Ausgabe 4/201636. Jahrgang Preis : 5 Euro

Weltpremiere : Nordex N131/3300 auf dem ersten 164 m Turm !

WIND-KRAFTNatürliche EnergienJournal &

anfälliger gegenüber Anregung durchWind und Wellen. Türme von Windkraft-anlagen sind auch während der Errich-tung anfällig für Wind- und Wellenanre-gung, da zu diesem Zeitpunkt die dämp-fende Wirkung der Blätter fehlt.Mögliche Gegenmaßnahmen sind derEinbau von Dämpfungselementen odervon Schwingungstilgern. Schwingungstil-ger für die erste Turmeigenschwingungstehen in verschiedenen Bauformen zurVerfügung. In der Literatur werden u.a.pendelnde Metallringe in einem großenÖltank [1] oder Tilger nach dem Prinzipvon schwingenden Flüssigkeitssäulen [2]beschrieben. Daneben werden gedämpf-te Pendel zur Minimierung der Auslen-kungsamplituden der ersten und zweitenTurmeigenfrequenz verwendet. Um eineeffektive Wirkung zu erreichen, müssendiese Pendeltilger entsprechend großeMassen und Dämpfungen aufweisen. Alsguter Kompromiss zwischen Wirkungund Kosten hat sich eine Tilgermasse imBereich von ca. 2% der schwingendenMasse der ersten Turmschwingung be-währt.

Pendeltilger für die 1. TurmeigenfrequenzDer ESM-Pendeltilger (siehe Bild 2) istüber ein Kardangelenk am oberen Endedes Turmes befestigt. Über eine Pendel-stange ist die Tilgermasse mit dem Turmverbunden. An der Masse greifen außer-dem die Dämpfer und die Einstellfederan. Das Kardangelenk kann auf Gleit-oder Rollenlagern basierend aufgebautsein. Alternativ kann ein neu entwickeltesKugelgummigelenk alle Lasten und Be-wegungen des Tilgers aufnehmen. Die Lebensdauer dieses elastomerenKardangelenkes wurde für einen 10t- Tilger mit 25 Jahren für den Offshore-Einsatz nachgewiesen.Die geforderte Dämpfung des Tilgerskann mittels temperaturkompensiertenund weitgehend wartungsfreien hydrauli-schen oder magnetischen Dämpfern er-reicht werden.Der elastische Endanschlag verhindertbei extremen Ausschlägen der Tilger-masse einen harten Stoß an der Turm-wand. Speziell entwickelte Federelemen-te mit einer besonders weichen Steifig-keitskennlinie sorgen für ein sanftes An-schlagen der Masse bei Extremlastfällen.Aufgrund von Fundamenteinfluss undFertigungstoleranzen haben Windkraft-anlagen unterschiedliche Eigenfrequen-zen. Mit Hilfe der zwischen unterem En-de der Tilgermasse und Turm befestigtenFeder kann die Frequenz des Tilgers ent-sprechend nachjustiert werden.

Rolltilger für die 1. Turmeigenfrequenz

Dem gegenüber wirkt der ESM-Rolltilger(siehe Bild 3) bereits mit deutlich kleine-ren Massenverhältnissen sehr effektiv.Auf einer gebogenen Führungsleiste wirdüber ein Rollensystem eine Masse (blauin Bild 3) zu periodischen Bewegungenangeregt.Die Eigenfrequenz des Tilgers wird imWesentlichen durch den Radius derLaufbahn und die Trägheit der Schwung-scheibe (rundes Teil in Bild 3) be-

stimmt. Die mögliche exakte Einstellungder Tilgereigenfrequenz erfolgt durch dieeinstellbare Masseträgheit der Schwung -scheibe. Die Wirbelstrom-Dämpfung desSystems ist ebenfalls einstellbar undkann somit den jeweiligen Anforderun-gen entsprechend angepasst werden.Weiterhin trägt ein hoher Schwingweg imBereich von zwei bis vier Metern zur Effi-zienz des Rolltilgers bei. Aufgrund derkompakten Bauweise kann dieses Sy-stem sehr einfach im Turm eingebaut,oder besser noch direkt in oder sogar aufder Gondel installiert werden. Damit kann

ZusammenfassungDie ausgedehnten Strukturen von Wind-kraftanlagen (WKA) können durch Wind,Wellen oder Kräfte aus der Anlage zuSchwingungen angeregt werden. Beson-ders starke Schwingungen treten auf,wenn die genannten Anregungsfrequen-zen auf Resonanzen der Windradstrukturtreffen. Starke niederfrequente Schwin-gungen sind für Turm oder Blätter le-bensdauerkritisch, wohingegen starkehochfrequente Schwingungen zu stören-dem Luftschall führen. Schwingungstilger (Tilger) können die-se Schwingungen verhindern und erwei-tern damit die Möglichkeiten des Kon-strukteurs, größere und leichtere Struktu-ren zu planen. Pendeltilger oder die neuartigen kom-pakten Rolltilger werden in Türmen zumReduzieren der 1.Turmeigenschwingungeingesetzt. Weiterhin können Pendel -tilger auch gegen Schwingungen der2.Turmeigenfrequenz oder gegen win-dinduzierte Schwingungen beim Aufstel-len des Turmes eingesetzt werden. Passive, adaptive oder aktive Tilgerermöglichen die gezielte Reduzierungvon Geräuschanteilen des abgestrahltenSchalls von Windkraftanlagen.

EinleitungSchwingungstilger werden in verschiede-nen technischen Bereichen zur Reduzie-rung von Schwingungen und Körper-schall eingesetzt. Im Hochbau werden

diese häufig zur Vermeidung von Schä-den bei Erdbeben oder zur Verringerungwindinduzierter Bewegungen von Hoch-häusern verwendet. Im Automobilbau istder Schwingungstilger seit vielen JahrenMittel zur Optimierung des Innengeräu-sches von Kraftfahrzeugen. In der Wind-kraftbranche werden zwei Arten vonSchwingungstilgern benötigt: Schwin-gungstilger gegen niederfrequenteSchwingungen, um z.B. höhere Stahltür-me realisieren zu können, und Tilger ge-gen störenden Luftschall. Turmtilger wer-den bei On- und Offshore-Windkraftanla-gen während der Errichtung oder imDauereinsatz verwendet.

Funktionsweise von TilgernIn Windkraftanlagen kommen passive,adaptive und aktive Schwingungstilgerzum Einsatz, wobei aufgrund der niedri-geren Kosten und der geringeren Störan-fälligkeit, häufig passive Tilger bevorzugtwerden. Ein passiver Schwingungstilger ist eingedämpftes Feder-Masse-System, dasmit dem zu beruhigenden System (z.B.Turm oder Getriebe der Windkraftanlage)verbunden ist. Der passive Schwin-gungstilger baut infolge der Anregungdes schwingenden Systems eine Gegen-schwingung auf. Damit wird die Amplitu-de eines in seiner Resonanzfrequenzschwingenden Bauteils deutlich reduziert(siehe grüne Linie in Bild 1). Das Funk-tionsprinzip von passiven Tilgern ist füralle Frequenzbereiche gleich und gilt so-

wohl für Turmtilger, die bei 0,2Hz – 2Hzarbeiten, als auch für Schalltilger, die fürFrequenzen größer 20Hz ausgelegt sind.

Bei der Auslegung des Tilgers müssenSteifigkeit (C2), Masse (M2) und Dämp-fung (D2) optimal auf die schwingendeStruktur abgestimmt werden. Die Federkann dabei ein Elastomerelement, einPendel oder eine Laufbahn mit entspre-chenden rückstellenden Eigenschaftensein. Die notwendige Dämpfung kannüber Materialdämpfung eines Elasto-mers, viskose Flüssigkeits- oder Wirbel-stromdämpfung erzeugt werden. Die Til-germasse richtet sich nach der schwin-genden Masse des zu beruhigenden Sy-stems und sollte bei etwa 10 % liegen.Aus Gewichts-, Platz- und Kostengrün-den liegt diese oft deutlich niedriger. Ein Spezialfall des passiven Tilgers istder adaptive Tilger. Dieser wird mit mög-lichst wenig Dämpfung ausgeführt, damiter in seinem Arbeitspunkt eine sehr star-ke Wirkung hat (siehe blaue Kurve inBild 1). Um die schlechte Wirkung rechtsund links des Arbeitspunktes zu vermei-den wird die Steifigkeit des adaptiven Til-gers mit Hilfe einer elektromechanischenEinheit dem meist schmalbandigen Stör-signal der Windkraftanlage nachgeführt.Adaptive Tilger kommen vor allem beihöherfrequenten Schwingungen zumEinsatz (20Hz-300Hz).Beim aktiven Tilger werden Frequenz,Amplitude und Phase der aufgebrachtenKraft so geregelt, dass sich Stör- und Til-gerkraft gegenseitig aufheben. Dadurchkann ein schwingendes System in einemweiten Frequenzbereich beruhigt wer-den.

TurmschwingungenTürme von Windkraftanlagen werdendurch Wind und Wellen (Offshore) sehrhäufig zu Schwingungen in der 1. Turm-eigenfrequenz angeregt. Seltener tretenSchwingungen der 2. Turmeigenfre-quenz in kritischen Bereichen auf, da die-se über die Anlagensteuerung ausge-blendet werden können. Die Türme sindin den letzten Jahren kontinuierlich höhergeworden – derzeit wird über Höhen imBereich von 170m diskutiert. Dadurchverschieben sich die Frequenzen der er-sten und zweiten Turmeigenschwingungweiter nach unten und die Türme werden

Schwingungstilger zur Reduzierung von Turmschwingungen und Schall in WindkraftanlagenDr. Lukas Schneider, Dr. Karl-Heinz Hanus, Mathias DörsamESM Energie- und Schwingungstechnik Mitsch GmbH

Bild 1: Wirkungsweise eines passiven Tilgers

Bild 3: ESM-Rolltilger mit ca. 500kg schwingender Masse

Bild 2: ESM-Pendeltilger für 1. Turmeigenschwingung im Bereich von ca. 0,25Hz

malbetrieb werden die Geräusche vonWKA vor allem durch die Umströmungder Blätter, durch die Zahneingriffe imGetriebe oder durch die magnetischenKräfte im Generator verursacht. Insbe-sondere die Kräfte aus Getriebe und Ge-nerator können die WKA zu Schwingun-gen anregen, die sich in der Struktur alsKörperschall ausbreiten und über diegroßen Flächen der Gondelverkleidung,der Blätter oder des Turms als Einzeltöneabgestrahlt werden. Ob und wie starkEinzeltöne von außen wahrgenommenwerden können, hängt vom Anregungs-,Resonanz- und Abstrahlverhalten derAnlage ab. Abhängig davon können diefolgenden Gegenmaßnahmen gegenEinzeltöne ergriffen werden:(i) Anregung reduzieren, (ii) Anregungisolieren, (iii) Abstrahlflächen isolieren,(iv) Abstrahlverhalten ändern, (v) Eigen-frequenzen verstimmen, (vi) Eigenfre-quenzen dämpfen oder (vii) Anregungauslöschen durch Einleiten von Gegen-kräften.Maßnahmen (i)-(v) erfordern meist einengroßen Aufwand bis hin zur Änderungder Triebstrangkonzepts. Maßnahmen(vi) und (vii) können in Form von passi-ven, adaptiven oder aktiven Tilgern mitrelativ einfachen Mitteln nachträglich anbestehenden WKA nachgerüstet werden.

Passive Tilger gegen KörperschallPassive Tilger sind ein Mittel, um Eigen-frequenzen zu dämpfen und so Einzeltö-ne zu vermeiden. Sie werden vor allemdann eingesetzt, wenn Anregungskräfteaus Getriebe oder Generator in Fre-quenz, Ort und Richtung so ungünstig lie-gen, dass sie Resonanzen der WKA an-fachen. Um diese Resonanzen zu be-dämpfen müssen Masse (M2), Federstei-figkeit (C2), Dämpfung (D2) und Positiondes Tilgers auf die Schwingungen der

WKA abgestimmt werden. Bei optimalerAuslegung (grüne Kurve in Bild 1) kön-nen Reduktionsfaktoren von 10 und mehrerreicht werden.Passive Tilger von ESM (siehe Bild 7)können in einem weiten Bereich in Rich-tungen, Masse, Steifigkeit und Dämpfungauch auf der WKA eingestellt werden.Außerdem sind die Tilger nachrüstbarund können kurzfristig an Bauräume an-gepasst werden.Für Anwendungen bei veränderlicherUmgebungstemperatur hat ESM einenpassiven Tilger entwickelt, der seine Fre-quenz mit der Temperatur nicht verändert(siehe Bild 8). Nimmt die Steifigkeit derGummielemente durch eine höhere Tem-peratur ab, wird gleichzeitig durch einepassive Vorrichtung zur Temperaturkom-pensation die Vorspannung erhöht undso der Frequenzabfall ausgeglichen.

Adaptiver Tilger gegen KörperschallDer Einsatzbereich von passiven Tilgernist auf schwach gedämpfte Eigenfrequen-

zen oder Anregungen bei einer festenFrequenz beschränkt. Liegen im Anre-gungsbereich mehrere Eigenfrequenzenoder will man direkt gegen die anregen-den Kräfte am Getriebe oder Generatorvorgehen, so kann man adaptive (d.h.frequenzveränderliche) Tilger verwen-den. Diese bestehen aus einer Masseund einer schwach gedämpften Feder,sodass sich der Tilger in seinem Reso-nanzpunkt relativ stark bewegt und damitgroße Gegenkräfte in die Grundstruktureinleitet (siehe blaue Kurve in Bild 1).Diesen Effekt nutzt man, um die Grund-struktur auch abseits von Eigenfrequen-zen zu beruhigen (siehe Bild 9). Um derveränderlichen Frequenz der Anregungfolgen zu können, wird die Steifigkeit derFeder durch eine Mechanik und einenRegelmechanismus auf die Anregungs-frequenz abgestimmt. Für die Verstellungwird eine geringe Antriebsleistungbenötigt.Eine weitere Möglichkeit, Strukturschwin-gungen direkt am Getriebe oder Genera-

dieser Tilger im Schwingungsbauch derersten Turmeigenschwingung platziertund damit sehr wirkungsvoll eingesetztwerden. Messungen mit dem ESM-Rolltilger in ei-ner 2MW-Anlage zeigen, dass mit einemMassenverhältnis im Promillebereich dieDämpfung der ersten Eigenschwingungdes Turms um einen Faktor 3,5 erhöhtwird. Bild 4 zeigt den Ausschwingvorgang des

Turmes der 2MW-Anlage ohne und mitRolltilger. Aufgrund der höheren Dämp-fung klingen die Turmschwingungen miteingebautem ESM-Rolltilger deutlichschneller ab.Dank der kompakten Bauweise könnenauch zwei dieser Tilgersysteme um 90°verdreht in einer Anlage eingebaut wer-den. Damit werden durch verschiedeneAnregungsmechanismen hervorgerufeneTurmschwingungen reduziert.

Tilger für die 2. TurmeigenfrequenzUm störende Schwingungen mit der 2.Turmeigenfrequenz zu verringern, kannebenfalls ein ESM-Pendeltilger einge-setzt werden. Allerdings liegen typischeFrequenzen der 2. Turmeigenschwin-gung im Bereich von ca. 1.0-2.0Hz. Da-mit wird die Pendellänge sehr klein undder Tilger baut sehr kompakt (siehe Bild5). Die in den zur Aufhängung verwende-ten Elastomerelemente vorhandene Ma-terialdämpfung ist ausreichend, um diegeforderte Gesamtdämpfung des Tilgerszu erzielen.

ErrichtungstilgerTürme in der Errichtungsphase bzw.während des Transports auf Schiffensind anfällig für Wind- und Wellenanre-gung, da die Schwingungsdämpfungdurch die Blätter fehlt. Um Schäden anden Türmen bzw. kostspielige Wartezei-ten zu vermeiden, können ESM-Errich-tungstilger eingesetzt werden. Diese ver-hindern während der verschiedenenPhasen beim Aufbau einer WKA, dassder Turmstummel zu gefährlichenSchwingungen angeregt wird. Bei dem inBild 6 dargestellten Errichtungstilgerhandelt es sich um eine eigenständige,selbsttragende Konstruktion, die auf dieTurmflansche geschraubt wird. Der Er-richtungstilger kann in einem Frequenz-bereich von ca. 0,4Hz bis 1,4Hz einfach,schnell und ohne Werkzeuge eingestelltwerden. Die Einstellbarkeit ist erforder-lich, weil sich mit dem Errichtungsfort-schritt auch die Turmeigenfrequenzenändern. Zudem ist der zulässigeSchwingweg von +/- 450mm so groß ge-wählt, dass trotz relativ kleiner Tilger-masse eine sehr gute Wirkung erzieltwird. Das Dämpfungselement des Errich-tungstilgers ist unabhängig von Tempe-ratur und Lebensdauer. Ohne diese Eigenschaften wäre entweder die Tilger-wirkung stark eingeschränkt (zu hoheDämpfung) oder unzulässig große Tilger -amplituden könnten auftreten (zu niedri-ge Dämpfung). Temperaturschwankun-gen werden nicht nur durch die Umge-bung induziert, sondern auch durch dieEigenerwärmung der Dämpfungsele-mente während des Betriebs. Das hierbeschriebene System kommt gänzlichohne Spannungsversorgung aus.

Tonale Geräusche in Windkraftanlagen.Die Anforderungen an das Geräuschver-halten von Windkraftanlagen (WKA) sinddurch den Druck der Öffentlichkeit, dieNormungen und den Konkurrenzdruckder WKA-Hersteller relativ hoch. Im Nor-

Bild 4: Ausschwingen einer 2MW-Anlage ohne und mit 500kg-Rolltilger

Bild 5: Kompakte ESM-Tilger für die 2. Turmeigenschwingung

Bild 6: Errichtungstilger von ESM für den Aufbau von WKA-Türmen.

Bild 8 : Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur bei verschiedenen Tilgersystemen.

Bild 7: Passive Tilger von ESM gegen Körperschall, links: 3-Achstilger, Mitte: 1-Achstilger, rechts: Torsionstilger.

tor zu bekämpfen, ist die Verwendungvon elektrischen Aktoren wie elektrody-namischen Shakern oder mehreren ge-koppelten Unwuchtmotoren. Gibt mandem Aktor mit einer Regelung die richtigeFrequenz, Phase und Amplitude vor, leitet der aktive Tilger Gegenkräfte in dieStruktur ein, die die anregenden Schwin-gungen reduzieren. Die Effektivität derTilger hängt von der eingebrachten Leistung und der Tilgerposition ab.Aktive ESM-Tilger können Kräfte bis zu6kN in einem Frequenzbereich zwischen50Hz und 150Hz erzeugen. Reale Mes-sungen, wie in Bild 10 dargestellt, zeigenstarke Reduzierungen von einzelnen Tönen im Körperschall.

Literatur[1] Faber T., Dalhoff P., Dynamic beha-viour of oil dampers in wind turbine to-wers, Proceedings of 2002 Global Wind-power Conference & Exhibition, Paris[2] Colwell S., Basu B., Tuned liquid co-lumn dampers in offshore wind turbinesfor structural control, Eng Struct 31(2009), 358-368

Autoren : Dr. Lukas Schneider Dr. Karl-Heinz Hanus Mathias DörsamESM Energie- und Schwingungstechnik Mitsch GmbH Energiestraße 1 D-64646 HeppenheimTel.: +49 (0) 6252 / 68 93 - 0 email : info@esm-gmbh.dewww.esm-gmbh.de

Bild 9 Wirkung des adaptiven Tilgers. Aktiver Tilger gegen Körperschall

Bild 10 Schwingungen einer Masse ohne (blau) und mit aktivem Tilger (rot)

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