專利名稱：速度受控的傾斜系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請涉及風(fēng)力渦輪機，該風(fēng)力渦輪機具有帶第 一轉(zhuǎn)子葉片
的轉(zhuǎn)子和傾斜(pitch)控制系統(tǒng)。更進一步地，本專利申請還涉及一種 控制器，其用于控制風(fēng)力渦輪機的至少一個轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角。最后， 本專利申請還涉及一種用于控制風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的傾斜速度 的方法。
背景技術(shù)：
在緊急事件的情況下，例如，電網(wǎng)斷電時，風(fēng)力渦輪機必須盡可 能快地停機。因此，風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片從工作位置旋轉(zhuǎn)到順槳位 置。為此目的，采用了緊急傾斜系統(tǒng)。因為在許多緊急事件中傾斜控 制器沒有動力并因而不處于工作狀態(tài)，所以旋轉(zhuǎn)速度經(jīng)常是不受控 的。對于將轉(zhuǎn)子葉片從工作位置旋轉(zhuǎn)到順槳位置所需的旋轉(zhuǎn)速度主要 被采用來盡可能快地降低功率輸出，而不是降低由此動作引起的渦輪 機載荷。例如，如果轉(zhuǎn)子葉片被過快地從工作位置旋轉(zhuǎn)到安全位置或 順槳位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片達(dá)到順槳位置時，轉(zhuǎn)子依然以相對較高的速度 旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，可產(chǎn)生高作用力將轉(zhuǎn)子吸向風(fēng)的方向，使得風(fēng) 力渦輪機可能損壞。因此，在以前的風(fēng)力渦輪機中，傾斜速度是固定 的或受限的，以便避免大的作用力。這些固定的傾斜速度通常非常低， 例如8。每秒。由于在風(fēng)力渦輪機的設(shè)計和建造階段，緊急事件的情況 明顯地是未知的，固定的傾斜速度和風(fēng)況無關(guān)，并滿足最壞的情況。 為了限制該傾斜速度，緊急傾斜系統(tǒng)通常包括安全制動系統(tǒng)。
其它已知的緊急傾斜系統(tǒng)配備有能量存儲裝置，例如蓄電池、電 池或電容。在電網(wǎng)斷電期間，該能量存儲裝置為傾斜控制器提供動力，并使轉(zhuǎn)子葉片能夠從工作位置旋轉(zhuǎn)到順槳位置。如果采用蓄電池或電 容器，在風(fēng)力渦輪機正常運行期間對它們充電。
此外，已知的應(yīng)急系統(tǒng)的特定實施例具有在能量存儲裝置和驅(qū)動 轉(zhuǎn)子葉片的傾斜電機之間的直接電連接。在后一種情況下，傾斜速度 不受控制，因為傾斜系統(tǒng)的速度取決于它必須克服的反轉(zhuǎn)矩以及能量 存儲裝置(例如，電池或蓄電池)的能量存儲充電/性能狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，提供了一種風(fēng)力渦輪機，該風(fēng)力渦輪機具有帶第 一轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子和帶有用來調(diào)節(jié)該第 一轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的第一 驅(qū)動系統(tǒng)的傾斜控制系統(tǒng)，其中，該驅(qū)動系統(tǒng)適于將繞轉(zhuǎn)子葉片的縱 軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為另 一種形式的能量，從而產(chǎn)生 與旋轉(zhuǎn)方向相反的反轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)另 一方面，提供了 一種用來控制風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的傾 斜速度的方法。該風(fēng)力渦輪機包括用于調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的 至少一個驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)適于以主動才莫式運^f亍，其中該驅(qū)動系 統(tǒng)使轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)，該驅(qū)動系統(tǒng)也適于以被動模式運行，其中當(dāng)轉(zhuǎn)子 葉片被驅(qū)動系統(tǒng)的力之外的另 一個力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，該驅(qū)動系統(tǒng)施加與 旋轉(zhuǎn)方向相反的反力，其中當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片的傾斜被從第一位置改變至第 二位置時，通過以所述被動模式操作該驅(qū)動系統(tǒng)來控制該傾斜速度。
根據(jù)又一方面，提供了 一種用于控制風(fēng)力渦輪機的至少一個轉(zhuǎn)子 葉片的傾斜角的控制器，該控制器適于控制用來調(diào)節(jié)第 一轉(zhuǎn)子葉片的 傾斜角的第一驅(qū)動系統(tǒng)，其中該第一驅(qū)動系統(tǒng)可以主動模式運行，在 該模式下該驅(qū)動系統(tǒng)使轉(zhuǎn)子葉片繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)，該第一驅(qū)動系統(tǒng)也 可以被動模式運行，在該模式下，轉(zhuǎn)子葉片繞其縱軸線的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動驅(qū) 動電機，使得該驅(qū)動系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為另 一種形式的能量。
根據(jù)本發(fā)明申請，風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的傾斜是轉(zhuǎn)子葉片繞其 縱軸線的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)所附權(quán)利要求書、說明書和附圖，本發(fā)明的其它方面、優(yōu)點和特征是顯而易見的。


在本說明書的剩余部分(包括參考附圖)更具體地描述了對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言本發(fā)明的全面而有效的公開，包括其最佳模式，在附圖
中
圖1示出了一個風(fēng)力渦輪機；
圖2示意性地示出了風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的不同傾斜角；圖3示意性地示出了根據(jù)本專利申請的傾斜控制系統(tǒng)；以及圖4示意性地示出了另一個實施例的傾斜控制系統(tǒng)。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的不同實施例，其中的一個或數(shù)個實例在附圖中進行了圖解。各實例以本發(fā)明的解釋的方式提供，而不意味著作為本發(fā)明的限制。例如，作為一個實施例的一部分所圖解或描述的特征可以用在其它實施例上，或者與其它實施例結(jié)合以產(chǎn)生另外的實施例。其意在本發(fā)明包括這種變型和變體。
圖1示出了風(fēng)力渦輪機100，其包括塔架110、吊艙120、連接在該吊艙120上的輪轂130以及具有三個轉(zhuǎn)子葉片140的轉(zhuǎn)子。吊艙120安裝在風(fēng)力渦輪機100的塔架IIO上，并可圍繞垂直的軸線旋轉(zhuǎn)，以相對于風(fēng)將轉(zhuǎn)子定位于最佳位置。轉(zhuǎn)子葉片140連接到輪轂上。該風(fēng)力渦輪機IOO還可包括更少或更多的轉(zhuǎn)子葉片140，例如單個轉(zhuǎn)子葉片，兩個轉(zhuǎn)子葉片或四個以及更多的轉(zhuǎn)子葉片140。風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子葉片140和輪轂130。發(fā)電機(未示出)布置在吊艙內(nèi)。發(fā)電機直接地或通過齒輪箱連接到輪轂130上。風(fēng)力渦輪機100按如下過程工作而將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能風(fēng)是撞擊到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子葉片140上、并推動轉(zhuǎn)子繞其水平軸線旋轉(zhuǎn)的空氣流。此旋轉(zhuǎn)被傳遞給發(fā)電機，發(fā)
6電才幾將才幾才成專爭動轉(zhuǎn)卩匕為電流。電流^皮々貴入電網(wǎng)或/>用電網(wǎng)。
各轉(zhuǎn)子葉片140均可繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)，以便將轉(zhuǎn)子葉片140定位于特定的傾斜角。在風(fēng)力渦4侖機的運行過程中葉片繞其縱軸線的最大旋轉(zhuǎn)限定了轉(zhuǎn)子葉片140的傾斜范圍。在圖2中，示出了四個不同的傾斜角。在0。位置A，轉(zhuǎn)子葉片140定位成使得其具有升力，該升力的一個分量驅(qū)動該轉(zhuǎn)子。升力取決于相對風(fēng)向，該相對風(fēng)向是風(fēng)和由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的空氣流的合成風(fēng)向。升力總是垂直于該相對風(fēng)向。第二個運行位置是位置B。該位置是轉(zhuǎn)子葉片140被選擇以限制升力、并因而限制轉(zhuǎn)矩和推力的位置。運行位置B可隨風(fēng)況而變化。在運行位置B,風(fēng)在轉(zhuǎn)子上施加轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)方向T旋轉(zhuǎn)。因此，在運行位置A和B,風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)能量。發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為電能，然后將電能饋入電網(wǎng)。在某些情況下，該0。位置也可能是一個運行位置。此外，轉(zhuǎn)子葉片140也可旋轉(zhuǎn)到順槳位置D。在該順槳位置D，由于在旋轉(zhuǎn)方向T上葉片的高空氣阻力，轉(zhuǎn)子速度被降低。應(yīng)該注意的是該順槳位置D也可具有恰好90。位置之外的另一個位置。在順槳位置D,轉(zhuǎn)子葉片140并不由于接近的風(fēng)所產(chǎn)生的空氣動力而產(chǎn)生任何旋轉(zhuǎn)能量。此外，90。位置可能不同于在轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生力矩的位置，該位置將導(dǎo)致0 rpm的空轉(zhuǎn)速度(沒有運動)。這兩個位置間的差別可能在0。到5。的級別。事實上，在緊急停機的情況下，順槳位置是轉(zhuǎn)子葉片140在該位置處必須被旋轉(zhuǎn)的位置。因此，沿風(fēng)向W轉(zhuǎn)子不是被加速而是被減速，轉(zhuǎn)子葉片140實質(zhì)上沒有空氣阻力?？梢?到90度之間的傾斜角運行持續(xù)可變的傾斜，其中停機或順槳位置代表這樣的位置，在該位置風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片140被旋轉(zhuǎn)至完全與風(fēng)脫離。在此實例中傾斜角是90。，即從0。位置A到順槳位置D。其它傾斜范圍也是可能的，例如，轉(zhuǎn)子葉片140可能不會調(diào)整成達(dá)到該0。位置，或者順槳位置D不正好是90°位置。
在運行位置B和停機或順槳位置D之間，轉(zhuǎn)子葉片140具有中性位置C，如將在下文中解釋的，在該位置處形成了關(guān)于轉(zhuǎn)子葉片140
7的縱軸線的旋轉(zhuǎn)力的平衡。風(fēng)力將轉(zhuǎn)子葉片推入順槳位置D，結(jié)果使得傾斜電機必須反抗風(fēng)力將轉(zhuǎn)子葉片驅(qū)動進入工作位置B,且該傾斜電機或者其它裝置將葉片保持或鎖定在工作位置。此外，在風(fēng)力渦輪
機100對于風(fēng)最優(yōu)地定位的情況下，即，風(fēng)力轉(zhuǎn)子的水平旋轉(zhuǎn)軸線和風(fēng)向W平行，且當(dāng)風(fēng)力轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，與旋轉(zhuǎn)方向T相反的空氣流在轉(zhuǎn)子葉片上施加了向0。位置A的旋轉(zhuǎn)力。中性位置C是這樣的位置，在該位置處由于風(fēng)力與由于氣流的力引起的繞轉(zhuǎn)子葉片140的縱軸線的轉(zhuǎn)矩互相抵消，換句話說，繞轉(zhuǎn)子葉片140的縱軸線的轉(zhuǎn)矩被平衡。應(yīng)該注意的是該中性位置C可能不同于在其上轉(zhuǎn)子不再從風(fēng)中獲得能量的轉(zhuǎn)子葉片的位置。這可取決于轉(zhuǎn)子葉片140的翼型。
如果風(fēng)力轉(zhuǎn)子靜止不動而葉片處于順槳位置D,電機反抗風(fēng)力將轉(zhuǎn)子葉片140從順槳位置D旋轉(zhuǎn)進入工作位置B,該風(fēng)力則試圖將轉(zhuǎn)子葉片140推回至順槳位置D。如果轉(zhuǎn)子正在旋轉(zhuǎn)，且必須使轉(zhuǎn)子葉片從工作位置B達(dá)到順槳位置D,且不使用其它的速度調(diào)節(jié)裝置，例如制動器，則風(fēng)力將葉片推入中性位置C。對于從中性位置C到順槳位置D的進一步運動，傾斜電機反抗空氣流的力而使轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)。如果風(fēng)力轉(zhuǎn)子正在旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)子葉片140處于順槳位置D，空氣流的力將轉(zhuǎn)子葉片從順槳位置D推入中性位置C。對于從中性位置C到工作位置B的進一步運動，傾斜電機反抗風(fēng)力使轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)。
因此，在沒有制動器或傾斜電機來控制轉(zhuǎn)子葉片的傾斜的情況下，轉(zhuǎn)子葉片將總是旋轉(zhuǎn)進入中性位置C。應(yīng)該注意的是，中性位置C以及最佳工作位置B取決于風(fēng)力渦輪機100建造現(xiàn)場的風(fēng)力。
一旦任何形式的控制器成為緊急傾斜系統(tǒng)的一部分，人們就可以用該控制器來優(yōu)化在緊急事件過程中傾斜角度位置和速度。最初可使用預(yù)先確定的傾斜速度曲線。然而，這假定人們可以預(yù)先繪制最優(yōu)行為。
圖3示出了傾斜控制系統(tǒng)200的原理圖。傾斜控制系統(tǒng)200還可具有更多的部件，為了簡化起見，這些部件在圖中未示出。而且，只示出了一個轉(zhuǎn)子葉片140。該傾斜控制系統(tǒng)200可控制一個或多個轉(zhuǎn)子葉片140的傾斜，例如，風(fēng)力渦輪機100的兩個、三個或更多個葉片。轉(zhuǎn)子葉片140可在從約0°到約90。的傾斜范圍內(nèi)繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)，這一點已經(jīng)參考圖2進行了討論。傾斜電機210關(guān)聯(lián)到轉(zhuǎn)子的各轉(zhuǎn)子葉片140上以調(diào)節(jié)該傾斜角。傾斜角可為該傾斜范圍內(nèi)的任何位置。應(yīng)該注意的是，將若千個傾斜電機210(例如，兩個或三個傾斜電機210)關(guān)聯(lián)至單個轉(zhuǎn)子葉片140上也是可能的。在一個典型的實施例中，在輪轂130中布置了(多個)傾斜電機210。
在失去到電網(wǎng)的連接或者其它緊急情況下，風(fēng)力渦輪機100不能從電網(wǎng)接收能量來執(zhí)行緊急動作，其中包括將轉(zhuǎn)子葉片140傾斜至位置D。為了維持此類電網(wǎng)斷電期間該傾斜控制系統(tǒng)的運行，必須給傾斜控制系統(tǒng)200的控制器220(例如，可編程邏輯控制器(PLC))提供能量。緊急情況期間給傾斜控制器220提供動力所需的電能通常存儲在電能存儲裝置中，例如，蓄電池230、超級電容或高電容。只要可得到，用來自電網(wǎng)的電力或通過不間斷電源(UPS)給蓄電池230充電。應(yīng)該注意的是，用于控制器220的緊急動力源可不同于用于傾斜的驅(qū)動系統(tǒng)(例如，傾斜電機210)的動力源。例如，用于控制器220的緊急動力源可為電容器，如超級電容或高電容，而用于驅(qū)動系統(tǒng)的動力源可為彈簧，如將在下文解釋。
才艮據(jù)一個實施例，傾斜電機210適于作為發(fā)電機工作。如已經(jīng)參考圖2所解釋的，轉(zhuǎn)子葉片140可僅通過風(fēng)力從工作位置B向中性位置C旋轉(zhuǎn)。用來旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子葉片140的 一部分能量可由傾斜電機210轉(zhuǎn)換為電能。因此，由傾斜電機210產(chǎn)生的電流可供應(yīng)給控制器220以給控制器220供電。在又一個實施例中，產(chǎn)生的能量可用于給蓄電池230充電。當(dāng)電初a作為發(fā)電片幾運4亍時，該電沖幾施加反抗由旋轉(zhuǎn)的葉片施加在該電機上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的反轉(zhuǎn)矩。這意味著，在這種情況下，電機作為制動器工作，因此降低了傾斜速度。換句話說，發(fā)電機反轉(zhuǎn)矩充當(dāng)降低轉(zhuǎn)子葉片的傾斜速度的制動轉(zhuǎn)矩。此效果可用來控制轉(zhuǎn)子葉片140在工作位置B和中性點位置C之間的傾斜速度。
此外，傾斜控制器220可通過將電機210用作發(fā)電機來調(diào)節(jié)傾斜速度，該電機210將額外的電能轉(zhuǎn)儲到電能存儲裝置中，例如蓄電池230或用于傾斜電機210的特定蓄電池或任何其它合適的存儲裝置。此外，電力可用來給另一個緊急傾斜系統(tǒng)提供能量，例如，轉(zhuǎn)子的另一個轉(zhuǎn)子葉片的傾斜電機。另外，在特定的實施例中，電能可被回饋到電網(wǎng)215中。最后，在又一個實施例中，電能可被饋入泄荷器(dumpload)、電阻或制動斬波器(brake chopper)中。而且，在一個實施例中可使用若干或全部所討—淪負(fù)載的組合。在又一個實施例中，產(chǎn)生
的電力可用來驅(qū)動并移動轉(zhuǎn)子葉片140或轉(zhuǎn)子的其它轉(zhuǎn)子葉片的末梢制動器。在典型模式中電負(fù)載可變化，以便可控制由電機210引起的制動轉(zhuǎn)矩，并從而可控制在工作位置B和中性點位置C之間的傾斜速度。應(yīng)該注意的是，在一個典型的實施例中，傾^j"電才幾210在工作位置B和中性位置C之間的整個角度范圍內(nèi)可不作為制動器運行，而僅在工作位置B和中性位置C之間的角度范圍的一部分中作為制動器運行。
此外，應(yīng)該注意的是在風(fēng)力轉(zhuǎn)子正在旋轉(zhuǎn)的情況下，當(dāng)葉片位于順槳位置時，電機也可作為發(fā)電機運行。在這種情況下，空氣流將轉(zhuǎn)子葉片推入中性位置，并且在葉片乂人順槳位置D向中性位置C旋轉(zhuǎn)的過程中傾斜電機可以發(fā)電機模式運行。
在一個典型的實施例中，葉片140可由 一個或多個彈簧240從0°位置A或工作點位置B向順槳位置D驅(qū)動。彈簧240可為螺旋彈簧、巻彈簧、空氣彈簧或上述幾種彈簧的組合。而且也可以采用其它用來存儲機械能的裝置來代替彈簧。因此，在工作位置B和順槳位置D之間的完整的傾^t"移動過程中，在緊急事件的情況下，如果來自電網(wǎng)215的電力被切斷，轉(zhuǎn)子葉片140仍然能返回順槳位置D以停止轉(zhuǎn)子，而無需使用傾斜電機210來主動驅(qū)動轉(zhuǎn)子葉片140。在從工作位置B進入順槳位置D的葉片旋轉(zhuǎn)過程中，存儲在彈簧240里的能量驅(qū)動轉(zhuǎn)子葉片140，并從而驅(qū)動傾斜電機210。電機210此時就可作為發(fā)電機
工作，使得它產(chǎn)生能量來給負(fù)載供電，如以上所述，例如，用多余的
電能給蓄電池充電。同時，作為發(fā)電機運行的的傾斜電機210的反轉(zhuǎn)矩或制動力矩降低了葉片的傾斜速度，使得傾斜電機210充當(dāng)制動器。在風(fēng)力渦輪機的一個典型實施例中，根據(jù)傳感器的信號來控制傾斜速度。
在又一個實施例中，如果彈簧預(yù)先壓縮到順槳位置D或處于順槳位置D,在從工作位置B到順槳位置D的整個移動過程中傾斜電機210可產(chǎn)生電能。應(yīng)該注意的是，在又一個的實施例中，在/人中性位置C到順槳位置D的整個范圍內(nèi)傾斜電機210可不充當(dāng)制動器，而僅在從中性位置C到順槳位置D的一部分范圍內(nèi)充當(dāng)制動器。這取決于彈簧240的尺寸和布置。在一個典型的實施例中，彈簧定位在輪轂130中。
在由于電網(wǎng)215、蓄電池230或傾斜電機210供應(yīng)的動力不足，傾斜控制器220不再起作用的情況下，傾斜控制系統(tǒng)200可包括制動器，例如離心制動器，該止動器限制轉(zhuǎn)子葉片140的傾斜速度，典型地如果傾斜系統(tǒng)由彈簧240驅(qū)動。此外，在一個實施例中，在90。的位置，葉片140被阻擋，使得限制了葉片140繞其縱軸線的進一步旋轉(zhuǎn)。因此，該阻擋防止了風(fēng)力渦輪機在正常運行下的進一步旋轉(zhuǎn)。
在又一個實施例中，控制器還適于將以發(fā)電機模式運行的電機電連接到蓄電池，用于調(diào)節(jié)第二轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的第二電機，或泄荷器上。
在緊急制動的情況下，轉(zhuǎn)子葉片140必須盡可能快地從其工作位置B旋轉(zhuǎn)至順槳位置D。但是，如果傾斜已經(jīng)經(jīng)過了中性位置C，在輪轂上施加吸力，將輪轂向與風(fēng)向W相反的方向4立動。如果這些力太大的話，它們可能會損壞甚至摧毀風(fēng)力渦輪機100。因此，在風(fēng)力轉(zhuǎn)子的減速過程中，控制傾斜速度是很重要的。相應(yīng)地，傾斜控制系統(tǒng)200有連接到控制器230上的至少一個傳感器250。在一個特定的實施例中，該傳感器的測量值可為受控的過程變量。例如，傳感器250
是位于轉(zhuǎn)子葉片140、輪轂130、吊艙120或塔頂部中的振動傳感器。 在本專利申請的一個典型實施例中，傳感器250包括至少一個加速度 計，尤其是用于探測來回運動的加速度計。該加速度計可位于輪轂130 內(nèi)靠近所述轉(zhuǎn)子葉片140的葉片根部。這些加速度計可以測量施加到 風(fēng)力渦輪機100的轉(zhuǎn)子上的吸力。根據(jù)另一個實施例，傳感器250可 包括用于轉(zhuǎn)子的位置和速度傳感器，位于結(jié)構(gòu)部件(例如，轉(zhuǎn)子葉片 140、葉片軸承、輪轂130、軸、框架或塔架IIO)中的應(yīng)力或應(yīng)變傳感 器。根據(jù)其它實施例，傳感器250可適于測量風(fēng)速或風(fēng)向。在一個典 型的實施例中，傳感器240可為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度傳感器，用于測量轉(zhuǎn) 子的位置的傳感器，測量至少一個轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的傳感器。而且， 渦輪機控制器可向傾斜控制器提供信號，如通過渦輪機控制器可直接 或間接地中繼其它信號。此數(shù)據(jù)可為歷史數(shù)據(jù)，以及基于歷史數(shù)據(jù)的 預(yù)測的實際數(shù)據(jù)。
控制器230使用一個或多個傳感器250的信號來控制轉(zhuǎn)子葉片 140或所有轉(zhuǎn)子葉片140的傾斜速度。例如，如果來回加速度計用作 傳感器250來產(chǎn)生反饋信號，則傾斜速度可被限制在某個值，使得對 于風(fēng)力渦輪機100的部件所設(shè)計的負(fù)載受到限制，例如，避免塔架結(jié) 構(gòu)的過應(yīng)力。
因此，在第一種控制策略中，采用上述傳感器250的反饋信號 來控制傾斜速度。
此外，傾斜控制器220可采用第二種控制策略，其中對于渦輪 機中部件/渦輪機中部件自身的期望的渦輪機特性，例如轉(zhuǎn)矩、作用力、 運動(塔架最近通路)、速度和加速度等的映像圖被用于控制。這些變 量可取決于運行變量例如傾斜角、轉(zhuǎn)子速度和位置、轉(zhuǎn)矩、功率等進 行映像。例如，處于6點鐘位置的葉片可以比處于12點位置處的葉 片更高的傾斜速度傾斜，因為推力是風(fēng)速的函數(shù)，因而也是距地面高 度的函數(shù)。最近歷史(秒，分鐘)的風(fēng)速和風(fēng)向、最近歷史的空氣溫度、對單個渦輪機設(shè)定值(例如，高度，由高度和溫度產(chǎn)生的密度)，以及
渦輪機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在又一個實施例中，控制器220可將信號的短期 預(yù)測納入考慮。
取代傳感器信號，或作為傳感器信號的附加，傾斜控制系統(tǒng)200 的控制器230可采用來自渦輪機控制器的輸入，通過該渦輪機控制器 可直接或間接地中繼其它的信號。
傾斜控制器也可使用如下的第三種控制策略，該策略利用由渦 輪機主PLC提供的預(yù)先定義的預(yù)備姿勢曲線。因此，可采用傾斜控制 器220的動作的單獨加速度計以及單獨的渦4侖機主PLC，或兩者的組 合。
以上討論的控制策略可單獨使用或組合卩吏用。而且，例如由于 在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)過程中對于轉(zhuǎn)子葉片風(fēng)速可能不同，風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子葉 片140可分別由控制器220控制。因此，同一個轉(zhuǎn)子的不同的轉(zhuǎn)子葉 片140可獨立地繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)至順槳位置D。為了控制載荷，轉(zhuǎn)子 葉片可繞其縱軸線對稱地旋轉(zhuǎn)。這意味著轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)該始終都具有相 同的傾斜角。因此，用于各轉(zhuǎn)子葉片的單獨的控制器可各自將其它轉(zhuǎn) 子葉片的傾斜角納入考慮。這只有在轉(zhuǎn)子不再加速時才能做到。只要 轉(zhuǎn)子正在加速或處于過高的轉(zhuǎn)子速度，所有的葉片都應(yīng)該盡可能快地 進入順槳位置。
在又一個實施例中，風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩也可根據(jù)由傳感器250傳 遞的值進行調(diào)節(jié)。為此目的，可將傳感器250或控制器220連接到典 型地位于吊搶內(nèi)的風(fēng)力渦輪機控制器上。
在又一個實施例中，可使用一種機械傾斜系統(tǒng)。圖4示出了這 樣一種傾斜控制系統(tǒng)300。轉(zhuǎn)子葉片140由液壓或氣動作動器驅(qū)動。 液壓或氣動作動器310可位于吊搶120內(nèi)或轉(zhuǎn)子130內(nèi)。該液壓作動 器可為雙路徑作動器，使得其可主動地使轉(zhuǎn)子葉片繞其縱軸線從順槳 位置D向0。位置旋轉(zhuǎn)，且如果必要，該作動器也可主動地使葉片從O。 位置或工作位置向順槳位置D旋轉(zhuǎn)，例如從順槳位置D向工作位置B旋轉(zhuǎn)。在單路氣動或液壓作動器310的情況下，該作動器可反抗彈簧
320做功，該彈簧推動轉(zhuǎn)子葉片進入順槳位置以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)，或者 進入轉(zhuǎn)子不再從風(fēng)中獲得能量的位置。該液壓或氣動作動器310通過 閥330連接到貯存器340。在氣動作動器的情況下，貯存器340可為 壓力貯存器或為帶有氮氣泡(nitrogenbubble)的液壓貯存器。傾斜控制 器350根據(jù)傾斜傳感器360的信號控制閥門350，以便正確地設(shè)置傾 斜。在停機過程的情況下，例如緊急停機操作，風(fēng)能可被轉(zhuǎn)換為機械 能并存儲在貯存器340中。如已對圖3中所示的帶有電機210的傾斜 系統(tǒng)的實施例的解釋，除彈簧320施加的作用力之外，風(fēng)驅(qū)動轉(zhuǎn)子葉 片從工作位置，例如0°位置A或工作位置B沿順槳位置方向運動。 閥門330適于將由彈簧320和/或轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)在作動器中產(chǎn)生的流 體壓力引入貝i存器。因此，氣動傾斜系統(tǒng)情況下貯存器中的空氣壓力 或液壓傾斜系統(tǒng)情況下貯存器中的氮氣泡的壓力增加。如果轉(zhuǎn)子葉片 必須從順槳位置D傾斜進入工作位置，則存儲的機械能可隨后利用。 在一個特定的實施例中，可將彈簧320結(jié)合到氣動或液壓作動器310 中。
帶有彈簧驅(qū)動的傾斜系統(tǒng)的實施例的 一 個優(yōu)點是不需要區(qū)分緊 急操作和受控的自動模式。只有當(dāng)傾斜控制器220失效時，緊急操作 才是未校準(zhǔn)的。只要傾斜控制器220在運行，位置或速度控制模式總 是有效，而緊急操作模式只是"熱備用"。因此，本專利申請具有如下 優(yōu)點，即在一些載荷情況下可以降低施加在風(fēng)力渦輪機的結(jié)構(gòu)部件上 的載荷。因此，可使用比較便宜的部件。緊急情況也可由機械師按下 緊急停機按鈕來觸發(fā)。通過向此控制器提供反饋，可以設(shè)計更加結(jié)構(gòu) 獨立的控制。
此書面說明書采用實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并使本領(lǐng) 域任何人員能夠制造和使用本發(fā)明。盡管本發(fā)明根據(jù)不同的特定實施 例來描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，本發(fā)明可以在權(quán)利要求書 的精神和范圍內(nèi)的變型來實施。尤其是，上述的實施例的彼此非排他
14的特征可互相結(jié)合。本發(fā)明可獲取專利的范圍由權(quán)利要求書限定，并 可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果此類其它實例具有的結(jié) 構(gòu)要件和權(quán)利要求書的字面語言沒有不同，或者如果它們包括的等價 結(jié)構(gòu)要件和權(quán)利要求書的字面語言沒有本質(zhì)的不同，則它們都意在屬 于本權(quán)利要求書的保護范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
1. 一種具有轉(zhuǎn)子和傾斜控制系統(tǒng)(200，300)的風(fēng)力渦輪機(100)，該轉(zhuǎn)子帶有第一轉(zhuǎn)子葉片(140)，該傾斜控制系統(tǒng)(200，300)帶有用于調(diào)節(jié)該第一轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的第一驅(qū)動系統(tǒng)(210，310)，其中，該第一驅(qū)動系統(tǒng)(210，310)適于將繞轉(zhuǎn)子葉片的縱軸線旋轉(zhuǎn)的該轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量，從而產(chǎn)生和旋轉(zhuǎn)方向相反的反轉(zhuǎn)矩。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，該驅(qū)動系 統(tǒng)是電機(210),其中該電機(210)適于作為發(fā)電機運行以產(chǎn)生電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，該傾斜控 制系統(tǒng)包括用于控制所述傾斜角的控制器(220),其中所述傾斜控制系 統(tǒng)(200)被適應(yīng)使得當(dāng)?shù)谝浑姍C(210)作為發(fā)電機運行時，由該第一電機 (210)產(chǎn)生的電流被供給該傾斜控制系統(tǒng)的控制器、泄荷器，以便由該 第 一 電機產(chǎn)生的電流能夠被排入該泄荷器、電能存儲裝置(230)或電 網(wǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在 于，該傾斜控制系統(tǒng)(200， 300)適于改變該驅(qū)動系統(tǒng)(210, 310)的反轉(zhuǎn) 矩，以控制該第一葉片(140)的傾斜運動的角速度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在 于，該轉(zhuǎn)子還包括第二轉(zhuǎn)子葉片(140)，而該傾斜控制系統(tǒng)(200, 300) 包括用于調(diào)節(jié)該第二轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的第二驅(qū)動系統(tǒng)，其中，當(dāng)該 第一驅(qū)動系統(tǒng)(200, 300)由該轉(zhuǎn)子葉片驅(qū)動時，該傾斜控制系統(tǒng)(200, 300)還適于將由該第 一驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的能量供給相同類型的該第二驅(qū) 動系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在 于，該第一葉片(140)被連接到適于使該第一轉(zhuǎn)子葉片繞其縱軸線旋轉(zhuǎn) 的彈簧(240, 320)上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力渦輪機，其特征在于，該第一轉(zhuǎn) 子葉片(140)適于繞其縱軸線在從工作位置(A, B)向順槳位置(D)且反 之亦然的傾斜范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其中，該彈簧(240)布置成以便當(dāng)該第一轉(zhuǎn) 子葉片沿從該順槳位置向該工作位置的方向旋轉(zhuǎn)時，該彈簧(240)存儲 機械能。
8. —種用于控制風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的傾斜速度的方法，該 風(fēng)力渦輪機包括用于調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的至少 一 個驅(qū)動系 統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)適于以主動模式運行，其中該驅(qū)動系統(tǒng)使該轉(zhuǎn)子葉片 旋轉(zhuǎn)，該驅(qū)動系統(tǒng)也適于以被動模式運行，其中當(dāng)該轉(zhuǎn)子葉片由不同 于該驅(qū)動系統(tǒng)的力旋轉(zhuǎn)時，該驅(qū)動系統(tǒng)施加與旋轉(zhuǎn)方向相反的反力， 其中，當(dāng)該轉(zhuǎn)子葉片的傾斜從第一位置向第二位置改變時，通過以所 述被動模式操作該驅(qū)動系統(tǒng)來控制傾斜速度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，依賴于傳感器的 信號控制該傾斜速度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該轉(zhuǎn)子葉片由風(fēng) 或彈簧從該第 一位置移向該第二位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及速度受控的傾斜系統(tǒng)，具體而言，本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(100)，其具有帶第一轉(zhuǎn)子葉片(140)的轉(zhuǎn)子，和帶用于調(diào)節(jié)第一轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的第一驅(qū)動系統(tǒng)(210)的傾斜控制系統(tǒng)(200)，其中第一驅(qū)動系統(tǒng)(210)適于將繞轉(zhuǎn)子葉片的縱軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量，從而產(chǎn)生和旋轉(zhuǎn)方向相反的反轉(zhuǎn)矩。此外，本發(fā)明涉及一種用于控制風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的傾斜速度的方法，該風(fēng)力渦輪機包括用于調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角的至少一個驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)適于以主動模式和被動模式運行，其中，當(dāng)該轉(zhuǎn)子葉片的傾斜從第一位置向第二位置改變時，通過以被動模式操作該驅(qū)動系統(tǒng)來控制傾斜速度。
文檔編號F03D7/02GK101487446SQ20091000246
公開日2009年7月22日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者A·布雷克斯, J·J·尼斯, P·羅加爾, P·阿亨巴赫, S·里肯 申請人:通用電氣公司