专利名称：用于风力涡轮机的连续变桨的装置和方法
技术领域：
本公开一般地涉及包括具有多个转子叶片和轮毂的转子的风力涡轮机，并且更具
体地涉及用于风力涡轮机的转子叶片的连续变桨的装置和方法。
背景技术：
使用风力涡轮机来将风能转化为电力输出能量，其中包括塔架、机器外罩以及具 有多个转子叶片和轮毂的转子的风力涡轮机能够相对于进入风向进行调整。布置在塔架顶 部的机器外罩典型地围绕着例如塔架轴线的垂直轴线能够旋转。 典型地相对于进入风强度和/或风向调整转子的转子叶片。被调整的角度(即， 围绕转子叶片轴线的旋转)被称为桨距角，而用于改变桨距角的方法被称为变桨。
在运行期间，包括转子叶片的转子围绕着典型地水平的轴线(例如主轴轴线)旋 转。 典型地，相对于进入风速调整多个转子叶片的桨距角。由于单个转子叶片的长度， 转子叶片横贯大圈，该大圈从接近地面的较低区域延伸到高于风力涡轮机的机器外罩的较 高区域。 旋转的转子叶片跨越垂直定向并垂直于主轴轴线的圆形区域。在典型的运行条件 下，风速度和/或风向作为地面以上的高度的函数而改变。作为高度的函数的风速度的变 化被称为风切变。
发明内容
考虑到上述事实，提供包括机器外罩和具有至少一个转子叶片和轮毂的转子；所 述风力涡轮机还包括风速计单元，该风速计单元适于在转子的第一旋转位置处测量第一风 速度，并适于在该转子的至少一个第二旋转位置处测量至少一个第二风速度；以及至少一 个桨距角调整单元，其适于调整作为该转子的旋转位置的函数的至少一个转子叶片的第一 桨距角，其中该第一桨距角对应于第一风速度，并适于调整作为该转子的旋转位置的函数 的至少一个转子叶片的至少一个第二桨距角，其中该至少一个第二桨距角对应于至少一个 第二风速度，其中当该风力涡轮机的转子旋转时，该至少一个桨距角调整单元适于在该第 一桨距角和该至少一个第二桨距角之间改变桨距角。 根据另一方面，提供一种用于调整风力涡轮机的至少一个转子叶片的桨距角的方 法，该风力涡轮机包括机器外罩和具有至少一个转子叶片和轮毂的转子。所述方法还包括 以下步骤在该转子的第一旋转位置处测量第一风速度；在该转子的至少一个第二旋转位 置处测量至少一个第二风速度；调整作为该转子的旋转位置的函数的该至少一个转子叶片 的第一桨距角，其中该第一桨距角对应于该第一风速度；调整作为该转子的旋转位置的函 数的该至少一个转子叶片的至少一个第二桨距角，其中该至少一个第二桨距角对应于该至 少一个第二风速度；以及当该风力涡轮机的转子旋转时，在该第一桨距角和该至少一个第 二桨距角之间改变桨距角。
根据又一方面，提供一种用于调整风力涡轮机的至少一个转子叶片的桨距角的方 法，该风力涡轮机包括机器外罩和具有至少一个转子叶片和轮毂的转子。所述方法还包括 以下步骤测量该风力涡轮机的转子的弯曲力矩；由测量的弯曲力矩确定在该风力涡轮机 的该位置处的风切变分布；调整该至少一个转子叶片的第一桨距角，其中该第一桨距角对 应于该风切变分布的第一风速度；调整该至少一个转子叶片的至少一个第二桨距角，其中 该至少一个第二桨距角对应于该风切变分布的第二风速度；以及当该风力涡轮机的转子旋 转时，在该第一桨距角和该至少一个第二桨距角之间改变桨距角。
其他的示范性实施例根据从属权利要求、说明书和附图。
在包括参考附图的本说明书的剩余部分中对本领域技术人员更具体地阐述了本 发明的完整和使能的公开(包括其最佳模式)，其中 图1显示了包括塔架、机器外罩以及具有多个叶片和轮毂的转子的风力涡轮机；
图2是根据一个典型的实施例的方框图，示出了用于控制作为转子的旋转位置的 函数的至少一个转子叶片的桨距角的部件； 图3示出了在该处呈现风切变的环境条件中的风力涡轮机； 图4是显示了对于三个单个转子叶片而言作为转子的旋转位置的函数的桨距角 偏置的图解； 图5是用于示出根据一个典型实施例的一种方法的流程图，该方法用于当呈现风 切变时调整风力涡轮机的至少一个转子叶片的桨距角；以及 图6是根据另一个典型实施例的另一方法的方框图，该方法依据在风力涡轮机的 位置处呈现的风切变而连续变桨。部件列表
100风力涡轮机101转子叶片102塔架103机器外罩104轮毂105风向106偏航角107垂直轴线108桨距角109弯曲力矩110旋转位置探测器111风速计单元112主轴轴线113风切变确定单元114桨距角调整单元115弯曲力矩探测器
200风切变201末端速度202水平风速度203增加变桨的区域 204减少变桨的区域205速度矢量和206地平面207地面之上的高度208转子直径209风切变包络210上末端211下末端300桨距角控制图解301旋转位置302变桨偏置
具体实施例方式
现在将详细地参考各种示范性的实施例、示出在附图中的一个或者多个示例。各 示例以解释的方式提供，并且不意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分被示出或者描 述的特征能够用在其他的实施例上，或者结合其他实施例使用，以生成又一实施例。本公开 旨在包括此类修改和变化。 下面将解释多个实施例。在此情况下，在附图中同样的结构特征由同样的参考标 号识别。显示在附图中的结构并未按真实比例描绘，而是仅为了更好地理解这些实施例。
图1显示了风力涡轮机IOO，包括塔架102、机器外罩103以及具有多个转子叶 片101和轮毂104的转子。外罩103可根据进入风向105围绕竖轴线107旋转。具有多个 转子叶片101的转子围绕主轴轴线112旋转。将旋转位置探测器110连接到主轴轴线112 上，使得能够确定转子的旋转位置，例如单个转子叶片的旋转位置或者周向位置。
此外，机器外罩103包括风速计单元lll，该风速计单元111用来测量进入风105 的强度(速度矢量(velocity vector))。将风速计单元111的输出信号提供给风切变确定 单元113。除了风速计单元lll，风力涡轮机100还包括弯曲力矩探测器115，该弯曲力矩 探测器115用来确定围绕垂直于竖轴线107和主轴轴线112的轴线的风力涡轮机的弯曲力 矩。弯曲力矩探测器适于探测转子叶片、叶片延伸部、轮毂、主轴承、主轴、机器外罩、偏航轴 承和塔架中的至少一个的弯曲力矩。 该弯曲力矩是用于风切变的指示器(参考图3参见下面的描述)。弯曲力矩探测 器115确定弯曲力矩109，弯曲力矩109由相对于转子叶片101的进入风105引起的风载荷 而导致。可以相对于特定的桨距角108调整转子叶片101，使得能够调整机械(风)能转换 成主轴轴线112的转动能的能量转换效率。 显而易见的是仅能对特定的高度和特定的风速度调整最佳的桨距角。在至少一 个转子叶片的一个旋转期间，当风速度改变且桨距角能够改变时，可以将桨距角连续或者逐步地调整到风力涡轮机的能量转化效率高的值。
在这里应当指出的是可以以直接或者间接的方式测量风速。 一种测量风速的方
式是通过使用攻角(angle of attack)传感器。测量风速的另一种方式是在转子平面中在
一个或者多个圆周上测量风速，转子中每个圆周均由一个传感器覆盖。 弯曲力矩探测器115提供用于风切变确定单元113的输出信号。风切变确定单元
113能够确定由风速计单元111提供的风速计信号和由弯曲力矩探测器115提供的弯曲力
矩信号的垂直风切变独立性。 可以调整偏航角106以改变进入风向105，使得机器外罩103可以依据进入风向 105而围绕着竖轴线107旋转。通过使用桨距角调整单元114可以调整桨距角108，这将在 下面的本文中相对于图2进行描述。 图2是用于调整风力涡轮机100的转子叶片101的桨距角108 (图1)的典型部件 的方框图，桨距角108作为呈现在风力涡轮机100的位置处的风速度和风切变的函数。借 助旋转位置探测器110确定具有多个转子叶片101和轮毂104的转子的旋转位置。
例如，旋转位置探测器110提供输出信号，该输出信号是转子的旋转位置的指示 器，并且因此是各单个转子叶片的特定旋转位置的指示器。将该输出信号传送给风切变确 定单元113。此外，风切变确定单元113接受来自风速计单元111的信号，该信号是对于风 速度的指示器。 在这里应当指出的是即使主风切变方向是垂直的，但是可以呈现水平风切变并 且可以由该系统进行探测。因而，可以单独地探测垂直风切变、单独地探测水平风切变以及 探测二者的结合。此外，在这里应当指出的是由于速度场在两个方向上典型地是不同的， 因而变桨表(pitching schedule)对于垂直和水平风切变可能不同。 此外，风切变确定单元113接受来自弯曲力矩探测器115的作为弯曲力矩的指示 器的信号。从这些信号可以计算风力涡轮机的位置处的风切变。根据一个典型的实施例， 借助示意性地显示在图2中的桨距角调整单元114可以控制各单个转子叶片101。
在这里应当指出的是桨距角调整单元114包括在轮毂104中，尽管这没有显示 在图2的示意性附图中。桨距角调整单元114能够调整单个转子叶片101的桨距角，该桨 距角作为由旋转位置探测器110确定的旋转位置和由风速计单元111以及弯曲力矩探测器 115 二者共同确定的风切变的函数。 在这里应当指出的是根据另一优选的实施例，可以调整单个转子叶片的桨距角 108(图1)，该桨距角108作为弯曲力矩探测器115的输出信号和旋转位置探测器110的输 出信号的函数。 图3示出了风力涡轮机100附近的环境条件。在这里应当指出的是虽然在某些 情形下会发生水平风切变，但是典型的实施例与大多数情况下发生的垂直风切变相关。如 图3中所显示的，风速度(箭头的长度)是从左引向右的(VM)202，即水平风速度是地平面 206上的高度的函数。 参考标号207指示地平面上的高度h。由转子包围的直径由参考标号208指示。 如从图3可看到的，风速度矢量的长度(即沿着风力涡轮机的主轴轴线112的方向的水平 风速度)作为地平面上的高度207的函数而改变。因而，在地面上不同的高度处，风速度可 以不同，使得为了风能到转动能的有效能量转换，对于不同的地面上的高度，适当的桨距角
6108可以不同。 在显示在图3中的情形中，和转子叶片接近地平面206时的情况一样，当转子叶片 101经过地面上的位置时，桨距角108被调整得更大。为了调整桨距角108，考虑了地平面 上的高度207(h)处平行于主轴轴线112的风速矢量。 对于高度h。调整了特定的桨距角作为参考桨距角108。相对于该参考桨距角108， 依据转子的旋转位置和呈现在风力涡轮机100的位置处的风切变而调整变桨偏置(pitch offset)。从主轴轴线112的截面垂直地绘出的线与风切变的包络209导致速度矢量和205， 其中特定的参考桨距角108被调整。 作为末端速度201 (V#J的函数，能够相对于速度矢量和205调整不同的偏置。针 对发生在转子叶片在其中旋转的范围的下半周内的风速度调整减小变桨的区域204。增加 变桨的区域203是由单个转子叶片在主轴轴线112的高度和上末端210之间经过的区域。
下末端211对应于较低的风速度，使得可以相对于旋转位置调整桨距角。桨距角 调整单元114(参见图2)适合调整至少一个转子叶片101的第一桨距角108，其中第一桨距 角108对应于风切变分布209的第一风速度；并且适合调整至少一个转子叶片101的至少 一个第二桨距角108，其中至少一个第二桨距角对应于风切变分布209的第二水平风速度 202。 此外，当风力涡轮机100的转子正在旋转时，至少一个桨距角调整单元104适合改 变第一桨距角和第二桨距角之间的桨距角。 根据一个典型的实施例，至少一个桨距角调整单元114适合将第一桨距角调整到 对应于风切变分布(风切变包络)209的最小水平风速度202的最小桨距角。此外，至少一 个桨距角调整单元114适合将至少一个第二桨距角调整到对应于风切变分布209的最大水 平风切变202的最大桨距角108。 在转子的一半旋转期间，可以用桨距角调整单元来在第一桨距角和第二桨距角之 间连续地或者逐步地调整至少一个转子叶片101的桨距角108。在一个典型的实施例中，当 转子叶片101具有其末端定向在由参考标号211指示的位置的定向时，调整最小桨距角，其 中当至少一个转子叶片101定向成其末端位于由图3中的参考标号210指示的位置处时， 调整最大桨距角。 风切变的包络(即风切变分布209)可以从由弯曲力矩探测器115(图2)探测到 的弯曲力矩进行计算。在速度矢量和205处(其是末端速度201和实际水平风速度202的 矢量和)，将桨距角偏置调整为零。风切变确定单元113适合根据关系式确定风力涡轮机的 位置处的垂直风切变分布v(h): f h 丫 V(h) = vref 「 其中，h是地面上的高度，vref是在参考高度href处的参考速度，而a是可预定 的参数。在这里应当指出的是上面的等式仅是确定风切变分布的示范性关系式，且可以应 用不同的关系式。参数a是依赖于地点的参数，并且典型地在O. l和0.2之间变化，更典 型地，参数a为0. 16。 当包括转子叶片101的风力涡轮机100的转子正在旋转时，在一个旋转期间，在最 小桨距角(末端位置211)到最大桨距角(末端位置210)之间进行循环变桨。
图4更详细地示出了三个单个转子叶片101a， 101b以及101c的循环变桨。示出 在图4中的图解显示了作为各单个转子叶片的旋转位置301的函数的变桨偏置302。对于 转子叶片lOla，当该特定的转子叶片101a处在水平位置(旋转位置301 = 0)时，变桨偏置 调整为零。 在这里应当指出的是旋转位置301以弧度测量值(radiantmeasure)的方式给 出，其中分别以在0和1以及0和-l之间的相对单位给出变桨偏置302。作为一个示例，为 了获得期望的桨距角，变桨偏置可以乘以15度的值。在这里应当指出的是这些单位仅是 示范性的，并且可以应用若干其他的单位。假定转子叶片101a首先到达上末端位置210，使 得发生最大变桨，并且然后在最小变桨和最大变桨之间连续地或者逐步地改变。应当指出 的是参考图4解释了三个单独的叶片的连续变桨。然而，可能具有更多或者更少的转子叶 片、非正弦运动以及最小桨距角和最大桨距角，而它们在图3中描绘的上末端位置210或者 下末端位置220中不发生。 在2 Ji (6. 28)的旋转位置301处，转子叶片101a已经完成了一个完整的旋转。根 据第一转子叶片101a进行其余两个转子叶片的变桨，且不同在于引入了相位差。因而，第 二转子叶片101b相对于第一转子叶片101a相对于其桨距角具有120度(2ji/3)的相变 (以弧度测量值)。同样地，第三转子叶片101c相对于第二转子叶片101b相对于变桨具有 120度(2ji/3)的相位差。因而，可连续地或者逐步地对全部三个转子叶片101a，101b以及 101c进行变桨。 在这里应当指出的是根据一个示范性的实施例，当转子叶片处在水平位置(分 别处在O度和180度)时，各单个转子叶片101a，101c处在零变桨偏置。根据该典型的实 施例的连续变桨方法确保能获得从风能到转动能的高能量转换效率。 显示在图4中的图解给出了一种情形，在该情形下，在图4中所显示的变桨期间维 持恒定的转动速度。 图5是根据另一典型实施例的一种方法的流程图。在步骤S1，开始过程。然后例 如通过使用风速计单元lll(参见图1)来测量风力涡轮机的位置处的风速度。然后从单 个风速计或者风切变传感器确定风切变(步骤S3)。根据测量的风切变分布(风切变包 络)209，调整最小桨距角(步骤S4)以及调整最大桨距角(步骤S5)。除了桨距角在其中 改变的范围，还建立了最大桨距角和最小桨距角的点与旋转位置之间的相位角以及最佳的 变桨循环，该最佳变桨循环不需要为正弦曲线。然后，在步骤S6在最小桨距角和最大桨距 角之间进行连续变桨。 在步骤S7，确定风切变分布209是否已经改变。如果风切变分布209已经改变(在 步骤S7 :是)，则过程返回到步骤S3，在该步骤S3确定新的风切变，并且执行步骤S4， S5， S6以及S7。当风切变未改变时(在步骤S7 :否)，过程在步骤S8经受时间延迟，然后返回 步骤S7。 在步骤S3进行的风切变的确定能够基于布置在不同高度的不同的风速度传感器 或者风速计单元。除此之外，可以将风速计单元设置在转子平面内的位置处，例如设置在一 个或者多个单个转子叶片处。此外，可以由数字模型确定风切变。 图6示出了根据另一典型实施例的一种用于调整风力涡轮机100的至少一个转子 叶片的桨距角的方法的流程图。
在步骤S1，开始过程。由至少一个弯曲力矩探测器115确定风力涡轮机100的弯 曲力矩109(参见图1)。此外，通过使用至少一个桨距角调整单元，可能在转子正在旋转时 在第一桨距角和至少两个第二桨距角之间改变桨距角。 弯曲力矩探测器115可适合探测单独转子叶片101a、101b、101c ;主轴轴线112 ; 机器外罩103以及塔架102中至少一个的弯曲力矩。 此外，在转子的一半旋转期间，至少一个桨距角调整单元114适合在第一桨距角 和第二桨距角之间连续地或者逐步地调整至少一个转子叶片101的桨距角108。第一桨距 角可以为对应于风切变分布209的最小风速度的最小桨距角，而第二桨距角可以为对应于 风切变分布209的最大风速度的最大桨距角。通过桨距角调整单元114的桨距角调整可以 与转子的旋转速度同步地循环执行。 然后，在步骤S4和S5，分别调整最小桨距角(步骤S4)和最大桨距角(步骤S5)。 然后在步骤S6，执行连续变桨。在步骤S6后，过程前进至步骤S7，在该步骤确定风切变分 布209是否已经改变。如果风切变209已经改变(在步骤S7 :"是")，过程返回到步骤S3， 其中重复步骤S3到S7。如果确定风切变没有改变(在步骤S7 :"否")，过程在步骤S8经 受时间延迟，然后返回到步骤S7。 已经基于显示在附图中所示的实施例描述了本发明，并且由此显现出了更多的益
处和修改。但是，本发明不受以具体用词描述的实施例的限制，而是能够以适当的方式进行
修改和改变。以适当的方式将一个实施例的单个的特征以及这些特征的组合与另一个的实
施例的特征以及这些特征的组合结合以达成另外的实施例将位于本发明的范围内。 基于本文中的教导，对于本领域技术人员将显而易见的是可以进行改变和修改
而不脱离公开的本发明和其更宽的方面。即，在上文中所阐述的所有示例都意图为示范性
的而非限制性的。
权利要求
一种用于调整风力涡轮机(100)的至少一个转子叶片的桨距角的方法，所述风力涡轮机(100)包括机器外罩(103)和具有至少一个转子叶片(101)和轮毂(104)的转子，所述方法还包括在所述转子的第一旋转位置处测量第一风速度(201)；在所述转子的至少一个第二旋转位置处测量至少一个第二风速度(202)；调整作为所述转子的旋转位置的函数的所述至少一个转子叶片(101)的第一桨距角(108)，其中所述第一桨距角(108)对应于所述第一风速度；调整作为所述转子的旋转位置的函数的所述至少一个转子叶片(101)的至少一个第二桨距角，其中所述至少一个第二桨距角对应于所述至少一个第二风速度(202)；以及在所述风力涡轮机(100)的所述转子正在旋转时，在所述第一桨距角和所述至少一个第二桨距角之间改变所述桨距角。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量在所述风力涡轮机的所述位置处的 风切变分布(209)。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一桨距角是最小桨距角，并且对应 于所述风切变分布(209)的最小风速度以及在该处测量所述最小风速度的位置。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二桨距角是最大桨距角，并且对应 于所述风切变分布(209)的最大风速度(202)以及在该处测量所述最大风速度的位置。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述转子的一半旋转期间，在所述第一 桨距角和所述第二桨距角之间连续地或者逐步地调整所述至少一个转子叶片(101)的桨 距角(108)。
6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由在所述风力涡轮机的位置处测量的参考风速度以及根据关系式v(h)- f'确定垂直风切变分布(v(h))，其中，h是地面上的高度，vMf是在参考高度href处的参考速度，而a是可预定的参数。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述可预定的参数a在0. 1到0. 2的范 围内变化，并且典型地具有O. 16的值。
8. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个转子叶片(101)的所述桨距 角(108)的调整与所述转子的旋转速度同步地循环执行。
9. 一种风力涡轮机(100)包括机器外罩(103)和具有至少一个转子叶片(101)和轮毂 (104)的转子，所述风力涡轮机还包括风速计单元(lll)，其适合在所述转子的第一旋转位置处测量第一风速度(201)，并适 合在所述转子的至少一个第二旋转位置处测量至少一个第二风速度(202);以及至少一个桨距角调整单元(114)，其适合执行根据前述权利要求的任一项所述的方法。
10. 根据权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于，提供风切变确定单元(113)，其适 合确定在所述风力涡轮机的位置处的风切变分布(209)。
全文摘要
本发明涉及用于风力涡轮机连续变桨的装置和方法，更具体地，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括机器外罩和具有至少一个转子叶片和轮毂的转子。风速计单元适合测量该转子的第一旋转位置处的第一风速度并且适合测量该转子的至少一个第二旋转位置处的至少一个第二风速度。提供至少一个桨距角调整单元，用于调整作为该转子的所述旋转位置函数的该至少一个转子叶片的第一桨距角和至少一个第二桨距角，其中该至少一个桨距角调整单元适合在该风力涡轮机的转子旋转时在该第一桨距角和该至少一个第二桨距角之间改变该桨距角。
文档编号F03D7/04GK101725471SQ20091020653
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者J·J·涅斯, T·霍夫曼 申请人:通用电气公司