CN100353054C

CN100353054C - 风动设备的控制方法及风动设备

Info

Publication number: CN100353054C
Application number: CNB028274431A
Authority: CN
Inventors: 马丁·冯穆蒂乌斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: DE60218737D1; WO2003054388A1; DE10162942A1; US20060099075A1; US7393180B2; ES2283632T3; CN1692226A; DK1456535T3; AU2002358781A1; DE60218737T2; EP1456535A1; EP1456535B1

Abstract

本发明涉及一种风动设备的控制方法，所述风动设备具有至少两个可以在一个转子叶片平面内围绕一个公共的转子轴旋转的转子叶片的转子，每个转子叶片可以围绕一个与其纵轴大体平行的转轴旋转，而该纵轴最好与转子轴近似垂直，其中，转子叶片的设置或螺旋角是相对于转子叶片平面作为运行条件特别是风力条件的函数进行设定的，其特征在于在转子停止位置，此时转子围绕转子轴的转速下降，上述至少两个转子叶片的螺旋角被设置为不同的值。

Description

风动设备的控制方法及风动设备

技术领域

本发明涉及一个具有至少两个转子叶片的转子的风动设备的控制方法，上述转子叶片可以在转子叶片平面中围绕一个公共的转子轴线旋转，所述每个叶片可以沿一个大体与其纵轴平行的横向的转轴转动，该轴最好近似垂直于转子轴；其中转子叶片的设置或其相对于围绕转轴旋转的转子叶片平面的螺旋角是作为运行条件、特别是风力条件的函数来加以设定的；本发明还涉及根据上述方法控制的风动设备。

背景技术

通常风轮机包括一个塔，在塔尖具有一个围绕一个基本沿重力方向的轴旋转的舱，和一个沿基本上与重力方向垂直的轴旋转的转子。在上述风动设备运行时，舱和相应的转子叶片可以绕基本上是处于重力方向的转轴进行旋转从而在不同的风力方向均达到最佳的运行条件。常规的，转子叶片相对于转子叶片平面具有固定的螺旋角的风动设备的转速受到失速响应的限制。

为了改进风动设备的运行条件，已经有建议提出为了适应风力方向的变化，应使转子叶片平面不仅围绕基本上沿重力方向的转轴旋转，也使各个转子叶片沿大体与其纵轴平行的、横向的、最好是与转子轴近似垂直的转轴旋转。风速高时，可以通过降低转子围绕转子轴旋转的速度，或使其完全停止并且利用使各个转子叶片在预定的停止位置旋转使其风阻尽可能小来防止风轮机的损坏。但是，实践表明即便将转子位于停止的位置，风力负荷大时仍会造成转子本身、舱和/或塔的损坏。

发明内容

在这里所述的本发明的方法的一个实施例中可以减小风速高时风动设备的损坏。

按照本发明的一个方面，提供一种风动设备的控制方法，所述风动设备具有至少两个可以在一个转子叶片平面内围绕一个公共的转子轴旋转的转子叶片的转子，每个转子叶片可以围绕一个与其纵轴平行的转轴旋转，而该纵轴最好与转子轴近似垂直，其中，转子叶片相对于转子叶片平面的螺旋角是根据风力条件的函数进行设定的，其特征在于在转子停止位置，此时转子围绕转子轴的转速下降，上述至少两个转子叶片的螺旋角被设置为不同的值，在停止位置一个转子叶片的螺旋角被设定为大于90度而另一个转子叶片的螺旋角被设定为小于90度。

该方法通过在转子的停止位置将至少两个转子叶片的设置或螺旋角采用不同的值来解决该问题。

本发明基于认识到在风力负荷大时采用已知的方法所引起的可观察到的损坏不是由于风动设备的静态负荷，而是由于转子叶片位于停止位置时由于风流引起的激振造成的。注意到常规转子叶片的相同设计，激振引起伴随相应的谐振现象的耦合振荡从而造成可观察到的损坏。

通过在停止位置将转子叶片设置为不同的角度，可以实现叶片振动的去耦，从而避免出现可能的谐振现象，最终达到在强风力负荷条件下所希望的减少损害的目的。这里说明一下，上述在高转速条件下，采用固定设置或螺旋角的风动设备运行中的耦合振动现象在，比如，EP 0 955461 A2中曾经讨论过。在该文件中提出在风动设备中利用设计结构不同转子叶片来解决上述问题。与上述采用固定设置角度的转子叶片的所谓的失速动力设备运行的方法相比，本发明利用具有可调节的转子叶片的所谓螺旋设备来解决上述问题，因为它不需要对转子叶片进行任何改变仅要求在停止位置对转子叶片的旋转进行相应的控制，所以结构上非常简单。因此，本发明的方法因为不需要更换转子叶片，而可以通过对现有的风动设备进行相对小的改造就可以实现。

此外，前面已经指出，采用本发明的方法时，在停止位置时尽管偏移标称位置使转子叶片的风阻增大，也不会使塔、舱和/或传动杆所承受的负荷有明显的增加。

文中已经指出假如在停止位置一个转子叶片的螺旋角大于90度而另一个转子叶片的螺旋角小于90度是十分有利的，因为它们将产生相反的转矩从而防止用于保证转子位于停止位置的制动系统产生过大的应力。

为了通过同时地确保希望的去耦来降低静态负荷，利用得到广泛认可的仿真程序对具有三个4转子叶片的风动设备，假如在停止位置时第一转子叶片的螺旋角被设置为80到89度，最好接近85度，第二转子叶片的螺旋角被设置在88到92度，最好接近90度，而第三转子叶片的螺旋角被设置在91到100度，最好接近95度，进行仿真计算被证明是十分有效的。

为了利用本发明的方法增加运行的可靠性，最好是转子叶片的螺旋角在超过预定的风速时可以自动进行设定。

按照本发明的另一方面，提供一种风动设备，特别是采用上述权利要求之一所述的方法的风动设备，具有至少两个可以围绕一个公共的转子轴在转子叶片平面中旋转状的转子叶片，一个用于设置转子叶片相对于转子叶片平面的螺旋角的传动机构和一个控制上述传动机构的控制装置，其特征在于该传动机构是可控的，以便为至少两个转子叶片设置不同的螺旋角，在停止位置一个转子叶片的螺旋角被设定为大于90度而另一个转子叶片的螺旋角被设定为小于90度。

虽然也可以利用一个传动机构通过适当的齿轮传动装置来设置不同的螺旋角，由本发明的文中可以看到如果传动机构具有至少两个传动机构使得两个转子叶片的螺旋角可以分别独立地设置更好。

为了提高本发明的风动设备运行的可靠性，每个转子叶片均具有一个在达到相对于转子叶片平面的预定的螺旋角时动作的限位开关。当限位开关作用时，与该转子叶片相应的传动机构被关断，以确保当风动设备紧急关断时达到设定的停止位置。为此，每个转子叶片具有一个控制限位开关的控制凸轮，其相对于转子叶片的位置可以根据各个转子叶片希望的螺旋角进行不同的设置。

从以上说明可以看到，本发明的风动设备可以通过对已有的风动设备进行改进即可实现。因此，更换用于设置转子叶片螺旋角的控制装置和/或将已有的各个转子叶片的控制凸轮加以不同的设置。

附图说明

以下将通过进一步的说明和参考相应的附图对本发明的已述的、和其他性能加以说明。

图1是风轮机的正视图，

图2是采用本发明设计的转子叶片的风轮机的叠加的顶视图；

图3是转子叶片轴承的正视剖面图；该轴承具有驱动安装在毂中的转子叶片的螺旋传动机构；

图4是转子叶片的螺旋传动机构第一种设计图；

图5是转子叶片的螺旋传动机构第二种设计图；

图6是转子叶片的螺旋传动机构第三种设计图；

图7是转子叶片的螺旋传动机构第四种设计图；

图8a是一种液力螺旋传动机构的仰视图；

图8b是一种液力螺旋传动机构的局部正视图；

图9是一种带齿皮带螺旋传动机构设计的仰视图。

具体实施方式

图1是一个风轮机1的正视图。三个转子叶片5设计在围绕转子毂4的转子叶片平面上，该毂安装在风轮机室或舱3上。每两个相邻转子叶片之间的夹角相等，在所示例中该夹角为120度。线A-A，B-B，C-C表示沿转子叶片轴的顶视图。这些图在表示风轮机塔的顶视图图2中再次出现。涡轮机转子轴6沿与安装转子叶片的转子叶片平面相垂直的方向旋转。转子毂4安置在舱3上并且可以旋转。在转子毂4的顶部可以见到沿A-A，B-B，C-C设计的全部三个转子叶片的剖面图。每个剖面图表示相应的转子叶片到达其顶部位置时刻的状态。

在图2所示的本发明的转子叶片停止位置，转子叶片A-A与风的方向近似平行。这意味着转子叶片位于螺旋角约为90度的位置。与其不同，转子叶片B-B的螺旋角小于90度，而转子叶片C-C的螺旋角则大于90度。本发明的一个部分就是转子叶片B-B和C-C与直线A-A的偏移相反。该偏移的大小既可以相等，也可以不同。

图3是具有一个可卸叶片的转子毂的转子叶片轴承法兰的透视图。螺旋传动机构8固定在转子毂4内。螺旋传动机构8的作为驱动单元的齿轮10是一个与法兰12的内齿轮缘啮合的齿轮。固定在一个转子叶片上的法兰12可以旋转，并被安置在转子毂4内。这样螺旋传动机构8使得相应的转子叶片发生转动，而转子叶片的转轴大体与叶片的纵轴平行。图3还示出一个由控制凸轮16驱动的限位开关14。在特定的实施例中控制凸轮16与转子叶片的旋转法兰12相连。假定转子叶片顺时针旋转。此时，图3中控制凸轮16的前端16a已经通过限位开关14。限位开关14的操作与控制凸轮16之间的相互作用在其后进一步详细说明。首先，假定控制凸轮位于和限位开关还没有啮合的位置。假如将转子叶片的法兰12看作时钟，控制凸轮16将，比如，大致位于4点到5点的位置。螺旋传动机构8的动作将引起齿轮10旋转，并且相应地引起法兰12向7点的方向顺时针转动。当控制凸轮的前端16a与限位开关14接触时，螺旋传动机构将被关断。根据转子叶片的质量和不同运行参数的设置，转子叶片将不会瞬间停止而是继续进行短时间旋转。这不是必须的而主要依赖于驱动螺旋传动机构的控制装置的设置。当然风轮机还有许多已知的其他方法来驱动或控制限位开关。所有这些已知的控制限位开关的方法均可以用于本发明中。图3仅给出了一个可能的实施例。此外，在图3中，每个转子叶片具有各自独立的螺旋传动机构。作为一种选择，也可以利用一个同样的传动机构来驱动两个或更多的转子叶片。也可以利用多个传动机构来驱动一个叶片。

图4到7表示了设计转子叶片5，螺旋传动机构8和转子毂4的不同方案。图4到7为垂直于转子叶片平面的转子剖视图。转子毂4安置在转子轴6上。一个转子叶片延伸到转子毂的左边。开口18显示法兰工作在120度角。开口18中安置有另一个转子叶片，当为了简化起见图中没有示出。该转子叶片与转子毂4相连。图4中转子叶片安置在转子毂的开口18的内侧。螺旋传动机构8与转子叶片5相连而其驱动齿轮10和毂4的齿轮外缘20相互作用。在转子叶片法兰和转子毂法兰之间，轴承20使转子叶片可以转动。

图5中转子叶片的内端面围绕转子毂4的凸出部分。螺旋传动机构8安置在转子毂4上，并且在与转子叶片5的齿轮外缘20的相互作用下使转子叶片转动。作为一种选择，螺旋传动机构8也可安置在转子毂4的内部，如图6所示，与转子毂4的齿轮内缘24相互作用。图7给出转子叶片螺旋传动机构的另一个设计。

图8a和8b为液力螺旋传动机构26。液力螺旋传动机构26一端与转子毂相连，另一端与转子叶片的板28相连。液力螺旋传动机构的偏心设计使得转子叶片相对于转子毂4旋转。图9表示一个带齿皮带驱动的螺旋传动机构，它驱动一个具有围绕转子毂凸出部分的内端面的叶片围绕转子毂4旋转。

这里再一次声明，所有已知的风轮机的螺旋传动机构均可以用来实施本发明。因而唯一重要的是修改控制单元或某些机械部件，从而使得传动机构可以通过设置使至少两个转子叶片具有不同的螺旋角。

Claims

1.一种风动设备的控制方法，所述风动设备具有至少两个可以在一个转子叶片平面内围绕一个公共的转子轴旋转的转子叶片的转子，每个转子叶片可以围绕一个与其纵轴平行的转轴旋转，而该纵轴最好与转子轴近似垂直，其中，转子叶片相对于转子叶片平面的螺旋角是根据风力条件的函数进行设定的，其特征在于在转子停止位置，此时转子围绕转子轴的转速下降，上述至少两个转子叶片的螺旋角被设置为不同的值，在停止位置一个转子叶片的螺旋角被设定为大于90度而另一个转子叶片的螺旋角被设定为小于90度。

2.根据权利要求1所述的方法，用于控制转子具有至少三个转子叶片的风动设备，其特征在于在停止位置第一转子叶片的螺旋角被设置为80到89度，第二转子叶片的螺旋角被设置在88到92度，而第三转子叶片的螺旋角被设置在91到100度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在停止位置第一转子叶片的螺旋角被设置为85度。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于在停止位置第二转子叶片的螺旋角被设置为95度。

5.根据上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于当风速超过预定值时，预定的转子叶片在停止位置时的螺旋角被自动设定。

6.一种风动设备(1)，特别是采用上述权利要求之一所述的方法的风动设备，具有至少两个可以围绕一个公共的转子轴(6)在转子叶片平面中旋转状的转子叶片(5)，一个用于设置转子叶片相对于转子叶片平面的螺旋角的传动机构(8；10)和一个控制上述传动机构的控制装置，其特征在于该传动机构是可控的，以便为至少两个转子叶片设置不同的螺旋角，在停止位置一个转子叶片的螺旋角被设定为大于90度而另一个转子叶片的螺旋角被设定为小于90度。

7.根据权利要求6所述的风动设备，其特征在于传动机构具有至少两个传动构件，从而可以为两个转子叶片独立地设置螺旋角。

8.根据权利要求6或7所述的风动设备，其特征在于每个转子叶片(5)具有一个限位开关(14)，该开关在达到预定的螺旋角时作用并且和与上述转子叶片相应的传动机构连接。

9.根据权利要求8所述的风动设备，其特征在于每个转子叶片具有一个控制限位开关(14)的控制凸轮(16)。

10.根据权利要求6或7所述的风动设备，其特征在于上述风动设备具有三个转子叶片。