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CN104806449A - 风力涡轮机的阻尼器 - Google Patents

风力涡轮机的阻尼器 Download PDF

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CN104806449A
CN104806449A CN201510042608.5A CN201510042608A CN104806449A CN 104806449 A CN104806449 A CN 104806449A CN 201510042608 A CN201510042608 A CN 201510042608A CN 104806449 A CN104806449 A CN 104806449A
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CN
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damper
container
toroid
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wind turbine
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Abstract

本发明涉及风力涡轮机(10)的阻尼器(20)，其中，所述阻尼器(20)适于衰减风力涡轮机(10)的移动。所述阻尼器(20)包括容器(40)和液体(30)，其中，液体(30)位于容器(40)内部。所述阻尼器(20)包括基本上超环面的形状。容器(40)包括第一超环面区段(411)和至少第二超环面区段(412)。超环面区段(411,412)两者附接在一起，使得生成闭合的超环面，并且液体(30)被保持在容器(40)内部。

Description

风力涡轮机的阻尼器
技术领域
本发明涉及适于衰减（damping）风力涡轮机的运动的风力涡轮机的阻尼器（damper）。
背景技术
风力涡轮机通常包括高而细的塔架。在塔架的顶部处定位有容纳发电机和转子的机舱。另外，带有转子叶片的浆毂位于塔架的顶部。因此，风力涡轮机的质心定位在地面上方较高处。因此，风力涡轮机例如由于风荷载或地震而易于运动。风荷载包括连续的风流以及极大的阵风。风力涡轮机的这些运动通常是不期望的，因为它们增加了对风力涡轮机的结构破坏。
因此，衰减风力涡轮机的这些不期望的运动的系统的开发是目前的研究领域。用于风力涡轮机塔架的阻尼器的常用设计是平坦的圆盘，其例如具有在中部的孔。平坦的圆盘可具有在内部的液体，其通过提供液体从一侧到另一侧的晃动而衰减风力涡轮机塔架的线性运动。风力涡轮机塔架的圆形或椭圆形运动的衰减由沿着阻尼器的边缘的液体波提供。
在现有技术中，平坦的圆盘制造成一件并且通常由塑料制成。
然而，这样的液体阻尼器具有若干缺点。首先，它不能被容易地拆卸。因此，阻尼器从制造现场到安装现场的运输以及阻尼器自身的安装是复杂而昂贵的。此外，阻尼器的更换或修理是困难的，如果还有可能的话。
制造成一个单件的阻尼器的另一个缺点在于，重新设计阻尼器是复杂而昂贵的，因为必须对每种新风力涡轮机进行重新设计。换句话讲，阻尼器设计的改变是昂贵的，因为没有标准元件可以使用。作为示例，必须为阻尼器的每种新设计创造新制造模具。
这些缺点和问题到目前为止已通过例如使用若干小阻尼器解决。小阻尼器更容易运输和安装在风力涡轮机中。根据现有技术的阻尼器难以更换和修理的问题到目前为止已通过接受阻尼器(特别是可能难以更换的大阻尼器)的一定程度的泄漏而解决。
然而，这些解决方案是不令人满意的，因为它们实际上没有解决现有的问题和缺点。
因此，本发明的目的是提供一种阻尼器，该阻尼器容易一体化到风力涡轮机中，并且在已结合到风力涡轮机中时也容易拆卸，例如以进行修理。
发明内容
本发明的目的由独立权利要求1实现。本发明的另外的特征在从属权利要求中公开。
根据本发明，提供了一种风力涡轮机阻尼器，其中，所述阻尼器适于衰减风力涡轮机的运动。阻尼器包括容器和液体，其中液体位于容器内部。所述阻尼器包括基本上超环面（toroid）的形状。容器包括第一超环面（toroidal）区段和至少第二超环面区段。超环面区段两者附接在一起，使得生成闭合的超环面，并且液体被保持在容器内部。
本发明的关键点在于，借助于容器的分段设计，全部或部分地显著方便了运输、组装和拆卸。因此，克服了关于阻尼器的尺寸的普通实际限制。另外，通过可能地使用标准元件作为超环面区段，也方便了对新设计要求的调适。最后，提供了阻尼器的结实而简单的几何形状。
在本申请的上下文中，风力涡轮机是指将来自风的机械能(特别是旋转能)转化为电能的装置。风力涡轮机也可表示风力发电装置。
所描述的阻尼器很适合衰减风力涡轮机的运动。这包括线性运动，其基本上垂直于风力涡轮机的塔架。这也包括风力涡轮机的圆形或椭圆形运动。此外，这包括在竖直方向上(即，在塔架的方向上)的运动，以及运动的任何组合。超环面非正式地也表示环形圈形物体。超环面的示例是O形环。超环面具有环形形状，并且通过使平面几何图形绕旋转轴线旋转而生成，该旋转轴线在该图形外部并且平行于图形的平面并且不与该图形相交。应当指出，通常，该平面几何图形可具有任何形状。作为第一示例，如果该几何图形为矩形，并且如果该矩形绕旋转轴线旋转，则产生中空圆柱形。作为第二示例，如果圆形绕公共旋转轴线旋转，那么超环面也称为圆环体。
容器包括附接在一起的多个超环面区段。如果容器仅包括两个超环面区段，即，第一超环面区段和第二超环面区段，那么第一超环面区段的两个端部分别附接到第二超环面区段的两个端部。作为另一示例，如果容器包括第一超环面区段、第二超环面区段和第三超环面区段，那么第一超环面区段附接到第二超环面区段，第二超环面区段附接到第三超环面区段，并且第三超环面区段附接到第一超环面区段，使得最后由三个附接的超环面区段生成闭合的超环面。
阻尼器的基本上超环面形状的概念必须理解成使得阻尼器的形状相对于理想超环面的小的偏差也由该描述构成。
在一个有利的实施例中，超环面关于对称轴线为对称的。超环面的形状通过使椭圆(特别是圆)绕对称轴线旋转而生成。
具有椭圆形(特别是圆形)横截面的超环面受益于特别高的结构强度。换句话讲，具有这样的形状的超环面可以特别好地承受作用在其上的机械力。另外，当实现到圆形塔架或风力涡轮机的其它元件时，这样的形状是有利的。
相比之下，其中超环面的形状通过使矩形旋转而生成的超环面在阻尼器置于风力涡轮机的机舱（nacelle）内部时是例如有利的。
在另一个有利的实施例中，风力涡轮机包括塔架，并且阻尼器位于塔架处。
为了从风中得到最多能量，有利的是将带有转子叶片的转子置于地面以上较高处。换句话讲，有利的是将转子置于塔架上。现有技术风力涡轮机通常具有圆形横截面的塔架，该横截面取自水平面中，即，基本上平行于竖立风力涡轮机的地面。
在一个有利的实施例中，阻尼器包括在其中心处的孔口，该孔口足够大，以便为塔架的升降机提供空间，其中升降机将塔架的基部与塔架的顶部相连。阻尼器位于塔架内部。
换句话讲，有利的是容器具有围绕对称轴线具有一定尺寸的孔口。特别有利的是连接地面与塔架顶部的升降机配合在孔口内。同样，如果风力涡轮机包括楼梯或爬梯而不是升降机，那么有利的是孔口足够大，以便分别为楼梯或爬梯提供空间。
还有利的是阻尼器位于塔架的顶部处或靠近塔架的顶部。这是有利的，因为塔架的摆动在塔架的顶部处通常最大。因此，用于衰减的系统在塔架的顶部处最有效。
在另一个有利的实施例中，阻尼器延伸至塔架的内壁。
因为塔架壁始终具有一定厚度，壁的内表面(也表示为内壁)以及壁的外表面(也称为外壁)可分配到塔架。可能有利的是，将阻尼器尽可能多地延伸至塔架的内壁。应当指出，由于分段设计，更多的设计可能性是可行的，并且因此延伸直到塔架的内壁的大型液体阻尼器也是可行的。
作为示例，如果塔架的内壁的直径为8米，那么阻尼器可具有8米的外径和2米的内径。这意味着在中心处存在2米的孔口，并且至少在放置阻尼器的所选平面内塔架中的剩余空间由阻尼器填充。
在另一个有利的实施例中，阻尼器位于塔架外部。
如果例如在塔架内部没有足够的空间可用，这可能是有利的。当阻尼器仅临时安装时，外部阻尼器也可能是有利的。当阻尼器仅在风力涡轮机的安装期间需要时，临时阻尼器是例如有利的。在这种情况下，例如，外部阻尼器可能在建造塔架期间使用并且在风力涡轮机被完全组装和建造后立即移除。
在另一个有利的实施例中，风力涡轮机包括机舱，并且阻尼器被置于机舱处。
机舱容纳发电机、转子，并且可以另外容纳或包含用于风力涡轮机工作的另外的装置。可能有益的是将阻尼器置于机舱内。
在另一个有利的实施例中，液体与粘土和/或粉土混合。
换句话讲，容器包括液体和粘土和/或粉土。将液体与粘土和/或粉土混合的优点是增加质量，这可以以有利方式改变阻尼器的衰减性质。特别地，这涉及液体的质量的增加。
通常，可能有利的是在阻尼器中具有重的液体。
在另一个有利的实施例中，液体包括诸如二醇的冷却剂，以便防止液体结冰。
在另一个有利的实施例中，容器内部的液体的填充水平在20%和80%之间，特别地在30%和70%之间。
填充水平由相对于容器的总竖直直径的液体的高度限定。填充水平在风力涡轮机不运动时确定。填充水平对阻尼器的频率具有直接影响。换句话讲，填充水平对液体在被风力涡轮机的运动带动而运动时反作用的频率具有直接影响。高填充水平意味着高频率，而低填充水平导致低频率。如果填充水平非常低，阻尼器的影响和衰减能力可能也非常低。然而，如果填充水平过高，那么由于液体到容器的竖直或顶部极限的晃动，阻尼器的衰减影响可能也降低。
在另一个有利的实施例中，第一超环面区段和第二超环面区段借助于组装凸缘附接在一起，该组装凸缘特别地由钢制成。
例如，超环面区段可能由塑料制成，而组装凸缘可能是螺栓连接的钢组装凸缘。为了确保紧密而可靠的连接，可在组装凸缘的两个相邻部分之间引入衬垫。应当指出，组装凸缘和衬垫是容易获得的标准产品。这使得容器易于制造且不昂贵。相比现有技术，不需要单独的设计和制造。
在另一个有利的实施例中，阻尼器包括在容器内部的至少一个流动障碍。
已经发现的是，也称为阀门或挡板的流动障碍可增加阻尼器的衰减能力。流动障碍可具有仅一个板的形状或设计，该板减小超环面区段的直径，从而防止液体从阻尼器的一部分流动至另一部分。流动障碍也可具有膜的形状和设计。
有利地，流动障碍置于组装凸缘处。
如果容器包括多个组装凸缘，可能有益的是为每个组装凸缘添加流动障碍。
在另一个有利的实施例中，容器包括成形为弯曲的超环面区段的超环面区段。
弯曲的超环面区段也称为弯曲管段或弯管。根据液体阻尼器的尺寸和工业中可得的弯曲超环面区段的尺寸，容器可包括仅几个弯曲的超环面区段，或者它可包括大量弯曲的超环面区段。
在另一个有利的实施例中，容器包括成形为弯曲的超环面区段的超环面区段和成形为直的超环面区段的另外的超环面区段。
直的超环面区段也称为直管件。还应当指出，所使用的超环面区段(弯曲的超环面区段和直的超环面区段)的总数取决于阻尼器的设计和尺寸以及工业中可得的超环面区段的可得性。
在另一个有利的实施例中，弯曲的超环面区段的数目等于直的超环面区段的数目。每个弯曲的超环面区段与直的超环面区段直接相邻。
换句话讲，超环面区段布置成使得每个弯曲的超环面区段邻近直的超环面区段，反之亦然。
在另一个有利的实施例中，容器包括用于从容器排空液体的孔。
当液体从容器的向外泄漏为显著的时，容器的排空可能是必要的。因此，有利的是有可能控制容器内部的剩余液体的排空。在将容器排空之后，一个或多个超环面区段可被移除并替换成新的超环面区段，使得泄漏被修复。最后，可通过与进行排空时相同的孔重新填充液体。
附图说明
图1示出具有阻尼器的风力涡轮机；
图2示出具有中空圆柱形形状的超环面；
图3示出环形圈形超环面；
图4示出具有孔的阻尼器；
图5示出包括附接到一起的第一超环面区段和第二超环面区段的阻尼器；
图6示出具有八个超环面区段的阻尼器；
图7示出具有多个直的超环面区段和多个弯曲的超环面区段的阻尼器；
图8示出安装在风力涡轮机的塔架内部的两个大型液体阻尼器；
图9示出安装在风力涡轮机的塔架内部的三个双液体阻尼器；
图10示出延伸至风力涡轮机的塔架的内壁的阻尼器；
图11示出置于风力涡轮机的塔架的外壁处的阻尼器；
图12示出借助于组装凸缘附接在一起且具有流动障碍的两个超环面区段；以及
图13示出具有流动障碍的超环面区段的剖视图。
附图中的图示是示意图形式的。应当指出，在不同的图中，类似或相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了包括具有基部113和顶部114的塔架11的风力涡轮机10。机舱12放置在塔架10的顶部114处。机舱12容纳风力涡轮机10的发电机(未示出)和转子(未示出)。在机舱12的一侧处安装有浆毂14。浆毂14安装成相对于机舱12可旋转。浆毂14设有三个转子叶片15，图1中示出其中两个。风力涡轮机10可以是没有齿轮箱的直接驱动的风力涡轮机，或者可以是带有齿轮箱的齿轮传动的风力涡轮机。
塔架11的高度可超过70米。因此，便利的是并入升降机13，其将塔架10的基部113与塔架10的顶部114相连。升降机13基本上用于需要接近机舱12、浆毂14或转子叶片15的维护人员。备选地，也可在塔架11内部安装楼梯或扶梯。由升降机13所需或占据的空间被称为用于升降机13的空间16。具有超环面形状的阻尼器20位于靠近塔架11的顶部114处。阻尼器20包括填充有液体30的容器40。阻尼器20靠近用于升降机13的空间16放置。
阻尼器20的目的是衰减或减少塔架11的运动。这些运动可以是在垂直于塔架11的线性运动或圆形或椭圆形运动。可能由地震引发的在平行于塔架11的方向上的竖直运动也可能被阻尼器20衰减。运动可以是摆动运动。由于液体30的质量，对抗塔架11的运动而作用的力衰减这种运动。
图2和图3示出可由本发明有利地使用的超环面的两个实施例。
图2示出通过使矩形绕对称轴线44旋转而生成的超环面。所得到的物体或主体也可表示为中空圆柱形。
图3示出通过使用圆绕对称轴线44旋转而得到的超环面。通过使圆旋转生成的主体也表示为O形环或环形圈。
图2和图3所示实施例表示超环面的两个实施例，其为特别结实且同时简单的，并且因此很适合充当阻尼器20的容器40的形状。
图4示出包括容器40的阻尼器20的剖视图，容器40具有超环面的形状，特别是在剖视图中包括两个圆的超环面。容器40可由三个基本量表征：直径45、外径46和高度47。应当指出，在容器40不具有如图4所示剖视图中的圆形形状、但具有随机的几何形状的情况中，直径45可由内径代替。
在图4所示示例中，容器40用液体30填充。填充水平31由相对于容器40的高度47的相对尺寸确定。在图4的示例中，填充水平为约70%。
有利的是在容器40处并入孔43，以便有利于容器40的排空或容器40的重新填充。最后，图4也示出阻尼器20和容器40的对称轴线44。
图5和图6以俯视图示出容器40的两个实施例。
图5示出包括第一超环面区段411和第二超环面区段412的容器40。超环面区段411、412在尺寸和形状上类似。第一超环面区段411和第二超环面区段412借助于两个组装凸缘42彼此附接。
虽然图5中的超环面区段411、412包括半环面的形状，但图6中描绘的超环面区段41包括环面的八分之一的形状。八个超环面区段41均在尺寸和形状上类似。它们由组装凸缘42连结或附接在一起。因此，图6中的圆形容器40包括八个超环面区段41和八个组装凸缘42。除了超环面区段41易于获得的事实之外，它们也容易运输到风力涡轮机的安装现场，并且有利地仅在风力涡轮机安装时或安装期间组装在一起。相比制造成单件的现有技术阻尼器，这是一个显著的优点。
图7示出在俯视图中显示的容器40的另一个实施例。相比图5和图6，图7示出包括不但弯曲的超环面区段413而且直的超环面区段414的容器40。作为结果且在连接弯曲的超环面区段413和直的超环面区段414之后，得到具有多边形形状的容器40。
图8和图9示出风力涡轮机10的塔架11的一部分。塔架11由塔架壁定界并且包括空间16，该空间适合从塔架11的基部到塔架11的顶部的升降机或导向线缆。
图8示出彼此堆叠的两个阻尼器20。
图9示出彼此堆叠的三个阻尼器20，其中，每个阻尼器20包括两个超环面容器，从而导致双阻尼器。阻尼器20的设计和尤其尺寸直接影响衰减特性，例如系统的衰减频率。
图10示出具有在剖视图中所示椭圆形形状的阻尼器20。阻尼器的尺寸选择成使得它从适合升降机的空间16延伸直到塔架11的内壁111。这样的设计允许最大限度地利用塔架11内部的可用空间。
图11示出附接到塔架11的外壁112的外部阻尼器20的示例。如果例如塔架11内部没有足够的可用空间，或者例如如果阻尼器仅仅是临时安装并且打算在安装到塔架11之后不久被拆卸，那么外部阻尼器20是有利的。
图12示出借助于组装凸缘42与第二超环面区段412相连的第一超环面区段411。应当指出，在属于第一超环面区段411的组装凸缘42的第一部分和属于第二超环面区段412的组装凸缘42的第二部分之间并入流动障碍21。流动障碍21减小两个超环面区段411、412的直径。这样的流动障碍21也称为挡板。图12还示出以大约70%的填充水平填充到超环面区段411、412中的液体30。
最后，图13示出用液体30填充的超环面区段的剖视图，并且其中可以清楚地看到组装凸缘42和流动障碍21的尺寸，特别是直径。应当指出，由于流动障碍21，液体30的流动仍然是可能的，即，通过超环面区段41的流动仍然是可能的；然而，该流动被阻碍，即阻挡。

Claims (16)

1. 一种风力涡轮机(10)的阻尼器(20)，其中
- 所述阻尼器(20)布置和制备用于衰减所述风力涡轮机(10)的移动，
- 所述阻尼器(20)包括容器(40)和液体(30)，所述液体(30)位于所述容器(40)内部，
- 所述阻尼器(20)包括基本上超环面的形状，
其特征在于
- 所述容器(40)包括第一超环面区段(411)和至少第二超环面区段(412)，并且
- 所述超环面区段(41)附接在一起，使得生成闭合的超环面，并且所述液体(30)被保持在所述容器(40)内部。
2. 根据权利要求1所述的阻尼器(20)，其特征在于
- 所述超环面是关于对称轴线(44)对称的，并且
- 所述超环面的形状通过使椭圆特别是圆绕所述对称轴线(44)旋转而生成。
3. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于
- 所述风力涡轮机(10)包括塔架(11)，并且
- 所述阻尼器(20)位于所述塔架(11)处。
4. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于
- 所述阻尼器(20)包括在其中心处的孔口，所述孔口足够大，以便为所述塔架(11)的升降机(13)提供空间(16)，所述升降机(13)将所述塔架(113)的基部与所述塔架(114)的顶部连接，并且
- 所述阻尼器(20)位于所述塔架(11)内部。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述阻尼器(20)延伸至所述塔架(11)的内壁(111)。
6. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述阻尼器(20)位于所述塔架(11)之外。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于
- 所述风力涡轮机(10)包括机舱(12)，并且
- 所述阻尼器(20)被置于所述机舱(12)处。
8. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述液体(30)与粘土和/或粉土混合。
9. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，在所述容器(40)内部的所述液体(30)的填充水平(31)在20%和80%之间，特别地在30%和70%之间。
10. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述第一超环面区段(411)和所述第二超环面区段(412)借助于组装凸缘(42)附接在一起，所述组装凸缘(42)特别地由钢制成。
11. 根据权利要求10所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述阻尼器(20)包括在所述容器(40)内部的至少一个流动障碍(21)。
12. 根据权利要求11所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述流动障碍(21)被置于所述组装凸缘(42)处。
13. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述容器(40)包括超环面区段(41)，所述超环面区段(41)成形为弯曲的超环面区段(413)。
14. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述容器(40)包括成形为弯曲的超环面区段(413)的超环面区段(41)和成形为直的超环面区段(414)的另外的超环面区段(41)。
15. 根据权利要求14所述的阻尼器(20)，其特征在于
- 弯曲的超环面区段(413)的数目等于直的超环面区段(414)的数目，并且
- 每个弯曲的超环面区段(413)与直的超环面区段(414)直接相邻。
16. 根据前述权利要求中的一项所述的阻尼器(20)，其特征在于，所述容器(40)包括用于从所述容器(40)排空所述液体(30)的孔(43)。
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