DK174437B1

DK174437B1 - Vindmøllevinge med svingningsdæmper

Info

Publication number: DK174437B1
Application number: DK200100599A
Authority: DK
Inventors: Ib Frydendal
Original assignee: Lm Glasfiber As
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2003-03-03
Also published as: CN1247890C; DK200100599A; WO2002084114A1; CN1513084A

Description

i DK 174437 B1

Opfindelsen angår en vindmøllevinge med indbygget svingningsdæmper, der består af et i det væsentlige U-formet hulrum, som indeholder en væske, og hvor bunden af hulrummet vender mod vingespidsen.

Under en vindmølles drift udsættes vingerne for meget kraftige påvirkninger og exciteres 5 vedvarende til at udføre egensvingninger, hvilket resulterer i forøgede belastninger og kan medføre udmattelsesbrud. Under driften udsættes vingerne for svingninger i to hovedsvingningsretninger, nemlig kantvise svingninger - dvs. svingninger i et plan gennem vingens forkant og bagkant - og flapvise svingninger - dvs. svingninger i et plan vinkelret på vingens forkant og bagkant. Begge typer hovedsvingninger er af stor vigtig-10 hed, eftersom de i sig selv kan resultere i vingehavari, men også på grund af, at de overføres til og påvirker selve møllens svingningsformer.

Vindmøllevinger er ofte påvirket af en positiv aerodynamisk dæmpning, men visse vingetyper er faktisk påvirket af en negativ aerodynamisk dæmpning, og i disse tilfælde er det særlig vigtigt at forsyne vingen med dæmpningssystemer for at reducere svingnin-15 gerne i vingen.

Til reduktion af især de kantvise svingninger er der hidtil foreslået forskellige dæmpningssystemer.

Fra WO 95/21327 kendes et system til dæmpning af svingninger i vindmøllevinger, hvor der anvendes en bevægelig masse, en fjeder og en dæmper.

20 Fra WO 99/32789 kendes en vindmøllevinge, hvor der i en ydre ende af vingen til dæmpning af kantvise svingninger er indbygget et antal beholdere, som er delvist fyldt med væske i form af et såkaldt "tuned liqued damper"-system.

Fra WO 00/06898 kendes en vindmøllevinge med indbygget svingningsdæmper, der består af et U-formet hulrum, som indeholder en væske, og hvor bunden af det U-forme- 2 DK 174437 B1 de hulrum vender mod vingespidsen. Væsken i det U-formede hulrum vil, når der opstår kantvise svingninger i vingen, bringes i svingninger og bevæge sig op i det U-formede hulrums ben, hvorved der forbruges energi på grund af væskens friktion mod hulrummets vægge, hvilket dæmper vingens svingningerne.

5 En vindmøllevinge med et sådant udformet dæmpningssystem er et to-masse-system, hvor væskemassen udnyttes til at dæmpe vingens svingningsbevægelser. Ved udformning af væskesystemet, indgår mange parametre, der har betydning for, hvordan systemet fungerer i praksis. Af disse parametre er især følgende vigtige: a) Det U-formede hulrums geometri 10 b) Væskens fysiske karakteristika c) Mængden af væske d) Vingens omdrejningshastighed e) Vingens kantvise egenfrekvens f) Vingens amplitude.

15 Ved et optimeret system opnås en god effektiv dæmpning af vingens kantvise svingninger. Hvis en eller flere af de ovennævnte parametre ændres, vil dæmpningen ikke længere være optimal. Det har således vist sig, at dæmpningsevnen i meget høj grad afhænger af den mængde væske, der er til stede i det U-formede hulrum.

Dæmpningssystemet er et lukket system, dvs. væsken er indesluttet i det U-formede 20 hulrum, der ikke har forbindelse med omgivelserne. I praksis kan der dog ske en diffusion gennem hulrummets vægge med tiden - en vinge er konstrueret til at skulle holde i 20 år - og væskeindholdet kan således variere med tiden. Dette er en stor ulempe, idet dæmpningsegenskabeme herved reduceres.

DK 174437 B1 3

Formålet med opfindelsen er at forbedre den indledningsvis nævnte svingningsdæmper, så at dæmpningsvirkningen bliver mindre afhængig af væskemængden i det U-formede hulrum.

Formålet er ifølge opfindelsen opnået ved, at det i det væsentlige U-formede hulrums 5 to ben indsnævres, set i retning væk fra vingespidsen. Herved opnås mulighed for at udforme dæmperen således, at den er mindre følsom hen hensyn til væskemængden, dvs. dæmpningsegenskaberne varierer ikke så kraftigt med væskemængdens variation i forhold til en kendt væskedæmper, hvor det U-formede hulrums ben har konstant tværsnit. Årsagen til dette forklares i det følgende.

10 Som nævnt er dæmpningssystemet et to-masse-system, hvor de bevægelige masser er vingens masse og væskens masse, der bevæger sig i forhold til hinanden. For at opnå en god dæmpning bør væskens egenfrekvens nogenlunde svare til vingens kantvise egenfrekvens. Væskens egenfrekvens vil ved et U-formet hulrum med konstant tværsnit ikke afhænge af amplituden, men afhænge af væskemængden, ligesom et fjeder-masse-15 systems egenfrekvens afhænger af størrelsen af den svingende masse. Væskens egenfrekvens vil således aftage med voksende væskemængde i tilfældet af et U-formet hulrum med konstant tværsnit. Ved at udforme det U-formede hulrums to ben, således at de indsnævres opadtil, vil væskesøjlens længde vokse hurtigere i det indsnævrede område end ved et rør med konstant tværsnitsareal. Kraftpåvirkningen af væsken vokser således 20 også, og dette betyder, at væskens bevægelse bremses og sættes i gang i modsat retning hurtigereend, hvis hulrummet var cylindrisk hele vejen. Væskedæmperens egenfrekvens stiger med væskeamplituden, fordi væsken vil bevæge sig mere op i det indsnævrede område og hermed skabe større niveauforskel mellem de to væskesøjler.

Ved en korrekt udformning af det U-formede hulrums to ben kan man således opnå, at 25 væskens egenfrekvens stort set bliver konstant over et stort væskeinterval. Dvs. egenfrekvensen afhænger ikke i så høj grad af mængden af væske i det U-formede hulrum. Man kan med andre ord sige, at væskens aftagende egenfrekvens med voksende væskemæng- 4 DK 174437 B1 de (som følge af den øgede masse) "går lige op med", at frekvensen stiger, fordi væsken kommer op i de indsnævrede områder af det U-formede hulrums ben.

Ifølge en udførelsesform kan hulrummet omfatte en i det væsentlige U-formet nedre sektion og to øvre keglestubformede sektioner, der hver er forbundet med den nedre 5 sektion. Der kan herved opnås en glat overgang fra et tværsnit til et andet og en meget ensartet dæmpning over et stort væskeinterval.

Højden af de øvre keglestubformede sektioner kan ifølge en udførelsesform udgøre mindst halvdelen af hulrummets samlede højde. En sådan dimensionering har vist sig at tilvejebringe en særlig god udjævning af følsomheden over for væskemængden og her-10 med en konstant dæmpning over et større væskeinterval.

De øvre keglestubformede sektioners volumen kan ifølge en foretrukken udførelsesform udgøre mindst 40% af det samlede hulrums volumen. En sådan volumenfordeling har i praksis vist sig at være særlig hensigtsmæssig.

Forholdet mellem tværsnitsarealet af de øvre keglestubformede sektioners øvre og nedre 15 ender kan være mellem 1,67 og 3,33, fortrinsvis mellem 2,00 og 2,86 og mest hensigtsmæssigt mellem 2,20 og 2,23.

Ifølge en hensigtsmæssig udførelsesform har den nedre U-formede sektion et volumen på mellem ca. 3 og 8 liter, fortrinsvis mellem ca. 5 og 7 liter.

Ifølge en særlig hensigtsmæssig udførelsesform kommunicerer de øvre keglestubformede 20 sektioners øvre ender med hinanden via en kanal. Herved undgås en lufti]edervirkning fra indesluttede luftlommer over væskesøjlen i hver af de to ben.

Ifølge en udførelsesform kan svingningsdæmperen udgøres af et separat rørlegeme, der monteres i vindmøllevingen.

DK 174437 B1 5 Rørlegemet kan være fremstillet af plast, fortrinsvis ved rotationsstøbning.

Ifølge en udførelsesfonn forløber de to ben skråt ud til siden. Herved opnås der mulighed for at anbringe flere separate svingningsdæmpere inden i hinanden ved en slags stabling. Dette kan være særlig hensigtsmæssigt, fordi der kan opnås en god dæmpning, 5 selvom vingens kantvise egenfrekvens varierer fra den nominelle. Den enkelte svingningsdæmpers egenfrekvens kan udledes af formlen 1 /2a

f=2*·' U

hvor a er accellerationspåvirkningen og L er væskesøjlens længde (fra overflade til overflade).

10 De enkelte svingdæmpere befinder sig i forskellige afstande ffa vindmøllens nav og vil således have forskellige egenfrekvenser.

Væsken i hulrummet kan udgøres af saltvand. Alternativt kan væsken indeholde glycol, fortrinsvis ethylenglycol i en sådan mængde, at væskens frysepunkt er under -30°.

Opfindelsen vil i det følgende blive forklaret nærmere under henvisning til tegningen, 15 der viser opfindelsen i forskellige udførelsesformer, idet fig. 1 viser svingningsdæmperen skematisk fra siden ifølge en udførelsesform, fig. 2 svingningsdæmperen monteret i spidsen af en vindmøllevinge, vist skematisk og fra siden, fig. 3 tre svingningsdæmpere ifølge en anden udførelsesform monteret i en vindmølle-20 vinge, vist skematisk og fra siden, 6 DK 174437 B1 fig. 4-10 diagrammer, der viser dæmpningen udtrykt ved logaritmisk dekrement som funktion af væskemængden og ved forskellige amplituder af vingens kantvise svingning.

Den i fig. 1 viste svingningsdæmper består af et i det væsentlige U-formet rørlegeme, der er delvist fyldt med en væske. I bunden, der befinder sig nærmest vingespidsen, er 5 der en kort vandret forløbende cylindrisk rørsektion 5, der ved hver ende er forbundet med en kvartcirkel formet rørsektion 4, som igen er forbundet med en lodret forløbende cylindrisk rørsektion 3. Den øvre ende af hver rørsektion 3 går over i en lodret forløbende keglestubformet rørsektion 2. Det samlede U-formede rør 2, 3, 4, 5 er delvist fyldt med væske, hvis overflade er indikeret med henvisningsallet 10. Ved svingninger i 10 retning af dobbeltpilen P, vil væsken 10 i det U-formede rør blive forskudt i takt med svingningerne og således blive forskudt skiftevis op i henholdsvis det højre og venstre af U’ets ben.

I fig. 2 er det skematisk vist, hvorledes den U-formede svingningsdæmper er monteret i den frie ende af en vindmøllevinge 6, der kun ses delvist. Det U-formede rør er ved 15 de øvre ender af U’ets ben forbundet på tværs ved hjælp af en kanal 7, hvorved det undgås, at der opstår en luftfjedervirkning som følge af indesluttet luft over væskesøjlen i hver af de to ben. Dobbeltpilen P viser svingningsretningeme for vingens kantvise svingning og dermed svingningsdæmperens svingning. 1 fig. 3 ses skematisk en vingespids 6 på samme måde som i fig. 2, men som er forsynet 20 med tre svingningsdæmpere 1 ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen. Den enkelte svingningsdæmper 1 svarer til den i fig. 1 og 2 viste svingningsdæmper bortset fra, at det U-formede rørs ben forløber skråt udad. Herved kan flere svingningsdæmpere anbringes inden i hinanden. Den enkelte svingningsdæmper 1 tværgående kanal 7 forløber i den her viste udførelsesform på en sådan måde, at den ikke forhindrer anbringelsen 25 af en yderligere svingningdæmper 1 mellem det U-formede rørs ben. De enkelte svingningsdæmpere 1 befinder sig i forskellige afstande ffa rotomavet og vil derfor have forskellige egenfrekvenser. Der kan således opnås en god dæmpning indenfor et større DK 174437 B1 7 frekvensinterval for vindmøllevingen. Dette er særligt fordelagtigt, fordi vingens kant-vise egenfrekvens kan variere med produktionstolerencer, temperatur, omdrejningstal og alder.

Fig. 4-10 viser computersimuleringer med dæmpningen udtrykt ved logaritmisk dekre-5 ment som funktion af væskemængden i det U-formede rør.

Det logaritmiske dekrement δ af vingens amplitude er bestemt ved formlen δ = Ιη(αη/απ+Ι) hvoraf n er amplituden af den første svingningsbevægelse og a n +1 er amplituden af den efterfølgende svingningsbevægelse.

10 Ved simuleringerne er følgende parametre valgt:

Afstand mellem ben: 0,5 m Bøjningsradius af den kvarteirkelformede rørsektion 4: 0,2 m Længde af den lodret forløbende cylindriske rørsektion 3: 0,3 m Længde af den keglestubformede rørsektion 2: 0,7 m 15 Tværsnitsareal af den vandrette rørsektion 5, den kvartcirkelformede rørsektion 4 og den lodret forløbende rør sektion 3: 0,005 m2 Væskedensitet: 1067 kg/m3 Ækvivalent svingningsmasse for vingen: 365 kg Vingens længde: 23,51 m 20 Vingens omdrejningstal: 22,5 o/min Vingens egendæmpning: 0 Vingens kantvise egenfrekvens: 2,22 Hz 8 DK 174437 B1

Fig. 4 viser dæmpningskurveme udtrykt ved logaritmisk dekrement som funktion af væskemængden udtrykt i liter ved vingeamplituder på 5 cm (kurve A), 10 cm (kurve B), 15 cm (kurve C) og 20 cm (kurve D) for en kendt svingningsdæmper, hvor rørsektionen 2 er cylindrisk, dvs. har et konstant tværsnit. Som det kan ses i diagrammet, er dæmp-5 ningen størst, når der er fyldt ca. 6,7 liter væske i det U-formede rør. Det ses også, at 6,7 liter er optimalt uanset amplitudens størrelse, men at dæmpningsevnen er størst ved den lille amplitude ved 6,7 liter. Når dæmpningen er angivet til at være -1, som det er tilfældet med kurven A ved ca. 5,2 liter væske, er det ikke fordi dæmpningen er negativ, men fordi det anvendte edb-program angiver tallet -1, når det ikke har været muligt at 10 beregne dæmpningen. Hvis man betragter kurven A - en svingningsamplitude på 5 cm -ses det, at dæmpningen falder fra ca. 13% ved 6,7 liter til ca. 5% ved henholdsvis ca.

6,3 liter og 7,2 liter. Dvs. at der ved en amplitude på 5 cm opnås en dæmpning på min.

5% ved 6,7 liter ± 0,5 liter væske.

De i fig. 5-10 viste diagrammer svarer til det i fig. 4 viste diagram, idet der dog er 15 anvendt U-formede rør med keglestubformede rørsektioner med forskellige grader af konicitet.

Nedenstående tabel viser således tværsnitsarealet af den øvre ende af den keglestubformede rørsektion 2 for hver simulering: fig. 5: 0,003 m2 20 fig. 6: 0,0025 m2 fig. 7: 0,00225 m2 fig. 8: 0,00175 m2 fig. 9: 0,0015 m2 fig. 10: 0,00125 m2 25 I fig. 5 ses det, at den største dæmpning for amplituden 5 cm (kurve A) opnås ved en væskemængde på ca. 7 liter, for amplituden 10 cm (kurve B) ca. 7,5 liter, amplituden DK 174437 B1 9 15 cm (kurve C) ca. 7,5 liter og amplituden 20 cm (kurve D) ca. 8 liter. Ved den forholdsvis svage indsnævring, som er simuleret i fig. 5, ses det således, at den optimale væskemængde varierer med vingens svingningsamplitude.

I fig. 6, der viser dæmpningen for en dæmper, hvor den øvre rørsektion 2 er lidt mere 5 tilspidsende end for fig. 5, ses et interessant fænomen. Kurven A for dæmpningen ved en amplitude på 5 cm har ikke forandret sig i særlig grad i forhold til fig. 5, men for de øvrige amplituder på 10,15 og 20 cm ses en tydelig ændring. Disse kurver er mere flade og udtrykker således, at der opnås en god dæmpningsevne inden for et forholdsvis stort væskeinterval.

10 I fig. 7, hvor tværsnitsarealet af den øvre ende af den keglestubformede rørsektion 2 er 0,00225 m2, er dette fænomen endnu tydeligere og gælder også ved en amplitude på 5 cm (kurve A). Det ses således, at der opnås en god dæmpning i hele intervallet 7-10 liter.

I fig. 8 er den keglestubformede rørsektion 2 gjort endnu mere spids i forhold til fig. 7 15 og her ses en tendens, hvor kurverne for de forskellige amplituder har et minimum mellem to maksima. Denne tendens forstærkes, hvis de keglestubformede rør gøres endnu mere spidse, hvilket kan ses i fig. 9 og især i fig. 10, hvor dæmpningen praktisk talt er nul ved et væskeindhold på ca. 10½ liter.

Som det fremgår af fig. 5-10 kan der ved en passende dimensionering af de keglestubfor-20 mede rør opnås en god dæmpning inden for et forholdsvis stort væskeinterval.

Ved en vinge med en længde på ca. 25,5 meter og en nominel kantvis egenfrekvens på ca. 2,22 Hz har en U-formet svingningsdæmper, der kan optage væske med en væske-søjlelængde på ca. 1,4 meter i hviletilstand, vist sig fordelagtig som udgangspunkt.

Ved en vinge med en længde på ca. 60 meter og en kantvis egenfrekvens på ca. 1 Hz har en væskesøj lelængde på ca. 3,3 meter vist sig egnet.

DK 174437 B1 10

Ligeledes har det vist sig fordelagtigt ved en vinge på ca. 75 m med en kantvis egenfrekvens på ca. 0,5 Hz med en væskesøjlelængde på ca. 5 meter.

5 Opfindelsen er ikke begrænset til de her viste udførelsesformer. F.eks. kan den vandrette rørsektion 5 udelades, ligesom de lodret forløbende cylindriske rørsektioner 3 kan udelades. Desuden kan de keglestubformede rørsektioner 2 ved den øvre ende være forbundet med lodret forløbende cylindriske rørsektioner, der har et tværsnit svarende til tværsnittet af den øvre ende af de keglestubformede rørsektioner 2.

10 Man kan også forestille sig en brat dimensionsændring, hvor en U-formet sektion med konstant tværsnit går brat over i tyndere rør. I dette tilfælde er der således ikke anvendt keglestubformede rør.

DK 174437 B1 11

Liste over henvisningstal 1 svingningsdæmper 2 keglestubformet rørsektion 3 lodret forløbende cylindrisk rørsektion 5 4 kvartcirkelformet cylindrisk rørsektion 5 vandret forløbende cylindrisk rørsektion 6 vinge 7 kanal 8 vingens forkant 10 9 vingens bagkant 10 væskens overflade 11 vingens spids A dæmpningskurve for vingeamplitude på 5 cm B dæmpningskurve for vingeampitude på 10 cm 15 C dæmpningskurve for vingeamplitude på 15 cm D dæmpningskurve for vingeamplitude på 20 cm.

Claims

1. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1), der består af et i det væsentlige U-formet hulrum, som indeholder en væske (10), og hvor bunden (5) af 5 hulrummet vender mod vingespidsen (11), k e n d e t e g n e t ved, at det i det væsentlige U-formede hulrums to ben (2) indsnævres set i retning væk fra vingespidsen.

2. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hulrummet omfatter en i det væsentlige U-formet nedre sektion (3, 4, 5) og to øvre keglestubformede sektioner (2), der er forbundet med den nedre sektion.

3. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge krav 2,kende- tegnet ved, at de øvre keglestubformede sektioner (2) har en højde, der udgør i det mindste halvdelen af hulrummets samlede højde.

4. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge krav 2 eller 3, kendetegnet ved, at de øvre keglestubformede sektioners (2) volumen udgør 15 mindst ca. 40% af det samlede hulrums volumen.

5. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge et af kravene 2-4, kendetegnet ved, at forholdet mellem tværsnitsarealet af de øvre keglestubfor-medes sektioners (2) øvre og nedre ender er mellem 1,67 og 3,33, fortrinsvis mellem 2,00 og 2,86 og mest hensigtsmæssigt mellem 2,20 og 2,30.

6. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge et af kravene 2-5, kendetegnet ved, at den nedre U-formede sektion (3, 4, 5) har et volumen på mellem ca. 3 og 8 liter, fortrinsvis mellem ca. 5 og 7 liter. DK 174437 B1

7. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at de øvre keglestubformede sektioners (2) øvre ender kommunicerer med hinanden via en kanal (7).

8. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge et af de foregåen-5 de krav, kendetegnet ved, at svingningsdæmperen udgøres af et separat rørlegeme, der monteres i vindmøllevingen.

9. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge krav 8, k e n -detegnet ved, at rørlegemet er fremstillet af plast, fortrinsvis ved rotationsstøbning.

10. Vindmøllevinge (6) med indbygget svingningsdæmper (1) ifølge et af de foregå ende krav, kendetegnet ved, at det U-formede hulrums to ben (2) forløber skråt ud til siden.