專利名稱：葉片槳距的管理方法和系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上致力于風力渦輪機,更具體地致力于-一種用于提高風力渦輪葉片的 能量捕獲和控制風力渦輪葉片的葉片漿距的方法。
背景技術：
近年來,風力渦輪機作為環(huán)保且相對低廉的替代能源而受到日益關注。隨著該增 長的興趣，已經做出了可觀的努力來發(fā)展可靠且高效的風力渦輪機。 通常，風力渦輪機包括具有多個葉片的轉子。轉子安裝到定位于桁架或管狀塔架 的頂部的外殼或外罩上。公用設施級風力渦輪機(即，設計成向公用電網提供電力的風力 渦輪機)可以具有大型轉子(例如,30米或更長的長度)。另外，風力渦輪機通常安裝在至 少60米高的塔架上。這些轉子....匕的葉片將風能轉換成驅動一個或多個發(fā)電機的旋轉扭矩 或旋轉力，該發(fā)電機可通過傳動箱而可旋轉地聯接到轉子上。傳動箱提升渦輪轉子的原本 較低的旋轉速度，以便于發(fā)電機高效地將機械能轉換成被供給至共用電網中的電能。
為了提高能量捕獲,風力渦輪葉片的尺寸持續(xù)增大。然而，隨著葉片的尺寸增大， 控制最佳的能量捕獲逐漸變得更加困難。葉片負荷依賴于風速、頂端速度比(TSR)和/或 葉片的漿距設定。TSR是葉片頂端的旋轉速度對風速的比。優(yōu)化風力渦輪機的運行(包括 葉片能量捕獲)以減少所產生的能量的成本是重要的。葉片的漿距設定(即翼形的葉片的 攻角)提供了用于風力渦輪機控制的其中--個參數。通常，控制器配置成通過以提供來自 風力的增加或減少的能量傳遞的方式調整葉片漿距，從而調整轉子速度(即輪轂的旋轉速 度，葉片圍繞輪轂而旋轉)，這相應地被預期用于調整轉子速度。 具備改進的控制系統的風力渦輪機通過主動的葉片槳距控制而保持恒定的速度 和功率。如果風力渦輪機的葉片運行于非最佳狀態(tài),那么，風力渦輪機的功率產生受到負面 影響。造成機器的亞優(yōu)化性能的常見的天氣事件是葉片結冰，其中，大量的冰聚集在前緣上 或上風的壓力表面上。在風力渦輪葉片上累積的冰降低了來自風力的能量傳遞的效率，并 可能由于輪葉表面上的氣流分離而最終導致空氣動力失速。除了結冰之外,還可能發(fā)生葉 片結垢的其它形式。例如,碎屑或昆蟲可能累積在葉片上并降低葉片的空氣動力效率。另 外，低的空氣密度或空氣密度的下降還可能導致從風力至葉片的能量傳遞的損失。 [,] 空氣動力失速造成針對風力渦輪葉片的升力下降和阻力系數的增加。失速的發(fā)生 由風力渦輪機的性能的陡然變化表示，通過輸出功率相對于預期功率的降低而顯得明顯。 在空氣動力失速的情況下，來自風力的能量傳遞急劇減少。在控制器預期全功率輸出的額 定風力的期間，由于能量傳遞的損失而導致的功率F降是最顯著的。也就是說，控制系統將 功率的下降理解為需要增加轉子扭矩?？刂葡到y通過要求葉片漿距的減少而起作用，這增 加攻角，以試圖增加來自風力的能量傳遞。發(fā)生空氣動力失速的葉片的控制系統增加攻角， 這進一步增大了流分離，增強了失速狀況,并進一步減少了來自風力的能量傳遞。因此，目 前系統未能解決這些狀況，包括結冰狀況或類似的狀況，例如低密度空氣運行、葉片結垢， 或其它對空氣動力失速敏感的葉片狀況。
因此，所需要的是一種用于運行風力渦輪機的方法，該方法通過針對包括結冰狀 況的大量各種運行狀況而控制葉片漿距角，從而優(yōu)化能量捕獲。

發(fā)明內容
本公開的--個方面包括--種用于運行風力渦輪機的方法。該方法包括提供一種風 力渦輪機，其具有至少一個葉片，該葉片具有可根據運行參數列表進行調整的可調整的漿 距角。響應于風速和轉子速度而確定葉片效率參數。響應于葉片效率參數而確定最小漿距 角，并將響應于葉片效率參數的至少一個葉片的漿距角保持在等于或大于獨立于運行參數
列表的最小漿距角的角度。本公開的另一方面包括一種風力渦輪設備，其具有風力渦輪機，該風力渦輪機具 有至少一個葉片，該葉片具有根據運行參數列表進行調整的可調整的漿距角。風力渦輪機 包括能夠響應于風速和轉子速度而確定葉片效率參數的控制器?？刂破黜憫谌~片效率參 數而確定最小漿距角，并將響應于葉片效率參數的至少一個葉片的漿距角保持在等于或大 于獨立于運行參數列表的最小漿距角的角度。 本公開的又一方面包括一種用于維修風力渦輪機的方法。該方法包括提供一種具
有控制器和至少一個葉片的風力渦輪機,該葉片具有根據運行參數列表進行調整的可調整 的漿距角。響應于風速和轉子速度而確定葉片效率參數。該方法還包括配置控制器以將響 應于葉片效率參數的至少一個葉片的漿距角保持在等于或大于獨立于運行參數列表的最 小漿距角的角度。 本公開的優(yōu)點包括減少或消除由于結冰、低密度空氣運行、葉片結垢而發(fā)生的空
氣動力失速或其它對空氣動力失速敏感的葉片狀況。 本公開的另一優(yōu)點包括監(jiān)測和診斷運行問題，例如過量的冰累積或葉片幾何形狀 的退化。 本公開的另一優(yōu)點是該方法的某些實施例包括現有的傳感器和設備的利用，容許 風力渦輪機的改裝和低實施成本。 結合通過示例來圖示本發(fā)明原理的附圖，通過以下的優(yōu)選實施例的更詳細的描述 將清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。


圖1是風力渦輪機的一種示例性的配置的圖示。 圖2是圖1中所示的示例性的風力渦輪機配置的外罩的切開透視圖。 圖4是根據本公開的-一個實施例的示例性的方法的工藝流程圖。 圖5顯示了作為頂端速度比(TSR)的函數的最小漿距角的圖解表示。 只要可能，將在全部附圖中使用相同的標號來表示相同或類似的部件。
具體實施例方式
參看圖2，在某些配置中，各種構件被容納在位于塔架104的頂部上的外罩102中。 一個或多個微型控制器或其它控制構件(未顯示)被容納在控制面板112內。微型控制器 包括配置成提供控制系統的硬件和軟件，該控制系統提供整個系統的監(jiān)測和控制，包括漿 距和速度調節(jié)、高速軸和偏航制動應用、偏航和泵用電動機應用以及故障監(jiān)測。在本公開的 備選實施例中，如本領域中的普通技術人員應該領悟的那樣，控制系統可以是不僅僅由控 制面板112提供的分布式控制架構。這種控制系統向可變的葉片漿距驅動器114提供控制 信號，以控制葉片108(圖1)的漿距,作為風力的結果，該葉片驅動輪轂110。在某些配置 中，葉片108的漿距由葉片漿距驅動器114單獨控制。 風力渦輪機的傳動系(drive train)包括主轉子軸116 (也被稱為"低速軸")， 該主轉子軸連接到輪轂110上并由主軸承130支撐，在軸116的相反端連接到傳動箱118。 主轉子軸116的旋轉速度或轉子速度可由合適的儀器或測量裝置(未顯示)測量。在某 些配置中，從位于連接到發(fā)電機的尾端上的高速軸上的編碼器知道輪轂旋轉速度，并使用 已知的葉片長度來確定頂端速度。另外，從位于高速軸或低速軸上的接近開關(proximity switch)可確定轉子速度。另外，利用傳感裝置，例如有標記的高速軸或低速軸的光學選通 檢測，可直接測量轉子速度。轉子速度信息可以被提供至控制系統，以提供用于確定頂端速 度比的輸入。在某些配置中，傳動箱118利用雙路徑幾何形狀(dual pathgeometry)來驅 動封閉的高速軸。高速軸(圖2中未顯示)用于驅動發(fā)電機120,其安裝在主框架132上。 在某些配置中，通過聯軸器122來傳遞轉子扭矩。發(fā)電機120可以是任何合適的類型，例如 繞線型轉子感應發(fā)電機。 偏航驅動器124和偏航甲板126為風力渦輪機100提供了偏航定向系統。風速測 定為偏航定向系統提供了信息，該信息包括所測量的風力渦輪機上的瞬時風向和風速。風 向標128可提供風速測定。風速測定信息可被提供至控制系統，以提供用于確定頂端速度 比的輸入。在某些配置中，偏航系統安裝在凸緣上,該凸緣設于塔架104的頂部。
參看圖3，在某些配置中，一種用于風力渦輪機100的示例性的控制系統300包括 總線302或其它傳達信息的通信裝置。處理器304聯接到總線302上，以處理信息，該信息 包括來自傳感器的信息，該傳感器配置成測量位移或力矩?？刂葡到y300還包括隨機存取 存儲器(MM) 306和/或其它存儲裝置308。 MM 306和存儲裝置308聯接到總線302上， 以儲存和傳遞有待處理器305執(zhí)行的信息和指令。在處理器305執(zhí)行指令的期間，還可使 用MM 306(和存儲裝置308，如果需要的話)來儲存臨時變量或其它中間信息?？刂葡到y 300還可包括只讀存儲器(ROM)和/或其他靜態(tài)存儲裝置310，其聯接到總線302上以儲存 靜態(tài)(即，非變化)信息和指令并向處理器304提供。輸入/輸出裝置312可包括本領域 中已知的任何裝置，以向控制系統300提供輸入數據，并提供偏航控制和漿距控制輸出。從 存儲裝置經由有線或無線的遠程連接等而向存儲器提供指令，該存儲裝置例如為磁盤、只 讀存儲器(ROM)集成電路、CDROM、 DVD，該遠程連接提供對一個或多個可電子存取的介質的 存取。在某些實施例中，可使用硬件的電路來替代軟件指令或與軟件指令結合。因而，指令序列的執(zhí)行并不局限于任何特定的硬件電路和軟件指令的組合。傳感器接口 314是容許控 制系統300與一個或多個傳感器通信的接口 。傳感器接口 314可以為或可以包括，例如一 個或多個模擬-數字轉換器，該模擬 數字轉換器將模擬信號轉換成可由處理器304使用 的數字信號。在一個實施例中，傳感器接口包括來自轉子速度確定裝置的信號和來自風向 標128的風速測定。 在圖4所示的工藝流程圖中顯示了一種用于運行風力渦輪機100的方法。為了提 供本公開的控制，在步驟401中確定運行參數列表。運行參數列表可以是被控制系統或控 制器利用以提供所需的風力渦輪機運行的數據曲線或類似的控制算法。例如，運行參數列 表可包括針對給定的漿距角和頂端速度比的功率曲線或預期的額定功率值。預期的額定功 率值是基于具體的風力渦輪機或風力渦輪機設計的具體配置和設計參數而提供的值。預期 的額定功率值或功率曲線是眾所周知的運行輸入，控制系統基于該運行輸入可控制風力渦 輪機的各種系統。然而，本公開并不局限于此。例如，除此之外，可利用諸如扭矩系數或其 它系數的其它運行輸入，以作為運行輸入。例如，控制系統可響應于諸如頂端速度比的運行 參數的變化而調整其中一個或兩個發(fā)電機扭矩或葉片漿距。 一旦確定運行參數曲線，就在 步驟403中確定風向標128或另一合適的裝置處的風速，并在步驟405中由任何合適的方 法或任何合適的裝置來確定轉子速度。在其它實施例中，可從其它所測量的值或模型計算 出風速。雖然以上已經描述了直接從相應的系統或儀器確定風速和轉子速度,但也可以從 諸如天氣監(jiān)測站、天氣預報器的其它位置或系統，從風機中央監(jiān)視/控制，從預報的天氣狀 況，從安裝在外部的監(jiān)測裝置，從安裝在風力渦輪機的其它區(qū)域或風力渦輪設備的其它地 方的儀器，例如直接安裝于葉片上的儀器來提供風速和轉子速度，或者通過適于提供風速 和/或轉子速度和Z或其它參數(適于計算頂端速度比)的其它方法或系統來提供風速和 轉子速度。在步驟407中，利用風速和轉子速度來計算葉片的效率參數?？梢酝ㄟ^任何合 適的公式或技術來計算葉片效率參數。在一個實施例中，葉片效率參數是用風速除渦輪葉 片的葉片頂端138的速度而計算出的頂端速度比 其中，TSR是頂端速度比，^是葉片頂端138的速度，V^,d是風速。Q/可從轉子 速度和葉片長度計算出，或者可通過安裝在葉片108上的加速計或類似的裝置而直接測量 出。 該葉片效率參數數據由控制系統300或控制器接收，該控制系統300或控制器利 用在運行參數的預定值將葉片效率參數與葉片漿距關聯起來的相應的表、方程或其它關 系。在步驟409中，確定最小的葉片漿距角。使用己知的物理定律，可經驗性地確定或計算 出用于確定最小葉片漿距角的方程或表。例如，可利用具有值Cp的功率曲線以作為最小葉 片漿距角，該Cp具有頂端速度比和葉片漿距角之間的運行上所需的關系。作為響應，在步驟 411中，控制系統300將葉片108的漿距角調整(或保持)為大于最小葉片漿距角的值。
在步驟409中確定位于最小葉片漿距或以上的角度的葉片漿距角的操作,提供了 減少或消除由結冰、低密度空氣運行、葉片結垢引起的空氣動力失速狀況或其它對空氣動 力失速敏感的葉片狀況的操作。所需的空氣動力的風力渦輪葉片設計產生了針對功率和扭 矩的系數，以及針對所設計的頂端速度比的空氣動力效率。例如，通過利用溫度、密度補償
6的風速以及功率系數來測量頂端速度比，從而可以估算所設計的空氣動力效率。在這個實 施例中，可采用并記錄所計算的空氣動力效率的經過標準化和過濾后的讀數，以提供可在 風力渦輪機的控制器中利用的記錄,例如空氣動力性能歷史?？芍芷谛缘卦跁r間間隔上針 對所設計的值而估算該記錄，該記錄可導致預測性和預防性的風力渦輪機的維護任務。例 如，該記錄可允許維修或其它動作的調度,例如清除葉片上的昆蟲或整修葉片。這種維護活 動和調度容許持久且改進的風力渦輪機運行。 在另一個實施例中，上述方法可以是不連續(xù)的,其中，當所需葉片或結垢的葉片、 結冰、碎屑累積或其它退化的葉片的空氣動力性能受到懷疑時,可激活具備最小葉片漿距 角的風力渦輪機的運行。 除了提供失速狀況的減少或消除之外，風力渦輪機在最小值下運行的時間可用于 診斷風力渦輪機，以檢測非優(yōu)選的運行狀況或運行偏差。例如，在葉片漿距角的最小值下運 行的延長期可能指示結冰的存在。另外，其它支撐數據的輸入，例如溫度或天氣信息可提供 冰的檢測，這可能允許除冰系統的激活或可能的停機或風力渦輪機的維護。
示例 圖5顯示了在最大值CP處所顯示的作為根據示例性的風力渦輪機控制機制的漿 距角的最小漿距角曲線的圖解表示。如圖5中所示，在該示例中，沿著功率曲線501的最大 功率(Cp)點500對應于各種頂端速度比(即頂端速度比3. 0、4. 0、5. 0、6. 0、7. 0以及8. 0， 分別對應于TSR3、TSR4、TSR5、TSR6、TSR7以及TSR8)。根據本公開的實施例，這些最大功率 點500相當于針對風力渦輪機控制的最小漿距角的設定。繪制最大功率點500而形成最小 漿距角曲線5()3。如圖所示，最小漿距角曲線503提供了風力渦輪機控制，使得曲線的左側 區(qū)域(即"高AOA失速"區(qū)域)上的運行包括高的葉片攻角并可能接近失速,其中，本發(fā)明 的方法要求風力渦輪機保持(并被約束)在最小漿距角上，該最小漿距角對應于沿著最小 漿距角曲線503的漿距角。相反，曲線的右側區(qū)域(即"低AOA羽狀區(qū)")上的運行代表了 低的葉片攻角，其中，風力渦輪機將以漿距角位于最小漿距角曲線503或靠近其右邊或比 其更大的方式運行。 雖然已經參照一個優(yōu)選實施例而描述了本發(fā)明，但本領域中的技術人員應該懂 得，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下,可進行各種變化，并用等同物替代其元件。另外，在不 脫離本發(fā)明的本質范圍的情況下，還進行許多修改，以使具體情形或材料適應本發(fā)明的教 導。因此，本發(fā)明并不局限于作為被認為是實行本發(fā)明的最佳模式而公開的特殊實施例，相 反本發(fā)明將包括落入所附的權利要求的范圍內的所有實施例。
權利要求
一種風力渦輪機，包括至少一個葉片(108)，具有可根據運行參數列表進行調整的可調整的漿距角；控制系統(300)，配置成用于響應于風速和轉子速度而確定葉片效率參數，響應于所述葉片效率參數而確定最小漿距角，并將響應于所述葉片效率參數的所述至少一個葉片(108)的漿距角保持在等于或大于獨立于所述運行參數列表的所述最小漿距角的角度。
2. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于，所述運行參數列表是固定的。
3. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于，所述運行參數列表是可變的。
4. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于,在風力渦輪機運行期間，減少或大致消除了空氣動力失速。
5. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于，所述運行參數列表選自-一條曲線，該曲線選自包括功率系數曲線、推力系數曲線以及扭矩系數曲線的組。
6. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于,所述葉片效率參數選自包括頂端速度比、葉片空氣動力效率以及其組合的組。
7. 根據權利要求l所述的風力渦輪機,其特征在于，所述控制系統(300)還配置成用于響應于所述漿距角等于所述最小漿距角的預選定的時間而確定結垢的葉片狀況的存在與否。
8. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于,所述運行參數列表是功率系數曲線。
9. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于，所述運行參數列表是推力系數曲線。
10. 根據權利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于，所述運行參數列表是扭矩系數曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及葉片槳距的管理方法和系統，具體而言，提供了一種具有至少一個葉片(108)的風力渦輪機(100)，該葉片具有根據運行參數列表進行調整的可調整的槳距角。響應于風速和轉子速度而確定葉片效率參數。響應于葉片效率參數而確定最小槳距角，并將響應于葉片效率參數的至少一個葉片(108)的槳距角保持在等于或大于獨立于運行參數列表的最小槳距角的角度。
文檔編號F03D1/00GK101737245SQ20091020762
公開日2010年6月16日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權日2008年10月16日
發(fā)明者B·蘭達, K·G·皮爾斯, K·斯坦迪什, T·F·弗里克 申請人:通用電氣公司