(57)【要約】  本発明は、同調質量ダンパーと１つ以上の緩衝ユニット１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００とを備えるタワー制振装置１００を備える風力タービンタワーに関する。同調質量ダンパーは、振り子構造体１０１、２０８と、摩擦媒体１１２を、少なくとも部分的に浸漬される振り子構造体１０１、２０８に接続するチャンバーと、振り子構造体１０１が中立位置からチャンバーの外側境界部１０２に向かって変位することが可能であるように、風力タービンタワー内に振り子構造体１０１、２０８を懸架する、懸架機構１０３〜１１１とを備える。緩衝ユニット１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００は、チャンバーの外側境界部１０２及び振り子構造体１０１、２０８が緩衝ユニット１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００を介して衝突し得るように、振り子構造体１０１、２０８と外側境界部１０２との間に位置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワー制振装置（１００）を備える風力タービンタワーであって、前記タワー制振装置（１００）は、
同調質量ダンパーであって、
該風力タービンタワー内に懸架される振り子構造体（１０１、２０８）と、
摩擦媒体を前記振り子構造体（１０１、２０８）に接続する、外側境界部（１０２）を含むチャンバーと、
前記振り子構造体（１０１、２０８）が中立位置から前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）に向かって変位することが可能であるように、該風力タービンタワー内に前記振り子構造体（１０１、２０８）を懸架する、懸架機構（１０３〜１１１、２０６、２０７、３０６、３０７、３０８、３０９、４０６、４０７、４０８、４０９）と、
を備える、同調質量ダンパーと、
衝撃ダンパーであって、
前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）及び前記振り子構造体（１０１、２０８）が該衝撃ダンパーを介して衝突し得るように、前記振り子構造体（１０１、２０８）と前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）との間に位置する１つ以上の緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）、
を備える、衝撃ダンパーと、
を備える、風力タービンタワー。
【請求項２】
前記摩擦媒体は、制振液（１１２）であり、前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）は、該外側境界部（１０２）の壁部分間に延在する底部を有し、前記チャンバーは、前記振り子構造体（１０１、２０８）が少なくとも部分的に浸漬される前記制振液（１１２）を保持する、請求項１に記載の風力タービンタワー。
【請求項３】
前記衝撃ダンパーは、該衝撃ダンパーを介して前記外側境界部と前記振り子構造体（１０１、２０８）との衝突を防ぐために無効化されるように適合される、請求項１又は２に記載の風力タービンタワー。
【請求項４】
前記衝撃ダンパーは、前記緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）のうちの少なくとも１つを取り外すか若しくは配置変更すること、前記緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）のうちの少なくとも１つの緩衝ユニットの形状及び／又は寸法を変化させること、又は前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）に対して前記振り子構造体（１０１、２０８）を回転させることにより、無効化するように適合される、請求項３に記載の風力タービンタワー。
【請求項５】
前記１つ以上の緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）は、前記振り子構造体（１０１、２０８）に取外し可能に固定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力タービンタワー。
【請求項６】
前記１つ以上の緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）は、前記振り子構造体（１０１、２０８）の上側リムから懸架される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の風力タービンタワー。
【請求項７】
緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）の数は、２よりも多く、例えば３よりも多く、例えば４よりも多く、例えば６よりも多く、例えば８よりも多く、好ましくは緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）の数は、最大で１６、例えば最大で９である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力タービンタワー。
【請求項８】
前記緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）は、前記振り子構造体（１０１、２０８）の中心軸の周りに及び／又は前記風力タービンタワーの中心軸の周りに均等に分布する、請求項７に記載の風力タービンタワー。
【請求項９】
各緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）は、１つ以上の弾性フェンダー（２０２、２０３、３０２、３０３、４０２、４０３、５０１、５０２、５０９、５１０、５１１、５１２）を備え、該１つ以上の弾性フェンダー（２０２、２０３、３０２、３０３、４０２、４０３、５０１、５０２、５０９、５１０、５１１、５１２）は、少なくともショアＡ５０、例えばショアＡ６０、例えばショアＡ７０、例えばショアＡ８０のデュロメータ硬さ、及び好ましくは最大でショアＡ８５、例えば最大でショアＡ８０のデュロメータ硬さをそれぞれ有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の風力タービンタワー。
【請求項１０】
各緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）は、対向して配置される第１の弾性フェンダー及び第２の弾性フェンダーを備え、前記第１の弾性フェンダーは、前記振り子構造体（１０１、２０８）に面し、前記第２の弾性フェンダーは、前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）に面する、請求項９に記載の風力タービンタワー。
【請求項１１】
前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）は、風力タービンタワー壁（１０２）の一部によって形成される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力タービンタワー。
【請求項１２】
前記懸架機構は、
前記振り子構造体（１０１、２０８）を懸架する複数のワイヤ（１０３、１０４、１０５、２０６、３０７、３０６、４０６）と、
前記懸架された振り子構造体（１０１、２０８）の固有振動数を調整するように構成された調節手段であって、該調節手段は、上記複数のワイヤ（１０３、１０４、１０５、２０６、３０７、３０６、４０６）のそれぞれに対して、一端部が前記風力タービンタワーに固定され、他端部が前記ワイヤ（１０３、１０４、１０５、２０６、３０７、３０６、４０６）に固定されたクランプを含み、該クランプの固定は、該クランプが、前記ワイヤ（１０３、１０４、１０５、２０６、３０７、３０６、４０６）の長手方向に沿って可動であるように構成される、調節手段と、
を備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風力タービンタワー。
【請求項１３】
風力タービンタワーにおけるタワー振動を減衰させる方法であって、該方法は、
同調質量ダンパーを設けるステップであって、前記同調質量ダンパーは、
前記風力タービンタワー内に懸架される振り子構造体（１０１、２０８）と、
摩擦媒体を前記振り子構造体（１０１、２０８）に接続する、外側境界部（１０２）を備えるチャンバーであって、好ましくは、前記摩擦媒体は、制振液（１１２）であり、前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）は、該外側境界部（１０２）の壁部分の間に延在する底部を有し、該チャンバーは、前記振り子構造体（１０１、２０８）が少なくとも部分的に浸漬される前記制振液（１１２）を保持する、チャンバーと、
前記振り子構造体（１０１、２０８）が中立位置から前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）に向かって変位することが可能であるように、前記風力タービンタワー内に前記振り子構造体（１０１、２０８）を懸架する、懸架機構（１０３〜１１１、２０６、２０７、３０６、３０７、３０８、３０９、４０６、４０７、４０８、４０９）と、
を備える、ステップと、
前記風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、及び／又は設置中に、衝撃ダンパーを設けるステップであって、前記衝撃ダンパーは、
前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）及び前記振り子構造体（１０１、２０８）が前記衝撃ダンパーを介して衝突し得るように、前記振り子構造体（１０１、２０８）と前記チャンバーの前記外側境界部（１０２）との間に位置する１つ以上の緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）、
を備える、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記風力タービンタワーが、組立て、保管、輸送、及び／又は設置中ではなくなったときに、前記衝撃ダンパーを取り外すステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
振り子構造体（１０１、２０８）と、該振り子構造体（１０１、２０８）が配置されるチャンバーの外側境界部（１０２）との間に緩衝ユニット（１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００）を設けることによる、風力タービンタワーにおける衝撃ダンパーとしての同調質量ダンパーの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タワー制振装置を備える風力タービンタワーに関する。制振装置は、そのような風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、設置、及び／又は稼働中の渦励振を低減するために、風力タービンタワーに取り付けられる。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば、風力タービン産業における渦励振の減衰は、現行の風力タービン発電機が次第に高さを増すにつれ、より重要になってきている。
【０００３】
一般に、渦励振は、風にさらされる構造体の形状を変化させるか、又は風にさらされる構造体の振動特性を変化させることによって減衰させることができる。構造体の形状を変化させることは、例えば、スポイラーを構造体の外面に固定することを含むことができ、一方、構造体の振動特性を変化させることは、構造体の固有振動数を変化させるか、又は構造体に制振装置を追加することを含むことができる。制振装置は、構造体の自由端部、すなわち頂部付近に配置されることが通常である。
【０００４】
概して、風力タービン発電機の稼働中の振動に対処することは、明らかに重要である。一方、特に、風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、設置、及び／又は稼働中の渦励振に対処することも重要である。なぜなら、対処が行われないと、タワーが制御不能な振動によって損傷するおそれがあり、タワーを支持体に固定するのにより頑強な構造体が必要となる場合があり、及び／又は、タワー内若しくはタワー付近で作業している人員の安全性が脅かされるおそれがあるためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態の目的は、風力タービン発電機の組立て、保管、輸送、及び／又は設置中、並びに風力タービンの組立て後、すなわち稼働中に、風力タービンタワーの制振をもたらすことができる、単純かつ頑丈なタワー制振装置を提供することであることが理解され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的は、第１の態様において、タワー制振装置を備える風力タービンタワーであって、タワー制振装置は、
同調質量ダンパーであって、
この風力タービンタワー内に懸架される振り子構造体と、
摩擦媒体を振り子構造体に接続する、外側境界部を含むチャンバーと、
振り子構造体が中立位置からチャンバーの外側境界部に向かって変位することが可能であるように、この風力タービンタワー内に振り子構造体を懸架する、懸架機構と、
を備える、同調質量ダンパーと、
衝撃ダンパーであって、
チャンバーの外側境界部及び振り子構造体がこの衝撃ダンパーを介して衝突し得るように、振り子構造体とチャンバーの外側境界部との間に位置する１つ以上の緩衝ユニット、
を備える、衝撃ダンパーと、
を備える、風力タービンタワーを提供することによって達成される。
【０００７】
したがって、本発明の制振装置は、風力タービン発電機の稼働中に有効化されるように構成された同調質量ダンパーと、特に渦励振を低減するために、風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、及び／又は設置中に有効化されるように構成された衝撃ダンパーとを備える。同調アブソーバー又は免震ダンパーとしても知られる同調質量ダンパーは、機械的振動の振幅を低減するように構造体に取り付けられる装置である。同調質量ダンパーは、調和振動によって引き起こされる激しい動きを安定化させる。同調ダンパーは、比較的軽量なコンポーネントを備えるシステムの振動を低減し、最悪の場合の振動がそれほど強くならないようにする。同調質量ダンパーとして機能する場合、振り子の制振効果は、同調質量ダンパーに基づき、振動エネルギーを吸収するために振り子とチャンバーの外側境界部との間の機械的衝撃を伴わずにダンパーの振動のみに起因する。同調質量ダンパーが最適に機能するために、ダンパーは、構造体の固有振動数に慎重に調節すべきである。設置された風力タービン発電機の固有振動数は一定であり、当該技術において既知の標準的な方法によって求めることができる。その後、同調質量ダンパーを、この振動数に調節することができる。しかしながら、組立て、保管、輸送、及び設置中、タワーの固有振動数は、組立ての段階（すなわち、サイズ、重量、重量分布、及び空気力学的構造）、支持構造体の締結のタイプ、及び支持体の特性（例えば、横揺れする船なのか、モノパイル式又は地上の保管設備なのか）に応じて変化する。したがって、同調質量ダンパーの効率は、タワー内での安全な作業のために必要となるよりも低くなる場合があり、又は、締結の変更が必要となる場合があり、又は、同調質量ダンパーは、各移動後に調節が必要となる場合があるが、これは実際的ではない。
【０００８】
一方、衝撃ダンパーは、振動エネルギーの吸収のために機械的衝撃に依拠し、それにより、渦励振が低減されるか又は更には排除される。衝撃の作用は、有効質量と、したがって、振り子構造体とチャンバーとの間の衝撃ダンパーを介した衝撃の間に変化するタワー構造体の固有振動数とに部分的又は完全に起因することができ、それにより、渦励振が打ち消される。衝撃ダンパーは、振り子構造体とチャンバーの外側境界部との間に配置されることによって、振り子構造体が（衝撃ダンパーを介して）チャンバー壁に当たる場合に、振り子構造体の運動エネルギーを吸収する。衝撃ダンパーは、風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、及び／又は設置中、設置後の風力タービン発電機の平常稼働中とは異なる固有振動数、異なる振動モード、及び／又は大きな振動振幅が存在し得る場合のみ「有効化」されることが好ましい。
【０００９】
衝撃ダンパーに関して、「有効化」という用語は、衝撃ダンパーが減衰機能を発揮することが可能な制振装置の構成を指すことに留意されたい。減衰機能自体は、受動的及び完全に機械的な方法で実現することができ、ほとんどの実施形態ではそのように実現される。有効化される場合、衝撃ダンパーは、風力タービンタワーの特定の振動振幅により、振り子構造体が衝撃ダンパーを介してチャンバー壁に衝突することを引き起こすように、振り子構造体とチャンバー壁との間に配置される。無効化される場合、同量の風力タービン振動で、直接又は衝撃手段を介してそのような衝突を引き起こすことがない。
【００１０】
衝撃ダンパーの無効化又は取外しは、例えば、衝撃ダンパーを取り外す若しくは配置変更すること、衝撃ダンパーの形状及び／又は寸法を変更すること、又は振り子構造体をチャンバー壁に対して回転させることによって実現することができる。
【００１１】
本発明のタワー制振装置は、単純かつ頑丈な設計であるため有利である。さらに、衝撃ダンパーは、風力タービン発電機が完全に組み立てられると、取り外して別の風力タービンタワーに再使用することができることが有利である。したがって、好ましい実施形態において、衝撃ダンパーは、外側境界部と振り子構造体とが衝撃ダンパーを介して衝突するのを防ぐために、無効化されるように適合される。無効化は、例えば、少なくとも１つの緩衝ユニットを取り外す又は配置変更すること、緩衝ユニットのうちの少なくとも１つの形状及び／又は寸法を（例えば、収縮させることで）変更すること、又は振り子構造体をチャンバーの外側境界部に対して回転させることによって実現することができる。衝撃ダンパーの無効化／取外しを行わないことは、同調質量ダンパーの減衰特性に悪影響を与え得ることが観察されている。衝撃ダンパーをタワーの設置後に（完全に）取り外すことを意図しない場合、振り子構造体は、衝撃ユニットが依然として（部分的に）設置されている場合に、所望の減衰特性を有するように構成することができる。タワーの設置後のこの所望の減衰特性は、タワーの設置中の減衰特性とは異なることが好ましい。
【００１２】
本明細書に使用される場合、「タワー」という用語は、タワーセクション及び部分的に組み立てられたタワー、並びにタワーを含む完全に組み立てられた風力タービン発電機も包含する。
【００１３】
摩擦媒体は、同調質量ダンパーとして機能する要素の一部である。摩擦媒体の例として、チャンバーの底部と振り子との間の摩擦要素、すなわち、振り子とチャンバーの壁との間に配置される、磁気、機械、又は流体（液体等）に基づくダンパー又はアブソーバーがある。摩擦媒体は、チャンバーが、振り子構造体が少なくとも部分的に浸漬される外側境界部の壁部分間に延在する底部を有する場所において、チャンバー内に保持される制振液であることが最も好ましい。チャンバーは、摩擦媒体を振り子構造体に接続している。制振液の場合、これは、制振液を保持するチャンバーによって行われるため、振り子は、制振液内で前後に動くことができる。磁気、機械、若しくは流体に基づくダンパー又はアブソーバーの場合、チャンバーは、例えば、摩擦媒体の一端部がチャンバーの壁に接続され、摩擦媒体の別の端部が振り子に接続されることによって、摩擦媒体を振り子に接続することができる。
【００１４】
１つの実施形態において、振り子構造体は、円筒形状の振り子本体を備えることができ、１つ以上の緩衝ユニットは、円筒形状の振り子本体の外面と、チャンバーの外側境界部の内面との間に配置することができる。チャンバーの外側境界部は、風力タービンタワー壁によって、又は主となる風力タービンタワー構造体に固定されるパネル若しくは壁によって形成することができる。代替的には、振り子構造体は、多角形とすることができる。
【００１５】
更なる一実施形態において、１つ以上の緩衝ユニットは、振り子構造体に取外し可能に固定することができる。したがって、１つ以上の緩衝ユニットは、風力タービン発電機が完全に組み立てられると取り外すことができる。特に、１つ以上の緩衝ユニットは、振り子構造体の上側リムから取外し可能に懸架することができる。
【００１６】
緩衝ユニットの数は、或る特定の要求を満たすように選ぶことができる。したがって、緩衝ユニットの数は、２よりも多く、例えば３よりも多く、例えば４よりも多く、例えば６よりも多く、例えば８よりも多くすることができる。さらに、緩衝ユニットは、振り子構造体の中心軸の周りに又は風力タービンタワーの中心軸の周りに均等に配置することができる。緩衝ユニット１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００の数は、最大で１６、例えば最大で９とすることができる。
【００１７】
各緩衝ユニットは、１つ以上の弾性フェンダーを備えることができ、この１つ以上の弾性フェンダーは、少なくともショアＡ５０、例えばショアＡ６０、例えばショアＡ７０、例えばショアＡ８０のデュロメータ硬さをそれぞれ有する。各フェンダーは、最大でショアＡ８５、例えば最大でショアＡ８０のデュロメータ硬さを有することができる。１つ以上の弾性フェンダーは、中実な構造体又は中空の構造体、例えば膨張可能な構造体として実現することができる。一実施形態において、各緩衝ユニットは、対向して配置される第１の弾性フェンダー及び第２の弾性フェンダーを備えることができ、第１の弾性フェンダーは振り子構造体に面し、第２の弾性フェンダーはチャンバーの外側境界部に面する。第１の弾性フェンダー及び第２の弾性フェンダーは、緩衝ユニットの共通の基部構造体に固定することができる。
【００１８】
更なる一実施形態において、緩衝ユニットは、チャンバーの外側境界部に固定される又は外側境界部から懸架される膨張可能な構造体として実現することができる。そのような膨張可能な構造体の例は、限定はしないが、エアベローズ、ボール、及びタイヤを含むことができる。この実施形態において、緩衝ユニットは、常置であり、膨張させることで有効化し、収縮させることで無効化することができる。
【００１９】
更に別の実施形態において、緩衝ユニットは、複数の内向きの突出部を形成する風力タワー壁に取り付けることができる。この実施形態では、同調質量ダンパーは、同調質量ダンパーが風力タワーの長手方向軸の周りに回転する際に、緩衝ユニットまでの距離を調整することが可能な形状を有して構成することができる。例えば、振り子は、正多角形又は不規則な多角形とすることができる。多角形の振り子の角が風力タワー壁に取り付けられた緩衝ユニットに整合する場合、距離は最小となり、したがって、緩衝ユニットは有効となる。振り子がタワーの長手方向軸の周りに回転する場合、及び多角形の振り子の角が緩衝ユニットと整合しなくなる場合、距離は増大し、緩衝ユニットは無効となる。
【００２０】
振り子構造体が少なくとも部分的に浸漬される制振液を保持するチャンバーは、外側境界部を有することができ、外側境界部の壁部分間には底部が延在する。チャンバーの外側境界部は、風力タービンタワー壁の一部によって形成することができる。
【００２１】
風力タービンタワー内に振り子構造体を懸架する懸架機構は、
振り子構造体を懸架する複数のワイヤと、
懸架された振り子構造体の固有振動数を調整するように構成された調節手段であって、調節手段は、上記複数のワイヤのそれぞれに対して、一端部が風力タービンタワーに固定され、他端部がワイヤに固定されたクランプを含み、クランプの固定は、クランプがワイヤの長手方向に沿って可動であるように構成される、調節手段と、
を備えることができる。
【００２２】
懸架機構の単純な形態は、１つのみのワイヤと、ワイヤを風力タービンタワーに固定するクランプ等の手段とを備えることができる。
【００２３】
本発明のタワー制振装置は、垂直風力タービンタワー内の可能な限り高い位置に設置することができる。通常、垂直風力タービンタワーの上部１／３以内にタワー制振装置を設置することで、タワー振動の効果的な減衰をもたらすことができる。
【００２４】
第２の態様において、本発明は、風力タービンタワーのタワー振動を減衰させる方法であって、この方法は、
同調質量ダンパーを設けるステップであって、同調質量ダンパーは、
風力タービンタワー内に懸架される振り子構造体と、
外側境界部を備えるチャンバーであって、この外側境界部の下に延在する底部を有し、このチャンバーは、振り子構造体が少なくとも部分的に浸漬される制振液を保持する、チャンバーと、
振り子構造体が中立位置からチャンバーの外側境界部に向かって変位することが可能であるように、風力タービンタワー内に振り子構造体を懸架する、懸架機構と、
を備える、ステップと、
風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、及び／又は設置中に、衝撃ダンパーを設けるステップであって、衝撃ダンパーは、
チャンバーの外側境界部及び振り子構造体が衝撃ダンパーを介して衝突し得るように、振り子構造体とチャンバーの外側境界部との間に位置する１つ以上の緩衝ユニット、
を備える、ステップと、
を含む、方法に関する。
【００２５】
取外し可能な衝撃ダンパーの場合、本発明の方法は、風力タービンタワーが組立て、保管、輸送、及び／又は設置中ではなくなったときに、衝撃ダンパーを取り外すステップを更に含むことができる。
【００２６】
更なる一態様において、本発明は、振り子構造体１０１、２０８と、この振り子構造体１０１、２０８が配置されるチャンバーの外側境界部１０２との間に緩衝ユニット１１３、１１４、１１５、２００、３００、４００を設けることによる、衝撃ダンパーとしての同調質量ダンパーの使用に関する。
【００２７】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のタワー制振装置の断面図である。
【図２】タワー壁の変位を振り子構造体に伝達するために振り子構造体と風力タービンタワー壁との間に位置する緩衝ユニットの断面図である。
【図３】緩衝ユニットの３Ｄ斜視図である。
【図４】緩衝ユニットの断面図である。
【図５】緩衝ユニットの側面図及び上面図である。
【図６】緩衝ユニットの結果としての風力タワーの振動の低減を示す図である。
【図７】様々な動作モードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、様々な変更形態及び代替形態が可能であるが、特定の実施形態を例として図面に示すとともに本明細書において詳細に記載する。しかしながら、本発明は、開示される特定の形態に限定されることは意図されていないことが理解されるものとする。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲内にある全ての変更形態、均等物及び代替形態を包含する。
【００３０】
最も広い態様において、本発明は、同調質量ダンパーと、タワー構造体の変位を緩衝ユニットとタワー壁及び／又は同調質量ダンパーとの間の衝撃によって伝達するように構成された１つ以上の緩衝ユニットとを備えるタワー制振装置に関する。本発明の緩衝ユニットを備えるタワー制振装置は、特に、風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、設置、及び／又は稼働中の渦励振を減衰するのに好適である。低い風速でのタワー制振装置の全体応答は、同調質量ダンパーの挙動に従い、一方、より高い風速での全体応答は、共振振動数のシフトの結果としての同調質量ダンパーと衝撃ダンパーとの組合せの挙動に従う。高い風速において、タワー制振装置の全体応答は、組み合わされた質量体の規則的な１自由度（ＤＯＦ）応答に従う。
【００３１】
渦励振はナセルの設置前に最も顕著であることから、少なくとも、本発明のタワー制振装置の１つ以上の緩衝ユニットを、風力タービンタワーの組立て、保管、輸送、及び／又は設置中に、風力タービンタワーに一時的に設置して動作させることができる。その後、１つ以上の緩衝ユニットは、風力タービン発電機全体が組み立て終わったら取り外し、別のタワーに再使用することができる。同調質量ダンパーは、風力タービン発電機が組み立てられた後も動作を維持するが、緩衝ユニットは伴わない。なぜなら、ナセル及びローターが設置されると、風力タワーの振動数特性は変化するためである。
【００３２】
本発明の一実施形態において、緩衝ユニットは、膨張可能な構造体（図示せず）から構成される。そのような膨張可能な構造体の例として、限定はしないが、エアベローズ、ボール、及びタイヤが挙げられる。この実施形態において、緩衝ユニットは、常置であり、膨張させることで有効化し、収縮させることで無効化することができる。緩衝構造体は、風力タワー壁又は同調質量ダンパーから懸架することができる。
【００３３】
本発明の更なる一実施形態において、緩衝ユニットは、複数の突出部（図示せず）として風力タワー壁に取り付けられる。同調質量ダンパーは、同調質量ダンパーが風力タワーの長手方向軸の周りに回転する際に、緩衝ユニットまでの距離を調整することが可能な形状を有して構成される。例えば、振り子は、多角形とすることができる。多角形振り子の角が風力タワー壁に取り付けられた緩衝ユニットに整合する場合、距離は最小となり、したがって、緩衝ユニットは有効となる。振り子がタワーの長手方向軸の周りに回転する場合、距離は増大し、緩衝ユニットは無効となる。
【００３４】
ここで、図１を参照すると、本発明の一実施形態１００の側面図が示されている。図１は、３本のワイヤ１０３、１０４、１０５で懸架されている円筒形状の振り子構造体１０１を示している。振り子構造体の重量は、タワーの一般化質量に基づいて決定される。ワイヤ１０３、１０４、１０５の長さにより、制振装置の固有振動数を設定する。したがって、ワイヤ１０３、１０４、１０５の長さを変化させることで、円筒形状の振り子構造体の固有振動数を変更し、それにより、特定の要求に適合することができる。
【００３５】
本願において、「ワイヤの長さ」という用語は、自由に揺動するワイヤの長さに関連し、すなわち、ワイヤがタワー構造体に取り付けられている懸架点又は中間固定点と、振り子構造体との間の距離に関連する。懸架点及び固定点に共通するのは、ワイヤが、少なくとも横方向変位に関して固定されることである。ワイヤは、振り子構造体の揺動を可能にする懸架点又は固定点の下で、角運動することができる。
【００３６】
図１に示されている実施形態では、ワイヤ１０３、１０４、１０５の長さは、各ワイヤ固定機構１０６、１０７、１０８を上下に、すなわちワイヤ１０３、１０４、１０５の長手方向に沿って移動させることによって、変更することができる。振り子構造体の固有振動数は、ワイヤ１０３、１０４、１０５の長さを調整することによって調節され、風力タービンタワーの固有振動数よりも低くなるように調節される。３本のワイヤ１０３、１０４、１０５は、それぞれ、ブラケット１０９、１１０、１１１を介して振り子構造体に取り付けられる。
【００３７】
図１に示されているように、振り子構造体１０１は、制振液１１２を収容するチャンバー又は槽内に少なくとも部分的に配置される。振り子構造体１０１は、振り子構造体の側壁の動きを減衰するために、この制振液１１２に少なくとも部分的に浸漬される。
【００３８】
懸架された振り子構造体１０１と、ワイヤ固定機構１０６、１０７、１０８を備えるワイヤ１０３、１０４、１０５と、制振液１１２を収容するチャンバー又は槽とは、風力タービンタワーに常置され、したがって、風力タービンの平常稼働中の制振のためにも使用されるものとする。
【００３９】
図１に示されているように、緩衝ユニット１１３、１１４、１１５（そのうちの３つが図１に示されている）は、振り子構造体１０１に取外し可能に固定される。緩衝ユニット１１３、１１４、１１５は、図１に見られるように、振り子構造体１０１と風力タービンタワー壁１０２との間に位置する。タワー制振装置は、このように、振り子構造体１０１の形態の同調質量ダンパーと、複数の緩衝ユニット１１３、１１４、１１５とを備える。緩衝ユニットの数は、或る特定の要件を満たすように選択することができる。また、緩衝ユニットの角度分布は、そのような要件を満たすように選ぶことができる。緩衝ユニットの可能な一実施態様が、図２〜図５に関連して開示される。
【００４０】
本発明のタワー制振装置は、以下の３つの動作モードで動作することができる。
１）非衝突動作モード（タワーにかかる力が小さい）
２）衝突制限動作モード（タワーにかかる力が中程度）
３）超過（Overwhelmed）動作モード（タワーにかかる力が強い）
【００４１】
非衝突動作モードでは、風力タービンタワー壁１０２の変位は、緩衝ユニット１１３、１１４、１１５に係合して風力タービンタワーの規則的な２ＤＯＦ応答をもたらすには小さすぎる。衝突制限動作モードでは、緩衝ユニット１１３、１１４、１１５は、風力タービンタワー壁１０２に瞬間的に係合し、風力タービンタワー応答を効果的に制限する。超過動作モードでは、振り子構造体１０１は、風力タービンタワーの変位に本質的に従い、風力タービンタワーの規則的な１ＤＯＦ応答をもたらす。動作原理は、図７に関連して更に詳細に開示する。
【００４２】
本発明のタワー制振装置は、垂直風力タービンタワー内の可能な限り高い位置に設置するように適合される。通常、垂直風力タービンタワーの上部１／３以内にタワー制振装置を設置することで、タワー振動の効果的な減衰がもたらされる。
【００４３】
ここで、図２を参照すると、振り子構造体２０８に取外し可能に固定された緩衝ユニット２００の一例が示されている。図２に見られるように、緩衝ユニット２００は、振り子構造体２０８と、チャンバーの外側境界部の一部を形成する風力タービンタワー壁２０９との間に配置される。緩衝ユニット２００は、基部部材２０１を備え、基部部材２０１には、対向して配置される２つの弾性フェンダー２０２、２０３が固定される。基部部材２０１は、金属から作製することができ、一方、弾性フェンダー２０２、２０３は、デュロメータ硬さが３０〜１００、又は少なくともショアＡ５０、例えばショアＡ６０、例えばショアＡ７０、例えばショアＡ８０のより軟らかい材料から作製される。各フェンダーは、最大でショアＡ８５、例えば最大でショアＡ８０のデュロメータ硬さを有することができる。ねじ付きロッド２０４が、適切な数のナットを用いて基部部材２０１に固定される。アイ構造体２０５がねじ付きロッド２０４に固定され、それにより、緩衝ユニット２００を、振り子構造体２０８の高さに適合するために調整された長さを有するワイヤ２０６に懸架することができる。ブラケット２０７が、振り子構造体２０８に取外し可能に固定され、ワイヤ２０６は、シャックルを介してブラケット２０７に固定される。
【００４４】
振り子が中立位置にある場合、弾性フェンダー２０２と風力タービンタワー壁２０９との間には、通常、数センチメートルの隙間２１０が与えられる。したがって、緩衝ユニット２００を図２に示されているように設置することにより、振り子構造体２０８の変位の可能性が著しく低減する。隙間２１０の大きさは、特定の要求に適合することができ、すなわち、風力タービンタワー壁２０９が弾性フェンダー２０２に衝突する振動レベルを調整することができる。
【００４５】
風力タービンタワー壁２０９の変位が小さいとき、すなわち非衝突動作モードでは、タワー壁２０９は、緩衝ユニット２００の弾性フェンダー２０２に係合しない。タワー壁２０９の変位が大きくなると、すなわち衝突制限動作モードでは、タワー壁２０９は、緩衝ユニット２００の弾性フェンダー２０２に瞬間的に係合する。タワー壁２０９の変位が更に大きくなると、すなわち超過動作モードでは、振り子構造体２０８は、風力タービンタワー壁２０９の変位に本質的に従う。隙間２１０は、理想的には、組立て、保管、輸送、及び／又は設置中に超過動作モードになることを回避するような寸法にすべきである。上述したように、１つ以上の緩衝ユニット２００は、風力タービン発電機全体が組み立て終わったら取り外し、別の風力タービンタワーに再使用することができる。
【００４６】
概して、図２に示されている緩衝ユニット２００は、図２に示されているものとは異なる方法で取外し可能に固定することができることに留意すべきである。例えば、緩衝ユニット２００は、振り子構造体２０８に固定する代わりに、風力タービンタワー壁２０９に固定してもよい。
【００４７】
図３において、緩衝ユニット３００が３Ｄ斜視図で示されている。図３に見られるように、緩衝ユニット３００は、基部部材３０１と、基部部材３０１に固定された、対向して配置される２つの弾性フェンダー３０２、３０３（の組）とを備える。弾性フェンダー３０２は、風力タービンタワーに係合するように適合され、一方、弾性フェンダー３０３は、振り子構造体に係合するように適合される。ねじ付きロッド３０４は、一端部が基部部材３０１に固定され、他端部がアイ構造体３０５に固定される。緩衝ユニット３００を各ブラケット３０８、３０９に懸架するために、長さが調整可能な２本のワイヤ３０６、３０７が設けられ、ブラケット３０８、３０９は、振り子構造体の上側リム（図示せず）に取外し可能に固定されるように適合される。上述したように、弾性フェンダー３０２、３０３は、少なくともショアＡ５０、例えばショアＡ６０、例えばショアＡ７０、例えばショアＡ８０のデュロメータ硬さを有する材料から作製することができる。各フェンダーは、最大でショアＡ８５、例えば最大でショアＡ８０のデュロメータ硬さを有することができる。
【００４８】
図４は、緩衝ユニット４００の側面斜視図を示している。上述したように、緩衝ユニット４００は、基部部材４０１と、基部部材４０１に固定された、対向して配置される２つの弾性フェンダー４０２、４０３とを備える。弾性フェンダー４０３は、風力タービンタワーに係合するように適合され、一方、弾性フェンダー４０２は、振り子構造体に係合するように適合される。ねじ付きロッド４０４は、一端部が基部部材４０１に固定され、他端部がアイ構造体４０５に固定される。ここでも、緩衝ユニット４００を各ブラケット４０８（一方は見えない）に懸架するために、２本の調整可能なワイヤ４０６（一方は見えない）が設けられ、ブラケット４０８は、ねじ４０９によって振り子構造体の上側リム（図示せず）に取外し可能に固定されるように適合される。ワイヤ４０６は、各シャックル４０７を介してブラケット４０８に固定される。
【００４９】
図５のａ及び図５のｂは、緩衝ユニットのより詳細な斜視図を示している。ここで、図５のａに示されている正面斜視図を参照すると、２つの弾性フェンダー部分５０１、５０２が、ボルト／ナット５０７によって基部部材（図示せず）に固定されている。ここでも、ねじ付きロッド５０３が、ナット５０５、５０６によって基部部材（図示せず）に固定される。アイ構造体５０４が、ねじ付きロッド５０３に固定され、緩衝ユニットは、上記アイ構造体５０４を介して、調整可能なワイヤ（図示せず）に懸架することができるようになっている。図５のｂに示されている上面斜視図において、緩衝ユニットは、弾性フェンダーの対向する対５０９、５１０及び５１１、５１２を備え、弾性フェンダーの対向する対５０９、５１０及び５１１、５１２の全ては、貫通ボルトによって基部部材５０８に固定されている。緩衝ユニットを懸架するアイ構造体５１３も示されている。
【００５０】
本発明のタワー制振装置の効果は、図６において実証される。２つの加速度信号６０１、６０２の時間的展開が上のグラフに示されている。２つの加速度信号６０１、６０２は、渦振動を引き起こすことが可能な一定の風速にさらされる、風力タービンタワーに取り付けられた２つの加速度計に由来するものである。２つの加速度計の軸は僅かに傾斜しているため、２つの加速度信号６０１、６０２も僅かに異なる。渦励振を減衰させるために、懸架された振り子構造体及び４つの均等に分布した緩衝ユニットが、風力タービンタワーに配置される。図６の上のグラフの２つの曲線６０１、６０２から見て取れるように、風力タービンタワーの加速度は、時間がおよそ４４６秒に達するまで増加している。矢印６０３で示すこの点において、緩衝ユニットは、風力タービンタワー壁に瞬間的に係合し、それにより、システムの全体応答が、規則的な同調質量ダンパーから、同調質量ダンパー及び衝撃ダンパーの双方を含む組合せ応答へと変化する。この応答の変化は、システムの固有振動数の変化又はシフトに由来する。図６の上のグラフから、加速度、したがって風力タービンタワー頂部の変位は、緩衝ユニットが風力タービンタワーに係合した結果、消滅することがわかる。
【００５１】
図６の下のグラフにおいて、測定された２つの振動数スペクトル６０４、６０５が示されている。振動数スペクトル６０４、６０５は、それぞれ、加速度信号６０１、６０２から導出される。２つの丸みを帯びた又は滑らかな応答ピーク６０６、６０７が、スペクトル６０４、６０５のそれぞれに表れている。ピーク６０６は、振り子構造体の調節された固有振動数に由来し、一方、ピーク６０７は、風力タービンタワーの固有振動数に由来する。ピークの丸みを帯びた又は滑らかな形状は、システムが、緩衝ユニットが風力タービンタワー壁に瞬間的に係合する衝突制限動作モードになることによってもたらされ、これにより、風力タービンタワー応答を効果的に低減する。
【００５２】
図７は、本発明のタワー制振装置の根底にある原理を示している。上述したように、タワー制振装置は、同調質量ダンパー及び衝撃ダンパーを備えることが考慮され得る。非衝突動作モードにおいて、風力タービンタワー壁の変位は、衝撃ダンパーを有効化し、したがって衝撃ダンパーに係合して、風力タービンタワーの規則的な２ＤＯＦ応答をもたらすには小さすぎる。振り子構造体及び風力タービンタワーの固有振動数においてタワー応答が顕著である、図７のタワー応答曲線７０２を参照されたい。衝突制限動作モードにおいて、衝撃ダンパーは、風力タービンタワー壁に瞬間的に係合し、風力タービンタワー応答を効果的に減衰させる。振り子構造体及び風力タービンタワーの固有振動数におけるタワー応答が、減衰に起因してあまり顕著でない、図７のタワー応答曲線７０３を参照されたい。超過動作モードにおいて、振り子構造体は、風力タービンタワーの変位に本質的に従い、風力タービンタワーの規則的な１ＤＯＦ応答をもたらす。振り子構造体及び風力タービンタワーの結果として生じる／組み合わされた固有振動数においてタワー応答が非常に顕著である、図７のタワー応答曲線７０４を参照されたい。したがって、超過モードは、衝撃ダンパーの良好な効果が低減されてしまうことから回避すべきであり、図７の上図の最右の状況では、衝撃ダンパーは、タワーの振動に対して一切の影響をもたらさない。
【００５３】
図７の上のグラフにおいて、タワー応答対力振幅が、非衝突モード、衝突制限モード、及び超過動作モードにおいて示されている。上の点線７０６は、超過動作モードの場合、すなわち、振り子構造体が風力タービンタワーの変位に本質的に従うシナリオにおける理論上の１ＤＯＦタワー応答を示している。下の点線７０７は、衝撃ダンパーが有効でない場合の理論上の２ＤＯＦタワー応答を示している。タワー応答曲線７０７の傾きは、振り子構造体の質量及び振り子構造体を懸架するワイヤの長さによって得られる。
【００５４】
実線７０１は、本発明のタワー制振装置の応答を示している。見て取れるように、実線７０１は、非衝突状態での２ＤＯＦタワー応答７０７に従う。衝突制限状態では、タワー応答は、２ＤＯＦタワー応答７０７に比べて著しく減衰されているが、超過状態では、タワー応答は跳ね上がり、予想される１ＤＯＦタワー応答７０６に近づく。したがって、衝突制限状態では、本発明に係る衝撃ダンパーは、力振幅が振り子構造体とチャンバーの外側境界部との衝突をもたらす状態まで増大する場合、はるかに高い力振幅にもかかわらず、衝撃ダンパーによって、タワー応答を非衝突状態のレベル程度に保つことが可能であることが観察される。実際、このことは、例えば、本来であれば作業が延期されるような第２の状態の力振幅をもたらす風速でのタワーの組立て、保管、輸送、及び設置中、タワーにおけるおよびタワーに対する作業が可能であることを意味する。
【００５５】
結論として、本発明のタワー制振装置は、常置の同調質量ダンパーと、有効化されると、渦によって生じるタワー振動を著しく低減する１つ以上の取外し可能な緩衝ユニットとを組み合わせることによって、タワーの渦励振を効果的に減衰する。常置の同調質量ダンパーは、組み立てられた風力タービン発電機の制振のために意図されるが、１つ以上の緩衝ユニットは、取り外され、別の風力タービンタワーに再使用される。
【００５６】
加えて、試験により、衝突制限動作モードにおけるタワーによる振動数応答の変化により、本来であれば力振幅及びタワー応答を更に増大させる渦負荷の影響が減少することが示された。
【００５７】
本発明は、風力タービンタワーにおける衝撃ダンパーとしての同調質量ダンパーの使用にも関する。同調質量ダンパーは、振り子を備え、タワーの振動の影響下での振り子の運動を摩擦媒体によって減衰させることによって動作する。通常動作時、この運動は、同調質量ダンパーを調節可能であるタワーの固有振動数を変化させることから、使用中に防止機構が設けられるチャンバーの外側境界部に対して振り子が衝撃を与えることを伴わない。驚くべきことに、同調質量ダンパーの通常動作は、振り子構造体とチャンバーの外側境界部との間に緩衝ユニットを提供し、振動により、緩衝ユニットを介して振り子とチャンバーの外側境界部との間に時折衝撃をもたらすようにし、それにより、タワーの渦励振を低減させることで、衝撃ダンパーへと変化した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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