DE20202054U1

DE20202054U1 - Rotor blade for a wind turbine with a damper device

Info

Publication number: DE20202054U1
Application number: DE20202054U
Authority: DE
Original assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Current assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Priority date: 2002-01-26
Filing date: 2002-01-26
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2012-01-27

Description

Rotorblatt für eine Windkraftanlage mit einer Dämpfereinrichtung Rotor blade for a wind turbine with a damper device

Die Erfindung betrifft ein Rotorblatt für eine Windkraftanlage, mit einer Dämpfereinrichtung. Bei zunehmender Länge der Rotorblätter treten Blattschwingungen auf. Die auftretenden Schwingungen können in Schwingungen aus der Rotorebene heraus und Schwingungen innerhalb der Rotorebene zerlegt werden. Konstruktionsbedingt sind die Schwingungen aus der Rotorebene heraus, in der sogenannten Schlagrichtung, unkritisch für das Rotorblatt. Anders verhält es sich jedoch mit den Schwingungen in der Rotorebene. Besonders treten Blattschwingungen in der Rotorebene bei stallregulierten Windenergieanlagen auf, bei denen die Rotorblätter starr mit der Nabe verbunden sind und bei denen die Leistungsbegrenzung bei hohen Windgeschwindigkeiten durch Strömungsabriß erfolgt.The invention relates to a rotor blade for a wind turbine, with a damper device. As the length of the rotor blades increases, blade vibrations occur. The vibrations that occur can be broken down into vibrations from the rotor plane and vibrations within the rotor plane. Due to the design, the vibrations from the rotor plane, in the so-called direction of impact, are not critical for the rotor blade. However, the situation is different with vibrations in the rotor plane. Blade vibrations in the rotor plane occur particularly in stall-regulated wind turbines in which the rotor blades are rigidly connected to the hub and in which the power is limited at high wind speeds by flow separation.

...12...12

German Patent Attorneys, European Patent and Community Trade Mark AttorneysGerman Patent Attorneys, European Patent and Community Trade Mark Attorneys

Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt und Harmonisierungsarm ftlr.den BinnenmarktAuthorized representative before the European Patent Office and Harmonization Arm for the Internal Market

Deutsche BanljifQ IJMfturg, Jttfl£28497i(6LZ 200.7OJ 24) · POsAan]c[HaJnb.urg, NJ. 2ij42^06 (BLZ 200 100 20)Deutsche BanljifQ IJMfturg, Jttfl£28497i(6LZ 200.7OJ 24) · POsAan]c[HaJnb.urg, NJ. 2ij42^06 (BLZ 200 100 20)

: : :·· Dresdi*rSar8cAGftambuigNf*93S60%5*(&Bgr;>.2109 8001)0): :: : :·· Dresdi*rSar8cAGftambuigNf*93S60%5*(&Bgr;>.2109 8001)0): :

Aus EP O 792 414 ist eine Dämpfungseinrichtung fur einen Windradflügel bekannt, die mit einem Oszillationsverringerungselement versehen ist. Bei dem bekannten Oszillationsverringerungselement schwingt ein Massenkörper in der Rotorebene gegen die Kraft einer Feder. Gedämpft wird die Bewegung des Massenkörpers durch ein Dämpferelement mit einer geschwindigkeitsproportionalen Dämpfung erzielt. Nachteilig an dem bekannten Oszillationsverringerungsmechanismus ist, daß dieser bei Federbruch ausfällt und ein unkontrolliertes Dämpfungsverhalten zeigt.EP 0 792 414 discloses a damping device for a wind turbine blade which is provided with an oscillation-reducing element. In the known oscillation-reducing element, a mass body oscillates in the rotor plane against the force of a spring. The movement of the mass body is damped by a damper element with a speed-proportional damping. The disadvantage of the known oscillation-reducing mechanism is that it fails when the spring breaks and exhibits uncontrolled damping behavior.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt bereitzustellen, dessen Schwingungen in der Rotorebene mit einfachen Mitteln zuverlässig gedämpft werden.The invention is based on the object of providing a rotor blade whose vibrations in the rotor plane are reliably dampened by simple means.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Rotorblatt mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotorblatts sind Gegenstand der Unteransprüche.The object according to the invention is achieved by a rotor blade having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the rotor blade are the subject of the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotorblatt wird eine federlose Dämpfereinrichtung eingesetzt. Die Dämpfereinrichtung besitzt ein Gehäuseelement, in dem ein Dämpfungskörper angeordnet ist. Der Dämpfungskörper kann sich in dem Gehäuseelement hin- und herbewegen. Das Gehäuseelement besitzt zwei, vorzugsweise parallele, Flächen. Von den Flächen ist eine als gekrümmte Abrollfläche für den Dämpfungskörper ausgebildet. Das Gehäuseelement ist derart in dem Rotorblatt ausgerichtet, daß derA springless damper device is used in the rotor blade according to the invention. The damper device has a housing element in which a damping body is arranged. The damping body can move back and forth in the housing element. The housing element has two, preferably parallel, surfaces. One of the surfaces is designed as a curved rolling surface for the damping body. The housing element is aligned in the rotor blade in such a way that the

Dämpfungskörper eine begrenzte Bewegung in der Ebene des Rotorblatts quer zu dessen Längsrichtung ausführt. Bei einer Schwingung des Rotorblatts in der Rotorebene wird der Dämpfungskörper also in dem Gehäuseelement hin- und herbewegt. Durch die Krümmung der Abrollfläche besitzt der Dämpfungskörper unter Einwirkung des Zentrifugalbeschleunigung eine ungestörte Eigenfrequenz, die ungefähr der Frequenz des Grundmode bei einer Schwingung des Rotorblatts in der Rotorebene entspricht. Die Zentrifugalbeschleunigung wird für eine Nenndrehzahl des Rotorblatts bestimmt. Die ungestörte Eigenfrequenz des Dämpfungskörpers ergibt sich, wenn dieser sich frei unter dem Einfluß der Schwerkraft und der Zentrifugalkraft auf der Krümmung der Abrollfläche bewegt. Nahe einer Ruhelage auf der Abrollfläche beschreibt der Dämpfungskörper eine annähernd harmonische Bewegung, der eine Frequenz zugeordnet werden kann. Diese wird als ungestörte Eigenfrequenz bezeichnet. Erfindungsgemäß besitzt der Dämpfungskörper in dem Gehäuseelement eine Eigenfrequenz, die ungefähr der Frequenz der zu dämpfenden Schwingung eines Rotorblatts entspricht. Die Dämpfereinrichtung besteht aus einem Gehäuseelement und einem Dämpfungskörper; ein Federelement oder ein zusätzliches Dämpferelement entfallen dabei, so daß ein Federbruch oder ein Verschleiß des Dämpferelements nicht auftreten kann. Die für die Dämpfung wichtige federnde Wirkung wird durch die Fliehkraft und die Verdrängung eines Mediums in dem Gehäuse erreicht.Damping body executes a limited movement in the plane of the rotor blade transverse to its longitudinal direction. When the rotor blade oscillates in the rotor plane, the damping body is therefore moved back and forth in the housing element. Due to the curvature of the rolling surface, the damping body has an undisturbed natural frequency under the influence of centrifugal acceleration, which approximately corresponds to the frequency of the fundamental mode when the rotor blade oscillates in the rotor plane. The centrifugal acceleration is determined for a nominal speed of the rotor blade. The undisturbed natural frequency of the damping body arises when it moves freely under the influence of gravity and centrifugal force on the curvature of the rolling surface. Close to a rest position on the rolling surface, the damping body describes an approximately harmonic movement to which a frequency can be assigned. This is referred to as the undisturbed natural frequency. According to the invention, the damping body in the housing element has a natural frequency that approximately corresponds to the frequency of the vibration of a rotor blade to be damped. The damper device consists of a housing element and a damping body; a spring element or an additional damper element is not required, so that spring breakage or wear of the damper element cannot occur. The spring effect, which is important for damping, is achieved by centrifugal force and the displacement of a medium in the housing.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt das Gehäuseelement zwei flache, parallel zueinander angeordnete Seitenwände, die die Flächen seitlich begrenzen. Das Gehäu-In an advantageous embodiment, the housing element has two flat side walls arranged parallel to each other, which laterally limit the surfaces. The housing

I V j j"V·I V j j"V·

::· &ngr;: IV I V j j"V·:· : :::· vngr;: IV I V j j"V·:· : :

&ngr;: IV I V j&ngr;: IV I V j

V j jV: : :V j jV: : :

seelement besitzt einen viereckigen Querschnitt. Damit der Dämpfungskörper durch eine Schwingung in der Rotorebene angeregt werden kann, ist die Abrollfläche von der Spitze des Rotorblatts fort gekrümmt. In seiner Ruhelage besitzt der Dämpfungskörper den geringsten Abstand zu der Spitze des Rotorblatts. Das Gehäuseelement ist ganz oder teilweise mit mindestens einem Fluid, vorzugsweise mit Luft, gefüllt. Der als Scheibe ausgebildete Dämpfungskörper rollt auf der Abrollfläche entlang deren Krümmung, wobei mindestens zu der gegenüberliegenden Fläche ein Abstand verbleibt, durch den bei einer Bewegung des Dämpfungskörpers das Fluid strömt. Der Dämpfungskörper bewegt sich also durch das Fluid und verdrängt dieses bei seiner Bewegung.The damping element has a square cross-section. So that the damping body can be excited by a vibration in the rotor plane, the rolling surface is curved away from the tip of the rotor blade. In its rest position, the damping body is the smallest distance from the tip of the rotor blade. The housing element is completely or partially filled with at least one fluid, preferably air. The damping body, designed as a disk, rolls on the rolling surface along its curvature, leaving a gap at least to the opposite surface through which the fluid flows when the damping body moves. The damping body therefore moves through the fluid and displaces it as it moves.

Der Dämpfungskörper ist bevorzugt als Scheibe ausgebildet, die auf der Abrollfläche entlang deren Krümmung rollt. Die Scheibe ist vorzugsweise mit einem umlaufenden Bund versehen, der an gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuseelements anliegt. Durch die Anlage der Scheibe an den Seitenwänden wird eine Torkel- oder Taumelbewegung unterbunden.The damping body is preferably designed as a disk that rolls on the rolling surface along its curvature. The disk is preferably provided with a circumferential collar that rests against opposite side walls of the housing element. By resting the disk against the side walls, a wobbling or tumbling movement is prevented.

Die Abrollflächen besitzen an ihren Enden bevorzugt Stirnwandabschnitte, die im wesentlichen halbkreisförmig gekrümmt sind. Der scheibenförmig ausgebildete Dämpfungskörper kann mithin von der einen Abrollfläche zu der anderen Abrollfläche über die Stirnwandabschnitte rollen. Hierdurch wird ein Anschlagen der begrenzten Bewegung des Dämpfungskörpers vermieden.The rolling surfaces preferably have end wall sections at their ends that are curved in a substantially semicircular manner. The disc-shaped damping body can therefore roll from one rolling surface to the other rolling surface over the end wall sections. This prevents the limited movement of the damping body from hitting anything.

&igr;":" "= &Ggr;·"= fO fVL ! S 1&igr;":" "= &Ggr;·"= fO fVL ! S1

fV".L:. ! S 1fV".L:. ! S 1

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Eigenfrequenzverhältnis von ungestörter Eigenfrequenz des Dämpfungskörpers zur Grundmode des Rotorblatts in der Rotorebene kleiner als 1, vorzugsweise ungefähr 0,98. Das Eigenfrequenzverhältnis wird abhängig von dem Verhältnis von zu dämpfender Schwingungsmasse und Masse des Dämpfungskörpers optimiert.In a preferred embodiment, the natural frequency ratio of the undisturbed natural frequency of the damping body to the fundamental mode of the rotor blade in the rotor plane is less than 1, preferably approximately 0.98. The natural frequency ratio is optimized depending on the ratio of the vibration mass to be damped and the mass of the damping body.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:A preferred embodiment is explained in more detail below with reference to the figures. It shows:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Rotorblatt mit einer Dämpereinrichtung in derFig. 1 a rotor blade according to the invention with a damping device in the

Draufsicht auf die Rotorebene,Top view of the rotor plane,

Fig. 2 Gehäuseelement mit darin angeordneter Dämpfermasse,Fig. 2 Housing element with damper mass arranged therein,

Fig. 3 Schnitt entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2 undFig. 3 Section along line 3-3 of Fig. 2 and

Fig. 4 Schnitt entlang der Linie 4-4 aus Fig. 2.Fig. 4 Section along line 4-4 of Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Rotorblatt 10 in einer Draufsicht auf die Rotorebene. Das Rotorblatt wird aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, und durch querverlaufende Stege und längsverlaufende Holme stabilisiert. Insbesondere bei Stallanlagen ist das Rotor-Fig. 1 shows a rotor blade 10 in a top view of the rotor plane. The rotor blade is made of glass fiber reinforced plastic and is stabilized by transverse webs and longitudinal spars. The rotor blade is particularly

nono

-6-blatt
anfällig gegen Schwingungen in der Rotorebene, deren Schwingungsamplitude durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Schwingungen in der Rotorebene können als Biegeschwingung des Rotorblatts mit einer starren Befestigung an der Nabe aufgefaßt werden. Solche Biegeschwingungen können mehrere Eigenfrequenzen oder Bereiche von Eigenfrequenzen besitzen, wobei die Eigenfrequenz mit dem größten Beitrag zur Schwingungsamplitude als erste Eigenfrequenz bzw. als Grundmode bezeichnet wird. In der Regel ist dies auch die kleinste Eigenfrequenz. Gerade wenn das Rotorblatt im Stallbereich betrieben wird, in dem es zu einem Abriß der Luftströmung mit einer nachfolgenden Wirbelbildung kommt, werden auch die Schwingungen in der Rotorebene besonders stark angeregt.-6-sheet
susceptible to vibrations in the rotor plane, the vibration amplitude of which is indicated by a double arrow. The vibrations in the rotor plane can be understood as bending vibrations of the rotor blade with a rigid attachment to the hub. Such bending vibrations can have several natural frequencies or ranges of natural frequencies, whereby the natural frequency with the greatest contribution to the vibration amplitude is referred to as the first natural frequency or the fundamental mode. This is usually also the smallest natural frequency. Especially when the rotor blade is operated in the stall area, in which the air flow breaks off and a subsequent vortex formation occurs, the vibrations in the rotor plane are also particularly strongly excited.

Von dem erfindungsgemäßen Rotorblatt 10 ist in Fig. 1 der Bereich der Blattspitze 14 dargestellt. Beabstandet von der Blattspitze 14 ist ein Gehäuse 16 mit einem darin angeordneten Dämpfungskörper 18 vorgesehen.The region of the blade tip 14 of the rotor blade 10 according to the invention is shown in Fig. 1. A housing 16 with a damping body 18 arranged therein is provided at a distance from the blade tip 14.

Das Gehäuse 16 besitzt zwei parallel einander gegenüberliegende Flächen 20 und 22. Die Flächen 20 und 22 sind gekrümmt, vorzugsweise als Kreisbogensegment. Der Dämpfungskörper 18 rollt auf der als Abrollfläche ausgebildeten Fläche 22, die zur Spitze des Rotorblatts weist. Seitliche Querbewegung des Dämpfungskörpers werden durch die Seitenwandflächen 24 und 26 begrenzt.The housing 16 has two parallel surfaces 20 and 22 that are opposite one another. The surfaces 20 and 22 are curved, preferably as a circular arc segment. The damping body 18 rolls on the surface 22 that is designed as a rolling surface and faces the tip of the rotor blade. Lateral transverse movement of the damping body is limited by the side wall surfaces 24 and 26.

1 '?. i 1 '? . i

Der Dämpfungskörper 18 besitzt einen umlaufenden Bund 28 entlang seinem äußeren Umfang. Der Bund 28 steht aus dem Dämpfungskörper 18 vor und liegt an den Seitenwandflächen 24 und 26 an. Der Dämpfungskörper 18 ist bevorzugt aus einer vollen Scheibe ausgebildet.The damping body 18 has a circumferential collar 28 along its outer circumference. The collar 28 protrudes from the damping body 18 and rests against the side wall surfaces 24 and 26. The damping body 18 is preferably formed from a solid disk.

Fig. 4 zeigt den auf der Abrollfläche 22 rollenden Dämpfungskörper 18, der einem Abstand 30 zu der Fläche 20 besitzt.Fig. 4 shows the damping body 18 rolling on the rolling surface 22, which has a distance 30 to the surface 20.

Der Dämpfungskörper 18 rollt unter Wirkung der Zentrifugalkraft zwischen den Stirnwandabschnitten 32 und 34 auf der Abrollfläche. Der Massenschwerpunkt des Dämpfungskörpers 18 beschreibt dabei eine Bewegung parallel zu der Abrollfläche. Bei der Bewegung entlang der Abrollfläche verdrängt der Dämpfungskörper das in Bewegungsrichtung vor ihm liegende Medium über einen zwischen Dämpfungskörper und Fläche 20 verbleibenden Schlitz 30 in den in Bewegungsrichtung hinter dem Dämpfungskörper liegenden Bereich des Gehäuses. Im Gegensatz zu einem Pendel oder einer Rotationsbewegung besitzt der Massenschwerpunkt des Dämpfungskörpers bei einer Bewegung entlang der Abrollfläche 22 eine andere Position als bei der Bewegung entlang der Abrollfläche 20.The damping body 18 rolls under the effect of centrifugal force between the end wall sections 32 and 34 on the rolling surface. The center of mass of the damping body 18 describes a movement parallel to the rolling surface. When moving along the rolling surface, the damping body displaces the medium lying in front of it in the direction of movement via a slot 30 remaining between the damping body and surface 20 into the area of the housing lying behind the damping body in the direction of movement. In contrast to a pendulum or a rotational movement, the center of mass of the damping body has a different position when moving along the rolling surface 22 than when moving along the rolling surface 20.

Bevorzugt sind Gehäuse und Dämpfungskörper aus Stahl hergestellt. Das Gehäuse besteht aus einem Deckel beispielsweise in Form einer Seitenwand und einem Gehäuse-Preferably, the housing and damping body are made of steel. The housing consists of a cover, for example in the form of a side wall, and a housing

-8--8th-

&Ggr;, wobei die Flächen 20 und 22 sowie die Seitenabschnitte 32 und 34 einstückig hergestellt sein können.&Ggr;, wherein the surfaces 20 and 22 and the side sections 32 and 34 can be manufactured in one piece.

Die Eigenfrequenz des Dämpfungskörpers 18 in dem Gehäuse hängt ab von der Masse des &Kgr;&ogr;&phgr;&bgr;&EEacgr;, der Krümmung des Gehäuses, der Füllung in dem Gehäuse und der Größe eines Abstands 30, sowie von der Zentrifugalbeschleunigung bei der Nenndrehzahl. Aufgrund der Drehung des Rotorblatts schließt die nach außen gerichtete Zentrifugalbeschleunigung unterschiedliche Winkel mit der Schwerkraft ein.The natural frequency of the damping body 18 in the housing depends on the mass of the damping body 18, the curvature of the housing, the filling in the housing and the size of a gap 30, as well as on the centrifugal acceleration at the rated speed. Due to the rotation of the rotor blade, the outward-directed centrifugal acceleration forms different angles with gravity.

Für den Einbau des Gehäuses in den Rotor wird dieses in eine Tasche aus glasfaserverstärktem Kunststoff einlaminiert und beispielsweise in das Rotorblatt eingeklebt.To install the housing in the rotor, it is laminated into a pocket made of glass fiber reinforced plastic and glued into the rotor blade, for example.

Als besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung hat sich erwiesen, daß eine Zentrierung der Ruhelage des &Ogr;&agr;&tgr;&eegr;&rgr;&iacgr;&Igr;&idiagr;&Ggr;^^&phgr;&egr;&Ggr;&Bgr; 18 bereits durch die Fliehkraft und die konvexe Abrollfläche erfolgt. Ferner kommt der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer ohne zusätzliche mechanische Teile aus, so daß weder ein Verschleiß noch eine Wartung auftritt. Indem der Dämpfungskö&phgr;er 18 neben seiner Bewegung zwischen den Stirnflächen des Gehäuses auch in Rotation versetzt wird, ist die effektiv wirksame Masse des Dämpfungskö&phgr;ers 18 größer als die zusätzlich in den Rotor eingebaute Masse.It has proven to be particularly advantageous in the damping device according to the invention that the centering of the rest position of the vibration damper 18 is already achieved by the centrifugal force and the convex rolling surface. Furthermore, the vibration damper according to the invention does not require any additional mechanical parts, so that neither wear nor maintenance occurs. Since the damping body 18 is set in rotation in addition to its movement between the end faces of the housing, the effective mass of the damping body 18 is greater than the additional mass built into the rotor.

Claims

1. Rotor blade for a wind turbine, with a damper device, which

- a housing element ( 16 ) and a damping body ( 18 ) arranged in the housing element,

- the housing element has two surfaces ( 20 , 22 ), one of which is designed as a curved rolling surface ( 22 ) for the damping body ( 18 ) and is aligned in the rotor blade such that the damping body ( 18 ) executes a limited movement in the plane of the rotor blade transversely to its longitudinal direction,

- the curvature of the rolling surface ( 22 ) has an undisturbed natural frequency for the damping body, which approximately corresponds to the frequency of the fundamental mode during an oscillation of the rotor blade in the rotor plane.

2. Rotor blade according to claim 1, characterized in that the surfaces ( 20 , 22 ) run parallel to one another.

3. Rotor blade according to claim 1 or 2, characterized in that the housing element has two flat side walls arranged parallel to one another, which laterally delimit the rolling surfaces.

4. Rotor blade according to claim 2, characterized in that the rolling surface ( 22 ) is curved away from the tip ( 14 ) of the rotor blade.

5. Rotor blade according to one of claims 1 to 4, characterized in that the housing element ( 16 ) is completely or partially filled with at least one fluid.

6. Rotor blade according to claim 5, characterized in that air is provided as the fluid.

7. Rotor blade according to claim 5 or 6, characterized in that the damping body ( 18 ) is designed as a disk which rolls along the curvature of the rolling surface ( 22 ) during a movement thereof.

8. Rotor blade according to claim 7, characterized in that during a rolling movement on the rolling surface ( 22 ) a distance ( 30 ) remains from the other surface ( 20 ) through which the fluid flows during the movement of the damping body.

9. Rotor blade according to claim 8, characterized in that the disc has a circumferential collar on each flat side which rests against the opposite side walls of the housing element.

10. Rotor blade according to claim 9, characterized in that the rolling surfaces have end wall sections at their ends which are curved in a substantially semicircular manner.

11. Rotor blade according to one of claims 1 to 10, characterized in that the natural frequency ratio of the undisturbed natural frequency to the natural frequency in the fundamental mode for the oscillation in the rotor plane is less than 1, preferably approximately 0.98.