用于控制風力渦輪機中的負載的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于控制風力渦輪機中的負載的方法。用于控制風力渦輪機(20)中的空氣動力學負載的方法包括：停止渦輪機的葉片(22)繞著轉(zhuǎn)子軸的軸線(38)的旋轉(zhuǎn)；停止渦輪機的機艙(30)繞著豎直偏航軸線(36)的旋轉(zhuǎn)；使渦輪機的各個葉片繞著其相應變槳軸線(43)變槳到穩(wěn)定的槳距角范圍，其中，由相應葉片上的當前風負載(48，50)所產(chǎn)生的所得的根部扭矩(52)處于推動葉片朝向較低根部扭矩的位置進行變槳旋轉(zhuǎn)的方向中；以及釋放葉片，以便在隨后改變風向(VR1)期間繞著所述葉片的相應變槳軸線被動地旋轉(zhuǎn)。葉片可設計成將根部零扭矩(52A，52D)更好地對齊在具有最小風負載的穩(wěn)定的槳距角范圍中。
【專利說明】用于控制風力渦輪機中的負載的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明大體涉及風力渦輪機，且更具體而言涉及最小化在停駐的風力渦輪機中的空氣動力學結構負載。

【背景技術】
[0002]風力渦輪機的成本效率隨著轉(zhuǎn)子直徑增大而增大，但葉片長度和設計通常受風暴期間的最大風負載限制。當風力渦輪機運行時，偏航控制保持機艙和轉(zhuǎn)子軸與風對齊。然而，在檢測到或者預報有大風時，可鎖定偏航位置。在這種情況下，風可來自于相對于機艙的任意方向。葉片舷側的風可導致在葉片和所有支承部件上過量的應力。為此，葉片可主動地順槳以使所述葉片的弦線與風對齊。主動順槳要求在風向改變時進行持續(xù)的葉片槳距調(diào)節(jié)。如果轉(zhuǎn)子為了安全而停駐，則不會產(chǎn)生功率。如果電網(wǎng)故障，則沒有功率用于主動變槳控制，因此需要輔助功率單元，其本身也經(jīng)受故障。當用于變槳控制的功率不可用時，葉片可在大風中經(jīng)受過量的彎曲和扭轉(zhuǎn)力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]在以下描述中參照附圖來解釋本發(fā)明，附圖顯示了:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一方面的具有處于豎直方位角位置的第一葉片的風力渦輪機的前視圖。
[0004]圖2是沿著圖1的線2-2截取的豎直定向的葉片的剖視俯視圖。
[0005]圖3是圖2的葉片翼型部段的放大圖。
[0006]圖4顯示了針對在相對風向的整個范圍上計算的根部彎矩、根部剪切力以及根部扭矩的相互關聯(lián)的函數(shù)曲線。
[0007]圖5顯示了相對于給定為1.00的〃完全〃掃掠來說的不同的掃掠量的根部扭矩曲線。
[0008]圖6示意性地顯示了具有穿過其從根部到末梢的1/4弦點的輪廓曲線的葉片。
[0009]圖7顯示了向后掃掠的葉片的輪廓曲線。
[0010]圖8顯示了在中間徑向位置的向后掃掠的葉片的輪廓曲線。
[0011]圖9顯示了根據(jù)圖8設計的葉片。

【具體實施方式】
[0012]圖1是風力渦輪機(11)20的前視圖，其具有徑向地安裝在輪轂28上的三個葉片22、24、26，輪轂28安裝在從機艙30延伸的轉(zhuǎn)子軸(不可見)上，機艙30經(jīng)由偏航軸承34安裝在塔架32上，偏航軸承34提供機艙繞著偏航軸線36的旋轉(zhuǎn)。葉片、輪轂以及軸組成了繞著水平轉(zhuǎn)子軸軸線38旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。標出了徑向位置各個葉片繞著相應的變槳軸線43可控地樞轉(zhuǎn)。豎直葉片顯示處于零方位角位置。當檢測到或者預告大風時，所述葉片可鎖定在該位置，以便最小化塔架上的總彎矩以及使葉片遠離塔架周圍的渦流。
[0013]圖2是徑向地安裝在位于水平轉(zhuǎn)子軸40上的輪轂28上的豎直定向的葉片22的剖視俯視圖，水平轉(zhuǎn)子軸40驅(qū)動機艙30中的發(fā)電機(未顯示)。葉片在豎直平面42內(nèi)旋轉(zhuǎn)。葉片繞著變槳軸線43樞轉(zhuǎn)，變槳軸線43可位于如圖所示的1/4弦位置處或附近，或者位于一些其它位置。在圖2中，偏航、方位角以及槳距是停駐的(固定的)，翼型的弦線44與旋轉(zhuǎn)平面42對齊。相對于機艙來說的進入風矢量乂⑴在其來自前方且平行于軸的軸線46時被限定為零度。在該視圖中，相對風角度沿順時針增大，因此當風來自右方時其為90。，而當風來自左方時其為-90°。迎角40八被限定在葉片弦線44與相對風矢量之間。針對相對于葉片的任何風向0，迎角被限定如下:
(1-, 9 ) =0+90° (1-) - 0
其中:I =自轉(zhuǎn)子軸線起的半徑
@ =槳距角
①=相對風向
3(1-)=扭轉(zhuǎn)角(給定半徑處相對于葉片內(nèi)置的槳距
[0014]用于該計算的示例性相對風向V。顯示為處于-75°。如果給定半徑I'處的槳距角和扭轉(zhuǎn)角為零，則的迎角為4^=-75° +90° -0° -0° =15°^用于計算空氣動力學負載。然而，本文所示的圖表使用V的風向慣例(從軸的軸線46起沿順時針的0到180。，以及沿逆時針的-0到-180° )，其中翼型弦44平行于旋轉(zhuǎn)平面42，如圖2中所示。這就提供了這樣的圖表，其顯示了相對于轉(zhuǎn)子軸軸線46將槳距引導到何處以便達到風負載曲線的穩(wěn)定波谷，如下文所述的。
[0015]圖3顯示了圖2的葉片翼型部段的放大圖，該翼型具有前緣…、后緣12、壓力側？3和吸力側33。沿著葉片翼展的至少一部分，變槳軸線43可位于翼型的空氣動力學中心處或附近。然而，由于葉片的變化的形狀、漸縮以及掃掠，空氣動力學中心可隨著相對于變槳軸線的徑向位置而改變。在葉片的掃掠部分上，且當葉片由于預彎曲而向前彎曲或由于風而向后彎曲時，變槳軸線可處于葉片外部。阻力矢量0具有與風相同的方向。抬升矢量[垂直于風。顯示了抬升矢量的正方向，即使針對一些風向的抬升會向后推動翼型。矢量長度未按比例繪制。在該視圖中，空氣動力學力矩％沿順時針是正的。
[0016]圖4顯示了針對根部彎矩48、根部剪切力50和根部扭矩52計算的函數(shù)曲線。這些曲線通過豎直線3、以0、么6、？相互關聯(lián)，所述豎直線經(jīng)過底部曲線52上的根部扭矩為零處的位置。在3、0、6三種情況下，扭矩52的斜率在零交叉點處是正的。在其它情況6、么？下，扭矩曲線52的斜率在零交叉點處是負的。當斜率是正的時，相對風V奶的方向改變推動葉片朝向零扭轉(zhuǎn)，這是因為更高的風角產(chǎn)生正的葉片扭轉(zhuǎn)，這會使葉片在圖2中順時針旋轉(zhuǎn)，從而減小相對風角；而較低的風角產(chǎn)生負扭轉(zhuǎn)，這使葉片逆時針旋轉(zhuǎn)到更大的相對風角。這種情況可稱為關于扭轉(zhuǎn)力矩曲線的零交叉點的穩(wěn)定斜率。本文中所考慮的穩(wěn)定的槳距角范圍是528-52(3和522-52？。
[0017]穩(wěn)定的零扭轉(zhuǎn)位置中的兩個52八和520出現(xiàn)在相應的應力波谷對484/50八和480/500內(nèi)。因此，如果釋放葉片變槳控制以允許槳距在范圍528-52(:或522-52？中的任意處自由改變，葉片將被動地尋找相應的零扭矩位置52八、520，且將停留在風負載波谷48八/50八或48(:/50(:內(nèi)。此處，為了示例性的目的，兩個風負載曲線48和50的形狀接近相同，因為它們在基本相同的位置具有波峰和波谷。因此，術語〃風負載波谷〃或〃負載波谷〃是指曲線48或50中的任一個或者它們的組合中的波谷。彎曲和剪切力曲線48、50的最小量488、480、508、500出現(xiàn)在弦線44與風V”大體對齊或者反向?qū)R的時候。零扭轉(zhuǎn)線〃一出現(xiàn)在前緣位于風中的時候，而零扭轉(zhuǎn)線出現(xiàn)在后緣位于風中的時候。在用于這些圖表的特定模式中，與最小量488、508和零線〃一的距離相比，最小量480和500與零線的距離更近。為了利用這一事實，一種選項是在釋放變槳控制之前將后緣變槳到風中。然而，另一種選項是設計葉片從而使得最小量488和/或508更靠近零扭轉(zhuǎn)線〃3〃或者與其對齊。例如，葉片可被設計成使得兩個最小量488和508距零扭轉(zhuǎn)線〃一的平均距離最小化。備選地，葉片可被設計成使得各個波谷最小量處于或接近零扭轉(zhuǎn)線(在5-10度之內(nèi)
[0018]圖5顯示了相對于給定為1.00的〃完全〃掃掠來說的五種不同的掃掠量的根部扭矩曲線。雖然不意圖限制而是僅僅簡單作為示例，如果完全掃掠是葉片末梢處向后2米，則0.50的掃掠是末梢處向后1米。發(fā)明人認識到，如果將風負載曲線48和50的最小量的位置修改為與零扭轉(zhuǎn)線"一和/或〃6〃中的至少一個重合，則應力可在被動變槳控制下被最小化。掃掠量和/或形狀可用于調(diào)節(jié)零扭轉(zhuǎn)交叉點4-巧，如圖所示。
[0019]圖6示意性地顯示了葉片22的前輪廓或平臺，其中葉片輪廓曲線54八穿過其從根部56到末梢58的1/4弦點。圖7顯示了向后掃掠的葉片的輪廓曲線548。該曲線可匹配函數(shù)，諸如掃掠^66？ (1-) =8^ (17?) ~2，其中，3是末梢58處的掃掠量，諸如2.0米，而17?是葉片翼展的比例(徑向位置/轉(zhuǎn)子半徑圖8顯示了中間徑向位置處的向后掃掠的葉片的輪廓曲線540。向后掃掠可繼續(xù)至弦線60，且然后向前掃掠到末梢58，從而形成輕微地指向后方的1形或者卜形輪廓?？蛇x擇弦60，因為提高其內(nèi)置槳距或扭轉(zhuǎn)的影響會使圖4的零扭轉(zhuǎn)點〃:移動得更靠近最小量488、480、50八、500中的一個或多個。因此，葉片輪廓曲線5扣可成形為以便規(guī)定這樣的葉片平臺:其在任何特定的徑向位置處向后掃掠，在所述徑向位置處，該掃掠對于使圖4的零扭轉(zhuǎn)線"一與負載曲線48，50的最小值對齊來說最有效。圖9顯示了根據(jù)圖8設計的葉片22(:的平臺?？蛇M行其它葉片修改來實現(xiàn)該結果，諸如增大葉片在選定徑向位置處的弦長度或改變拱形形狀。
[0020]允許葉片槳距被動地旋轉(zhuǎn)的中立槳距狀態(tài)可由馬達驅(qū)動的齒輪來提供，該齒輪通過螺線管與例如發(fā)動機起動器接合以及脫開。例如，螺線管可移動馬達軸上的驅(qū)動小齒輪，以便與葉片的槳距軸上的環(huán)形齒輪嚙合?？墒褂糜脕碓试S自由旋轉(zhuǎn)的備選器件，諸如離合器或具有壓力釋放閥裝置的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。變槳驅(qū)動系統(tǒng)可設計成在沒有功率的情況下在默認狀態(tài)下與葉片脫開，從而允許葉片被動地變槳而沒有角度限制?？商峁┳枘釞C構(諸如部分制動器或離合器)來防止擺動。
[0021]雖然本文中已顯示和描述了本發(fā)明的若干實施例，但將顯而易見的是，這樣的實施例僅僅作為實例來提供?？勺龀鲈S多變型、改變以及替換而不會偏離本文中的本發(fā)明。因此，本發(fā)明意圖僅僅由所附的權利要求的精神和范圍來限制。
【權利要求】
1.一種操作風力渦輪機的方法，所述方法包括: 停止所述風力渦輪機的葉片繞著轉(zhuǎn)子軸的軸線的旋轉(zhuǎn)； 停止所述風力渦輪機的機艙繞著豎直偏航軸線的旋轉(zhuǎn)； 使所述風力渦輪機的各個葉片繞著相應變槳軸線變槳到如下槳距角范圍，即在所述槳距角范圍中，由位于相應葉片上的當前風負載所產(chǎn)生的所得根部扭矩沿著迫使所述葉片朝向較低根部扭矩的位置進行變槳旋轉(zhuǎn)的方向；以及 釋放所述葉片，以在隨后改變風向期間繞著所述葉片的相應變槳軸線被動地旋轉(zhuǎn)。
2.如權利要求1所述的方法，還包括:使各個葉片變槳到如下槳距角范圍，即在所述槳距角范圍中，在那些相應的負載對比風向的圖表上，所述葉片的根部力矩和根部剪切負載二者都在相應的負載波谷內(nèi)。
3.如權利要求1所述的方法，還包括:選擇各個葉片的形狀參數(shù)，以便將根部彎矩和根部剪切負載中的至少一個的最小值定位成接近相對于變化的風向來說為零根部扭矩的變槳位置。
4.如權利要求1所述的方法，還包括:提供中立變槳模式，其中在由變化的風向產(chǎn)生的扭矩的影響下，各個葉片繞著其相應變槳軸線獨立地且被動地旋轉(zhuǎn)而沒有角度限制。
5.如權利要求1所述的方法，還包括:提供主動變槳控制，其使各個葉片變槳達至少360度的范圍；并且提供中立變槳模式，其中在由所述當前風負載產(chǎn)生的扭矩的影響下，各個葉片獨立地且被動地繞著所述相應變槳軸線旋轉(zhuǎn)而沒有角度限制。
6.如權利要求1所述的方法，還包括:向所述葉片中的各個提供掃掠量和形狀，其在變化的風向上最小化了所述當前風負載的最小值與零扭轉(zhuǎn)力矩的變槳位置之間的距離。
7.如權利要求1所述的方法，還包括:向所述葉片中的各個提供在所述葉片的選定半徑處最大化的向后掃掠，其中，所述向后掃掠的影響最小化了提供當前根部彎矩和當前根部剪切力中的至少一個的最小值的變槳位置與在葉片前緣處于風中的情況下相對于風向的為零扭轉(zhuǎn)力矩的變槳位置之間的距離。
8.如權利要求7所述的方法，還包括:提供各個葉片，以包括從所述葉片的根部到所述選定半徑的向后掃掠以及從所述選定半徑到所述葉片的末梢的向前掃掠。
9.一種操作風力渦輪機的方法，所述方法包括: 提供所述風力渦輪機的葉片，使得當所述葉片處于被動地穩(wěn)定的槳距角時，所述葉片中的根部力矩和根部剪切負載兩者都處于那些相應的負載對比風向的圖表上的相應的負載波谷內(nèi)，其中，在根部扭矩對比風向的圖表上，所述根部扭矩具有零值和穩(wěn)定斜率； 通過停止所述葉片繞著渦輪機旋轉(zhuǎn)軸線以及繞著偏航軸線的旋轉(zhuǎn)而停駐所述風力渦輪機； 針對現(xiàn)有的風向?qū)⑺鋈~片變槳到所述被動地穩(wěn)定的槳距角；以及 釋放所述葉片，以響應于變化的風向繞著變槳軸線被動地旋轉(zhuǎn)。
10.如權利要求9所述的方法，還包括:提供所述葉片，以在相對于變化的風向具有零根部扭矩的所述穩(wěn)定的槳距角附近產(chǎn)生在所述相應負載波谷中的相應最小值。
11.如權利要求9所述的方法，還包括:提供所述葉片，以在相對于變化的風向具有零根部扭矩的穩(wěn)定的槳距角處產(chǎn)生在所述相應負載波谷中的相應最小值。
12.如權利要求9所述的方法，還包括:提供中立變槳模式，其中，在由變化的風向產(chǎn)生的扭矩的影響下，所述葉片繞著所述變槳軸線獨立地且被動地旋轉(zhuǎn)而沒有角度限制。
13.如權利要求9所述的方法，還包括:提供主動變槳控制，其使所述葉片在至少360度的范圍上變槳；并且提供中立變槳模式，其中，在由變化的風向引起的扭矩的影響下，所述葉片繞著所述變槳軸線被動地變槳而沒有角度限制。
14.如權利要求9所述的方法，還包括:向所述葉片提供這樣的掃掠量和形狀，其在變化的風向上最小化所述根部力矩和根部剪切負載中的相應最小量與零扭轉(zhuǎn)力矩的變槳位置之間的平均距離。
15.如權利要求9所述的方法，還包括:向所述葉片提供在所述葉片的選定半徑處最大化的向后掃掠，其中，所述向后掃掠的影響最小化了根部力矩和根部剪切負載的相應最小值與在葉片的前緣位于風中情況下相對于風向的為零扭轉(zhuǎn)力矩的變槳位置之間的平均距離。
16.如權利要求15所述的方法，還包括:提供所述葉片，以包括從所述葉片的根部到所述選定半徑的向后掃掠以及從所述選定半徑到所述葉片的末梢的向前掃掠。
17.一種操作風力渦輪機的方法，所述風力渦輪機包括安裝在能夠水平旋轉(zhuǎn)的軸上的葉片，該軸又安裝在具有豎直偏航軸線的機艙中，所述方法包括: 使所述葉片變槳到空氣動力學上穩(wěn)定的槳距角范圍中，其中所述葉片被動地尋找在改變風向期間處于所述葉片上的空氣動力學結構負載的波谷內(nèi)的槳距角；以及 將所述葉片的槳距釋放到中立槳距狀態(tài)，其中槳距角具有不受限制的自由度。
18.如權利要求17所述的方法，還包括:在使所述葉片變槳的步驟之前，將所述偏航軸線鎖定在所述機艙的固定的偏航位置以及將所述軸鎖定在所述葉片的相應方位角位置。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述風力渦輪機恰好包括三個葉片，且進一步包括鎖定所述轉(zhuǎn)子軸而使所述葉片中的一個豎直向上地定向。
20.如權利要求17所述的方法，其中所述空氣動力學上穩(wěn)定的槳距角范圍包括所述葉片的迎風的后緣。
【文檔編號】F03D7/04GK104295445SQ201410291708
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權日:2013年6月26日
【發(fā)明者】J.M.奧布雷希特, K.希布斯拜 申請人:西門子公司