專利名稱：操作風(fēng)渦輪的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種操作風(fēng)渦輪的方法，該風(fēng)渦輪包括一個(gè)具有一連接的轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，在轉(zhuǎn)子上設(shè)有轂部和可旋轉(zhuǎn)地連接在該轂部上以調(diào)節(jié)俯仰角的葉片。
開始時(shí)應(yīng)注意到下列短語“可旋轉(zhuǎn)地連接在轂部上以調(diào)節(jié)俯仰角的葉片”不僅可用于俯仰角受控的葉片上，而且可用于主動(dòng)的失速受控的葉片上。在俯仰角受控的風(fēng)渦輪上當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，葉片被轉(zhuǎn)到離開失速狀態(tài)，即俯仰角被增加使升力受限制。在主動(dòng)的失速受控的風(fēng)渦輪上于高風(fēng)速的情況下，葉片被轉(zhuǎn)到負(fù)方向，即與俯仰角受控葉片所用方向相反的方向以得到失速。
背景技術(shù)：
眾所周知，風(fēng)渦輪可被設(shè)置在能在風(fēng)渦輪的葉片和其余部分上結(jié)冰的氣候條件下。在低氣溫和高溫濕度或降雨量多的區(qū)域內(nèi)，結(jié)冰的危險(xiǎn)特別高。
在操作風(fēng)渦輪時(shí)即當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，結(jié)冰主要發(fā)生在葉片上的前緣區(qū)域內(nèi)。這種結(jié)冰可能是重大問題，因?yàn)槿~片的前緣能大大地影響葉片的空氣動(dòng)力性能，在其上的冰層能顯著地降低風(fēng)渦輪的效果。在一個(gè)或多個(gè)葉片上的結(jié)冰還能造成轉(zhuǎn)子的不平衡并在渦輪的機(jī)械部件上增添附加的載荷。
為了防止或至少減少結(jié)冰帶來的問題，目前使用的方法為去除冰層(也稱去冰)或防止結(jié)冰(也稱防冰)。采用去冰方法時(shí)，允許冰層在渦輪運(yùn)行時(shí)在葉片的前緣上形成，所說冰層然后按適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔被除去。采用防冰方法時(shí)當(dāng)在葉片上不斷防止結(jié)冰，最好將葉片連續(xù)加熱到冰點(diǎn)以上的溫度使在葉片上的結(jié)冰不會(huì)發(fā)生。
去冰可用機(jī)械方法完成如在葉片的前緣上使用可吹脹的橡膠吹風(fēng)器，或用加熱方法完成，如將電熱元件埋在葉片的表面內(nèi)，或?qū)峥諝馑偷饺~片的內(nèi)部(見DE 20 014 238 U1)，或用微波能加熱(見WO98/01340)。
防冰主要用加熱法完成，這時(shí)須將整個(gè)葉片加熱。如果在去冰時(shí)只是將前緣加熱，那么在冰熔化時(shí)產(chǎn)生的水將會(huì)流下到后緣上，隨后凍結(jié)成冰。因此在防冰時(shí)必需加熱整個(gè)葉片。
目前，在弱風(fēng)或無風(fēng)時(shí)，常令轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)或讓風(fēng)渦輪空轉(zhuǎn)，其時(shí)渦輪與供電網(wǎng)脫開連接，因此轉(zhuǎn)子取決于風(fēng)速，或緩慢旋轉(zhuǎn)，或靜止不動(dòng)。但在這兩種情況下，在有結(jié)冰危險(xiǎn)的氣候條件下，都可能有相當(dāng)厚的冰層在葉片上、塔上和機(jī)艙上形成。
在風(fēng)渦輪能被重新開動(dòng)和有效地運(yùn)行之前，必須把葉片上的冰去掉，這可用加熱葉片來完成。加熱的方法例如可用上面結(jié)合防冰所說的方法。這樣形成的冰便可松解并在渦輪開動(dòng)之前掉到地上。
但上述這些使風(fēng)渦輪防冰/去冰的方法都不是最佳的。
另外，當(dāng)風(fēng)渦輪在有結(jié)冰危險(xiǎn)的氣候條件下靜止不動(dòng)時(shí)，所有的渦輪組件包括齒輪箱內(nèi)的油和在渦輪內(nèi)的各種液壓組件都被激冷。在渦輪停轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，齒輪箱油和液壓油都不再流動(dòng)。來自機(jī)艙和渦輪葉片的載荷就都長時(shí)間被支承在各種沒有潤滑的軸承內(nèi)的相同的滾珠或滾柱上。這樣在從停轉(zhuǎn)狀態(tài)開動(dòng)渦輪時(shí)要比渦輪連續(xù)運(yùn)行時(shí)有較多的磨損。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是要提供一種方法以便在一定的氣候條件下控制風(fēng)渦輪葉片發(fā)生結(jié)冰的區(qū)域，同時(shí)防止在風(fēng)渦輪葉片的其他區(qū)域內(nèi)結(jié)冰。一個(gè)特殊目的是要提供一種操作風(fēng)渦輪葉片的方法使結(jié)冰局限于葉片的前緣區(qū)域。本發(fā)明還有一個(gè)目的是要提供一種方法使在弱風(fēng)時(shí)渦輪葉片上有結(jié)冰危險(xiǎn)的氣候條件下能夠得到較可操作的風(fēng)渦輪葉片。
按照本發(fā)明的方法，其特征在于，在無風(fēng)或弱風(fēng)時(shí)葉片上有結(jié)冰危險(xiǎn)的氣候條件下，發(fā)電機(jī)被用作轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)，葉片的轉(zhuǎn)速和俯仰角可被調(diào)節(jié)使結(jié)冰發(fā)生在葉片的區(qū)域內(nèi)，特別是葉片的前緣區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)有結(jié)冰抑制設(shè)施，其形式為一去冰系統(tǒng)或具有防水防冰表面的表面結(jié)構(gòu)或表面鍍層。
應(yīng)該注意到風(fēng)渦輪葉片常被扭曲致使葉片本身的俯仰角在根部為最高，在末梢為最低，典型情況為0度，因此在葉片的長度上合成風(fēng)的入射角是變化的，所說葉片俯仰角的調(diào)節(jié)應(yīng)被理解為整個(gè)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)。
還應(yīng)注意到短語“無風(fēng)或弱風(fēng)”是指在0到5m/s之間特別是在3m/s以下的風(fēng)速。
最后，應(yīng)該注意到短語“合成風(fēng)或風(fēng)速”是指在葉片的高度掠過地面的實(shí)際風(fēng)(也稱自由風(fēng))和由于葉片的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動(dòng)力風(fēng)(headwind)兩者的合成。
在渦輪并不為供電網(wǎng)生產(chǎn)電力的無風(fēng)或弱風(fēng)期間及在葉片有結(jié)冰危險(xiǎn)的氣候條件下，都是用渦輪自己的發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)來使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的。同時(shí)，葉片的俯仰角被這樣調(diào)節(jié)使任何結(jié)冰只發(fā)生在葉片的設(shè)有結(jié)冰抑制設(shè)施的區(qū)域內(nèi)，特別是在葉片的前緣區(qū)域內(nèi)。這個(gè)操作狀態(tài)與正常操作多少有點(diǎn)相像，因?yàn)榻Y(jié)冰只是發(fā)生在葉片的前緣上，而葉片的壓力側(cè)和負(fù)壓側(cè)都被保持在無冰狀態(tài)。應(yīng)該知道須使轉(zhuǎn)子以這樣的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)以便確保如有結(jié)冰的話，基本上只是發(fā)生在葉片的前緣上。這樣，一個(gè)從葉片前緣上去冰的系統(tǒng)便完全足夠。葉片前緣的去冰系統(tǒng)可以用任何已知型式例如上面說過的主動(dòng)的機(jī)械或電氣去冰系統(tǒng)，但去可使用被動(dòng)的去冰系統(tǒng)，其形式為一具有防水防冰表面的特殊表面結(jié)構(gòu)或鍍層。另外，也可把主動(dòng)的和被動(dòng)的去冰系統(tǒng)結(jié)合起來使用。
按照本發(fā)明的方法還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的設(shè)施可以在兩個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行迅速而容易的切換，一個(gè)狀態(tài)是在停止時(shí)的操作，其時(shí)轉(zhuǎn)子從供電網(wǎng)吸取電力而被驅(qū)動(dòng)；另一個(gè)狀態(tài)是有效的操作，其時(shí)轉(zhuǎn)子被風(fēng)力驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生電力供給網(wǎng)上。由于轉(zhuǎn)子總是保持有一定轉(zhuǎn)速，因此當(dāng)風(fēng)速增加到可以產(chǎn)生電力時(shí)，該風(fēng)渦輪在原則上已準(zhǔn)備好可以立即進(jìn)行切換。
在從停止?fàn)顟B(tài)即轉(zhuǎn)子被制動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)行正常開動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子在被連接到供電網(wǎng)之前須先投入轉(zhuǎn)動(dòng)。按照本發(fā)明的方法可在風(fēng)速有短時(shí)間變化時(shí)在空轉(zhuǎn)操作和有效操作之間迅速進(jìn)行切換。渦輪的連續(xù)運(yùn)行與從完全停止開動(dòng)渦輪相比還可減少渦輪機(jī)械部件的磨損。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，葉片的轉(zhuǎn)速和俯仰角被這樣調(diào)節(jié)使合成風(fēng)以-30°和+30°之間、最好以-12°和+12°之間的入射角沿著葉片長度的大部分沖擊前緣，或者不同地將葉片的弦和合成風(fēng)的方向之間的夾角設(shè)在-30°和+30°之間、最好在-12°和+12°之間。結(jié)果合成風(fēng)便可基本上沿著葉片長度的大部分即至少為其長度的一半或外面的2/3沖擊前緣。
按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，葉片的俯仰角可被這樣調(diào)節(jié)使轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子所用能耗為最小。實(shí)際上這意味著所述俯仰角接近0°，這樣，迎面的風(fēng)力被減為最小。
另外按照本發(fā)明，葉片在前緣區(qū)域內(nèi)可設(shè)有按一定的時(shí)間間隔啟動(dòng)的去冰系統(tǒng)以便去除形成的冰層。
就此而言，啟動(dòng)去冰系統(tǒng)的時(shí)間間隔可根據(jù)形成冰層的厚度來確定。
作為上述的選項(xiàng)或添加，啟動(dòng)去冰系統(tǒng)的時(shí)間間隔還可根據(jù)氣候條件，即根據(jù)風(fēng)力、溫度、濕度和降雨量的測量來確定。
再者，在特別簡單的實(shí)施例中，去冰系統(tǒng)可定期啟動(dòng)。
另外按照本發(fā)明，葉片的前緣區(qū)域可設(shè)有一個(gè)具有防水防冰表面的表面結(jié)構(gòu)或表面鍍層。理論上這樣應(yīng)該可能完全防止葉片上的結(jié)冰，至少可以減少冰的沉積率和冰層形成的厚度。將這實(shí)施例與主動(dòng)的去冰系統(tǒng)如設(shè)在葉片前緣上形式為可吹脹的柔性吹風(fēng)器的機(jī)械去冰系統(tǒng)、或形式為加熱元件的熱力去冰系統(tǒng)結(jié)合起來能相當(dāng)長地增加啟動(dòng)去冰系統(tǒng)的時(shí)間間隔。
再者按照本發(fā)明，使用發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)可使轉(zhuǎn)子以至少為2m/s在葉片末梢上測出的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
另外按照本發(fā)明，使用發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)可使轉(zhuǎn)子以相同的恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
最后按照本發(fā)明，發(fā)電機(jī)可間斷地被用作電動(dòng)機(jī)使轉(zhuǎn)子按預(yù)定的第一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，然后將該發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)與供電網(wǎng)脫開連接，讓轉(zhuǎn)子自由空轉(zhuǎn)一直到達(dá)到預(yù)定的第二轉(zhuǎn)速，隨后發(fā)電機(jī)又被用作電動(dòng)機(jī)一直到再次達(dá)到預(yù)定的第一轉(zhuǎn)速。
附圖簡要說明按照本發(fā)明的方法的一個(gè)簡單的實(shí)施例將在下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明，其中

圖1為一風(fēng)渦輪的略圖，在該渦輪上可實(shí)施按照本發(fā)明的方法，圖2為一葉片輪廓的橫截面，其中示出合成風(fēng)的入射角。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式圖1所示的風(fēng)渦輪包括一個(gè)塔，在其頂上設(shè)有一個(gè)機(jī)艙2，所說機(jī)艙可相對于塔環(huán)繞一條垂直軸線旋轉(zhuǎn)。在該機(jī)艙2上設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)子3可環(huán)繞一條水平軸線旋轉(zhuǎn)，所說轉(zhuǎn)子3有一轂部4和連接在其上的三個(gè)葉片5，其中只有兩個(gè)被示出。每一葉片5都可旋轉(zhuǎn)地連接在轂部上使葉片的俯仰角可被調(diào)節(jié)。在機(jī)艙內(nèi)有一齒輪箱6和一連接到齒輪箱上的發(fā)電機(jī)7被概略地示出，所說齒輪箱6被連接到轉(zhuǎn)子上。每一葉片5都有一負(fù)壓側(cè)12和一壓力側(cè)13(參閱圖2)。
現(xiàn)在假定該發(fā)電機(jī)為一異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)速。按照現(xiàn)有技術(shù)，這種型式的風(fēng)渦輪應(yīng)在無風(fēng)或微風(fēng)時(shí)即典型地在風(fēng)速低于3m/s時(shí)與供電網(wǎng)脫離連接并且取決于風(fēng)速，該轉(zhuǎn)子將可緩慢旋轉(zhuǎn)。但風(fēng)渦輪的控制系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)控該轉(zhuǎn)速。當(dāng)達(dá)到特定的轉(zhuǎn)速水平時(shí)，從供電網(wǎng)來的電力又可接上使該轉(zhuǎn)子在風(fēng)速增加時(shí)又可按正常的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而該渦輪能夠產(chǎn)生電力。隨后便可按已知的方式控制該風(fēng)渦輪包括其葉片的俯仰角以便產(chǎn)生電力。在隨后的時(shí)間內(nèi)如果無風(fēng)或只有弱風(fēng)，該渦輪又可再一次與電網(wǎng)脫離連接。
但按照本發(fā)明的方法，在葉片上有結(jié)冰危險(xiǎn)的氣候條件下并且無風(fēng)或弱風(fēng)時(shí)，渦輪仍保持與供電網(wǎng)連接，異步電動(dòng)機(jī)被用作電動(dòng)機(jī)并用頻率轉(zhuǎn)換器來任意轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。同時(shí)葉片的俯仰角被調(diào)節(jié)使合成風(fēng)能夠以-12°和+12°之間的角度沖擊前緣，從而使葉片的弦與合成風(fēng)的方向形成一個(gè)在-12°和+12°之間的角度(參閱圖2)。這個(gè)特點(diǎn)可用選擇葉片的俯仰角使它接近0°來取得，這時(shí)逆向風(fēng)力及從而用來使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的能耗可減為極小。結(jié)果，如果有結(jié)冰的話，將只發(fā)生在葉片的前緣10上。而在前緣10上形成的冰可不時(shí)啟動(dòng)布置在葉片前緣10上的加熱元件8使任何形成的冰層都可被松解并掉落。
在本發(fā)明的一個(gè)簡單的實(shí)施例中，在有結(jié)冰危險(xiǎn)的氣候條件下，加熱元件8可按預(yù)定的時(shí)間間隔被啟動(dòng)。
如果渦輪具有可變的轉(zhuǎn)速，最好使轉(zhuǎn)子按最低的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這樣可確保合成風(fēng)能按-30°和+30°之間、并且最好按-12°和+12°之間的入射角沿著葉片長度的大部分沖擊葉片的前緣。使葉片上的俯仰角接近于0°是有利的，因?yàn)椴粌H可以減少使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的能耗，同時(shí)可以確保結(jié)冰發(fā)生在葉片的前緣上至少沿著其長度的大部分即外面的半部或外面的三分之二。
權(quán)利要求
1.操作風(fēng)渦輪的方法，該風(fēng)渦輪包括一個(gè)具有一連接的轉(zhuǎn)子(3)的發(fā)電機(jī)(7)，該轉(zhuǎn)子具有一個(gè)轂部(4)和可旋轉(zhuǎn)地連接在轂部(4)上以調(diào)節(jié)俯仰角的葉片(5)，其特征在于，在葉片(5)有結(jié)冰危險(xiǎn)并且無風(fēng)或弱風(fēng)的氣候條件下，該發(fā)電機(jī)(7)被用作驅(qū)動(dòng)該轉(zhuǎn)子(3)的電動(dòng)機(jī)，這些葉片的轉(zhuǎn)速和俯仰角被調(diào)節(jié)，使結(jié)冰發(fā)生在這些葉片的區(qū)域內(nèi)，特別是在這些葉片的前緣區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)有抑制結(jié)冰的設(shè)施，其形式為一去冰系統(tǒng)或一設(shè)有防水防冰表面的表面結(jié)構(gòu)或表面鍍層。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，這些葉片的轉(zhuǎn)速和俯仰角可被調(diào)節(jié)，使合成的風(fēng)力能以-30°和+30°之間、最好以-12°和+12°之間的入射角沿著這些葉片的大部分長度沖擊這些葉片的前緣(10)。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，這些葉片的俯仰角被調(diào)節(jié)，以便使用來轉(zhuǎn)動(dòng)該轉(zhuǎn)子的能耗減至最小。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在這些葉片的前緣區(qū)域內(nèi)設(shè)有去冰系統(tǒng)，每隔一段時(shí)間啟動(dòng)以便除去所形成的冰層。
5.權(quán)利要求4的方法，其特征在于，啟動(dòng)除冰系統(tǒng)的時(shí)間間隔根據(jù)該形成冰層的厚度來確定。
6.權(quán)利要求4的方法，其特征在于，啟動(dòng)去冰系統(tǒng)的時(shí)間間隔根據(jù)氣候條件，即根據(jù)風(fēng)力、溫度、濕度和降雨量的測量來確定。
7.權(quán)利要求4的方法，其特征在于，啟動(dòng)去冰系統(tǒng)的時(shí)間間隔是固定的。
8.以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在該前緣的區(qū)域內(nèi)這些葉片具有一個(gè)設(shè)有防水防冰表面的表面結(jié)構(gòu)或表面鍍層。
9.以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將發(fā)電機(jī)用作電動(dòng)機(jī)，使轉(zhuǎn)子以相同的恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
10.以上權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，將該發(fā)電機(jī)間斷地用作電動(dòng)機(jī)，使該轉(zhuǎn)子以預(yù)定的第一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，然后使該發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)與供電網(wǎng)脫離，以允許該轉(zhuǎn)子自由惰轉(zhuǎn)，直至達(dá)到預(yù)定的第二轉(zhuǎn)速，該發(fā)電機(jī)隨后被用作電動(dòng)機(jī)，直至再一次達(dá)到該第一預(yù)定轉(zhuǎn)速。
全文摘要
風(fēng)渦輪有一發(fā)電機(jī)(7)和一連接的轉(zhuǎn)子(3)，該轉(zhuǎn)子有一轂部(4)和可旋轉(zhuǎn)地連接在轂部上的葉片(5)以便調(diào)節(jié)俯仰角。在一操作這種風(fēng)渦輪的方法中，在葉片上有結(jié)冰危險(xiǎn)并且無風(fēng)或弱風(fēng)的氣候條件下，該發(fā)電機(jī)被用作電動(dòng)機(jī)以便用來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，并且該葉片的俯仰角可被調(diào)節(jié)以便確保使合成風(fēng)基本上能沖擊該葉片的前緣。任何形式的冰可按已知的方式用去冰方法加以去除。
文檔編號F03D11/00GK1729359SQ200380107058
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者P·格雷博 申請人:Lm玻璃纖維制品有限公司