方之機艙4中，安置有發電機(示意性地表示)，該發電機在風力渦輪機1處於操作中時執行旋轉運動。在此狀況下，轉子6之旋轉運動經由短軸(詳言之轉軸5)傳輸至發電機7。
發電機為(例如)同步發電機，其經組態以將發電機電流直接饋送至電網中，而無對電網電流之調適之任何需要，詳言之，無對電網頻率(50Hz)之調適之任何需要。
在操作期間，同步發電機之週期性振動可由於週期性地發生之掣止扭矩而以齒槽扭矩變動頻率發生。發電機之振動可接著經由發電機之懸吊件7.3(詳言之經由發電機支腳)傳播或傳輸至風力渦輪機1 (詳言之，傳播或傳輸至風力渦輪機1之塔架2)，以致激勵塔架2振動。此等振動係借助於纖維繞組9來抑制及/或減弱，該纖維繞組安置於風力渦輪機1之塔架2上，纖維繞組9關於塔架軸線徑向地纏繞塔架2之表面。
纖維繞組9實現為纖維複合材料，該纖維複合材料：具有基質9.1，例如樹脂(例如，熱固性樹脂、熱固性塑膠、合成樹脂、彈性體及/或熱塑性塑膠)，且具有嵌入於基質9.1中之加強纖維9.2。較佳地，該纖維繞組係藉由複數個纖維墊來實現，且該等纖維可為(例如)玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維、硼纖維、玄武岩纖維、鋼纖維、耐綸纖維及/或天然纖維，該等纖維可關於塔架軸線2.4對角地、平行地及/或垂直地定向。
另外，纖維繞組9在關於塔架軸線2.4之徑向方向上具有厚度d，且在塔架軸線2.4之軸向方向上具有寬度b。
圖3展示風力渦輪機之機艙4之內部的詳細表示。詳言之，圖3展示轉子6及發電機7。以下兩者旋轉地安裝於短軸19(詳言之，公共轉軸)上：轉子葉片(未表示)，其經由轉子葉片輪轂8.1安裝；及發電機7，其經由發電機轉子7.1安裝。風力渦輪機之轉子6之旋轉運動借助於短軸19而轉換成發電機轉子7.1之旋轉運動。
發電機為(例如)同步發電機，其經組態以將發電機電流直接饋送至電網中，而無對電網電流之調適之任何需要，詳言之，無對電網頻率(50Hz)之調適之任何需要。為此目的，根據發電機7之結構設計，發電機轉子7.1在發電機定子7.2內部旋轉且在此情況下產生電流。
同步發電機通常藉由發電機轉子7.1及發電機定子7.2來實現，發電機轉子7.1具有沿圓周安置之磁極7P之磁場，即藉由永久磁體或藉由電磁體產生之磁場。發電機定子包含大量線圈(詳言之，定子繞組 7S)，該等線圈經組態以使得當發電機轉子7.1旋轉時，在發電機定子7.2中(詳言之，在定子繞組中)感應交流電壓，該交流電壓之較大量值及頻率取決於發電機轉子之旋轉速度。
對於同步發電機，發電機轉子7.1中之磁極及發電機定子7.2中之極性相反的感應磁極(其取決於發電機轉子7.1之對準)具有有時彼此吸引且有時彼此排斥之效應，從而產生週期性掣止扭矩(其亦被稱為「齒槽扭矩」)。掣止扭矩亦可解譯為磁性摩擦扭矩。由於掣止扭矩在旋轉期間以週期性方式發生，因此可激勵同步發電機而以齒槽扭矩變動頻率振動。發電機之振動可接著經由發電機之懸吊件傳播或傳輸至風力渦輪機(詳言之，傳播或傳輸至風力渦輪機之塔架)，以致激勵塔架振動。在此狀況下，齒槽扭矩變動頻率取決於磁極之數目及旋轉運動之旋轉速度或頻率。
圖4A及4B展示具有纖維繞組9之風力渦輪機之另一實施例的兩個(部分)節段，詳言之，風力渦輪機之塔架之節段。纖維繞組9在關於塔架軸線2.4之徑向方向上具有厚度d，且在關於塔架軸線2.4之軸向方向上具有寬度b。
圖4A展示纖維繞組9，其安置於塔架2(詳言之，最上塔架節段2.1)之表面42中之凹座41中，其中纖維繞組9之表面在關於塔架軸線2.4之徑向方向上與塔架2之表面42齊平。在此狀況下，以一特殊方式假定：纖維繞組9以該纖維繞組不更改塔架之外觀的方式整合至塔架中之最上塔架節段2.1中。
圖4B展示纖維繞組9之另一設計，該纖維繞組安置於塔架1(詳言之，最上塔架節段2.1)之內表面44上之凹座43中，其中纖維繞組9之表面在關於塔架軸線2.4之徑向方向上與塔架2之內表面44齊平。作為塔架之外部之表面上的纖維繞組的替代方案及/或除塔架之外部之表面上的纖維繞組之外，亦可提供此實施例。
1‧‧‧風力渦輪機
2‧‧‧塔架
2.1‧‧‧第一塔架節段/最上塔架節段
2.2‧‧‧第二塔架節段
2.3‧‧‧第三塔架節段
2.4‧‧‧塔架軸線
4‧‧‧機艙
6‧‧‧轉子
8‧‧‧轉子葉片
9‧‧‧纖維繞組
10‧‧‧整流罩

Claims (7)

  1. 一種風力渦輪機(1)，其包含一塔架(2)及一機艙(4)，其中具有至少一個轉子葉片(8)之一轉子(6)安置於該機艙(4)上，且該轉子(6)在該風力渦輪機(1)處於操作中時執行一旋轉運動且該旋轉運動驅動該機艙(4)內之一發電機(7)，其特徵為：該發電機(7)為一同步發電機，存在安置於該風力渦輪機(1)之該塔架(2)上的一纖維繞組(9)，該纖維繞組纏繞該風力渦輪機(1)之該塔架(2)之一垂直塔架軸線(2.4)以減弱由該同步發電機產生之該塔架之一振動，該纖維繞組(9)在該塔架(2)之該垂直塔架軸線(2.4)之方向上安置於上端處，即安置於一最上塔架節段(2.1)上，且其中該纖維繞組(9)安置於該塔架(2)，即該最上塔架節段(2.1)，之一表面(42)中之一凹座(41)中；其中該纖維繞組(9)之表面在關於該塔架軸線(2.4)之該徑向方向上與該塔架(2)之該表面(42)齊平，或該纖維繞組(9)安置於該塔架(2)，即該最上塔架節段(2.1)，之一內表面(44)上之一凹座(43)中；且該纖維繞組(9)之表面在關於該塔架軸線(2.4)之該徑向方向上與該塔架(2)之該內表面(44)齊平。
  2. 如請求項1之風力渦輪機(1)，其中該纖維繞組(9)在關於該塔架軸線(2.4)之徑向方向上具有一厚度(d)，以減弱由該同步發電機(7)產生之該塔架(2)之該振動。
  3. 如請求項1或2之風力渦輪機(1)，其中該纖維繞組(9)在關於該塔架軸線(2.4)之軸向方向上具有一寬度(b)，以減弱由該同步發電機(7)產生之該塔架之該振動。
  4. 如請求項1之風力渦輪機(1)，其中該最上塔架節段(2.1)為鋼元件。
  5. 如請求項1或2之風力渦輪機(1)，其中該纖維繞組(9)係一具有一 基質(9.1)及一加強纖維(9.2)之纖維複合材料。
  6. 如請求項5之風力渦輪機(1)，其中該基質(9.1)為一樹脂，其係選自以下材料中之一者：熱固性樹脂、熱固性塑膠、合成樹脂、彈性體及彈性熱塑性塑膠，或該纖維繞組(9)係由複數個纖維墊所形成。
  7. 如請求項5之風力渦輪機(1)，其中該加強纖維(9.2)係藉由由以下材料中之至少一者製成：玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維、硼纖維、玄武岩纖維、鋼纖維、耐綸纖維及/或天然纖維，該等纖維關於該塔架軸線(2.4)以對角地、平行地及垂直地之至少其中之一方式定向。
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