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风力涡轮机(10)包括塔架(18)，在塔架(18)的上端支撑的导流罩(16)，具有至少一个叶片(14)且布置在导流罩(16)上的转子(12)，及设置在塔架(18)或导流罩(16)上的振动载荷降低系统(20)。振动载荷降低系统(20)包括基部(24)，至少两个从基部(24)延伸的柱(22)，及位于基部(24)和至少两个柱(22)内的可流动的物质(28)。

1.  一种风力涡轮机(10)，其包括：
塔架(18)；
支撑在塔架(18)的上端的导流罩(16)；
具有至少一个叶片(14)的转子(12)，所述转子(12)布置在所述导流罩(16)上；及
设置在所述塔架(18)或所述导流罩(16)上的振动载荷降低系统(20)，所述振动载荷降低系统(20)包括：
基部(24)；
至少两个从所述基部(24)延伸的柱(22)；及
位于所述基部(24)和所述至少两个柱(22)内的可流动的物质(28)。

2.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中所述基部(24)具有圆形，矩形和多边形中的至少一种的形状。

3.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中当所述基部(24)具有圆形和多边形形状中的一种并包括所述至少两个从所述基部(24)延伸的柱(22)时，所述基部(24)能够抵消导流罩(16)相对于所述塔架(18)的旋转。

4.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中所述基部(24)具有矩形形状并包括所述至少三个从所述基部(24)延伸的柱(22)，所述基部(24)能够抵消导流罩(16)相对于所述塔架(18)的旋转。

5.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，还包括位于所述基部(24)上的在所述柱(22)之间的阀(26)。

6.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中选择所述可流动的物质(28)使得所述可流动的物质(28)的流动速率随着所述塔架(18)的第一弯曲频率反相位移动。

7.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中所述可流动的物质(28)包括液体和滚珠轴承中的至少一种。

8.  根据权利要求7所述的风力涡轮机(10)，其中所述液体包括降低凝固和蒸发的化合物中的至少一种，且电热器设置在振动载荷降低系统(20)的内部。

9.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中所述基部(24)接附在所述导流罩(16)内。

10.  根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其中所述基部(24)接附在所述塔架(18)的所述上端上。

用于风力涡轮机的振动载荷降低系统
技术领域
本发明总地涉及风力涡轮机，更具体地涉及用于风力涡轮机的振动载荷降低系统。
背景技术
在运转期间，风力涡轮机承受两种类型的载荷。其中之一为在极端的阵风作用在风力涡轮机转子叶片上或极端的波浪冲入近海地点期间发生的暂时载荷。第二种类型的载荷为在更长的期间自身重复的相对较低幅度的疲劳载荷。这种类型的载荷在通常的风紊流和有规律的波浪冲入近海情况期间发生。抵消极端的载荷情况的当前措施包括转动倾斜角至导键联接的位置和通过适当地选择材料和加强结构保证足够的塔架设计。另外，振动抵抗装置有助于减轻极端的载荷并降低疲劳载荷。
风力涡轮机上的动态载荷为由单个的极端峰载荷或来自风或波浪的周期的激振力所导致的塔架内的振动。通常，设计刚性塔架是抵消载荷的简单和安全的解决方案。然而，当高度超过60-70米，因为需要巨大质量的材料，该解决方案不总是实际的。从而，刚度应保持可能的低，这导致“软的”塔架设计和潜在的更多的振动。
WO 00/77394讨论了降低风力涡轮机的塔架内的振动载荷的一个解决方案，其使用部分填充液体的正方形的盒子以衰减风力涡轮机的第一固有弯曲频率的振动。盒子沿着两个直边提供风力涡轮机的塔架内振动的单方向衰减。然而，因为塔架上的振动可能为多方向的，抵抗来自所有方向的塔架上的振动，该解决方案不是同样有效的。
发明内容
本发明的示例性的实施例包括一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括塔架，在塔架的上端支撑的导流罩，具有至少一个叶片且布置在导流罩上的转子，及设置在塔架上或导流罩上的振动载荷降低系统。振动载荷降低系统包括基部，至少两个从基部延伸的柱，及位于基部和至少两个柱内的可流动的物质。
本发明的另一个示例性的实施例包括一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括塔架，在塔架的上端支撑的导流罩，具有至少一个叶片且布置在导流罩上的转子，及设置在塔架上或导流罩上的振动载荷降低系统。振动载荷降低系统包括用于降低发生在塔架内的多方向振动的装置。用于降低多方向振动的装置能够反抗塔架的第一弯曲频率。
在本发明的另一个示例性的实施例中，批露了降低风力涡轮机上的振动的方法。该方法包括在风力涡轮机的塔架上提供振动载荷降低系统；运转风力涡轮机以招致塔架上地多方向振动；及使用振动载荷降低系统降低多方向振动。
附图说明
现在参考附图，其中相似的元件在几个图中相似地编号。
图1示出了具有振动载荷降低系统的风力涡轮机。
图2示出了各个轴线和围绕相应于图1的风力涡轮机的每个轴线的旋转振动。
图3示出了位于风力涡轮机的导流罩上的振动载荷降低系统。
图4和5示出了位于接近风力涡轮机的塔架的顶端的振动载荷降低系统。
图6示出了位于风力涡轮机的塔架上的振动载荷降低系统的顶端平面视图，且振动载荷降低系统具有八个柱。
图7示出了图6的振动载荷降低系统的正视图。
图8示出了位于风力涡轮机的塔架的内部的振动载荷降低系统的顶端平面视图，且振动载荷降低系统具有四个柱。
图9示出了图8的振动载荷降低系统的正视图。
具体实施方式
图1示出了具有转子12的风力涡轮机10，转子包括许多叶片14和毂15。转子12布置在导流罩16上，导流罩放置在塔架18的顶端。导流罩16容纳变速箱和发电机(没有示出)。风力涡轮机10包括振动载荷降低系统20，其可以位于塔架的顶端20％内或塔架18的顶端。当振动载荷降低系统20在塔架18的顶端时，振动载荷降低系统可以位于导流罩16上，导流罩仅仅为塔架18的延长或相对于塔架18独立地偏转的结构，如导流罩16接附到塔架18的顶端。振动载荷降低系统20可以位于导流罩16和塔架18的内部或外部。
在运转期间和在诸如极端的阵风之类的极端的风载荷情况下和高压输电线损坏的情况下，风力涡轮机10经历至少在垂直于叶片14的转动平面的第一方向21发生的塔架18上的振动。叶片14的转动平面对应于垂直的轴线36，且轴线33对应于图2所示的垂直平面。并且，本领域内的普通技术人员将认识到在垂直于与其限定水平面的方向或轴线21的方向33上有平移振动，围绕轴线21、垂直于轴线21限定在图2中的水平面的轴线33，及与轴线33一起限定垂直平面的垂直轴线36的旋转振动。围绕轴线21，33和36的旋转振动通过双端箭头37指示。振动载荷降低系统20降低塔架18的振动，载荷，及移动。
参考图3-9，振动载荷降低系统20包括至少两个柱22，基部24，及位于两个柱22之间的阀26。每个柱22从基部24延伸。柱22的数量依赖于多种因素，诸如柱22可利用的空间，形状和尺寸。基部24可以为任何形状并显示为圆形，以装配在塔架18顶端的周围，或可以为矩形，以装配在导流罩16的内部。当基部24位于塔架上时，基部24也可以为三角形，正方形，矩形，或多边形。当基部24为圆形或多边形并具有至少三个柱22时，振动载荷降低系统20能够降低多方向的振动载荷。当基部24为矩形并具有至少三个柱22时，振动载荷降低系统能够降低多方向的振动载荷。应注意降低多方向振动意味着在两个或更多维数上降低振动。
有可移动的或流体物质28(此后称为“流体物质”)位于柱22和基部24内。流体物质28包括能运动的任何类型的物质，诸如液体，细砂，小的滚珠轴承等。流体物质28遍及柱22和基部24均匀分布。当塔架18开始来回振动时，柱22内的流体物质28在每个柱22内上下流动，并控制或调整流体物质28的流动速率。
当系统静止且不运动时，振动载荷降低系统20能够通过改变柱22内流体物质的高度调整，也可以通过改变柱22之间的基部24的长度调整。该调整过程改变了设备的固有频率，使得频率可以匹配风力涡轮机塔架的第一弯曲频率。
控制系统20的振动降低的另一种方式是通过阀26。阀的开口比率影响压头损失系数，其又影响系统的内部衰减。装置的内部衰减决定有效的频率带宽和因此决定抵抗塔架的第一弯曲频率变动的效率的稳健性。并且，设备的内部衰减决定设备衰减振动能量有多快。尽管实现振动载荷降低的主要机制为代替通过设备的内部衰减来衰减振动的惯性力，内部衰减相对低的水平将有助于维持系统内部的稳定性。阀的开口可以设置在固定的开口状态，以控制流体物质28的流动速率。在这种情况下，振动载荷降低系统20看作被动的振动载荷降低系统。另外，阀26可以包括比例阀，其也可以通过从电池或其它电源获得的电压信号起动，以不使用大量的电力而获得需要的内部衰减。在这种情况下，因为阀的开口的设置能够自动改变，振动载荷降低系统20看作半主动的振动载荷降低系统。在多数先进的技术进程中，来自多个空气泵的主动控制的压力能够加在柱的顶端上，以实现主动的振动载荷降低系统。
振动载荷降低系统20包括至少三个柱22，使得流体物质28能够在三个柱22之间来回移动。当基部24是圆形的且至少有三个柱22时，振动载荷降低系统20提供风力涡轮机内振动的降低。基部24可以为任何形状并具有引入振动载荷降低的水的多方向运动。可以增加另外的柱22，以提供沿着多方向的不同的振动载荷降低。
具体地，图3示出了位于导流罩16内部并包括四个柱22的振动载荷降低系统20的示例性的实施例，每个柱位于限定矩形基部24的角上。阀26位于柱22的每个之间。四个柱的实施例允许振动载荷降低系统20的调整发生在至少两个方向上，两个方向示为第一方向30和第二方向32。
图4-9示出了在导流罩16下面位于接近塔架18的顶端的振动载荷降低系统20的示例性的实施例。在这种情况下，振动载荷降低系统20位于塔架18的外部或塔架18的内部。图4-7的示例性的实施例示出了具有八个柱22的振动载荷降低系统20，其包括四组两个柱22，且四组柱均匀分布在基部24周围。另外的柱的使用允许柱22的高度较短。有4个孔或阀26，每个阀26位于柱22的每组之间。此处，基部24为圆形的，以适当地围绕塔架18装配。图8和9示出了塔架18内部的振动载荷降低系统的另外的实施例，并示出了具有位于每个柱22之间的阀26的四个柱22。也考虑位于围绕基部24的另外的柱22。
振动载荷降低系统20可以位于风力涡轮机的顶端附近的任何位置或在风力涡轮机的顶端。在示例性的实施例中，振动载荷降低系统显示为接附到塔架18的外部(图5)，塔架18的内部(图4)，和接附到导流罩16的内部(图3)。系统20的好处在于其可以作为改进的解决方案加到现有的风力涡轮机上。振动载荷降低系统20在基部24上接附并固定到塔架18或导流罩。柱22在向上的方向延伸并且不需要特别固定到塔架18或导流罩16。振动载荷降低系统接附到风力涡轮机可以以任何方式实现，诸如支架，螺栓，焊接，磁体等。
有许多对于振动载荷降低系统20的设计问题。第一个问题是系统内流体物质28的选择。流体物质28包括液体和固体。液体包括水，汽油，发动机油，一些重密度的矿选的流体，及任何其它低粘度液体。另外，液体还可以包括有助于抵消天气的影响的化合物或包括设置在振动载荷降低系统内部的电热器。例如，可以增加诸如乙二醇，但不限于乙二醇的盐或防冻剂流体，以降低凝固和/或蒸发。薄层油也可以覆盖液体以有助于防止蒸发。使用诸如水之类的液体的优点在于水成本低并容易得到。
另外，水的重量范围为转子叶片14，毂15，及导流罩16重量的百分之0.5至百分之8。在示例性的实施例中，转子叶片14，毂15，及导流罩16的重量范围为大约80-300吨。从而，振动载荷降低系统内部的水的重量近似0.4吨至24吨。
然而，使用水的一个问题为可能有大量的流体物质28，并且把这样大量的水填充到导流罩16或塔架18的顶端上可能是不合需要的。从而，较高密度的物质将降低流体物质28的体积。较高密度的流体物质28包括细砂，汞，小的滚珠轴承，或当柱22振动时产生流动的其它固体。当使用滚珠轴承时，可以使用润滑剂以保证当塔架振动时滚珠轴承在柱内适当地移动。另外，滚珠轴承可以放置在油或一些其它液体内，以把另外的物质加到液体流体物质28。注意，可以采用随着塔架18的振动反相位振动的任何类型的可流动的物质28。
当设计系统时还要考虑许多比率。第一比率为质量比率，其为流体物质或可流动的物质28的重量与转子叶片14，毂15和导流罩16组合重量的比率。在示例性的实施例中，质量比率范围从0.5％至8.0％。
第二比率为长度比率，其为基部24的水平长度与具有两个柱22的系统的振动载荷降低系统20的总长度的比率。振动载荷降低系统的总长度为柱22的垂直高度乘以2加基部24的水平长度。当多于两个柱22时，计算等效的总的水长度。
通常，当增加长度比率时，振动载荷降低系统的效率增加。然而，柱22的垂直长度应设计为具有足够的长度，使得流体物质28不从柱22溢出。另外，流体物质28应总是保持在柱22内，以向系统20提供连续性。
第三比率为调整比率(γ_opt)，其为振动载荷降低系统20的固有频率与风力涡轮机10的第一模态频率的比率。当结构的固有频率变化Δω_s时(结构/基部结构的频率)，振动载荷降低系统20的总长度需要通过下面的关系补偿，
Δl = - 4 g ( ω s ) 3 Δω s ]]>
其中
Δω_s＝塔架18固有频率的变化
g＝重力加速度，及
Δl＝振动系统总长度的变化，总长度为柱22的垂直高度乘以2加基部24的水平长度。
该公式允许当风力涡轮机的第一弯曲模态频率变化时计算的振动载荷降低系统20的总长度的变化。当采用柱22的不同的直径时，变换柱的长度，使得液体体积保持相同。
总的衰减比率为风力涡轮机和振动载荷降低系统20的结合消耗振动载荷降低系统20内部的流体物质28的动能具有的比率。在示例性的实施例中，振动载荷降低系统20的总的衰减比率大致在2.0％的等效对数衰减以下，且优选的总的衰减比率在1.0％的等效对数衰减以下。振动载荷降低系统主要的效果来源于惯性运动的反致动力。当衰减比率较低时，振动载荷降低系统20有更多的抵消效果，从而，振动载荷降低系统20以更大效率工作。系统的对数衰减δ定义为：
δ = 1 n ln ( a 1 a n ) ]]>
其中n为振动的数量；
a₁为正弦波信号的第一个峰的振幅；
a_n为正弦波信号的第n个峰的振幅。
当设计振动载荷降低系统20时，还考虑了柱22每个的尺寸。振动载荷降低系统20的总长度，其为柱22的高度乘以2加基部24的水平长度，将依赖于柱22和基部24的截面面积变化。振动载荷降低系统20的总长度还依赖于柱22是否为单个的柱22，如图3所示，或柱以组聚集在一起，如图4所示。振动载荷降低系统20的总长度可以基于下面的公式计算：
l_e＝2g/(ω_s)²＝2g/(2πf_T)²
l_e＝振动载荷降低系统20的长度，
g＝重力加速度，及
ω_s＝2πf_T＝风力涡轮机系统的第一固有频率，rad/s，
f_T＝风力涡轮机系统的第一固有频率，Hz。
振动载荷降低系统的其它尺寸依赖于配置。例如，图6和7中的示例性的实施例具有如下的等效的水柱长度：
l e = 2 L v + A v A H πD 4 ]]>
其中
l_e-用于频率计算的等效长度
D-基部环中心直径
A_H-水平环面积
L_V-垂直柱高度
A_V-垂直柱面积
ξ-压头损失系数
ρ-液体密度
基部环24的外径D由塔架的几何形状确定，尤其当振动载荷降低系统安装在塔架18或导流罩16的内部时。柱22和基部环24之间的截面面积比率A_V/A_H能够基于塔架顶端或导流罩内部的垂直空间限制挑选。好的开始点为使用2∶1以节省垂直高度，使得系统能够设置在尽可能高的位置，从而有益于效率。因此垂直水柱高度L_V可以如下计算：
L v = 1 2 ( l e - A v A H πD 4 ) ]]>
因此图6和7中的示例性的实施例的柱22的截面面积可以如下计算：
A v = μ M WTG ρ ( 4 L v + A H Av πD ) ]]>
μ＝流体物质28的质量比率，其为选择的参数且在示例性的实施例中在0.5％至8％之间，
M_WTG＝转子叶片14，毂15，及导流罩16的总重量，
ρ＝水的密度。
如上面所解释的，柱22的取向还可以通过具有振动载荷降低系统20的矩形取向或振动载荷降低系统20的圆形取向改变。为了安装容易，系统的形状将依赖于振动载荷降低系统20在导流罩16或塔架18上的位置。另外，柱的数量和位置依赖于风力涡轮机内的基本频率。
阀26上阀开口的尺寸也可以计算。阀开口的尺寸控制振动载荷降低系统的内部衰减比率及因此控制涡轮和振动降低设备结合系统的总的衰减比率。当阀开口较小时，内部衰减比率较高。如上面所讨论的，内部衰减比率最好较小。从而，振动载荷降低系统在示例性的实施例中以没有阀26或至少具有大的开口的阀运转。另外，阀26也可以仅作为到振动载荷降低系统20的接通/关闭开关运转。
柱22和基部24的材料还可以变化，且包括诸如钢，塑料等之类的材料。塑料提供较低成本的系统且还提供较轻的系统，其允许系统的总重量降低。
在图4所示的示例性的实施例中，其具有4组垂直的柱和1个基部环并使用水作为流体物质28，采用下面的变量：
质量比率μ＝1.5％
风力涡轮机10的顶端质量等于M_WTG＝M_{nacelle+rotor}＝82200Kg
振动载荷降低系统20的质量等于M_Dampe＝0.015*(82200Kg)＝1233Kg
塔架的直径＝4米。
因此基部环中心直径D＝3.8米
风力涡轮机的第一弯曲频率＝0.265Hz。
因此振动载荷降低系统的等效长度：
l_e＝2g/(ω_s)²＝2g/(2πf_T)²＝7.08米
选择A_V/A_H的比率为2∶1以保持设备型面低。
则垂直水柱高度为：

柱22的截面面积为
A v = μ M WTG ρ ( 4 L v + A H A v πD ) = 0.015 * 82200 / 1000 / ( 4 * 0.556 + 0.5 * pi * 3.8 ) = 0.1505 ( m 2 ) ]]>
A V = A V ( A H A V ) = 0.1505 / 2 = 0.0753 ( m 2 ) ]]>
压头损失系数ξ＝20。
在另一个示例性的实施例中，其中需要较高的衰减反作用力，采用下面的变量：
质量比率μ＝5％
风力涡轮机10的顶端质量等于M_WTG＝M_{nacelle+rotor}＝82200Kg
振动载荷降低系统20的质量等于M_Dampe＝0.05*(82200Kg)＝4110Kg
塔架的直径＝4米。
因此基部环中心直径D＝3.8米
风力涡轮机的第一弯曲频率f_T＝0.265Hz。
因此振动载荷降低系统的等效长度：
l_e＝2g/(ω_s)²＝2g/(2πf_T)²＝7.08米。
选择A_V/A_H的比率为2∶1以保持设备型面低。
则垂直水柱高度为：

柱22的截面面积为
A v = μ M WTG ρ ( 4 L v + A H A v πD ) = 0.05 * 82200 / 1000 / ( 4 * 0.556 + 0.5 * pi * 3.8 ) = 0.5016 ( m 2 ) ]]>
A V = A V ( A H A V ) = 0.1516 / 2 = 0.2508 ( m 2 ) ]]>
压头损失系数ξ＝50。
这些仅是可以采用的样本振动载荷降低系统20的例子。然而，可以想象振动载荷降低系统20的许多其它的实施例。
另外，尽管参考示例性的实施例已经描述了本发明，本领域内的普通技术人员将理解不脱离本发明的范围，可以做出各种变化，且等价物可以替代本发明的元件。另外，不脱离本发明的实质范围，可以做出许多更改以使具体的情况或材料适应本发明的教示。因此，本发明意在不限制于作为实施本发明的预期的最好模式所批露的具体的实施例，而是本发明将包括属于后附权利要求书范围的所有实施例。并且，术语第一，第二等的使用并不表示任何次序或重要性，而是术语第一，第二等用来把一个元件与另一个区分开。
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