经由叶片管道144从存储单元112流通）可由后缘反作用喷嘴152喷射。 控制器220 (通过涡轮机主控制器200)可以构造为开启一个或两个阀门154,而且可以构 造为根据期望的转矩量将该阀门开启预设持续时间。一般而言，对于相同的递增的转速增 量，在同步之前将转子自静止状态升速到额定转速所要求的启动转矩高于在动态运动下旋 转涡轮机所要求的转矩。因此来自喷嘴152的反作用空气喷射辅助有助于克服初始惯性和 静态摩擦阻力转矩。
[0057] 现参照图6,示出了由控制器220执行的启动和起转过程的特定实施例的逻辑框 图。该逻辑框图描述了如何根据若干风力涡轮机和/或环境参数的数值控制叶片132的后 缘喷嘴152。一般而言，可基于至少一个风力涡轮机和/或环境参数的数值控制喷嘴，但是 优选地基于两个或多个这种参数组合的数值进行控制。
[0058] 在图6中，风速Vf和涡轮机转子转速U是在风力涡轮机安装时由传统方法测量 的实时数据。"P"是在存储单元112中所存储的空气的压力，且转子加速度设定值"A"和 (&) "B"是转子叶片的结构性能极限，它们是本文所讨论的类型的风力涡轮机的设计参数。 设定值"B"高于设定值"A"。如果场地可用的风力状况低于风力涡轮机的设计切入速度Vf， Vf的工作范围（X%到100% )是可选择地，从而利用该压缩空气系统的优势，"Y%"为小于 X%的数值，低于Y%时压缩空气辅助系统可能不能继续使用。
[0059] 对于静止的风力涡轮机，如果场地风力状况处于Vf的有利范围（X%到100% )， 假定反作用空气供应压力P维持在高于预定的"正常"水平，则通过喷嘴（152)的反作用空 气的喷射可有效克服叶片的初始惯性从而使它们旋转，后缘上的喷嘴152中的一个（在图 6中称为"内侧"）在距轮毂中心131较小的半径处，另一个（在图6中称为"外侧"）在距 轮毂中心131较大的半径处。通过将叶片的角加速度与两个预设值A和B进行比较，两个 喷嘴都可依次关闭或开启，由此控制转子速度从零到涡轮机的全额定设计值的增长率。由 控制器220执行以及图6中描述的逻辑还通过两个喷嘴（152)的开启和关闭检测额定转速 的到达及维持。
[0060] 在另一实施例中，在当转子处于运动中（如处于风力涡轮机的额定转速）时的辅 助制动过程中，控制器220向涡轮机主控制器200发送数字控制信号从而使前缘阀门164 开启以便压缩空气可由前缘反作用喷嘴162喷射。由压缩空气的喷射产生的反作用力与转 子130的运动170相反，并因此向转子130施加制动转矩。
[0061] 图7描述了由控制器220执行的惰转过程（辅助制动过程）的特定实施例的逻辑 框图。该逻辑框图描述了如何根据以下条件控制叶片132的前缘喷嘴162 :发电机是否连 接到输电网；涡轮机转速"U" ;存储的空气的压力"P"（U和P是在风力涡轮机安装处持续 测量的测量参数）；涡轮机转子负加速度设定值"A"，设定值"A"通过该种风力涡轮机的设 计、基于转子叶片的结构性能极限而确定。
[0062] 当连接到输电网且输出功率的旋转的风力涡轮机与该输电网断开时，它将趋向于 超过它的额定转速。控制器220利用来自该断开（disconnection)的电气装置的信号从而 开启前缘上的两个喷嘴（162)，喷射反作用空气从而减慢叶片的速度，该反作用空气产生与 叶片旋转相反的力。为了在叶片的结构极限内操作，有必要控制叶片减慢的速率或负加速 度。这通过比较转子的负加速度和设定值"A"及偏差来关闭或开启喷嘴（162)而实现，从 而控制与叶片旋转相反的力。图7中的逻辑还在转子为了关闭两个喷嘴（162)以为"闭锁" 做准备而即将停止时、以及防止转子的反转时进行检测。
[0063] 应当理解的是喷嘴可被包含在叶片132中的仅一个中，或可选地可被包含在叶片 132、134、136的每个叶片中。叶片132的喷嘴152、162可以但不必与叶片134、136中的那 些喷嘴具有相同的构造。
[0064]电能相对小的量子（例如在第一次操作或在涡轮机长时间停止操作后的情况下 的来自输电网的功率）用来驱动压缩机230产生存储于单元112中的压缩空气。如上所述， 控制器220根据所存储的空气的可用体积、压力、温度和体积流率，持续监控所存储的空气 的可用性。控制器220可间歇地操作电动空气压缩机230以将存储的压缩空气的体积和压 力维持预定和期望的水平。压缩空气存储系统的期望体积和操作压力是基于涡轮机的尺寸 和场地风力状况。
[0065] 在实施例中，反冲式启动或惰转风力涡轮机所需要的近似力（从而来自叶片的空 气排放的量和持续时间）可利用计算流体动力学（"CFD"）仿真方法在CD-adapco(网站架 构）公司（纽约）的CFD仿真软件STAR-CCM+(恒星-连续介质力学+)的帮助下来确定。 [0066] 在如下的实例中，在这样的风力涡轮机中执行仿真：该风力涡轮机具有29. 0m的 叶片长度、从叶根到叶尖9. 67度的叶片扭转角和30. 5米的叶尖半径。用于自启动的风（自 由气流）的风速Vf为6米/秒。位于风速相对（vs.)转子速度曲线上的起始点（切入点） 处的转子转速为1. 02转每分钟（rpm)，起始点的转子叶尖桨距角为35度。两种不同风速 (Vf = 6米/秒和Vf = 5米/秒）下的CFD仿真结果如表1中所示。来源于CFD结果的参 数如表2所示。在每个表格中，C表示切入点，R表示惰转点。
[0067]表1
【主权项】
1. 一种启动风力涡轮机的旋转的方法，所述风力涡轮机具有一个或多个叶片，所述方 法包括： 当叶片静止时，从所述叶片的一个或多个排放气体，所述气体在一方向上被排放从而 产生反作用力，所述反作用力足以启动所述叶片在期望方向上转动。
2. -种阻碍风力涡轮机的旋转的方法，所述风力涡轮机具有一个或多个叶片，所述方 法包括： 当叶片在旋转方向上转动时，在大体上与所述叶片的运动方向相反的方向上从所述叶 片的一个或多个的前缘排放气体，从而产生阻碍所述旋转的反作用力。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述气体在压缩下存储在存储设备中，并在 来自控制系统的控制下从所述存储设备传输到叶片用于所述排放。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，利用由所述风力涡轮机供电和/或由外部电源供 电的发动机，所述气体被压缩并注入到所述存储设备中。
5. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，在所述叶片上的、位于或接近所述叶片 的径向外端的位置处，所述气体从所述叶片被排放。
6. -种风力涡轮机设备，所述风力涡轮机设备具有： 一个或多个叶片，所述叶片由风驱动，在第一旋转方向上关于轮毂旋转； 电力产生系统，所述电力产生系统由于所述叶片的所述旋转而产生电力； 一个或多个第一反作用喷射器，所述第一反作用喷射器设置在所述叶片的至少一个 上，用于在一方向上排放气体，从而产生推动所述叶片在所述第一旋转方向上旋转的反作 用力； 压缩气体产生系统； 气体传输系统，所述气体传输系统用于将压缩气体从所述压缩气体产生系统传输至所 述第一反作用喷射器；以及 控制系统，当所述叶片静止时所述控制系统运作以启动至所述第一反作用喷射器的气 体传输，从而启动所述叶片的旋转。
7. 根据权利要求6所述的风力涡轮机设备，所述风力涡轮机设备还包括： 一个或多个第二反作用喷射器，所述第二反作用喷射器设置在所述叶片的至少一个 上，用于在大体上与所述旋转方向相反的方向上排放气体，从而产生阻碍在所述旋转方向 上的旋转的反作用力； 当所述叶片转动时所述控制系统还运作以控制所述气体传输系统将压缩气体传输至 所述第二反作用喷射器； 凭此，所述第二反作用喷射器在大体上与所述叶片的运动方向相反的方向上排放所述 压缩气体，从而产生阻碍所述旋转的反作用力。
8. 根据权利要求6或7所述的风力涡轮机设备，其中，所述第一反作用喷射器位于或接 近所述叶片的径向外端。
9. 根据权利要求6-8任一项所述的风力涡轮机设备，其中，当所述叶片在所述旋转方 向上旋转时，所述第一反作用喷射器位于或接近所述叶片的后缘。
10. -种风力涡轮机设备，所述风力涡轮机设备具有： 一个或多个叶片，所述叶片由风驱动，在旋转方向上关于轮毂旋转； 电力产生系统，所述电力产生系统由于所述叶片的所述旋转而产生电力； 一个或多个第二反作用喷射器，所述第二反作用喷射器设置在所述叶片的每一个的前 缘，用于在大体上与所述旋转方向相反的方向上排放气体，从而产生阻碍在所述旋转方向 上的旋转的反作用力； 压缩气体产生系统； 气体传输系统，所述气体传输系统用于将压缩气体从所述压缩气体产生系统传输至所 述第二反作用喷射器；以及 控制系统，当所述叶片转动时所述控制系统运作以控制所述气体传输系统将压缩气体 传输至所述第二反作用喷射器； 凭此，所述第二反作用喷射器在大体上与所述叶片的运动方向相反的方向上排放所述 压缩气体，从而产生阻碍所述旋转的反作用力。
11. 根据权利要求7或10所述的风力涡轮机设备，其中，所述第二反作用喷射器位于或 接近所述叶片的径向外端。
12. 根据权利要求6-11任一项所述的风力涡轮机，其中，当所述叶片转动时所述控制 系统还运作以控制所述气体传输系统将所述叶片的旋转速度维持在一定范围内。
13. 根据权利要求6-12任一项所述的风力涡轮机，其中，所述气体传输系统包括： 气体存储设备；以及 气体压缩设备，所述气体压缩设备利用由所述风力涡轮机供电和/或外部电源供电的 发动机压缩气体并将气体注入到所述气体存储设备。
【专利摘要】提出一种风力涡轮机设备。该风力涡轮机设备具有一个或多个叶片，所述叶片由风驱动，在第一旋转方向上关于轮毂旋转；电力产生系统，所述电力产生系统由于所述叶片的所述旋转而产生电力；一个或多个第一反作用喷射器，所述第一反作用喷射器设置在所述叶片的至少一个上，用于在一方向上排放气体，从而产生推动所述叶片在所述第一旋转方向上旋转的反作用力；压缩气体产生系统；气体传输系统，所述气体传输系统用于将压缩气体从所述压缩气体产生系统传输至所述第一反作用喷射器；以及控制系统，当所述叶片静止时所述控制系统运作以启动至所述第一反作用喷射器的气体传输，从而启动所述叶片的旋转。
【IPC分类】F03D11-00, F03D7-00
【公开号】CN104797811
【申请号】CN201380058127
【发明人】莫汉·达斯·伊坦诺尔·撒普尔, 斯里坎斯·娜拉西玛鲁, 斯里尼瓦萨·拉奥·普力米特拉
【申请人】南洋理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2013年11月27日
【公告号】WO2014084796A1