专利名称：风力涡轮机和相关的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种风力涡轮机和控制该风力涡轮机以减小风力涡轮机中的疲劳载荷的方法。
背景技术：
风力涡轮机运行过程中，由于叶片在空气动力的运作下转动，风力涡轮机叶片根部经受很大的载荷。这种疲劳载荷在风力涡轮机结构中产生相当大的应力和应变，考虑到用于涡轮机结构、加固等等中的材料的强度，要求明显的设计限制。因此，有意义的是，研发特殊的能减少这种载荷的风力涡轮机设计，为减少整个涡轮机结构的设计限制做准备。
涡轮机包括多个具有内叶片段和外叶片段的风力涡轮机叶片。外叶片段相对于内叶片段是可俯仰的，使得风力涡轮机的输出功率可被控制，以对不同的风速保持额定输出功率。部分变桨风力涡轮机的实施例包括丹麦Nibe A风力涡轮机，以及美国国家航空和宇宙航行局(NASA)开发的M0D-2风力涡轮机。在专利文献中，德国专利DE 917540公开了一种部分变桨风力涡轮机转子，其用于在第一风速和第二风速之间的风速产生额定功率输出。现有技术中，部分变桨转子叶片可不相对俯仰地运转，而且外叶片段可俯仰，以将外叶片段的产生的输出功率维持在一个恒定的等级。然而，这个过程导致风力涡轮机在正常运转过程中，经受明显的疲劳载荷和最大载荷，例如，产生于风力涡轮机叶片根部端的叶片根部载荷。本发明的目的是提供一种风力涡轮机设计和相关的控制方法，使得在风力涡轮机运转过程中的载荷降低。本发明的目的是提供一种风力涡轮机设计和相关的控制方法，使得转移或不连续性对从外叶片段到内叶片段的叶片根部载荷的力矩作贡献，该外叶片段在特定风速向内叶片段俯仰，该内叶片段针对增大的风速持续地贡献功率。本发明的目的是提供一种部分变桨叶片，使得功率曲线更平滑，并且使得风力涡轮机叶片的运转更具有可预测性。
发明内容
因此，提供一种部分变桨风力涡轮机，其用于在高于第一额定风速WSl的风速产生额定输出功率，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架；设于所述塔架顶部的机舱；设于所述机舱处的可转动的转子轮毂；和至少两个至少35米长的部分变桨转子叶片，所述叶片在其根端部处安装于所述转子轮毂，所述转子叶片包括安装于所述转子轮毂的内叶片段和可相对于所述内叶片段俯仰的外叶片段，所述内叶片段具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，所述外叶片段具有用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，其中，当所述外叶片段相对于所述内叶片段未俯仰时，所述风力涡轮机用于在WSl产生额定输出功率，其中，风力涡轮机进一步包括控制装置，其用于俯仰所述外叶片段脱离风，以在高于WSl的风速降低所述外叶片段的功率捕获，从而降低所述部分变桨叶片根端部处的根部力矩的增长率。因此，风力涡轮机构造为在增长的风速获得额定功率生产，并且构造使得捕获的功率可维持在一额定率，而在部分变桨叶片根端部处的根部力矩的相对小地增长，从而减小风力涡轮上的所有载荷，而不会是基于现有技术中的已知构造的风力叶片的情况。风力涡轮机因此具有内叶片段，其为高于WSl的风速增加功率捕获，其中，外叶片段减小了其功率捕获。因此，提供一种叶片构造，其将力矩贡献从外叶片段转移至内叶片 段。与现有技术相比，根据本发明的总功率捕获贡献，相对于根部力矩贡献，将提高。与现有技术中已知的构造相比，内叶片段相比外叶片段转移更多的功率/根部力矩(powerper root moment)。根据可选择的实施例，部分变桨风力涡轮机具有内叶片段，该内叶片段设计为在高于或约等于WS2的第二风速进入失速，WS2高于WS1，所述内叶片段用于为在WSl和WS2之间的增加的风速提供增加的功率捕获。因此，风力涡轮机具有内叶片段，该内叶片段经由失速开始降低其功率捕获。根据本发明的进一方面，提供一种部分变桨风力涡轮机，其用于为在第一额定风速WSl和第二额定风速WS2之间的风速产生额定输出功率，其中，WS2高于WS1，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架；设于所述塔架顶部的机舱；设于所述机舱处的可转动的转子轮毂；和至少两个至少35米长的部分变桨距转子叶片，所述叶片在其根端部处安装于所述转子轮毂，所述转子叶片包括安装于所述转子轮毂的内叶片段和可相对于所述内叶片段俯仰的外叶片段，所述内叶片段具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型，所述外叶片段具有用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型，其中，当所述外叶片段相对于所述内叶片段未俯仰时，所述风力涡轮机用于在WSl
产生额定输出功率。其中，所述内叶片段设计为在高于或约等于WS2的第二风速进入失速。其中，风力涡轮机进一步包括控制装置，其用于在高于WSl的风速降低所述外叶片段的功率捕获，从而降低所述部分变桨叶片根端部处的根部力矩，其中，所述内叶片段用于为WSl和WS2之间的风速提供增加的功率捕获，以维持额定输出功率，并且其中，所述内叶片段包括第一、第二和第三区域，所述第一区域设计为在所述第二风速WS2进入失速，所述第二区域设计在第三风速WS2a进入失速，以及，所述第三区域设计为在第四风速WS2b进入失速，其中，WS2<WS2a<ffS2b。特别地，具有内叶片段，该内叶片段错开进入失速，使得内叶片段的功率曲线更平滑，并且使得风力涡轮机叶片的运转更具有可预测性。可选择地，本发明的目的是根据用于在高于第一额定风速WSl的风速产生额定输出功率的部分变桨风力涡轮机，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架；设于所述塔架顶部的机舱；设于所述机舱处的可转动的转子轮毂；和
至少两个至少35米长的部分变桨距转子叶片，所述叶片在其根端部处安装于所述转子轮毂，所述转子叶片包括安装于所述转子轮毂的内叶片段和可相对于所述内叶片段俯仰的外叶片段，所述内叶片段具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，所述外叶片段具有用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，其中，所述风力涡轮机用于在高于WSl的风速俯仰所述外叶片段，以基于相结合的内、外叶片段的功率捕获型面，维持额定输出功率生产。优选地，控制装置用于俯仰所述外叶片段脱离风，以减少所述外叶片段的功率捕
-M-犾。附加地或可选择地，还提供一种部分变桨风力涡轮机，其用于在第一额定风速WSl和第二额定风速WS2之间的风速产生额定输出功率，其中，WS2高于WS1，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架；设于所述塔架顶部的机舱；设于所述机舱处的可转动的转子轮毂；和至少两个至少35米长的部分变桨距转子叶片，所述叶片在其根端部处安装于所述转子轮毂，所述转子叶片包括安装于所述转子轮毂的内叶片段和可相对于所述内叶片段俯仰的外叶片段，所述内叶片段具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型，所述外叶片段具有用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型，其中，当所述外叶片段相对于所述内叶片段未俯仰时，所述风力涡轮机用于在WSl
产生额定输出功率。其中，所述内叶片段设计为在高于或约等于WS2的第二风速进入失速。其中，风力涡轮机进一步包括控制装置，其用于在高于WSl的风速降低所述外叶片段的功率捕获，从而降低所述部分变桨叶片根端部处的根部力矩，并且其中，所述内叶片段用于在WSl和WS2之间的风速提供增加的功率捕获，以维持额定功率输出。涡轮机在第一风速WSl产生额定输出功率，之后，控制装置运转，通过降低外叶片段的功率捕获，以减小在高于该第一风速的风速的叶片根部力矩。这与现有技术系统相反，现有技术系统寻求保持外叶片段的功率捕获恒定，以维持额定功率输出。然而，由于本发明的内叶片段以持续增长的功率生产运转，直至到第二风速WS2，这使得用于在WSl和WS2之间风速的额定功率输出得以维持。优选地，外叶片段的功率捕获以一个速率减低，该速率大致等于内叶片段的功率捕获的增长率。由于外叶片段的功率捕获降低，因此外叶片段中产生的力也减小。当涡轮机仍产生额定输出功率时，内叶片段产生更高比例的功率。因此，由于内叶片段产生的力的力臂小于外叶片段的力的力臂，对在WSl和WS2之间的风速，风力涡轮机叶片的叶片根部力矩减小。可以理解的是，控制装置可包括出现在风力涡轮机位置的风力涡轮机结构中的独立的控制模块，或可包括连接至远程控制中心的通信线路，用于指示风力涡轮机的控制装置，针对高于所述第一风速的风速，降低所述外叶片段的功率捕获。通常地，风力涡轮机具有最大额定风速，该最大额定风速是涡轮机产生额定或标称输出功率的风速上限。优选地，WS2高于或等于本发明的风力涡轮机的最大额定风速。最优选地，WSl和WS2之间的区间是风力涡轮机额定为产生额定输出功率的风速范围，其中，WS2等于涡轮机的最大额定风速。然而，可以理解的是，WS2可选择为低于最大额定风速上 限的风速等级。在这种情况下，控制装置可用于在WS2和最大额定风速之间的风速增加外叶片段的功率捕获，以维持额定输出功率。优选地，风力涡轮机设计为使得WSl和WS2之间的风速(或低于WS2的风速)是风力涡轮机位置的主导风速，也就是，在该位置发现的最普遍的风速。这可通过IEC风力涡轮机级别分类。这种方式设计的风力涡轮机将涡轮机在额定输出功率运转的可能性最大化。优选地，所述控制装置用于俯仰所述外叶片段脱离风，以降低所述外叶片段的功
率捕获。俯仰外叶片段脱离风，通过减小外叶片段产生的升力，有效地降低了外叶片段的
功率产量。优选地，当风速超过上限风速WS3时，所述控制装置进一步用于停止风力涡轮机，其中，WS3大于WS2。风力涡轮机设计为具有允许的最大风速WS3，优选地，WS3高于涡轮机的最大额定风速。因此，涡轮机可在最大额定风速和WS3之间降额(de-rated)，以增加涡轮机的总体功率产量，同时降低由于高风速而损坏涡轮机的可能性。优选地，当风速从WS2增加至WS3时，所述控制装置用于降低风力涡轮机输出功率。控制装置用于针对在WS2和WS3之间的风速，对涡轮机运转的降额，优选地，针对在涡轮机的最大额定风速(也即是，涡轮机产生额定输出功率的最大风速)和允许的最大风速(也就是，风力涡轮机在关闭前能够运转的最大风速)之间的风速。优选地，针对在WSl和WS3之间的风速，所述控制装置用于以恒定运转速度运转风力涡轮机。优选地，所述控制装置用于俯仰所述外叶片段，使得WS2和WS3之间的风速的关于风速的桨距变化率，高于WSl和WS2之间的风速的关于风速的桨距变化率。在内叶片段设计为以高于WS2的风速(可能高于WS3)进入失速的情况下，内叶片段的运转伴随着风速高于WS2 (可能达到WS3)的持续增长的功率捕获。这种情况下，相比于WSl和WS2之间的风速，在高于WS2的风速的外叶片段的功率捕获必须以更快速率的降低，以确保风力涡轮机的输出功率降低，以及涡轮机不被高风速损坏。可以理解的是，外叶片段的关于风速的桨距的变化率可基于内叶片段的功率捕获的增长率而选择。一个实施例中，内叶片段贡献约12%的能量产量，其后，内叶片段产生的总能量持续上升，直至达到额定功率。因此，在WSl和WS2之间的风速的外叶片段的桨距变化率约等于[(要求从所述外叶片段中产生恒定功率的桨距变化率)+ (内叶片段产生的功率的增长率)]。(这种情况下，内叶片段产生的功率的增长率可达到预定的12%-20%。)优选地，所述外叶片段的表面积大致等于所述内叶片段的表面积。优选地，所述内叶片段约为所述部分变桨转子叶片长度的1/3。优选地，所述内叶片段约20米长，所述外叶片段约40米长。优选地，所述内叶片段包括第一、第二和第三区域，所述第一区域设计为在所述第二风速WS2进入失速，所述第二区域设计在第三风速WS2a进入失速，所述第三区域设计为 在第四风速WS2b进入失速，其中，WS2〈WS2a〈WS2b。提供的内叶片段错开进入失速，使得内叶片段的功率曲线更平滑，并且使得风力涡轮机的运转更具有可预测性。优选地，所述内叶片段包括第一、第二和第三区域，其中，所述第一区域设计为在20°的有效攻角进入失速，所述第二区域设计为在25°的有效攻角进入失速，所述第三区域设计为在30°的有效攻角进入失速。优选地，所述外叶片段在所述部分变桨转子叶片的俯仰连接位联接至所述内叶片段，其中，所述内叶片段具有第一空气动力学型面，该第一空气动力学型面在所述俯仰连接位处具有第一最大升力系数(CLmaxl)和第一弦长(Chl)，以及，所述外叶片段具有第二空气动力学型面，该第二空气动力学型面在所述俯仰连接位处具有第二最大升力系数(CLmax2)和第二弦长(Ch2)，并且其中，[ (CLmaxl) x (Chl)]值至少比[(CLmax2) x (Ch2)]值大 20%。由于[(CLmax)x(Ch)]的值与叶片段产生的升力成比例，从而与该叶片段产生的能量成比例，使用这种具有不同型面的叶片段意味着外叶片段能够在较高风速进行较小的作功(也就是功率生产)，而额定功率很大程度上可由内叶片段产生。在高于WSl风速的从外叶片段至内叶片段的功率生产的过渡，意味着叶片力臂的小大减小(由于接近于叶片根部产生更多升力)，导致较大的风力涡轮机结构中的叶片根部力矩和疲劳载荷减低。还提供一种用于降低部分变桨风力涡轮机的疲劳载荷的方法，同时在高于第一额定风速WSl产生额定输出功率，该风力涡轮机包括至少两个部分变桨叶片，该至少两个部分变桨叶片具有内叶片段和可相对于所述内叶片段俯仰的外叶片段，内叶片段具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，外叶片段具有用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，该方法包括的步骤有针对低于额定风速WSl的风速，风力涡轮机在该风速产生额定功率，在持续增加功率捕获模式运转所述部分变桨风力涡轮机叶片；和针对高于WSl的风速，俯仰所述外叶片段，以基于相结合的内、外叶片段的功率捕获型面，维持额定输出功率生产。优选地，该方法包括俯仰所述外叶片段脱离风的步骤，以降低所述外叶片段的功率捕获。附加地或可选择地，还提供一种用于降低部分变桨风力涡轮机中的疲劳载荷的方法，同时在第一额定风速WSl和第二额定风速WS2之间的风速产生额定输出功率，其中，WS2高于WS1，该风力涡轮机包括至少两个部分变桨叶片，该部分变桨叶片具有内叶片段和可相对于该内叶片段俯仰的外叶片段，内叶片段具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型，外叶片段具有 用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型，所述内叶片段设计为在高于或等于WS2的风速失速，该方法包括的步骤有针对低于额定风速WSl的风速，风力涡轮机首先在该风速产生额定功率，在持续增加功率捕获模式运转所述部分变桨风力涡轮机叶片；和针对高于WSl的风速，对所述外叶片段降额(de-rating)，以降低所述外叶片段的功率捕获，从而减小所述部分变桨转子叶片的根部力矩，其中，通过持续增加的所述内叶片段的功率捕获，维持WSl和WS2之间的额定输出功率。由于内叶片段的功率捕获或功率生产在高于WSl的风速降低(和现有技术中一样，并不维持在恒定等级)，风力涡轮机叶片的根部力矩可降低。同时，在高于WSl的风速，内叶片段持续增加的功率捕获或生产，意味着可维持风力涡轮机的额定输出功率。优选地，所述降额步骤包括俯仰所述外叶片段脱离风，以降低所述外叶片段的功率捕获，和/或降低风力涡轮机的运转速度。优选地，所述方法进一步包括当风速超过上限风速WS3时，停止风力涡轮机的步骤，其中，WS3高于WS2。优选地，所述方法进一步包括当风速从WS2增加至WS3时，降低风力涡轮机的输出功率的步骤。优选地，所述俯仰设置为，关于WS2和WS3之间的风速的桨距变化率，高于关于WSl和WS2之间的风速的桨距变化率。优选地，所述方法进一步包括在WSl和WS3之间的风速在恒定的每分钟转数运转所述风力涡轮机的步骤。优选地，所述方法进一步包括的步骤有针对高于WSl的风速，在相对于所述内叶片段的约为0°的桨距角维持所述外叶片段。风力涡轮机的运转中，有必要的是，俯仰外叶片段正向进入风，以启动风力涡轮机的转动。一旦开启涡轮机，外叶片段返回未俯仰状态，直至在WSl达到额定功率输出。
现在将描述本发明的实施例，仅通过举例的方式，并参考相应的附图，其中图I是根据本发明的部分变桨风力涡轮机的透视图；图2是用于图I的涡轮机的部分变桨转子叶片的平面图；图3是失速控制的叶型的实施例的截面图；图4是俯仰控制的叶型的实施例的截面图；图5是根据本发明实施例的部分变桨转子叶片的俯仰连接位的横截面透视图；以及
图6示出在本发明运转过程中，图I的风力涡轮机的一系列功率曲线。
具体实施例方式参见图I和2，根据本发明的风力涡轮机总体上用100指示。风力涡轮机100包括风力涡轮机塔架102，设于塔架顶部的机舱104，设于所述机舱处的转子轮毂106。所述转子轮毂106上设有一对部分变桨转子叶片108。参见图2，转子叶片108包括叶片主体，该叶片主体具有安装于所述转子轮毂106的根端部108a以及远侧尖端部108b。转子叶片108包括设于所述根端部108a的内叶片段110a，和设于所述尖端部108b的外叶片段110b。转子叶片108进一步包括变桨系统112，其设于内叶片段IlOa和外叶片段IlOb之间的连接位处。变桨系统112用于使外叶片段IlOb相对于内叶片段IlOa俯仰。
内叶片段IlOa和外叶片段IlOb设计为具有不同的和有区别的叶片空气动力学型面，使得叶片段可以不同方式运转，并且具有不同功率曲线特征。本发明的系统中，内叶片段IlOa设计为失速控制叶片，而外叶片段IlOb设计为俯仰控制叶片。这意味着，内叶片段IlOa是按空气动力学设计为以大范围的攻角运转，并且当叶片处的风速变得过高时，该内叶片段IlOa设计为进入失速。(失速控制段产生的紊动将防止升力作用在转子上)。由于外叶片段IlOb设计为俯仰控制叶片，其空气动力学设计可优化，用于小范围攻角内的运转。这种运转可通过出现在涡轮机位置的控制模块(未示出)控制，或者涡轮机运转可通过控制中心远程控制。图3示出样本翼型的实施例，用10指示，其适用于失速控制的叶型。该叶型包括前缘12，尾缘14，上吸力侧15和下压力侧18。失速控制叶片具有相对微小的曲度(或弯曲度)，重点在于提供了平滑的过失速功率曲线。失速控制叶片具有相对高的最大升力系数(CLmax)，并且设计为在风速的相对宽的风力范围和相关攻角范围上，以合理的效率运转。合适的失速控制叶型的实施例包括，但不限于，NACA-63-2XX系列叶型。图4示出样本翼型实施例，用20指示，其适用于俯仰控制叶型中。该叶型包括前缘22，尾缘24，上吸力侧26和下压力侧28。俯仰控制叶片具有相对大的曲度(或弯曲度)，并且被优化，以在小的攻角范围内高效运转。合适的俯仰控制的叶型的实施例包括，但不限于，NACA-63-6XX系列叶型。叶片段的能量产生与叶片段的最大升力系数(CLmax)和叶片段的弦长度(Chord)的乘积成比例(弦是连接尾缘和翼型截面的前缘的弯曲中心的虚构直线)。优选地，选择内、外叶片段的叶型，使得内叶片段在俯仰连接位的[(CLmax)x(Chord)]的值比外叶片段的[(CLmax) x (Chord)]的值至少大 20%。两个叶片段的[(CLmax)x(Chord)]值的不连续性提供一种叶片构造,该叶片构造适合使用上述的方法，其中，当风速增大超过WS1，内叶片段继续产生增大的升力(并因此增加功率产量)。[(CLmax) x (Chord)]值的变化目的是保证尽可能长地抑制内叶片段的失速，以大致上在所有额定功率输出的风速范围，为内叶片段提供增加的功率产量。参见图5，示出根据本发明的转子叶片的俯仰连接位的放大的横截面视图。图5的实施例中，在内叶片段IlOa的端部和外叶片段IlOb的端部之间可看见不连续部或跳跃部(用114指示)，指示出每个片段的叶型的相对变化。可以理解的是，可使用叶型的其他变化，例如较长的弦长，增加的曲度等等。附加地或可选择地，内叶片段上设置至少一个高升力装置，以增加升力特性和延迟内叶片段失速。合适的高升力装置的实施例包括，但不仅限于涡流发生器(vortexgenerator),格尼襟翼(Gurney Flap),扰流器,前缘缝翼翼缝(leading-edge slat/slot),边界层控制装置。由于内叶片段IlOa设计为具有相对稳定的性能，并且仅在相对高的风速进入失速，其运转时持续增加功率捕获，直至达到内叶片段IlOa的失速速度(也就是，由于风速增大，内叶片段IlOa产生的功率也增加，直至达到片段的失速点)。大体上，风力涡轮机具有额定工作区间，也就是，涡轮机处的风速范围可导致额定或标称功率输出。优选地，风力涡轮机110设计为使得当叶片段IlOb未俯仰时，风力涡轮机100在第一风速产生额定或标称功率输出，进一步，内叶片段IlOa的失速点是位于额定工作区间 的上端的风速(或高于额定工作区间的上端)。因此，风力涡轮机100的运转可恰当地控制，以降低涡轮机结构中的风力载荷的影响，同时提供最优功率输出。图6 (a)根据本发明运转的输出样本功率曲线，示出由风力涡轮机相对风力涡轮机处的风速产生的输出功率。为清楚的示出风力涡轮机叶片的不同段发生了什么，图6(b)示出相应的由外叶片段相对风速产生的输出功率，图6 (c)示出相应的由内叶片段相对风速产生的输出功率。图6 (a)的总输出功率是从内、外叶片段产生功率的总和中产生的，如图6 (b)和(C)所示。(示出的图表不是按比例的。)针对第一风速值WSl的风速，风力涡轮机运转，外叶片段大致未俯仰(也就是，相对于内叶片段的桨距角为0度)。可以理解的是，外叶片段可针对较低风速轻微的正向俯仰，以产生升力启动涡轮机转动。如图6 (b)和(C)所示，在0和WSl之间的风力速度，内、外叶片段的运转均具有持续增加的功率捕获，也就是，当风速增大时，两个叶片段持续产生更多的输出功率。从图6 (b)的相对较陡坡度所示，针对这些风速，相比内叶片段，外叶片段产生相对更多的输出功率，相比内叶片段，外叶片段示出相对更好的效率。内、外叶片段的功率捕获相加，得到图6Ca)所示的风力涡轮机的增加的功率输出。在WSl，涡轮机产生涡轮机额定或标称输出功率Pl。在该点，涡轮机开始俯仰外叶片段脱离风，以从功率等级P2降低外叶片段的功率捕获，在WSl和第二风速WS2之间，图6(b)中可见倾斜的功率曲线中的功率捕获的减少。由于在高于WSl的风速，内叶片段持续运转时，功率捕获增加，针对WSl和WS2之间的风速，风力涡轮机的总输出功率可维持在额定输出功率等级P1。这通过确保外叶片段的桨距变化率来实现，导致外叶片段针对增加的风速以一速率降低输出功率等级，该速率与在同样的风速间隔从内叶片段增加输出功率的速率相应。虽然叶片的能量生产效率在相对低的风速(也就是，风速低于额定风速)是重要的，但是由于已经达到额定功率，在高于首先产生额定功率的额定风速的风速，叶片效率较不重要。因此，可从相对高效(但是力臂高)的外叶片段移动功率生产至相对低效(但是力臂低)的内叶片段。这导致风力涡轮机结构在叶片根部经受较低叶片力矩。因此，风力涡轮机结构的设计可考虑这种降低的叶片力矩和疲劳载荷，从而节省构筑材料、降低载荷规格等。
图6 (d)示出根据本发明的用于叶片的叶片根部的总力矩的实施例(实线)，比照根据现有技术的实施例的叶片根端部的总力矩(虚线)。该图表不是按比例的，并且仅表示出叶片根部的力矩的影响。这种程序与现有技术的系统对比，现有技术的系统中，风力涡轮机俯仰部分变桨涡轮机的外叶片段，以维持外叶片段的同样等级的输出功率，因此，针对额定功率输出的所有风速，在涡轮机中产生同样的叶片根部力矩和疲劳载荷。本发明中，当风速增加至第二风速WS2时，该第二风速WS2是涡轮机的最大额定风速，外叶片段持续俯仰脱离风。当产生额定功率Pl时，第二风速WS2是涡轮机设计运转的风速上限。针对高于WS2的风速，涡轮机经历降额操作，其中，涡轮机输出降低，直至风速达到最大允许风速，WS3，在该点处风速涡轮机停止。对于高于WS2的降额操作，风力涡轮机的外叶片段的桨距变化率高于WSl和WS2之间区域的桨距变化率。因此，由于从外叶片段功率等级P3，功率生产急剧下降，涡轮机的总输出功率开始从额定等级Pl下降。当风速增大超过涡轮机的最大允许风速WS3时，涡轮 机停止，以防止对涡轮机结构的损坏。图6 (C)所示的实施例中，所示内叶片段在约等于WS2的风速进入失速，功率等级为P4，可以理解的是，内叶片段设计为使得失速控制的内叶片段可优选地不在低于WS2的风速进入失速，并且最优选地，不在低于WS3的风速进入失速。对于涡轮机，其中内叶片段在高于或等于WS3的风速失速，当内叶片段的功率捕获在涡轮机的所有运行风速持续增加时，这意味着可优化涡轮机的载荷降低，这是由于外叶片段在所有运行风速的功率捕获(以及相应的力臂)持续降低。由于风力涡轮机允许在WS2和WS3之间以降额等级运转，这意味着如果风速超过WS2，但开始向最大额定风速WS2以下下降，而不超过最大允许风速WS3，风力涡轮机可相对容易地返回至额定功率生产，而不需要初始化风力涡轮机，并且不必缓慢上升至额定功率。进一步，由于涡轮机允许在更宽范围的空气速度内运转，涡轮机的总体的功率总量增加，导致更有效和多产的涡轮机设计。同样，由于外叶片段的功率捕获甚至在WS2和WS3之间的区域降低，涡轮机的叶片根部力矩被最小化，导致超过WS2的风速的最小化的疲劳载荷。优选地，所述内叶片段设计为在高于或等于WS2的风速进入失速。然而，可以理解的是，叶片的空气动力学特性可在叶片的运转期内变化，例如，由于灰尘、雨水和/或侵蚀的累积。因此，可以理解的是，取决于环境，所述内叶片段在稍低于WS2的风速可进入失速，这种情况，可以说内叶片段在风速约等于WS2时进入失速。例如，失速点可在WS2的5-10%内。在内叶片段可在低于WS2的风速进入失速的情况下，可以理解的是，外叶片段的俯仰方向可翻转，使得外叶片段再次经受增加的功率捕获。因此，外叶片段可俯仰，以确保涡轮机的额定输出功率Pl得以维持。可以理解的是，针对WSl和WS2之间的风速，关于风速的外叶片段的桨距变化率可基于内叶片段的功率捕获的增加率选择。例如，部分变桨风力涡轮机具有约20米长的内叶片段和约40米的外片段的情形下，外叶片段的扫掠面积约10，052m2。内叶片的扫掠面积约1，257m2。由于产生的升力与叶片的扫掠面积成比例，因此，内叶片段约贡献能量生产的12%，直至达到额定功率。
在现有技术的变桨涡轮机中，针对额定风速，风速每增加lm/s，桨距角下降I度，以维持额定功率。通过对比，本发明的实施例中，风速每增加lm/s，外叶片段桨距变化率约为(I 度(+12%，-20%))。可以理解的是，风力涡轮机叶片可具有任何合适的尺寸，但优选地，对于每个叶片，外叶片段的表面积大致等于内叶片的表面积。进一步优选地，内叶片段长度约为部分变桨转子叶片长度的1/3。这在制造、运输等方面提供若干优势。例如，一个实施例中，内叶片段约20米长，外叶片段约40米长。内叶片段可设计为具有错开失速特征，例如，叶片的不同段可设计为在不同的风速(也即是，不同的攻角)进入失速。例如，叶片可具有三个独立区域，该三个区域分别在20度、25度和30度的有效攻角进入失速。虽然图I中示出的涡轮机为岸上涡轮机，可以理解的是，本发明可同样应用于位 于离岸环境的涡轮机。进一步，可以理解的是，本发明可用于任何合适的具有多于连个部分变桨的风力涡轮机构造。本发明尤其适用于双叶片部分变桨风力涡轮机，其经历更多的偏航载荷问题和摆动载荷问题。因此，由于叶片根部力矩，本发明降低经受的载荷，相关的偏航载荷和摆动载荷也可降低。本发明不限于本文描述的实施例，可在不脱离本发明的范围内修改和适用。
权利要求
1.一种部分变桨风力涡轮机(100)，其用于在高于第一额定风速WSl的风速产生额定输出功率，该风力涡轮机(100)包括 风力涡轮机塔架(102); 设于所述塔架(102)顶部的机舱(104)； 设于所述机舱(104)处的可转动的转子轮毂(106);和 至少两个至少35米长的部分变桨转子叶片(108)，所述叶片(108)在其根端部处安装于所述转子轮毂(106)，所述转子叶片(108)包括安装于所述转子轮毂(106)的内叶片段(IlOa)和可相对于所述内叶片段(I IOa)俯仰的外叶片段(I IOb )，所述内叶片段(I IOa)具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，所述外叶片段(IlOb)具有用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面， 其中，当所述外叶片段(IlOb)相对于所述内叶片段(IlOa)未俯仰时，所述风力涡轮机(100)用于在WSl产生额定输出功率， 其中，风力涡轮机(100)进一步包括控制装置，其用于俯仰所述外叶片段(IlOb)脱离风，以在高于WSl的风速降低所述外叶片段(IlOb)的功率捕获，并降低所述部分变桨叶片(108)根端部处的根部力矩的增长率。
2.根据权利要求I所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，所述内叶片段(IlOa)设计为在高于或约等于WS2的第二风速进入失速，WS2高于WS1，所述内叶片段(IlOa)用于为在WSl和WS2之间的增加的风速提供增加的功率捕获。
3.根据权利要求I或2所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，所述内叶片段(IlOa)设计为在高于或约等于WS2的第二风速进入失速， 其中，所述风力涡轮机(100)进一步包括控制装置，其用于在高于WSl的风速降低所述外叶片段(IlOb)的功率捕获，从而降低所述部分变桨叶片(100)根端部处的根部力矩， 其中，所述内叶片段(I IOa)用于为在WSl和WS2之间的风速提供增加的功率捕获，以维持额定输出功率，并且 其中，所述内叶片段(IIOa)包括第一、第二和第三区域，所述第一区域设计为在所述第二风速WS2进入失速，所述第二区域设计在第三风速WS2a进入失速，所述第三区域设计为在第四风速WS2b进入失速，并且其中，WS2〈WS2a〈WS2b。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，当风速超过上限风速WS3时，所述控制装置进一步用于停止风力涡轮机(100 )，其中，WS3大于WS2。
5.根据权利要求4所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，当风速从WS2增加至WS3时，所述控制装置用于降低所述风力涡轮机(100)的输出功率。
6.根据权利要求4或5所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，针对在WSl和WS3之间的风速，所述控制装置用于以恒定运转速度运转所述风力涡轮机(100 )。
7.根据权利要求4-6任一权利要求所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，所述控制装置用于俯仰所述外叶片段(110b)，使得WS2和WS3之间的风速的关于风速的桨距变化率，高于WSl和WS2之间的风速的关于风速的桨距变化率。
8.根据以上任一权利要求所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，所述外叶片段(IlOb)的表面积大致等于所述内叶片段(IlOa)的表面积。
9.根据以上任一权利要求所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，所述内叶片段(IlOa)约为所述部分变桨转子叶片(108)长度的1/3。
10.根据以上任一权利要求所述的部分变桨风力涡轮机(100)，其特征在于，所述所述外叶片段(IlOb)在所述部分变桨转子叶片(108)的俯仰连接位联接至所述内叶片段(110a)，其中， 所述内叶片段(IlOa)具有第一空气动力学型面，该第一空气动力学型面在所述俯仰连接位处具有第一最大升力系数(CLmaxl)和第一弦长(Chl)，以及， 所述外叶片段(IlOb)具有第二空气动力学型面，该第二空气动力学型面在所述俯仰连接位处具有第二最大升力系数(CLmax2)和第二弦长(Ch2)，并且其中，[(CLmaxl) X (Chl)]值至少比[(CLmax2) x (Ch2)]值大 20%。
11.用于降低部分变桨风力涡轮机(100)的疲劳载荷的方法，该风力涡轮机(100)包括至少两个部分变桨叶片(108)，该至少两个部分变桨叶片(108)具有内叶片段(IlOa)和可相对于所述内叶片段(IlOa)俯仰的外叶片段(110b)，内叶片段(IlOa)具有用于失速控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，其设计为在高于或约等于WS2的风速失速，外叶片段(IlOb)具有用于俯仰控制的空气动力学叶片的叶型和相关的功率捕获型面，该方法包括的步骤有 风速Ws〈WSl :针对低于额定风速WSl的风速，风力涡轮机(100)在该风速首先产生额定功率，在持续增加功率捕获模式运转所述部分变桨风力涡轮机叶片(108);和 风速Ws>WSl :针对高于WSl的风速，运行所述部分变桨风力涡轮机叶片(108)，俯仰所述外叶片段(IlOb)脱离风，以降低所述外叶片段(IlOb)的功率捕获，从而降低所述部分变桨叶片(108)的根端部处的力矩的增长率。
12.如权利要求11所述的运转所述部分变桨风力涡轮机(100)的方法 风速Ws>WSl〈WS2 :针对第一额定风速WSl和第二额定风速WS2之间的风速，其中，WS2高于WS1，将所述外叶片段(IlOb)降额，以降低所述外叶片段(IlOb)的功率捕获，从而降低所述部分变桨转子叶片(108)的根部力矩，其中，通过持续增加的所述内叶片段(IlOa)的功率捕获，维持WSl和WS2之间的额定输出功率； 风速Ws〈WS3>WS2 :当风速从WS2增加至WS3时，降低风力涡轮机(100)的输出功率； 风速Ws>WS3>WS2 :当风速超过上限风速WS3时，停止风力涡轮机(100)，其中，WS3高于WS2。
13.如权利要求12所述的方法，在高于额定风速WSl的风速运转所述部分变桨风力涡轮机(100)，以基于相结合的内、外叶片段(IlOaUlOb)的功率捕获型面，维持额定输出功率生产，优选地，针对风速以恒定的每分钟转数运转所述风力涡轮机(100 )。
14.如权利要求11-13任一权利要求所述的方法，该方法包括俯仰所述外叶片段(IlOb)脱离风的步骤，以降低所述外叶片段(IlOb)的功率捕获。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述俯仰设置为，关于WS2和WS3之间的风速的桨距变化率，高于关于WSl和WS2之间的风速的桨距变化率。
全文摘要
本发明描述了一种部分变桨风力涡轮机和相关的控制方法，其中，风力涡轮机叶片包括设计为失速控制运转的内叶片段和设计为俯仰控制运转的外叶片段。风力涡轮机运转过程中，俯仰外叶片段脱离风，以降低产生于外叶片段的升力，由于力臂的减小而降低叶片根部力矩。同时，针对增大的风速，内叶片段持续产生增加的功率输出，从而允许维持额定功率输出，而有效使外叶片段降额。
文档编号F03D7/06GK102758725SQ20121013589
公开日2012年10月31日 申请日期2012年5月2日 优先权日2011年4月29日
发明者M·弗里德里希, P·格雷伯 申请人:远景能源(丹麦)有限公司