风力涡轮机中的颤振阻尼 本发明涉及利用颤振阻尼装置对风力涡轮机中的第一种弯曲模态的颤振进行阻尼，该阻尼装置包括一个或多个部分地充以液体的容器，用于阻尼该风力涡轮机的第一个自然弯曲频率的颤振。
具体地说，本发明涉及包括多个方形横截面地，并部分地充以液体的盒子形状的容器的阻尼装置。该阻尼装置提供的单方向的阻尼大小相当于该风力涡轮机的第一自然弯曲频率的颤振的对数衰减量的至少4-8％，包括在该容器中的液体的总质量，等于涡轮机舱质量的1.2-1.8％。在近海设置的风力涡轮机的情况下，风力和海浪的综合激振，需要更大的阻尼，该阻尼最好相当于上述该风力涡轮机的第一自然弯曲频率颤振的对数衰减量的10-15％，同时，包含在上述容器中的液体的总质量，等于上述涡轮机舱质量的2-4％。
另外，本发明还涉及风力涡轮机的第二种弯曲模态的颤振的阻尼及该风力涡轮机的第一种和第二种弯曲模态的颤振的综合阻尼。
背景
所有高大的建筑物和结构都受到风力包括该建筑物的自然弯曲频率在内的全频谱的激振。由于作用在建筑物上的水平力与风速成正比例，因此，风力对细高的圆柱形建筑物，例如烟囱，和具有这种水平力特性的传统的风力涡轮机的第一自然弯曲频率的颤振，有阻尼作用。
现代的风力涡轮机的水平力特性，对于某一极限之上的风速有一段平直部分，或者甚至与风速成反比例。后一个特性对于风力涡轮机的发电是有利的，但结构稳定性降低，因为当风速在极限之上时，一般大约为10m/s，风力将使风力涡轮机的颤振扩大。上述反比例特性的结果是，当风力涡轮机的顶部顺风摇摆，并在该顶部的相对风速减小时，作用在风力涡轮机上的水平力增加了；而当风力涡轮机的顶部迎风摇摆，并在该顶部的相对风速增大时，作用在风力涡轮机上的水平力减小。
从先前的技术已知，利用包括一个或多个质量、弹簧和阻尼器的机械阻尼装置，对风力涡轮机的第一自然弯曲频率的颤振产生阻尼的方法。用这种方法解决风力涡轮机的颤振问题是很昂贵的；因为包括动力传输系统的涡轮机舱安置在一个细高的塔的顶部，第一种自然弯曲模态下的等值的摇摆质量非常大，必需使用的阻尼装置的质量较大。
从EP 0648906 A1和EP 0686733 A1已知，利用部分地充以液体并调整至阻尼该建筑物的自然频率的容器，对又细又高的建筑物，例如烟囱，桅杆等的颤振产生阻尼的方法。所用的容器的横截面为可形成准对称阻尼特性的准对称形状，例如圆形，正方形的或三角形的。这种阻尼特性对于具有对称颤振特性的建筑物是有利的。同样的，利用准对称的容器对于又细又高的建筑物实行阻尼的方法，可以，例如，US 4873798，US 4783937，US 4924639，US 4875313和US 4922671中知道。所采用的容器的原理也可用于本发明，但风力涡轮机的自然频率颤振的阻尼，与细高的建筑物颤振的阻尼颇为不同。
与诸如烟囱一类的细高建筑物相反，风力涡轮机的第一种自然弯曲模态的等值颤振质量，等于风力涡轮机的总质量的85-90％；而烟囱的等值颤振质量仅为烟囱总质量的大约10-15％。这个差别是由于风力涡轮机的舱的质量集中，一般达到颤振质量的大约85％所造成的。另外，设置在风力涡轮机顶部的转子，使风力涡轮机的顶部暴露在大的风力作用下，以及使该顶部受到转子转动频率和该转动频率的三倍(对于三叶片式的风力涡轮机)的频率的周期性的激振。另一方面，对于细高的建筑物所熟知的形成一条Von Karman涡流通道，对于风力涡轮机则可忽略。
风力涡轮机的颤振总是存在的，但随着新一代非常大的风力涡轮机的开发，这个问题变得更突出了。当风速很大(＞20m/s)时，某些偏转误差计算表明，塔的结构阻尼和转子与涡轮机舱的空气动力学阻尼结合起来还是太小。风进入系统的能量，比从系统排出的能量多。结果是颤振失控，导致故障发生。
一种“柔和”的发电机，即转差率大的发电机，可使颤振受到阻尼，但这种发电机比转差率小的发电机昂贵和大得多。因此，要避免用这种方法来解决上述问题。
改变塔的自然频率可以减小颤振，但不能解决进入系统的能量，比排出的能量多的主要问题。最好和最便宜的方法是在风力涡轮机中安装阻尼装置。阻尼器可以放置在产生运动的位置，但因为最大的颤振振幅是在塔和涡轮机舱的顶部；因此，最优的放置位置是风力涡轮机的上部。阻尼器可以置于塔中，涡轮机舱中或外面。
风力涡轮机第一弯曲频率的颤振的阻尼，一般可减小作用在塔上的疲劳负载，并因而减少塔所需的钢铁量。
然而，导致风力涡轮机塔结构比较瘦小的颤振的有效阻尼，特别是与高达大约120m的较高的塔综合起来，可以产生也能增加作用在塔上的疲劳负载的风力涡轮机的第二自然弯曲频率的颤振。先前，在风力涡轮机的已知文献中，没有认识到或提到二阶颤振的阻尼问题，因为不带第一种自然弯曲模态频率的颤振阻尼的阻尼装置的风力涡轮机塔的较矮和较坚牢的结构，不存在这个问题。
本发明说明
本发明的一个目的，是要提供一种可供商业上使用的风力涡轮机的第一自然弯曲频率的颤振的有效阻尼方法。为了达到这个目的，比较有利的作法是：形成带有一个结构简单，使用液体作为颤振质量，也可以用较价廉的颤振质量，例如水的阻尼器的风力涡轮机。
本发明的另一个目的，是要提供一种第二自然弯曲频率的颤振本身的阻尼，或与第一自然弯曲频率的颤振阻尼综合的阻尼方法。
第一自然弯曲频率颤振的阻尼器可用许多方法制成，这里要说明的是本发明的优选实施例。
图1表示一个正方形的盒，其边长为L，盒内的液面高度(当盒子静止，即没有颤振时)为H。
对于某一确定的塔的第一弯曲自然频率和一个确定的盒尺寸，最优的液面高度Hopt可以从以下二个方程式的计算给出：
Hopt＝1.06·Hteo…………………………(2)式中 L——盒的边长；
g——重力加速度；
Hteo——理论的最佳液面高度；
Hopt——经验的最佳液面高度；
fo——液体的自然频率(在第一种弯曲模态下，应与塔的自然频率相同)。
式(1)是理论上得出的，而系数1.06是由实验确定的。该系数的大小构成本发明的一部分。
风力涡轮机的总的摆动质量，由涡轮机舱的质量、转子质量，和塔的等价质量所有加在一起的质量确定。塔的等价质量是当安置在塔的顶部时，在给出相同的颤振的条件下，可以代替塔的所有其他质量的质量。目前生产和销售的风力涡轮机的总的摆动质量，主要是在30,000-120,000kg范围内；摆动质量高达300,000kg在十年内还是不现实的。
实验表明，在每一个盒中的最佳液面高度调整至塔的自然频率的条件下，当所使用的所有液体的质量为总的摆动质量的1％时；风力涡轮机的颤振将衰减4-4.5％(对数衰减法)。实验还表明，在质量比(总的液体质量与总的摆动质量之比)的合理范围0.5％-8％内，系统预期的阻尼近似为质量比的线性函数。对于在水平平面内的所有方向的颤振，该盒的阻尼作用是相同的。
系统的对数衰减量δ由下式确定：δ=1n1na1an·100%··············(3)]]>式中 n——颤振数目；
a1——第一个颤振的振幅；
an——第n个颤振的振幅。
这样，本发明涉及一种风力涡轮机，它包括：
一个静止部分，该部分包括基本上在垂直方向延伸的一个塔，和该塔的下端部分固定在上面的一个基础；
包括一个具有安装在回转轴线基本上为水平的一根主轴上的至少一个叶片的风力转子，和一个动力传输系统的一个涡轮机舱；
包括一个固定在该塔的上端部分的静止部分和固定在该涡轮机舱上的一个可动部分的一个偏转系统，该静止部分和可动部分设计成使该舱由该塔在垂直方向和水平方向支承；并可围绕着一根基本上垂直的偏转轴线相对于该塔摆动；和
设在风力涡轮机上部，并包括至少一个部分地充以液体的容器的颤振阻尼装置，该颤振阻尼装置的主阻尼频率设计成可对风力涡轮机的第一自然弯曲频率的颤振产生阻尼；其基本上为单方向的阻尼大小，相当于该风力涡轮机的所述的第一自然频率的颤振的对数衰减量的至少2％，并且，包含在该至少一个容器中的液体的总质量，等于该涡轮机舱的质量的至少0.6％。
风力涡轮机有至少一个叶片，对于所述的那种风力涡轮机，最普通的叶片数目为2或3。该主轴具有一根基本上水平的回转轴线，该主轴还包括几条与水平线倾斜大约10°的轴线。
为了得到合适的阻尼大小，液体的总质量可以在上述涡轮机舱质量的0.6％-3％范围内；较好是在0.9％-2.4％范围内；而最好是在1.2％-1.8％范围内。为了使风和海浪对风力涡轮机的综合激振，包括叶片引起的激振在内，得到足够的阻尼；对于风力涡轮机的塔暴露在海浪的激振下的，位于近海位置的风力涡轮机，液体的总质量可以在上述涡轮机舱质量的1％-6％范围内；较好是在1.5％-5％范围内；而最好是在2％-4％范围内。上述涡轮机舱的质量一般在25-350公吨范围内，例如在70-250公吨范围内。
为了根据允许的振幅大小和风力涡轮机的塔的结构，即颤振的结构阻尼的不同，得到合适的阻尼，该阻尼的大小可以相当于该风力涡轮机的所述第一自然频率颤振的对数衰减量在2％-20％范围内，较好是在3％-12％范围内，最好是在4-8％范围内。特别是，对于风力涡轮机的塔暴露在海浪激振之下，位于近海位置的风力涡轮机，为了得到足够的阻尼，该阻尼的大小可以相当于风力涡轮机的所述第一自然频率的颤振的对数衰减量。在2％-20％范围内，较好是在3％-12％范围内，最好是在10％-15％范围内。
另外还发现，只要颤振阻尼装置的主要阻尼频率，偏离风力涡轮机的第一自然弯曲频率小于5％，则该阻尼装置的工作是令人满意的。
实验表明，为了使阻尼装置内的上述容器的主阻尼频率，与风力涡轮机的第一自然弯曲频率匹配，在上述至少一个容器内，从该容器底部开始计算为液面最佳高度，为利用计算适当的液面高度的标准理论方法得出的高度的大约106％。
对于大多数形式的风力涡轮机，该颤振阻尼装置的主要阻尼频率应在0.8Hz以下，最好在0.1-0.6Hz范围内。
在风力涡轮机暴露在可以改变风力涡轮机的自然频率的环境因素，例如潮汐和温度变化的情况下，最好，该风力涡轮机包括：设置在风力涡轮机上部，用于检测风力涡轮机的颤振和相应地产生输出的颤振检测装置；和用于接收从该检测装置发出的输出，并控制用于调节包含在上述至少一个容器内的液体量，使该至少一个容器的主要阻尼频率，与风力涡轮机的第一自然弯曲频率的变化相适应的装置的控制装置。
还发现，为了使上述容器的作用获得最佳，上述至少一个容器中的每一个容器的侧面部分，最好自容器底部垂直延伸至该容器内液面高度的至少1.8倍。
最好，该颤振阻尼装置包括多个部分地充以液体的容器，这样可较容易将阻尼装置安装在塔的顶部，和/或安装在上述涡轮机舱中，和/或分布在塔涡轮机舱的外面。
特别是，当在水平平面看时，上述多个容器中的每一个容器，最好具有准对称的横截面，和准对称的阻尼特性，这对于一般具有对称颤振特性的风力涡轮机是非常适合的。
上述容器的最优形状为，当在水平平面内看时，其横截面基本上为正方形。实验表明，对于一个给定的颤振质量，这种容器的阻尼比横截面为圆形的容器的阻尼大60-100％，这主要是因为，液体围绕着垂直轴线的环流运动，大部分受到正方形容器的角阻止。另一种可替代的容器为U形管，例如装有液体和U形的底部朝着向下方向放置的二个U形管，和相互转动90°的二根管。然而，为了得到恰当的颤振阻尼，U形管在垂直延伸的管中的液体量的质量不能成为摆动质量；并且，U形管所需的液体的总质量，超过方形盒所需的液体的质量。
上述多个容器中的每一个容器，包括最好是从该容器的底部，基本上沿垂直方向延伸的侧面部分。
对于可以采用的许多液体，非常希望风力涡轮机包括用于加热包含在该至少一个容器内的液体的加热装置。该加热装置可以用来防止液体温度低于预定的最低温度，和/或保持液体温度基本上恒定。“基本上恒定的温度”理解为，温度可以保持在一个窄的温度范围内，一般为10℃-20℃范围内。根据液体特性的不同和风力涡轮机所处的环境，如果有结冰危险存在的话，该加热装置可防止液体结冰，从而可将结冰温度定义为最低温度。为了避免在液体中形成晶体，最低温度也可以由包含盐的液体的再结晶温度确定，例如硫酸亚铁、氯化锌等就是这种液体。通过保持基本上恒定的温度，可以保持液体的物理特性，使环境温度的改变不会妨碍风力涡轮机的阻尼。上述控制装置控制该加热装置的工作。加热装置的热源是上述动力传输系统，即齿轮箱和/或发电机，和/或频率转换器排出的多余的热量。这样，该加热装置包括用于将放置在上述涡轮机舱中的动力传输系统冷却产生的热，传至液体的装置。
为了使风力涡轮机适应环境的变化，和在大多数情况下能工作，液体的结冰温度应低于-10℃，最好是低于-18℃。
液体的密度应至少为1.1公吨/米3，较好是至少为1.4公吨/米3，最好是至少为1.8公吨/米3，这样颤振阻尼装置的实际尺寸不会过大。
可选择用于颤振质量的一种较便宜的液体是包括至少一种用于降低水的结冰温度的添加剂，和/或包括至少一种用于增加液体密度的添加剂的水。另外，如果水从容器中漏出，它不会危害环境。
可以使用各种不同的添加剂，其中包括各种盐。一种较好的添加剂是氯化钠，因为它对环境无害，并且氯化钠在水中的溶解度几乎不随温度变化，因此在容器中不会结晶。氯化钠可以又降低水的结冰温度，又提高水的密度。
水可以包括至少18重量％的氯化钠，较好是包括至少22质量％的氯化钠，最好是包括大约26质量％的氯化钠。
更好的、价廉的添加剂是，对金属的腐蚀性比氯化钠小的氯化锌和硫酸亚铁。使用前者、水的密度可以容易地达到至少2公吨/米3，而使用后者，水的密度容易达到至少1.4公吨/米3。还可以使用硝酸亚铁作为添加剂。可用于加入水中的添加剂种类可从下述文献中找到：
“无机物水溶液的密度”，Shnel and Novothy ISBN 0-444-99596，1985。
达到上述二个目的另一种合适的添加剂是甘油。
本发明还涉及一种风力涡轮机，它包括：
一个包括基本上垂直延伸的一个塔，和固定于该塔的下端部分的一个基础的静止部分；
一个包括具有安装在回转轴线基本上为水平的一根主轴上的至少一个叶片的一个风力转子和一个转力传输系统在内的涡轮机舱；
一个包括固定在该塔的上端部分的一个静止部分和固定在涡轮机舱上的一个可动部分的偏转系统，该静止部分和可动部分设计成使该涡轮机舱在垂直方向和水平方向被该塔支承，并可围绕着一根基本上的垂直的偏转轴线相对于该塔摆动；和
第二个颤振阻尼装置，其主阻尼频率设计成可以基本上是对风力涡轮机的第二自然弯曲频率的颤振产生单方向阻尼。
该第二个颤振阻尼装置最好设在该塔的沿垂直方向的中间部分上，因为该塔的摇摆质量集中在上端，因此，即使该塔的上端和下端固定，在风力涡轮机的第二种自然弯曲模态下，该风力涡轮机的塔的摇摆也是较大的。塔颤振的最大振幅在该塔的中间，因此，阻尼装置应放置在最大振幅附近的地方。
对于大多数风力涡轮机，第二个颤振阻尼装置的主阻尼频率应在1-10Hz范围内，最好是在2-5Hz范围内。
在本发明的一个优选实施例中，第二个颤振阻尼装置的阻尼大小，相当于风力涡轮机的所述第二自然频率的颤振的对数衰减量的至少2％，例如在该对数衰减量的2％-20％范围内，较好是在该量的3％-12％范围内，最好是在该量的4％-8％范围内。
第二个颤振阻尼装置可以包括：一个或多个其质量元件可沿垂直方向，相对于其中间位置来回运动的颤振阻尼元件；和当该质量元件移离其中间位置时用以接收和贮存该质量元件的功能，而当质量元件移向其中间位置时，将功能供给该质量元件的能量贮存装置。该质量元件可以为液体，但对于本发明的阻尼装置，最好为一个或多个固体。该能量贮存装置可以包括一根或多根弹簧等，但另一种方案是，可以包括使该质量元件沿着一条曲线通道运动的装置，使能量以位能形式，被该质量元件的垂直位置贮存起来。
上述一个或多个颤振阻尼元件还可包括用于接收质量元件运动时的动能的阻尼装置。
虽然，包括第二个颤振阻尼装置的风力涡轮机本身，也构成本发明；但最好是将该第二个颤振阻尼装置，与如上所述的供本发明的风力涡轮机的第一自然弯曲模态下的颤振阻尼用的颤振阻尼装置综合起来。
例子
在德国，对NM 1000/60-59(1MW.的风力涡轮机，转子直径为60m，轮毂高度为59m)进行了全面试验。25个边长L＝745mm的正方形盒放在塔的顶部和上述涡轮机舱中。盒内装有26％(质量％)的盐与水的溶液44.8kg，总的质量比为1.73％。如上所述，该塔的预期阻尼为4％×1.73＝7％(对数衰减量)。
对安装了塔阻尼器的NM 1000/60-59风力涡轮机进行的测量表明，与没有安装塔阻尼器的风力涡轮机上的疲劳负载比较，在风速为13m/s以上和风速在4-5m/s之间(当风速为4-5m/s时，风力涡轮机带动辅助发电机，使塔的颤振较大)时，疲劳负载明显减小。
为了解决颤振问题，阻尼为5％(对数衰减量)就够了。这样，对于带有给定的摆动质量的给定的风力涡轮机，所必需的液体质量为(5％/4％)＝1.25％的摆动质量。当盒的尺寸和塔的第一个弯曲频率确定时，每一个盒中的液体最优的量就可知道。因此，可以计算风力涡轮机中所需的盒子的量。在塔的顶部，这些盒子放置成二列，并且，每一个盒都放置在另一个盒的顶部上。使盒子尽可能地大是很重要的，因为这可以明显地减少所需的盒子数量。所使用的液体密度应尽可能的高，液体应价廉，并且不应在-20℃以下结冰。上述的加入26％的盐的水溶液可以达到上述三个质量标准，该溶液的特性为：
1.密度为1.2kg/m3；
2.盐和水容易得到，而且便宜；
3.冰点为-20℃。但也可以使用其他液体。
在目前销售的NEG Micons风力涡轮机中，塔的第一种弯曲模态的自然频率在0.3-0.7Hz范围内。在十年内，使该自然频率达到0.1-0.8Hz的范围是现实的，而这个范围是盒中装有液体的这种阻尼器装置的工作极限。
即使塔的自然频率在水的自然频率的5％以内，阻尼也可接近最佳。重要的是要记住，因为地基下层土壤的条件不同，对于同样的风力涡轮机，其塔的自然频率也可以变化。