帶浮動(dòng)地基的局部變槳距風(fēng)力渦輪的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括風(fēng)力渦輪機(jī)塔架，該塔架帶有設(shè)置在其頂部的機(jī)艙，帶有一片或多片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)子輪轂可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝至該機(jī)艙，使得這些葉片構(gòu)成旋轉(zhuǎn)平面。具有上部的浮動(dòng)地基安裝至風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的底部，其中該地基具有浮體，用于安裝在大約40米或更深的水深處的離岸位置。風(fēng)力渦輪機(jī)葉片包括內(nèi)葉片部分，其通過(guò)槳距連接器連接至外葉片部分，在該槳距連接器中槳距機(jī)構(gòu)連接至槳距控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于在風(fēng)速超過(guò)第一風(fēng)速時(shí)，相對(duì)內(nèi)葉片部分調(diào)整外葉片部分的槳距角。這使得變槳距應(yīng)用于抵消風(fēng)力渦輪機(jī)由于作用在該結(jié)構(gòu)上的不同推力所造成的傾斜。這使其對(duì)在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩作進(jìn)一步線性控制，因?yàn)槿~片部分提供了更恒定的作用在轉(zhuǎn)子輪轂上的推力，這依次使得在風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的大的負(fù)阻尼載荷和應(yīng)力得以消除。
【專利說(shuō)明】帶浮動(dòng)地基的局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括:
[0002]-風(fēng)力渦輪機(jī)塔架，其具有頂部和底部；
[0003]-機(jī)艙,該機(jī)艙設(shè)置在風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)塔架頂部；
[0004]-轉(zhuǎn)子輪轂，該轉(zhuǎn)子輪轂可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝至機(jī)艙；
[0005]-一片或更多風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，該葉片安裝至轉(zhuǎn)子輪轂，其中風(fēng)力渦輪機(jī)葉片構(gòu)成旋轉(zhuǎn)平面；以及
[0006]-浮動(dòng)地基，該地基具有上部，設(shè)置為安裝至風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的底部，其中該地基具有浮體，并設(shè)置為安裝在具有預(yù)定水深的離岸位置。
[0007]本發(fā)明還涉及一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括一片或更多風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，該葉片安裝至轉(zhuǎn)子輪轂，該輪轂緊接著可旋轉(zhuǎn)地安裝至機(jī)艙，該機(jī)艙設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的頂部，該塔架緊接著安裝至具有浮體的浮動(dòng)地基上，其中風(fēng)力渦輪機(jī)葉片在平均風(fēng)速大于第一風(fēng)速時(shí)調(diào)整槳距角。
【背景技術(shù)】
[0008]眾所周知，在岸上或離岸位置安裝風(fēng)力渦輪機(jī)，通常將風(fēng)力渦輪機(jī)成組設(shè)置，使得風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生盡可能多的能量。近年來(lái)，風(fēng)力渦輪機(jī)的高度和大小與這類大型風(fēng)力渦輪機(jī)所能產(chǎn)生的功率輸出一起提升了。由于功率輸出與風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的大小和長(zhǎng)度成正t匕，因此這些葉片的大小和長(zhǎng)度以及風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的高度也增大了?，F(xiàn)今，由于噪音限制和其他因素，對(duì)在離岸位置安置這類大型風(fēng)力渦輪機(jī)提出了更高的要求。
[0009]離岸風(fēng)力渦輪機(jī)一般安裝在離岸地基(有時(shí)稱為沿岸地基)上，該地基通過(guò)單極鉆入海床或者依靠重物或三腳架地基固定至海床。然而，這類地基很貴而且只能用于40米或更淺的水深處。具有一個(gè)或三個(gè)浮力腔的浮動(dòng)地基一般用于更深的水域；然而，這類浮動(dòng)地基通常很貴，并且非常龐大笨重，因?yàn)樗鼈冃枰獮轱L(fēng)力渦輪機(jī)提供穩(wěn)定的平臺(tái)。作用在旋轉(zhuǎn)平面上風(fēng)的推力(有時(shí)稱為風(fēng)推力或轉(zhuǎn)子推力)取決于來(lái)風(fēng)的密度，并且在決定這種浮動(dòng)地基即浮動(dòng)體的大小和重量時(shí)，這是一個(gè)重要的因素。
[0010]離岸風(fēng)力渦輪機(jī)受制于風(fēng)廓線，該風(fēng)廓線與陸地的風(fēng)廓線不同。離岸風(fēng)廓線具有比陸上風(fēng)廓線更恒定、更高速的平均風(fēng)速。陸上風(fēng)廓線經(jīng)常遭遇風(fēng)切變和湍流，這些降低了平均風(fēng)速。此外，浮動(dòng)地基還要承受洋流和海浪運(yùn)動(dòng)的推力以及作用在地基水下部分的靜水推力。由于各種作用在該結(jié)構(gòu)上的推力，風(fēng)力渦輪機(jī)的傾斜或角旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)搖擺不定，這成為了風(fēng)速超過(guò)10至14米/秒，例如12米/秒(也稱為額定功率)時(shí)的主要問(wèn)題。
[0011]失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)容易受來(lái)風(fēng)密度的影響，來(lái)風(fēng)密度在冬夏之間會(huì)發(fā)生變化，并且在一定的風(fēng)速的額定功率下，湍流會(huì)出現(xiàn)在葉片的上風(fēng)側(cè)，導(dǎo)致失速，并由此導(dǎo)致載荷量和振動(dòng)量的增加。由于這類風(fēng)力渦輪機(jī)作為離岸區(qū)域的技術(shù)方案是很大、重且貴的，因此不是優(yōu)選技術(shù)方案。此外，風(fēng)作用在這類風(fēng)力渦輪機(jī)上的推力或載荷會(huì)影響額定功率的情況，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)葉片周圍出現(xiàn)湍流。這使得風(fēng)力渦輪機(jī)承受顯著的風(fēng)暴載荷和應(yīng)力，造成風(fēng)力渦輪機(jī)失效。在極高風(fēng)速或陣風(fēng)的情況下，風(fēng)力渦輪機(jī)承受的載荷和應(yīng)力將成倍增加。這要求風(fēng)力渦輪機(jī)建造或限定至足以承受這種高載荷和應(yīng)力。為了達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì)定義的等級(jí)要求，風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)商通常增加強(qiáng)化材料和/或增加該結(jié)構(gòu)各部分的大小和強(qiáng)度。這隨之增加了這類風(fēng)力渦輪機(jī)的生產(chǎn)成本。這類風(fēng)力渦輪機(jī)使得風(fēng)力渦輪機(jī)的效率不受控。
[0012]用于離岸區(qū)域的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)一般將整片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片調(diào)整槳距角以傾向或逆向風(fēng)向，使得在額定功率情況下保持相對(duì)恒定的功率輸出。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片調(diào)整槳距角以至逆向風(fēng)向時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子輪轂的推力減小，并當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片調(diào)整槳距角以傾向風(fēng)向時(shí)，推力增大。這造成風(fēng)力渦輪機(jī)相對(duì)該結(jié)構(gòu)的重心重復(fù)地傾斜或成角度地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)安置在浮動(dòng)地基時(shí)，這是一個(gè)重大的問(wèn)題。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)朝向風(fēng)傾斜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外風(fēng)，從而增加了擊中旋轉(zhuǎn)平面的相對(duì)風(fēng)。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)向后傾斜離開(kāi)風(fēng)時(shí)，其會(huì)隨風(fēng)移動(dòng)，從而減少擊中旋轉(zhuǎn)平面的相對(duì)風(fēng)。這意味著，如果風(fēng)力渦輪機(jī)安置在浮動(dòng)地基，會(huì)看到擊中風(fēng)力渦輪機(jī)的相對(duì)風(fēng)的重復(fù)變化，即使來(lái)風(fēng)的風(fēng)速是恒定的。這些風(fēng)力渦輪機(jī)上的負(fù)面的阻尼振蕩可具有顯著的自我增強(qiáng)效果，這會(huì)翻倒該結(jié)構(gòu)或引致該結(jié)構(gòu)失效。
[0013]此外，由于洋流和海浪而作用在浮動(dòng)地基上的流體力和往復(fù)推力還會(huì)造成該結(jié)構(gòu)相對(duì)其重心重復(fù)傾斜或成角度地旋轉(zhuǎn)。如果海洋自然頻率大致匹配作用在轉(zhuǎn)子輪轂上的推力的頻率，這在該結(jié)構(gòu)上也具有自我增強(qiáng)效果。這種風(fēng)力渦輪機(jī)的振蕩運(yùn)動(dòng)引致該結(jié)構(gòu)顯著的應(yīng)力和疲勞載荷，這要求風(fēng)力渦輪機(jī)，特別是塔架需要由附加材料強(qiáng)化，使得該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提升。這隨之增加了風(fēng)力渦輪機(jī)的生產(chǎn)成本。解決這種傾斜問(wèn)題的一種方式是增大浮動(dòng)地基的大小和重量；然而，這種技術(shù)方案增加了浮動(dòng)地基的生產(chǎn)成本，從而使它變成非常貴的技術(shù)方案。由于浮動(dòng)地基增加了的大小和重量，這種技術(shù)方案還會(huì)增加安裝成本。
[0014]PCT專利WO 03/004869 Al公開(kāi)了一種帶三片傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)，該風(fēng)力渦輪機(jī)安裝在浮動(dòng)地基上，該浮動(dòng)地基通過(guò)若干錨索固定在海床上。該浮動(dòng)地基包括浮力腔，該浮力腔形成在地基主體內(nèi)部，這使得地基浮起至水面附近。在一個(gè)實(shí)施例中，浮力腔可包括若干個(gè)壓艙物腔室，其中為了補(bǔ)償風(fēng)力渦輪機(jī)的傾斜，可以調(diào)整該壓艙物。安置于可移動(dòng)杠桿臂的負(fù)重，該杠桿臂位于地基底部，或張緊系統(tǒng)，例如該系統(tǒng)與接觸到海床的一端結(jié)合，可用于替代在壓艙物腔室中調(diào)整壓艙物。所有公開(kāi)的實(shí)施例公開(kāi)了關(guān)于浮動(dòng)地基的相對(duì)復(fù)雜和昂貴的技術(shù)方案，這些技術(shù)方案增大了地基的大小并增加了其總成本。此外，在不同腔室中壓艙物的調(diào)整并不認(rèn)為是合適的技術(shù)方案，因?yàn)樵诓煌皇抑袎号撐锏倪\(yùn)動(dòng)耗費(fèi)時(shí)間，甚至?xí)c風(fēng)力渦輪機(jī)的重復(fù)性傾斜產(chǎn)生共振。
[0015]美國(guó)專利US 7156037 B2公開(kāi)了另一種技術(shù)方案，其中帶三片傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的風(fēng)力渦輪機(jī)安裝在細(xì)長(zhǎng)的浮動(dòng)地基上，該地基可樞轉(zhuǎn)地固定在海床上。該地基包括部分充水的壓艙物室。機(jī)艙使用傾斜接頭接合至塔架頂端，這使得轉(zhuǎn)子輪轂的位置傾斜，從而使得轉(zhuǎn)軸總是置于水平狀態(tài)?？刹捎靡粭l錨索連接至置于海床上的平臺(tái)或采用三條錨索連接至風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)穩(wěn)定風(fēng)力渦輪機(jī)。這種技術(shù)方案具有以下缺點(diǎn):當(dāng)塔架向后傾時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)的尖端有擊中塔架的風(fēng)險(xiǎn)。這種結(jié)構(gòu)允許風(fēng)力渦輪機(jī)相對(duì)大的傾斜運(yùn)動(dòng)，這結(jié)果形成了擊中旋轉(zhuǎn)平面的相對(duì)風(fēng)速有相對(duì)大的變化。該傾斜接頭還進(jìn)一步提供了弱點(diǎn)，該點(diǎn)很可能失效。[0016]PCT國(guó)際專利WO 2012/069578 Al公開(kāi)了一種槳距調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)，其安裝在通過(guò)若干錨索固定在海床上的浮動(dòng)地基上。該地基包括一至四個(gè)裝有部分壓艙物的浮力腔和若干從地基向外延伸的穩(wěn)定臂?？尚D(zhuǎn)的螺旋槳設(shè)置在每個(gè)浮力腔的底部，并連接至控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)控制螺旋槳的運(yùn)行和方向。加速度計(jì)或全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器式的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收器用于測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)的振動(dòng)，其中螺旋槳用于提供反向運(yùn)動(dòng)，使得振動(dòng)被抑制。這種技術(shù)方案要求螺旋槳系統(tǒng)的應(yīng)用，為風(fēng)力渦輪機(jī)提供相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)，這增加了浮動(dòng)地基的復(fù)雜性和大小，從而增加了總成本。此外，這種技術(shù)方案要求使用若干穩(wěn)定臂或者三個(gè)或多個(gè)浮力腔以補(bǔ)償?shù)鼗捎谘罅骱秃＠艘鸬男D(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)。
[0017]所有上述技術(shù)方案要求使用附加系統(tǒng)，連接至浮動(dòng)地基的外表面或安置于浮動(dòng)地基的內(nèi)部，以抵消風(fēng)力渦輪機(jī)的重復(fù)性傾斜。
[0018]PCT國(guó)際專利WO 2005/090781 Al公開(kāi)了一種浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)，在該風(fēng)力渦輪機(jī)的塔架底部連接有位于海床上的錨。該風(fēng)力渦輪機(jī)包括三片傳統(tǒng)葉片，該葉片連接至槳距控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)作用在轉(zhuǎn)子輪轂上以抵消塔架運(yùn)動(dòng)的平均推力來(lái)調(diào)整葉片的槳距角。控制系統(tǒng)調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距角以抵消該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；這將風(fēng)力渦輪機(jī)葉片放在相對(duì)于風(fēng)向并非最佳的位置。這減小了作用在轉(zhuǎn)子輪轂的推力，但也降低了系統(tǒng)的效率。三葉片風(fēng)力渦輪機(jī)的塔架在強(qiáng)風(fēng)停止時(shí)承受非常高的載荷，這可導(dǎo)致塔架在強(qiáng)風(fēng)停止期間危險(xiǎn)的角運(yùn)動(dòng)。
[0019]瑟倫.克里斯蒂安森(Soeren Christiansen)的論文《基于模型控制暴露于風(fēng)浪中的壓艙穩(wěn)定型浮動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)》公開(kāi)了各種用于控制安置于浮動(dòng)地基上的風(fēng)力渦輪機(jī)的控制方法。該控制方法基于帶三片傳統(tǒng)葉片的5兆瓦風(fēng)力渦輪機(jī)(稱為海風(fēng))，其安置于圓形浮筒形的地基上，使用張緊的纜繩固定在海床上。此論文的C頁(yè)公開(kāi)了一種控制方法，其中三片葉片根據(jù)作用在轉(zhuǎn)子輪轂的的最小推力調(diào)整槳距角。然而，主轉(zhuǎn)軸和傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要強(qiáng)化，因?yàn)橄陆档陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大。D頁(yè)公開(kāi)了另一種控制方法，該方法使用傳統(tǒng)的陸上控制器用來(lái)控制調(diào)整葉片的槳距角。這種控制方法要求附加控制回路來(lái)穩(wěn)定平臺(tái)和整個(gè)系統(tǒng)。這增加了風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本。
[0020]發(fā)明目的
[0021]本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)力渦輪機(jī)在高風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的傾斜減小。
[0022]本發(fā)明的目的在于提供一種浮動(dòng)地基，該地基具有縮小的大小和重量。
[0023]本發(fā)明的目的在于提供一種可選的調(diào)整槳距的方式，該方式在變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)葉片處于高風(fēng)速運(yùn)行時(shí)調(diào)整槳距角。
[0024]本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)，使得該結(jié)構(gòu)在高風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的疲勞載荷減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]本發(fā)明的目的通過(guò)這樣一種風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)現(xiàn)，該風(fēng)力渦輪機(jī)安裝至浮動(dòng)地基上，其中:
[0026]-風(fēng)力渦輪機(jī)葉片包括至少帶有第一氣動(dòng)外形的內(nèi)葉片部分和帶有第二氣動(dòng)外形的外葉片部分，其中內(nèi)葉片部分安裝至轉(zhuǎn)子輪轂，外葉片部分通過(guò)至少一個(gè)槳距連接器連接至內(nèi)葉片部分，該槳距連接器在風(fēng)速超過(guò)第一風(fēng)速時(shí)相對(duì)內(nèi)葉片部分調(diào)整外葉片部分的槳距角。
[0027]這提供了一種適用于深水處的局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)。兩個(gè)葉片部分使得至少其中一個(gè)葉片部分，例如外部分，可以相對(duì)其他葉片部分，例如內(nèi)部分，調(diào)整槳距角。變槳距系統(tǒng)調(diào)整槳距角，以提升風(fēng)力渦輪機(jī)的功率性能和/或減小作用在轉(zhuǎn)子輪轂的推力值的相應(yīng)變化。這減小了在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞載荷和應(yīng)力，這依次使得風(fēng)力渦輪機(jī)，例如其塔架和側(cè)滑軸承的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和材料最小化，從而降低風(fēng)力渦輪機(jī)的生產(chǎn)成本。
[0028]局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)的使用使得該結(jié)構(gòu)的傾斜運(yùn)動(dòng)減小，并允許對(duì)于由于機(jī)艙和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的大小和重量在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩作進(jìn)一步線性控制。這可通過(guò)僅調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一部分的槳距角來(lái)實(shí)現(xiàn)，這依次提供了比傳統(tǒng)的槳距調(diào)整型風(fēng)力渦輪機(jī)更恒定的作用在轉(zhuǎn)子輪轂上并依次作用在機(jī)艙上的推力。這使得在風(fēng)力渦輪機(jī)上由于變槳距而產(chǎn)生的大的負(fù)阻尼載荷和應(yīng)力被消除或至少顯著減小。風(fēng)力渦輪機(jī)的最大允許傾斜度可以是±2°、土1°、土0.5°或更小。外葉片部分相對(duì)內(nèi)葉片部分的變槳距使得彎矩減小。這依次為風(fēng)力渦輪機(jī)提供更穩(wěn)定的平臺(tái)，依次使得浮動(dòng)地基的大小和重量可進(jìn)行優(yōu)化或減小，從而減小浮動(dòng)地基的生產(chǎn)成本。這種結(jié)構(gòu)進(jìn)一步免除了在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架頂端安裝任何阻尼機(jī)構(gòu)的需要，否則會(huì)增加風(fēng)力渦輪機(jī)的成本。此外，比起使用三片葉片，僅使用兩片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片顯著減小了風(fēng)力渦輪機(jī)塔架在高風(fēng)速停止時(shí)所經(jīng)受的載荷；這降低了塔架危險(xiǎn)的角運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0029]風(fēng)力渦輪機(jī)葉片可具有從根端至尖端35米或更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)相對(duì)長(zhǎng)度I。比起傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)，葉片至少其中一部分的變槳距使得在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片產(chǎn)生的疲勞載荷和應(yīng)力分布得更平均。這使得變槳距系統(tǒng)的大小和重量可進(jìn)行優(yōu)化或減小，因?yàn)樽儤嗖糠挚偟拇笮『椭亓繙p小了。在傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)中，整片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片變槳距，這要求大型且更強(qiáng)勁的變槳距系統(tǒng)。局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的使用可允許更快更好地控制變槳距，這會(huì)在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和該結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生更小的振動(dòng)和應(yīng)力。
[0030]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，內(nèi)葉片部分具有失速控制型氣動(dòng)外形，且外葉片部分具有槳距控制型氣動(dòng)外形，且其中兩個(gè)葉片部分確定了作用在轉(zhuǎn)子輪轂上的合推力值。
[0031]比起傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)，局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)的使用使得作用在轉(zhuǎn)子輪轂上的合推力或合力得到更有效的控制。這使得每個(gè)葉片部分的氣動(dòng)外形根據(jù)一組預(yù)設(shè)的規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化，這依次使得合推力得到更優(yōu)化的調(diào)整。兩個(gè)葉片部分可具有相同的或不同的氣動(dòng)外形。內(nèi)葉片部分可設(shè)置為具有失速控制型氣動(dòng)外形，這提供了一種相對(duì)于作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的風(fēng)速，具有主動(dòng)或被動(dòng)失速控制葉片外形特性的推力值。外葉片部分可設(shè)置為具有槳距控制型氣動(dòng)外形，這提供了一種相對(duì)于作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的風(fēng)速，具有槳距控制型葉片外形特性的推力值。兩個(gè)葉片部分可選地可具有相同的氣動(dòng)外形，例如失速或槳距控制型，并可根據(jù)相同或不同的規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化。兩個(gè)葉片部分確定對(duì)于整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的合推力。內(nèi)葉片部分的外形可設(shè)置在外葉片部分的外形之后，使得合推力值在風(fēng)速處于額定風(fēng)速和截止風(fēng)速之間時(shí)大致恒定。這使得推力可以被動(dòng)調(diào)節(jié)。
[0032]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，內(nèi)葉片部分從風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的根端延伸至槳距連接器的一個(gè)位置，并且，外葉片部分從風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的尖端延伸至槳距連接器的這個(gè)位置，且其中槳距連接器位于相對(duì)于根端的相對(duì)長(zhǎng)度0.20± 10%至0.80 ± 10%之間處，優(yōu)選為0.30± 10%至0.70 ±10%之間處。
[0033]這使得每個(gè)葉片部分的長(zhǎng)度以及槳距連接器的位置可進(jìn)行優(yōu)化。總掃掠面積分布在葉片部分之間，這樣它們確定了內(nèi)掃掠面積和外掃掠面積。內(nèi)葉片部分的相對(duì)長(zhǎng)度可相對(duì)外葉片部分的長(zhǎng)度增加，反之亦然。外掃掠面積對(duì)內(nèi)掃掠面積的比率增大。這使得作用在轉(zhuǎn)子輪轂的合推力得到更動(dòng)態(tài)的控制，因?yàn)榈诙屏χ祵?duì)合推力值的影響更大。外掃掠面積對(duì)內(nèi)掃掠面積的比率可降低。這使得作用在轉(zhuǎn)子輪轂的合推力得到更靜態(tài)的控制，因?yàn)榈诙屏χ祵?duì)合推力值的影響更小。為了進(jìn)一步提升對(duì)合推力的控制，至少一個(gè)中間葉片部分可通過(guò)兩個(gè)連接器設(shè)置在兩個(gè)葉片部分之間。中間葉片部分可設(shè)置為變槳距葉片部分，通過(guò)至少一個(gè)槳距連接器接合至兩個(gè)葉片部分。兩個(gè)變槳距葉片部分可一起變槳距和/或通過(guò)同一槳距控制系統(tǒng)或兩個(gè)分開(kāi)的槳距控制系統(tǒng)彼此相對(duì)調(diào)整槳距。
[0034]內(nèi)葉片部分可具有相對(duì)長(zhǎng)度為0.20至0.80之間，優(yōu)選為0.30至0.70之間。外葉片部分可具有相對(duì)長(zhǎng)度為0.20至0.80之間，優(yōu)選為0.30至0.70之間。槳距連接器的相對(duì)長(zhǎng)度可取決于所需的結(jié)構(gòu)，并且可在0.02或更短。所列舉的相對(duì)長(zhǎng)度可具有±10%、±5%、±2%或土 1%的公差。
[0035]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，內(nèi)葉片部分的氣動(dòng)外形確定第一表面面積，該第一表面面積確定了該葉片區(qū)域的吸力側(cè)和壓力側(cè)，且外葉片部分的氣動(dòng)外形確定第二表面面積，該第二表面面積確定了該葉片區(qū)域的吸力側(cè)和壓力側(cè)，其中第一表面面積對(duì)第二表面面積的比率在0.5至1.5±10%之間，優(yōu)選為I ±10%。
[0036]這使得兩個(gè)葉片部分的表面面積以及每個(gè)葉片部分的升力和阻力可進(jìn)行優(yōu)化。內(nèi)葉片部分的表面面積可相對(duì)外葉片部分增加，使得來(lái)風(fēng)擊中更大的表面面積，從而提升了內(nèi)葉片部分的升力。這使得更大的載荷轉(zhuǎn)移至內(nèi)葉片部分，降低了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片造成的根部力矩和應(yīng)力。這使得風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)要求根據(jù)降低的根部力矩進(jìn)行優(yōu)化。外葉片部分的表面面積可相對(duì)內(nèi)葉片部分減小，使得來(lái)風(fēng)擊中更小的表面面積，從而降低外葉片部分的升力和阻力。這使得外葉片部分的載荷和應(yīng)力降低，并使得風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的根部力矩降低。
[0037]內(nèi)葉片部分和/或外葉片部分的厚度分布和/或弦分布可進(jìn)行優(yōu)化或增大，使得該葉片部分的表面面積增大。第一表面面積對(duì)第二表面面積的比率可以是0.5至0.75之間,例如0.5，這使得當(dāng)風(fēng)速向截止風(fēng)速增大時(shí),合推力值具有相對(duì)小的負(fù)正切值。該比率可以是0.75至1.25之間，例如1，這使得當(dāng)風(fēng)速向截止風(fēng)速增大時(shí)，合推力值具有相對(duì)小的正正切值?；蛘咴摫嚷士梢允?.25至1.5之間，例如1.5，使得合推力值的正正切值增大。所列舉的比率可以具有±10%、±5%、±2%或±1%的公差。
[0038]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，槳距控制系統(tǒng)設(shè)置為根據(jù)預(yù)設(shè)的功率輸出調(diào)節(jié)外葉片部分的槳距角。
[0039]槳距控制系統(tǒng)可設(shè)置為根據(jù)選定的功率輸出曲線，例如遞增功率輸出曲線、遞減功率輸出曲線或常量或標(biāo)稱功率輸出曲線，調(diào)節(jié)外葉片部分的槳距角。這使得外葉片部分相對(duì)來(lái)風(fēng)置于最佳角度，使得風(fēng)力渦輪機(jī)的效率提升。
[0040]根據(jù)一個(gè)特殊實(shí)施例，作用在內(nèi)葉片部分的風(fēng)速確定第一推力值，并且作用在外葉片部分的風(fēng)速確定第二推力值，其中槳距控制系統(tǒng)設(shè)置為通過(guò)調(diào)整外葉片部分的槳距，相對(duì)第一推力值來(lái)調(diào)節(jié)第二推力值，使得合推力值保持在基本恒定值。[0041]可設(shè)置局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)的變槳距，使得作用在轉(zhuǎn)子輪轂的合推力值在風(fēng)速超過(guò)第一風(fēng)速時(shí)保持在基本恒定值。內(nèi)葉片部分可確定參考推力值，該值用作外葉片部分的變槳距參考參數(shù)。外葉片部分的動(dòng)態(tài)推力值可相對(duì)該參考值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得合推力值保持在基本恒定值。外葉片部分的變槳距可使得彎矩在各種風(fēng)速下運(yùn)行時(shí)，保持基本最小值。使用這種控制方法的功率輸出可低于前述的控制方法，因?yàn)樗a(chǎn)生功率的一部分更頻繁地用于調(diào)節(jié)外葉片部分的槳距角。
[0042]合推力值可調(diào)節(jié)為在一恒定值的可接受公差范圍內(nèi)，例如土 10%、±5%、±2%、土 1%或更小。該恒定值可在風(fēng)力渦輪機(jī)的額定或標(biāo)稱風(fēng)速時(shí)確定，并且可以是在該風(fēng)速下的合推力值的80至120%之間，優(yōu)選為90至110%之間。
[0043]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，槳距控制系統(tǒng)電氣連接至至少一個(gè)測(cè)量單元，該測(cè)量單元用于測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)相對(duì)其垂直位置的傾斜度，其中槳距控制系統(tǒng)設(shè)置為基于所測(cè)得的傾斜度調(diào)節(jié)外葉片部分的槳距角。
[0044]這使得基于所測(cè)得的風(fēng)力渦輪機(jī)傾斜度進(jìn)一步對(duì)變槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個(gè)或多個(gè)測(cè)量單元，例如加速度計(jì)、GPS單元、角度傳感器或其他合適的測(cè)量單元，可設(shè)置在機(jī)艙或浮動(dòng)地基，并且可電氣連接至槳距控制系統(tǒng)。一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)或其他合適的載荷傳感器可選地設(shè)置在該結(jié)構(gòu)上，例如塔架或機(jī)艙，并可用于測(cè)量塔架的傾斜度。槳距控制系統(tǒng)可設(shè)置為將槳距調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)頻率帶，使得變槳距不會(huì)與該結(jié)構(gòu)共振。這使得風(fēng)力渦輪機(jī)的振動(dòng)被抑制或減弱至可接受水平。一個(gè)或多個(gè)測(cè)量單元，例如風(fēng)速計(jì)或氣象桅桿、轉(zhuǎn)速表或其他合適的測(cè)量單元，可連接至槳距控制系統(tǒng)，并且可設(shè)置為測(cè)量風(fēng)速和/或傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。變槳距可基于風(fēng)力渦輪機(jī)的傾斜度和/或擊中旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得風(fēng)力渦輪機(jī)不僅補(bǔ)償風(fēng)速所產(chǎn)生的推力，還補(bǔ)償洋流和海浪所產(chǎn)生的推力。這使得變槳距基于一個(gè)或多個(gè)所測(cè)得的載荷參數(shù)和/或氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0045]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一風(fēng)速的平均值為10至14米/秒，優(yōu)選為12米/秒或更高。
[0046]局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)的使用在平均風(fēng)速為10至14米/秒，優(yōu)選為12米/秒或更高的情況下特別高效，其中槳距調(diào)節(jié)型外葉片部分可用于補(bǔ)償失速調(diào)節(jié)型內(nèi)葉片部分的負(fù)面影響。第一風(fēng)速確定了風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率。第一風(fēng)速可定義為風(fēng)力渦輪機(jī)達(dá)到其標(biāo)稱或額定功率輸出時(shí)的風(fēng)速。如果風(fēng)速超過(guò)截止風(fēng)速，例如25米/秒或更高，則風(fēng)力渦輪機(jī)開(kāi)啟超負(fù)荷程序。
[0047]本發(fā)明的目的還可以通過(guò)一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)，特別是通過(guò)相對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)葉片部分調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的外葉片部分的槳距角來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0048]比起傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)，這種方法對(duì)作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的推力或力提供了更好更有效的控制。這使得風(fēng)力渦輪機(jī)的重復(fù)性傾斜被消除或至少顯著地降低或抑制，這減小了該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞載荷和應(yīng)力。風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和材料，例如風(fēng)力渦輪機(jī)塔架，可以降低，從而降低了風(fēng)力渦輪機(jī)的生產(chǎn)成本。在當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)傾斜時(shí)，該方法還對(duì)在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩提供了更好更有效的控制。這使得彎矩減小，因?yàn)轱L(fēng)力渦輪機(jī)的最大傾斜角度被減小至更可接受的水平。這依次增加了供風(fēng)力渦輪機(jī)使用的平臺(tái)的穩(wěn)定性，使得浮動(dòng)地基的大小和重量可進(jìn)行優(yōu)化或減小，從而降低浮動(dòng)地基的生產(chǎn)成本。外葉片部分的變槳距使得風(fēng)力渦輪機(jī)的傾斜度減小，并免除了位于風(fēng)力渦輪機(jī)塔架頂端的阻尼機(jī)構(gòu)的需要，從而降低了風(fēng)力渦輪機(jī)的成本。局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)的使用使得功率特性和/或作用在轉(zhuǎn)子輪轂的推力得到更精確地調(diào)節(jié)，因?yàn)橹辽僖徊糠秩~片相對(duì)至少另一部分葉片
變槳距。
[0049]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，變槳距相對(duì)預(yù)設(shè)的功率輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0050]外葉片部分相對(duì)內(nèi)葉片部分變槳距以調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出。這可根據(jù)選定的功率輸出曲線完成，這樣可保持高效率。這也減小了變槳距活動(dòng)，因?yàn)闃噙B接器根據(jù)平均風(fēng)速的變化啟動(dòng)。這也減小了槳距連接器的磨損，從而延長(zhǎng)其使用壽命。
[0051]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，內(nèi)葉片部分確定第一推力值,并且外葉片部分確定第二推力值，其中變槳距相對(duì)第一推力值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得合推力值保持在基本恒定值。
[0052]外葉片部分可改為相對(duì)內(nèi)葉片部分變槳距，使得作用在轉(zhuǎn)子輪轂的合推力值保持在基本恒定值。內(nèi)葉片部分可確定參考推力值，用作外葉片部分變槳距的控制參數(shù)。為了保持基本恒定值，這使得外葉片部分的動(dòng)態(tài)推力相對(duì)參考值進(jìn)行調(diào)節(jié)。合推力值可調(diào)節(jié)至恒定值的可接受公差范圍內(nèi)，例如±10%、±5%、±2%、±1%或更小。恒定值可由風(fēng)力渦輪機(jī)在額定或標(biāo)稱風(fēng)速下確定，并可以是在該風(fēng)速下的合推力值的80至120%之間，優(yōu)選為90至110%之間。外葉片部分的變槳距可進(jìn)一步用于補(bǔ)償風(fēng)力渦輪機(jī)由于洋流和海浪的傾斜。外葉片部分槳距可變，使得風(fēng)力渦輪機(jī)的傾斜度以及隨之的旋轉(zhuǎn)角減小或抵消至可接受水平，例如相對(duì)垂直位置的±2°、土1°、土0.5°或更小。這使得合推力值可以主動(dòng)地調(diào)節(jié)。這也增加了變槳距活動(dòng)，因?yàn)闃噙B接器根據(jù)平均風(fēng)速的變化以及洋流和海浪的動(dòng)態(tài)沖擊的變化而啟動(dòng)。
[0053]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在該結(jié)構(gòu)設(shè)置至少一個(gè)測(cè)量單元測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)的傾斜度，其中外葉片部分的變槳距基于所測(cè)得的傾斜度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0054]這使得外葉片部分的變槳距基于所測(cè)得的風(fēng)力渦輪機(jī)傾斜度進(jìn)行調(diào)節(jié)。傾斜度可使用一個(gè)或多個(gè)測(cè)量單元測(cè)量，例如加速度計(jì)、GPS單元、角度傳感器或其他合適的測(cè)量單元，電氣連接至槳距控制系統(tǒng)?；蛘?，一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)或其他合適的載荷傳感器可測(cè)量塔架的傾斜度。變槳距可在選定的頻率帶執(zhí)行，使得變槳距不會(huì)與該結(jié)構(gòu)共振。這使得風(fēng)力渦輪機(jī)的振動(dòng)抑制或減小至可接受水平。一個(gè)或多個(gè)測(cè)量單元，例如風(fēng)速計(jì)或氣象桅桿、轉(zhuǎn)速表或其他合適的測(cè)量單元可測(cè)量風(fēng)速和/或轉(zhuǎn)速。這使得變槳距可基于風(fēng)力渦輪機(jī)的傾斜度和/或擊中旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得風(fēng)力渦輪機(jī)可以不僅補(bǔ)償在該風(fēng)速的變化，還可以補(bǔ)償洋流和海浪產(chǎn)生的傾斜。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0055]本發(fā)明僅通過(guò)實(shí)施例，并參照附圖進(jìn)行描述，其中:
[0056]圖1示出了一個(gè)安裝在浮動(dòng)地基上的風(fēng)力渦輪機(jī)的實(shí)施例；
[0057]圖2示出了圖1所示的風(fēng)力渦輪機(jī)，該風(fēng)力渦輪機(jī)帶有相對(duì)內(nèi)葉片部分變槳距的外葉片部分；以及
[0058]圖3示出了對(duì)比傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)，根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)相對(duì)于風(fēng)速作用在轉(zhuǎn)子輪轂上的推力圖。
[0059]在下文中，將逐一描述附圖，在附圖中看到的不同部件和位置將被編號(hào)，在不同附圖中的同一部件和位置，將標(biāo)以相同的編號(hào)。具體某一附圖中的所有部件和位置，并非都必須與該附圖一并討論?！揪唧w實(shí)施方式】
[0060]術(shù)語(yǔ)“傾斜”定義為風(fēng)力渦輪機(jī)相對(duì)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)向至少一個(gè)預(yù)設(shè)方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。傾斜運(yùn)動(dòng)可以是風(fēng)力渦輪機(jī)沿X軸(平行于風(fēng)向)的滾動(dòng)。傾斜運(yùn)動(dòng)可選地或附加地可以是風(fēng)力渦輪機(jī)沿Z軸(平行于風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的縱向)的偏航。傾斜運(yùn)動(dòng)可選地或附加地可以是風(fēng)力渦輪機(jī)沿Y軸(垂直于風(fēng)向和風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的縱向)的變槳距。
[0061]圖1示出了一個(gè)安裝在浮動(dòng)地基2上的風(fēng)力渦輪機(jī)I的示范性實(shí)施例。風(fēng)力渦輪機(jī)I可包括風(fēng)力渦輪機(jī)塔架3，該塔架具有面向地基2的底部和背離該地基的頂部。一個(gè)或多個(gè)塔架部分(圖未示出)在彼此頂端連接組裝，以組成風(fēng)力渦輪機(jī)塔架3。機(jī)艙4可設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架3的頂部。轉(zhuǎn)子輪轂5可連接至機(jī)艙4，例如通過(guò)轉(zhuǎn)軸(圖未示出)，該轉(zhuǎn)軸的一端安裝至轉(zhuǎn)子輪轂5，并且另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝至機(jī)艙4內(nèi)部的發(fā)電機(jī)(圖未示出)。一片或多片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6可安裝至轉(zhuǎn)子輪轂5，其中這些風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6構(gòu)成旋轉(zhuǎn)平面。如圖1所示，至少兩或三片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6優(yōu)選安裝至轉(zhuǎn)子輪轂5。
[0062]至少一個(gè)偏航機(jī)構(gòu)，其包括至少一個(gè)偏航軸承(圖未示出)，可設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架3的頂部。機(jī)艙4可連接至偏航機(jī)構(gòu)，該偏航機(jī)構(gòu)設(shè)置為相對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)塔架3主動(dòng)或被動(dòng)地偏航至少該機(jī)艙4，使得旋轉(zhuǎn)平面移進(jìn)風(fēng)中。這使得旋轉(zhuǎn)平面被置于基本垂直于主風(fēng)向的位置。
[0063]浮動(dòng)地基2可包括浮體7，該浮體7部分或全部浸入水平面8之下。浮體7可包括至少一個(gè)浮力腔9，該浮力腔9可以為至少部分填充壓艙物的壓艙物腔室。壓艙物可以是水樣的液體，例如海水，或者是固體，如巖石、沙/礫石、混凝土、金屬或其他合適的材料。浮體7可為細(xì)長(zhǎng)型和/或圓柱體，其中浮力腔9可安置于浮體7的下部。浮體7的上部可以是中空的并填充氣態(tài)物質(zhì)，例如空氣、氦氣或其他合適的氣態(tài)物質(zhì)。浮體7可形成為封閉體7，其中氣態(tài)物質(zhì)和/或壓艙物質(zhì)包括在浮體7內(nèi)。浮體7具有面對(duì)水平面8的第一端和面對(duì)海床10的第二端。上部11可設(shè)置在第一端，并可安裝至風(fēng)力渦輪機(jī)塔架3的底部。浮體7可由鐵、鋼或其他合適的材料制成。
[0064]調(diào)整壓艙物和/或氣態(tài)物質(zhì)數(shù)量的裝置，例如泵系統(tǒng)，可設(shè)置在浮動(dòng)地基2上。這使得浮動(dòng)地基2的浮體7置于水平面8下的預(yù)設(shè)深度，例如使得上部11部分浸入水平面8之下，如圖1所示?；蛘?，基于維護(hù)或保養(yǎng)的目的，上部11可置于水平面8之上，或者為了增加風(fēng)力渦輪機(jī)I的穩(wěn)定性而將上部11置于水平面8之下，例如在超負(fù)荷狀態(tài)如風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)或類似情況下。
[0065]浮動(dòng)地基2可設(shè)置為安裝在水深約40米或更深的離岸位置。浮動(dòng)地基2可安置于水平面8之下5米或更深處，該距離從浮體7的重心或中點(diǎn)測(cè)得。浮動(dòng)地基2還可安置使得浮體7的第一端置于水平面8之下5米或更淺處。一個(gè)或多個(gè)錨固裝置12，可以是兩、三或更多條錨索或其他合適的錨固機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)，可設(shè)置為固定住浮動(dòng)地基2并從而固定風(fēng)力渦輪機(jī)I到位。錨索可連接至浮動(dòng)地基2，并且一個(gè)或多個(gè)錨固支撐(圖未示出)安置或固定在海床10上。
[0066]如圖1所示，風(fēng)力渦輪機(jī)I可設(shè)置為局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)，其中至少一片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6包括至少兩個(gè)葉片部分13、14。風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6可包括內(nèi)葉片部分13，該部分13通過(guò)槳距連接器15連接至外葉片部分14。內(nèi)葉片部分13可包括根端16，該根端16面向轉(zhuǎn)子輪轂5，并設(shè)置為通過(guò)緊固裝置安裝至轉(zhuǎn)子輪轂5，該緊固裝置例如螺栓/螺母或類似裝置。外葉片部分14可包括尖端17，該尖端17背離轉(zhuǎn)子輪轂5。
[0067]槳距連接器15可設(shè)置為使外葉片部分14相對(duì)內(nèi)葉片部分13變槳距。槳距機(jī)構(gòu)(圖未示出)可以是機(jī)械、液壓或電氣單元，可設(shè)置在槳距連接器15。槳距控制系統(tǒng)(圖未示出)可連接至槳距機(jī)構(gòu)，并設(shè)置為調(diào)節(jié)外葉片部分14的槳距。這使得外葉片部分14傾向或逆向風(fēng)向。圖1示出了葉片部分13、14處于未變槳距位置，其中兩個(gè)葉片部分13、14在槳距連接器15處的橫截面輪廓彼此對(duì)齊。槳距機(jī)構(gòu)可設(shè)置為使外葉片部分14相對(duì)內(nèi)葉片部分13的槳距角調(diào)整為0°至90°。
[0068]風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6可以由纖維強(qiáng)化塑料或復(fù)合材料形成層壓體，其中該纖維可以由玻璃、碳纖維、或有機(jī)纖維制成。層壓體可以使用樹(shù)脂，例如環(huán)氧樹(shù)脂，由外部系統(tǒng)供給，例如灌注或注射系統(tǒng)注入。
[0069]圖2示出了風(fēng)力渦輪機(jī)1，其帶有外葉片部分14相對(duì)內(nèi)葉片部分13變槳距。槳距控制系統(tǒng)可設(shè)置為，根據(jù)選定的功率輸出曲線或恒定推力值，使外葉片部分14相對(duì)內(nèi)葉片部分13調(diào)整槳距角。兩個(gè)葉片部分13、14對(duì)在該結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的彎矩提供了更好的控制，這依次降低風(fēng)力渦輪機(jī)I和/或浮動(dòng)地基2所承受的傾斜運(yùn)動(dòng)。槳距控制系統(tǒng)可在風(fēng)速超過(guò)預(yù)設(shè)平均風(fēng)速10至14米/秒，例如12米/秒或更高時(shí)啟動(dòng)。由于機(jī)艙4和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6的大小和重量，使得其對(duì)在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行進(jìn)一步線性控制。外葉片部分14可變槳距，使得風(fēng)力渦輪機(jī)I相對(duì)其垂直位置傾斜不多于±2°。
[0070]內(nèi)葉片部分13可具有失速控制型氣動(dòng)外形，其由一組預(yù)設(shè)的規(guī)格確定，并提供第一推力值。外葉片部分14可具有槳距控制型氣動(dòng)外形，其由一組預(yù)設(shè)的規(guī)格確定，并提供第二推力值。兩個(gè)葉片部分13、14的第一和第二推力值可確定作用于轉(zhuǎn)子輪轂5的合推力值。當(dāng)通過(guò)調(diào)整外葉片部分14的槳距角以調(diào)節(jié)第二推力值時(shí)，槳距控制系統(tǒng)可設(shè)置為使用第一推力值作為參考參數(shù)。
[0071]內(nèi)葉片部分13可從根端16延伸至槳距連接器15的一個(gè)位置，并確定內(nèi)掃掠面積。外葉片部分14可從尖端17延伸至槳距連接器15的這個(gè)位置，并確定外掃掠面積。內(nèi)和外掃掠面積確定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6的總掃掠面積。兩個(gè)葉片部分13、14的相對(duì)長(zhǎng)度可確定外掃掠面積對(duì)內(nèi)掃掠面積的比率。
[0072]風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6可具有從根端16至尖端17為35米或更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)的相對(duì)長(zhǎng)度為I。槳距連接器15可安置于相對(duì)根端16在相對(duì)長(zhǎng)度0.20至0.80± 10%處。內(nèi)葉片部分13的相對(duì)長(zhǎng)度可以是0.20至0.80±10%之間。外葉片部分14的相對(duì)長(zhǎng)度可以是
0.20 至 0.80±10% 之間。
[0073]內(nèi)葉片部分13的氣動(dòng)外形可以形成葉片部分的吸力側(cè)和壓力側(cè)，其確定了第一表面面積。外葉片部分14的氣動(dòng)外形可以形成葉片部分的吸力側(cè)和壓力側(cè)，其確定了第二表面面積。兩個(gè)表面面積可確定兩個(gè)葉片部分13、14的升力和阻力。每個(gè)葉片部分13、14的厚度分布和/或弦分布可確定第一表面面積對(duì)第二表面面積的比率，該比率可以是0.5至1.5±10%之間。
[0074]至少一個(gè)測(cè)量單元(圖未示出)可以是加速度計(jì)、GPS單元、角度傳感器或其他合適的測(cè)量單元可電氣連接至槳距控制系統(tǒng)。測(cè)量單元可設(shè)置為測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)I相對(duì)其垂直位置的傾斜度。槳距控制系統(tǒng)可設(shè)置為基于所測(cè)得的傾斜度調(diào)整外葉片部分14的槳距角?？蛇x地或附加地，至少一個(gè)其他測(cè)量單元可以是風(fēng)速儀、氣象桅桿、轉(zhuǎn)速表或其他合適的測(cè)量單元可電氣連接至槳距控制系統(tǒng)。該測(cè)量單元可設(shè)置為測(cè)量風(fēng)速和/或風(fēng)力渦輪機(jī)I傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。槳距控制系統(tǒng)可設(shè)置為基于風(fēng)力渦輪機(jī)I的傾斜度和/或擊中旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速，調(diào)節(jié)外葉片部分14的槳距，使得風(fēng)力渦輪機(jī)I不僅補(bǔ)償風(fēng)速產(chǎn)生的推力，還補(bǔ)償洋流和海浪產(chǎn)生的推力。
[0075]圖3示出了對(duì)比傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)，根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)I相對(duì)于風(fēng)速作用在轉(zhuǎn)子輪轂5上的推力圖。
[0076]在風(fēng)速低于第一風(fēng)速W1時(shí)，外葉片部分14可置于非變槳距位置，例如槳距角為0°。作用在轉(zhuǎn)子輪轂5的推力18、19可隨擊中旋轉(zhuǎn)平面和風(fēng)力渦輪機(jī)I的風(fēng)速的增大而增大。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)第一風(fēng)速W1時(shí)，槳距控制系統(tǒng)啟動(dòng)槳距機(jī)構(gòu)，然后該機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)外葉片部分14的槳距角。第一風(fēng)速W1可確定風(fēng)力渦輪機(jī)I達(dá)到其額定功率輸出時(shí)的風(fēng)速。如果風(fēng)速增大至超過(guò)第二風(fēng)速W2時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)啟動(dòng)其超負(fù)荷程序，并將風(fēng)力渦輪機(jī)I從電網(wǎng)斷開(kāi)。第二風(fēng)速W2可確定風(fēng)力渦輪機(jī)I的截止風(fēng)速。第一風(fēng)速W1可以為10至14米/秒之間，例如12米/秒或更高。第二風(fēng)速W2可以為25米/秒或更高。
[0077]槳距控制系統(tǒng)相對(duì)內(nèi)葉片部分13調(diào)節(jié)外葉片部分14的槳距角，使得風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6保持基本恒定的合推力值。第一曲線18確定，當(dāng)調(diào)整整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距角時(shí)，傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)承受的推力值。第二曲線19確定本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)I承受的合推力值。如圖3所示，第一點(diǎn)20可確定一個(gè)位置，在該位置風(fēng)力渦輪機(jī)I處于傾斜狀態(tài)，同時(shí)第二點(diǎn)21可確定一個(gè)位置，在該位置風(fēng)力渦輪機(jī)I處于非傾斜狀態(tài)。第三點(diǎn)22可確定一個(gè)中間位置，在該位置風(fēng)力渦輪機(jī)I傾向進(jìn)風(fēng)方向，使得推力值18、19從第二點(diǎn)21向第一點(diǎn)20移動(dòng)/改變。
[0078]如圖3所示，由于機(jī)艙4和風(fēng)力渦輪機(jī)葉片6的大小和重量，外葉片部分14相對(duì)內(nèi)葉片部分13的變槳距對(duì)在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩提供了進(jìn)一步的線性控制。當(dāng)調(diào)節(jié)外葉片部分14的槳距以調(diào)節(jié)其推力值時(shí)，槳距控制系統(tǒng)可使用內(nèi)葉片部分13的第一推力值作為參考參數(shù)。這使得槳距控制系統(tǒng)保持作用在轉(zhuǎn)子輪轂5的合推力值為基本恒定值，這減小了風(fēng)力渦輪機(jī)I的傾斜運(yùn)動(dòng)，并且從而減小了在該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩。如圖3所示，傳統(tǒng)的槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力渦輪機(jī)中對(duì)槳距的調(diào)節(jié)18使得推力值顯著改變，這依次在風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生大的負(fù)阻尼載荷和應(yīng)力。這些載荷和應(yīng)力可至少通過(guò)使用局部變槳距風(fēng)力渦輪機(jī)I而顯著降低。
[0079]槳距控制系統(tǒng)可基于風(fēng)力渦輪機(jī)I的傾斜和/或擊中旋轉(zhuǎn)平面的風(fēng)速，調(diào)節(jié)外葉片部分14的槳距角，該傾斜和/或風(fēng)速由設(shè)置在該結(jié)構(gòu)，例如風(fēng)力渦輪機(jī)I上的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量單元測(cè)得。
[0080]合推力值可調(diào)整至恒定值的±10%范圍內(nèi)。該恒定值可由額定風(fēng)速確定，例如風(fēng)力渦輪機(jī)I的W1,并且可以是在該風(fēng)速的合推力值的80至120%之間。變槳距可以由槳距控制系統(tǒng)完成，使得風(fēng)力渦輪機(jī)I相對(duì)其垂直位置傾斜不多于±2°。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括: -風(fēng)力渦輪機(jī)塔架(3)，其具有頂部和底部； -機(jī)艙(4)，所述機(jī)艙(4)設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架(3)頂部； -轉(zhuǎn)子輪轂(5)，所述轉(zhuǎn)子輪轂(5)可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝至機(jī)艙(4)； -一片或更多風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)，所述風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)安裝至轉(zhuǎn)子輪轂(5)，其中風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)構(gòu)成旋轉(zhuǎn)平面；以及 -浮動(dòng)地基(2)，所述浮動(dòng)地基(2)具有上部(11)，所述上部(11)安裝至風(fēng)力渦輪機(jī)塔架(3)的底部，其中所述地基具有浮體(7)，并設(shè)置為安裝在具有預(yù)定水深的離岸位置， 其特征在于: -所述風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)包括至少帶有第一氣動(dòng)外形的內(nèi)葉片部分(13)和帶有第二氣動(dòng)外形的外葉片部分(14)，其中內(nèi)葉片部分(13)安裝至轉(zhuǎn)子輪轂(5)，外葉片部分(14)通過(guò)至少一個(gè)槳距連接器(15)連接至內(nèi)葉片部分(13)，所述槳距連接器(15)在風(fēng)速超過(guò)第一風(fēng)速(W1)時(shí)相對(duì)內(nèi)葉片部分(13)調(diào)整外葉片部分(14)的槳距角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)葉片部分(13)具有失速控制型氣動(dòng)外形，且所述外葉片部分(14)具有槳距控制型氣動(dòng)外形，其中兩個(gè)葉片部分(13、14)確定了作用在轉(zhuǎn)子輪轂(5)上的合推力值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)葉片部分(13)從風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)的根端(16)延伸至槳距連接器(15)的一個(gè)位置，并且，所述外葉片部分(14)從風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)的尖端(17)延伸至槳距連接器(15)的所述位置，其中槳距連接器(15)位于相對(duì)于根端(16)的相對(duì)長(zhǎng)度0.20± 10%至0.80± 10%之間處，優(yōu)選為0.30 ±10% 至 0.70 ±10% 之間處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1- 3的任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)葉片部分(13)的氣動(dòng)外形確定第一表面面積，所述第一表面面積確定所述葉片部分的吸力側(cè)和壓力側(cè)，且所述外葉片部分(14)的氣動(dòng)外形確定第二表面面積，所述第二表面面積確定所述葉片部分的吸力側(cè)和壓力側(cè)，其中第一表面面積對(duì)第二表面面積的比率在0.5至1.5±10%之間，優(yōu)選為1±10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1- 4的任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，槳距控制系統(tǒng)設(shè)置為根據(jù)預(yù)設(shè)的功率輸出調(diào)節(jié)外葉片部分的槳距角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1- 4的任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，作用在內(nèi)葉片部分(13)的風(fēng)速確定第一推力值,并且作用在外葉片部分(14)的風(fēng)速確定第二推力值,其中槳距控制系統(tǒng)設(shè)置為通過(guò)調(diào)整外葉片部分(14)的槳距角，相對(duì)于第一推力值來(lái)調(diào)節(jié)第二推力值，使得合推力值保持在基本恒定值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1- 6的任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述槳距控制系統(tǒng)電氣連接至少一個(gè)測(cè)量單元，所述測(cè)量單元用于測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)(1)相對(duì)其垂直位置的傾斜度，其中所述槳距控制系統(tǒng)設(shè)置為基于所測(cè)得的傾斜度調(diào)節(jié)外葉片部分(14)的槳距角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1- 7的任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述第一風(fēng)速(W1)的平均值為10至14米/秒或更高。
9.一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括一片或多片風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6 )，所述葉片(6 )安裝至轉(zhuǎn)子輪轂(5 )，所述輪轂(5 )緊接著可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝至機(jī)艙(4 )，所述機(jī)艙(4)設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架(3)的頂部，所述塔架(3)緊接著安裝至具有浮體(7)的浮動(dòng)地基(2)上，其中風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)在平均風(fēng)速大于第一風(fēng)速(Wl)時(shí)調(diào)整槳距角，其特征在于，如權(quán)利要求1 -8的任一權(quán)利要求所述，相對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)的內(nèi)葉片部分(13)調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)葉片(6)的外葉片部分(14)的槳距角。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，變槳距相對(duì)預(yù)設(shè)的功率輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)葉片部分(13)確定第一推力值，并且所述外葉片部分(14)確定第二推力值，其中變槳距相對(duì)第一推力值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得合推力值保持在基本恒定值。
12.根據(jù)權(quán)利要求9- 11的任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在所述結(jié)構(gòu)中設(shè)置至少一個(gè)測(cè)量單元測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)(I)的傾斜度，其中基于所測(cè)得的傾斜度對(duì)外葉片部分(14)進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】F03D7/02GK103925151SQ201310672312
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月15日
【發(fā)明者】邁克爾·弗里德里希, A·V·雷布斯多夫 申請(qǐng)人:遠(yuǎn)景能源（江蘇）有限公司