调谐质量阻尼器在用于风力涡轮机的机舱中的用途

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的机舱、风力涡轮机以及调谐质量阻尼器在风力涡轮机的机舱中的用途。

背景技术

本发明试图解决的主要问题是缩短寿命的机舱支撑结构周期振动，当近共振激励时，这些周期振动由于外部载荷(例如，空气动力学载荷、安装载荷、运输载荷和地震载荷)而发生。这些振动对被支撑在机舱支撑结构上的机舱部件和机舱支撑结构自身的寿命具有负面影响，因为它们可能会导致极端和疲劳载荷的增加。随着机舱尺寸继续增加，这种影响被放大，因为这引入了在外部载荷具有更高能量含量(energy content)的范围内具有更低基频的更柔顺的支撑结构。

内部机舱周期振动目前是通过如下来处理的：添加材料，以避开共振频率并应对在部件的寿命期间疲劳强度的降低。这种材料添加以增加机舱的价格和重量为代价来加固机舱支撑结构。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种在技术上改进的机舱，其结构可经历增加的寿命而没有与向结构添加材料相关联的缺点。

该目的通过权利要求的主题来解决。特别地，该目的通过根据权利要求1所述的用于风力涡轮机的机舱、根据权利要求13所述的风力涡轮机、根据权利要求14所述的调谐质量阻尼器在风力涡轮机的机舱中的用途、以及根据权利要求15所述的方法来解决。本发明的进一步细节从其他权利要求以及描述和附图中展现。由此，关于本发明的机舱所描述的特征和细节关于本发明的风力涡轮机、根据本发明的调谐质量阻尼器的用途和根据本发明的方法是适用的，使得有关本发明的各个方面的公开内容，它被互相提及或能够被互相提及。

根据本发明的第一方面，该目的借助于一种用于风力涡轮机的机舱来解决，其中机舱包括在机舱内部的机舱支撑结构，至少一个调谐质量阻尼器附接到该机舱支撑结构，其中所述至少一个调谐质量阻尼器被调谐为针对(target)机舱的在低于50Hz的频率范围内的至少一种运动模式。

因此，本发明提供了至少一个调谐质量阻尼器，其被调谐为针对对于在机舱内部的机舱支撑结构来说缩短寿命的运动模式中的至少一种或多种，如本说明书的引言部分中所提到的。由此，可避免向机舱支撑结构添加进一步的材料和重量。

尽管通常，在风力涡轮机中使用调谐质量阻尼器是从目前技术水平中已知的(例如，诸如在EP 2 899 394 A1中)，但是如在上述专利申请公开的情况下那样，并未考虑将这种调谐质量阻尼器用于针对机舱的运动(或换句话说，特定用于机舱的模式)。相反，已知的调谐质量阻尼器是针对塔架模式(诸如，塔架弯曲模式)。

然而，随着机舱及其支撑结构尺寸的增加，周期振动就其对机舱支撑结构和机舱部件的寿命缩短影响而言变得更加相关。本发明人已发现，与向机舱支撑结构添加进一步材料的已知方案相比，使用如本文中描述的所述至少一个调谐质量阻尼器可将寿命缩短影响显著减小到最低，同时使该措施的成本保持相对低。

特别是，低于50Hz的频率范围已被识别为如下的范围，即，当所述至少一个调谐质量阻尼器朝向该范围调谐时，可非常有效地减少或甚至消除上文所描述的不利影响。低于50Hz的频率范围涉及机舱结构的非常大的位移，这些位移引起机舱结构的疲劳。将附接到机舱支撑结构的所述至少一个调谐质量阻尼器或几个调谐质量阻尼器调谐到该频率范围已显示出有效地阻尼与机舱结构的增加的疲劳相关联的运动并增加机舱结构的寿命。频率范围可特别地低于40Hz、更特别地低于30Hz、进一步特别地低于20Hz、且甚至进一步特别地低于10Hz，这些可被表征为频率范围的上限。频率范围的下限可为至少1Hz、特别地至少2Hz、且更特别地至少3Hz。仅仅作为示例，频率范围可在2Hz到10Hz的范围内。

所建议的频率范围必须与其他频率区分开来，特别是噪声，噪声具有几千赫兹(103Hz)的频率范围。该频率范围可能是令人不安的，并且潜在地还导致机舱结构的疲劳。但是，相比于通过将所述至少一个调谐质量阻尼器调谐为针对所提出的频率范围从而大尺度地有效减小或消除机舱的结构的位移而避免的疲劳，噪声对疲劳的影响是在很小的尺度上。

根据本发明，所述至少一个调谐质量阻尼器被调谐为针对机舱的在指定频率范围内的至少一种运动模式。运动模式可以是振荡或振动的模式或对运动的其他有规律的重复。通过针对所述至少一种运动模式，所述至少一个调谐质量阻尼器耗散该运动模式的能量，这减小了附接有所述至少一个调谐质量阻尼器的支撑结构的位移幅度。所述至少一种运动模式或多种运动模式可以是唯一的或主要的(或换句话说，主导地)所针对的运动模式。因此，其他模式(诸如，塔架模式)可能会受到调谐质量阻尼器的影响。然而，无论如何，这些都不是主要的或主导地受影响的模式。所述至少一个调谐质量阻尼器自身或几个调谐质量阻尼器自身可包含一个或几个质量块(mass)、一个或几个弹簧以及一个或几个阻尼器。所述至少一个调谐质量阻尼器或这些调谐质量阻尼器附接到机舱支撑结构，以便减小机舱支撑结构的动态响应。任何类型的调谐质量阻尼器(诸如，粘性阻尼的螺旋弹簧悬挂式调谐质量阻尼器、空气悬挂式调谐质量减振器、粘弹性调谐质量阻尼器和摆式调谐质量阻尼器)都可用作所述至少一个调谐质量阻尼器。通过选择调谐质量阻尼器的设计以及质量块、弹簧和阻尼器的类型、数量和参数，调谐质量阻尼器可根据需要被调谐(或换句话说，被设计)为针对所述至少一种运动模式。

机舱的运动的至少一部分或全部可来自机舱的上下运动。这意味着，机舱的在指定频率范围内的所述至少一种运动模式的至少一部分或全部可由机舱的上下运动引起。上下运动可以替代地被称为竖直运动。因此，该特征涉及机舱所经历的运动的方向。与塔架的侧向(side-to-side)运动形成对比，机舱支撑结构经历上下运动，即，沿朝向地面的方向(向下)的方向和沿与地面相反或远离地面的方向(向上)的运动，这对机舱支撑结构是有害的。由此，针对由上下运动引起的运动模式是增加机舱支撑结构及附接到其的机舱部件的寿命的非常有效的方式。

附加地或替代地，机舱的运动的至少一部分可来自机舱的扭转运动。这意味着，在指定频率范围内的机舱的所述至少一种运动模式或其他运动模式的至少一部分或全部可能由机舱的扭转运动引起。因此，该特征涉及机舱所经历的运动的方向。由扭转运动引起的特定机舱模式对机舱支撑结构和机舱部件也是有害的，且可由此非常有效地被针对。

此外，机舱的运动的至少一部分可包括机舱支撑结构的运动。特别地，该运动可以是机舱支撑结构的后端部分的运动。因此，该特征涉及机舱的经历运动的特定结构或部件。

机舱支撑结构可涵盖机舱的任何或所有载荷承载部分，例如后框架、侧部结构、基架(bedframe)和机舱底座，它们不是塔架和转子叶片的一部分。这是因为，机舱的远离塔架的任何载荷承载部分都可能经历破坏性的周期振动。例如，这种载荷承载部分可以是从机舱的每一侧延伸的梁，某些部件安装在这些梁上。对于这种构型，所述至少一个调谐质量阻尼器将优选地位于这些侧梁上。

机舱的运动的至少一部分可包括机舱的壳体的运动。壳体可直接或间接地在结构上附接到机舱支撑结构。因此，机舱支撑结构的运动可被转移到壳体，并且壳体可与机舱支撑结构一起振动。壳体的这种运动(其可从机舱的外部看到)可借助于所述至少一个调谐质量阻尼器来阻尼。

所述至少一个调谐质量阻尼器可被调谐为针对单独地附接到机舱内部的机舱支撑结构的多个机舱部件的运动模式(并且在低于50Hz的频率范围内)。因此，可在机舱中利用一个或几个调谐质量阻尼器以阻尼几个单独的机舱部件的在指定频率范围内的运动。例如，多个机舱部件可以是两个、三个、四个或更多个。例如，机舱部件可特别地来自电气部件、舱室(cabin)、起重机和/或冷却系统。特别地，上述机舱部件可以是定位成更靠近机舱的后端的机舱部件。进一步地，这些机舱部件可以是附接到机舱支撑结构的框架或梁的机舱部件。这些部件可特别地附接到机舱支撑结构的后端部分。上述部件的添加使后端部分更长并由此更容易受到周期振动的损坏。因此，本发明的有利效果对于机舱内部的所描述的设置是特别有益的。

所述至少一种运动可特别地由外部载荷引起。这是因为，缩短寿命的机舱支撑结构周期振动是从外部载荷而不是内部载荷发生的，内部载荷可由在机舱内部的部件(诸如例如，发电机)的操作引起。当近共振激励时，外部载荷例如可以是空气动力学载荷、安装载荷、运输载荷和地震载荷。

特别地，外部载荷可由湍流风、关闭事件或地震事件引起。外部载荷的这些原因已被识别为就机舱及其结构的疲劳而言是最关键的。然而，如本文中提出的所述至少一个调谐质量阻尼器在减小或消除由于这种事件所致的疲劳方面是有效的。

该运动可特别地在机舱支撑结构的后端部分中发生。机舱支撑结构的后端部分沿沿着机舱从风力涡轮机的转子到机舱的后端的方向设置在与风力涡轮机的塔架的附接点后面。因此，后端部分自由悬在地面上方并且不直接由塔架支撑，即，塔架不在其正下方。该后端部分(其从塔架上方突出)特别容易受到来自外部载荷的运动的影响。因此，本发明的有利效果在机舱支撑结构的该部分处是特别有益的。

所述至少一个调谐质量阻尼器可附接到机舱支撑结构的后端部分。机舱支撑结构的后端部分可位于机舱的后端处。机舱支撑结构的后端部分是在机舱内部的如下的部分，即，该部分沿沿着机舱从风力涡轮机的转子到机舱的后端的方向设置在塔架后面。在作为机舱支撑结构的外部分的后端部分上，某些模式的位移最大。因此，当所述至少一个调谐质量阻尼器附接到机舱支撑结构的后端部分时，所述至少一个调谐质量阻尼器在阻尼这些运动模式方面是非常有效的。

机舱可包括附接到机舱支撑结构(特别是其后端部分)的多个调谐质量阻尼器。这些调谐质量阻尼器可在几个不同位置处附接到机舱支撑结构。

而且，多个调谐质量阻尼器可被调谐为针对不同的运动模式或在低于50Hz的频率范围内的运动。例如，多个调谐质量阻尼器中的两个或更多个可被调谐为针对扭转运动的至少一种模式，并且多个调谐质量阻尼器中的至少另一个可被调谐为针对来自上下运动的至少一种模式。为此目的，多个调谐质量阻尼器中的两个或更多个可位于机舱支撑结构(更特别地，其后端部分)的相对侧或转角上。

机舱支撑结构可包括框架或梁。在机舱内部的机舱部件可被支撑到框架或梁上。这种机舱部件可以是传动系(例如，轴承、齿轮箱和发电机)的部件，或者是通常定位成更靠近后端(特别是在后端部分中)的其他部件，如上文所描述的。框架或梁可包括或形成机舱支撑结构的后端部分。

进一步地，机舱支撑结构可附接到机舱的基架，和/或机舱支撑结构可包括基架。框架或梁可被支撑到基架上，从而将风力涡轮机的塔架与机舱连接。

根据本发明的第二方面，上述目的借助于一种风力涡轮机来解决，该风力涡轮机包括根据本发明的第一方面的机舱、以及塔架，其中机舱附接到塔架。

因此，机舱可经由在机舱内部的基架附接到塔架。机舱支撑结构可包括基架或附接到基架，如先前所解释的。

所述至少一个调谐质量阻尼器可附接到机舱支撑结构的后端部分，并且机舱支持结构的后端部分可沿沿着机舱从风力涡轮机的转子到机舱的后端的方向设置在塔架后面。沿着机舱从转子到机舱的后端的方向是机舱以其长度延伸所沿着的方向。因此，后端部分是机舱支撑结构的位于塔架后面的一部分。由此，附接到后端部分的所述至少一个调谐质量阻尼器针对的是后端部分的振动。因此，所述至少一个调谐质量阻尼器不影响或至少不主要影响塔架模式，而是影响机舱的至少一种运动模式。

根据本发明的第三方面，上述目的借助于至少一个调谐质量阻尼器在用于风力涡轮机的机舱中的用途来解决，其中，所述至少一个调谐质量阻尼器附接到在机舱内部的机舱支撑结构，并且被调谐为针对机舱的在低于50Hz的频率范围内的至少一种运动。

根据本发明的第四方面，上述目的借助于一种用于阻尼根据本发明的第一方面的机舱的至少一种运动的方法来解决，其中，机舱的在低于50Hz的频率范围内的至少一种运动借助于所述至少一个调谐质量阻尼器来阻尼。

该运动可由外部载荷引起，该外部载荷可特别地由湍流风、关闭事件或地震事件引起，如上文所描述的。而且，如上文所描述的，机舱的运动的所述至少一部分或一种可包括机舱支撑结构、壳体和/或多个机舱部件的运动。进一步地，该运动的至少一部分或一种可来自机舱(特别是机舱支撑结构、壳体和/或多个机舱部件)的扭转运动和/或上下运动。

附图说明

本发明的进一步优点、特征和细节从以下描述中展现，其中通过参考附图1，详细描述了本发明的实施例。由此，来自权利要求的特征以及说明书中提到的特征单独采用或按任意组合采用对于本发明来说可以是基本的。

具体实施方式

在附图中，图1示出了根据本发明的风力涡轮机的示意性表示。

风力涡轮机1包括机舱10，该机舱借助于机舱支撑结构11的基架13附接到塔架2，该机舱支撑结构位于机舱10的内部空间6中。在该特定实施例中，机舱支撑结构11进一步包括附接到基架13的框架或梁。然而，机舱支撑结构11可包括彼此附接的其他或进一步的结构部分，这些结构部分不一定必须是框架或梁。将注意的是，图1中的图示是示意性的，并且仅出于图示目的而选择元件(诸如，机舱支撑结构11和基架13)的尺寸、取向和定位。例如，机舱支撑结构11与其框架或梁可定位得比图1中所示的更低并且更靠近塔架2。

机舱支撑结构11支撑风力涡轮机1的驱动单元。在这种情况下，风力涡轮机1是直接驱动式风力涡轮机1，并且不具有齿轮箱。然而，风力涡轮机1可以替代地具有任何其他驱动单元，诸如齿轮传动的驱动单元。转子5与固定到转子5的转子叶片3、4一起附接到该驱动单元的驱动轴16。在该示例性实施例中，仅示出了两个转子叶片3、4。然而，转子叶片3、4的数量可更大，诸如例如，三个。驱动轴16连接到发电机19并被支撑在轴承17、18上，这些轴承在机舱10前部被支撑在机舱支撑结构11上，转子5设置在前部。

机舱10包括壳体8，该壳体包围机舱10的内部空间6，其中机舱10的部件位于该内部空间中。机舱10具有后端9，该后端定位成与转子5相对。机舱10从转子5或在转子5之前不远处在驱动轴16处延伸到后端9。沿着该方向，机舱10具有后端区段7。机舱10的后端区段7并未搁置在塔架2上，而是自由地布置在地面上方。

在后端区段7中，机舱支撑结构11包括后端部分12。后端部分12在后端区段7内部沿着从转子5到后端9的方向延伸，并且一直延伸到机舱10的后端9或在其之前。在示例性实施例中，后端部分12是上述框架或梁的一部分。然而，如先前所解释的，后端部分12也可以是基架13的一部分或机舱支撑结构12的任何其他合适的结构部分，借助于该后端部分，机舱部件被支撑为搁置在塔架2上。

在该实施例中，机舱支撑结构11的后端部分12支撑冷却系统15，该冷却系统仅仅是多个机舱部件中的一个的一个示例，这些机舱部件可在机舱支撑结构11的后端部分12处单独地附接到该机舱支撑结构。因此，可存在更多的机舱部件，诸如例如电气系统、舱室和起重机，它们可在机舱支撑结构11的后端部分12处被支撑在该机舱支撑构件上。

机舱10的后端部分12特别容易受到来自外部载荷的周期振动的影响，其可能导致机舱支撑结构11的损坏。为此目的，机舱10包括调谐质量阻尼器20。调谐质量阻尼器20附接到机舱10的后端部分12，并且被调谐为针对来自在后端部分12的端部处指示的上下运动14的模式，该上下运动是在低于20Hz的频率范围内。调谐质量阻尼器20由此在那些特定的机舱模式下耗散能量，这进而降低了机舱支撑结构11在其后端部分12处经历的振动水平。调谐质量阻尼器20主要针对上下内部机舱运动14，且因而不阻尼塔架2的由侧向运动引起的振动。而且，调谐质量阻尼器20不针对具有20Hz或更高的频率的任何噪声或其他振动。

当然，有可能将进一步的或替代的调谐质量阻尼器20附接到机舱支撑结构11，以在具有高疲劳和极端载荷的极端事件中更进一步耗散能量或者针对其他特定的机舱模式，诸如例如来自机舱支撑结构11的扭转运动。