CN101821500A - 用于给风轮机的叶片除冰的方法、风轮机及其使用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，该方法用于在风轮机(1)已停机一段时间之后给风轮机(1)的叶片(5)除冰。该方法包括以下步骤：形成叶片(5)的受控制的加速状况；随后形成叶片(5)的受控制的减速状况，由此将冰从叶片(5)上抖掉。本发明还涉及一种风轮机(1)，该风轮机包括转子和除冰机构，所述转子包括至少一个叶片(5)，该除冰机构用于给叶片(5)除冰，其中除冰机构包括风轮机(1)的致动机构(19)，其中该除冰机构还包括用于实施权利要求1-11之一所述方法的控制机构。另外，本发明涉及风轮机的使用。

Description

用于给风轮机的叶片除冰的方法、风轮机及其使用

技术领域

本发明涉及一种用于在风轮机已停机一段时间之后给风轮机的叶片除冰的方法、一种按照权利要求12的前序部分所述的风轮机及其使用。

背景技术

现有技术中已知的风轮机包括锥形风轮机塔架和设在该塔架的顶部的风轮机机舱。具有多个风轮机叶片的风轮机转子通过低速轴连接到该机舱上，所述低速轴从机舱前面伸出，如图1所示。

随着大型现代风轮机在功率输出和成本上越来越大，所以停机的问题变得越来越重要，并且现代风轮机经常地改进，以便保证只要存在可用的风况它们都能有效地产生电力。

然而，在这方面，风轮机的除冰可能是个大问题，因为即使存在理想的风况，冰也能阻碍风轮机产生电力。因此，从美国专利No.6890152中已知为风轮机叶片设置多个声角(sonic horns)，该声角可在起动时使叶片振动，并因此使冰脱落。但这种系统的缺点很多，包括噪音问题、成本、难以在叶片中实施等。

因此，本发明的目的是提供用于给风轮机叶片除冰的有利技术。

发明内容

本发明提供一种方法，该方法用于在风轮机已停机一段时间之后给风轮机叶片除冰。该方法包括以下步骤：

-形成叶片的受控制的加速状况，和

-随后形成叶片的受控制的减速状况，因此将冰从叶片上抖掉(通过振动去掉，通过摆动去掉)。

在叶片中形成加速状况并随后形成减速状况是有利的，因为这是通过摇动或抖动叶片上的冰或雪给风轮机的叶片除冰的简单而有效的方法。

重要的是加速状况和减速状况受到控制，因为如果加速作用太大，则可能损坏叶片或形成加速作用的机构；如果加速作用太小，则该方法在给叶片除冰时可能不那么有效。

应该强调，术语“除冰(给……除冰)”应理解为将冰、雪等的主要部分从叶片上除去，即，在完成除冰操作之后仍可以有少量部分冰留在叶片上。

还应该强调，术语“加速状况”和“减速状况”应该理解为叶片的运动的速度增加和随后减少，即，叶片在给定的方向上移动和停止、前后移动、分步移动或其任何组合，以便形成这样的状况：当运动的方向突然改变或运动的速度突然减小或者由于加速状况和随后的减速状况使叶片挠曲到一定程度以致冰在表面产生裂纹时，冰或雪的惯性将使它脱离叶片表面。

还应该强调，即使本申请说明加速状况随后紧接着减速状况，但这也不排除加速状况和减速状况分开一段时间，此处叶片的运动的速度基本上恒定，例如，如果转子的旋转通过使转子速度加速到某一RPM(每分钟转数)起动-在已停机一段时间之后-和然后当特定的叶片到达特定方位位置时，转子旋转猛然地但受控制的停止或减慢，因此形成叶片的受控制的减速状况，并因此抖掉叶片上的冰。

在本发明的一个方面中，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况之前将所述叶片定位在预定方位角中的步骤。

通过在形成受控制的加速状况之前将叶片定位在预定的方位位置中，能基本上控制冰和雪-已经抖掉-着陆的地点。

另外，能进行除冰操作，而同时使叶片处于使风轮机的叶片和其余部分应力最小的位置。

在本发明的一个方面中，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况之前将叶片设置成基本上叶尖朝下的步骤。

通过在形成受控制的加速状况之前使叶片叶尖向下，可保证在除冰作业期间减小重力牵引的应变效应，因此实现使叶片的应变减小。

另外，在除冰作业期间通过使叶片叶尖向下，可保证使抖落的冰在塔架(塔筒)基座的前面聚集成一堆。这是有利的，因为由此防止抖落的冰散布在风轮机周围的大面积上并可能因此损坏相邻的建筑物、庄稼等。

在本发明的一个方面中，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况之前将叶片设置成其叶尖指向第一侧向方向的步骤。

在除冰作业期间使叶片叶尖朝向侧向是有利的，因为叶片中的重力牵引会感生叶片的挠曲，叶片的挠曲本身能使一部分冰断裂变疏松，并因此进一步帮助除冰作业。

在本发明的一个方面中，所述叶片定位成使它的叶尖朝向基本与所述第一侧向方向相反的侧向方向，且其中形成另外的受控制的加速状况和另外的受控制的减速状况，而所述叶片设置成叶尖朝向所述相反的侧向方向。

当叶片设置成叶尖基本朝向第一侧向方向时，叶片朝一个方向偏转，而当设置成叶尖朝向相反的侧向方向时，叶片朝相反方向偏转。这是有利的，因为在除冰作业期间叶片朝不同方向的偏转将进一步帮助将冰弄松。

在本发明的一个方面中，所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况反复地形成。

通过反复地形成受控制的加速状况，除冰操作变得更有效。

在本发明的一个方面中，所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况以一定的频率下反复地形成，该频率基本上类似于所述叶片的自然频率或与该自然频率同相。

通过在正确的时间里用正确的方法形成受控制的加速状况和受控制的减速状况，可以保证即使对叶片有较小影响(小变桨转数、小偏航转数、小转子转数等)，也能导致增加的能量聚集在叶片中，并因此导致叶片的增加的振荡或增加的偏转，而使除冰作业更有效。

在本发明的一个方面中，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况和受控制的减速状况之前检测叶片上的结冰状况的步骤。

在叶片中形成受控制的加速和减速状况能使叶片产生应变，且在起动操作期间花费时间和能量，因此如果检测出不想要的结冰状况，则仅给叶片除冰是有利的。

在本发明的一个方面中，所述叶片的受控制的加速状况和受控制的减速状况通过致动所述风轮机的一个或多个致动机构形成。

通过风轮机中已经存在的致动机构-如叶片的变桨机构、偏航机构、转子致动机构等-形成受控制的加速和减速状况，可以保证避免外部或专用致动机构，因此降低了除冰系统的成本。

在本发明的一个方面中，所述叶片的受控制的加速状况和受控制的减速状况通过致动叶片的变桨机构形成。

使特定叶片的变桨机构形成该特定叶片的受控制的加速和减速状况尤其有利，因为这在除冰操作期间基本上不增加风轮机其它部分上的应变。

另外，变桨机构较快起作用，而使它很适合于形成叶片的受控制的加速和减速状况，且即使进一步通过使用变桨机构，也能一次一个给叶片除冰，因此例如保证在除冰操作期间将叶片定位在特定的方位位置。

在本发明的一个方面中，所述叶片的受控制的加速状况和受控制的减速状况通过致动所述风轮机的偏航机构和/或转子致动机构形成。

利用偏航机构和/或转子致动机构来抖掉叶片上的冰或雪是有利的，因为这将同时给所有叶片除冰，并且因为该方法能用在不包括用于使叶片变桨的机构的风轮机上，如失速控制式风轮机上。

另外，本发明提供一种风轮机，该风轮机包括转子和除冰机构，所述转子包括至少一个叶片，所述除冰机构用于给叶片除冰，其中除冰机构包括风轮机的致动机构，其中除冰机构还包括控制机构，所述控制机构用于实施根据权利要求1-11之一所述的方法。

因此实现了本发明的有利的实施例。

在本发明的一个方面中，所述风轮机还包括检测机构，该检测机构用于检测上述叶片上的结冰状况。

在本发明的一个方面中，所述风轮机还包括方位角检测机构，该方位角检测机构用于检测所述叶片的实际方位位置。

使风轮机包括方位角检测机构是有利的，因为由此能保证在叶片除冰之前将叶片定位在特定的方位位置。

在本发明的一个方面中，所述风轮机包括转子致动机构，该转子致动机构用于在所述叶片的除冰期间将该叶片定位在预定的方位位置。

在本发明的一个方面中，所述风轮机叶片还包括疏水性表面材料。

使叶片包括疏水性表面材料是有利的，因为这将防止冰聚集在叶片上，和/或在除冰操作期间帮助弄松冰。

本发明还提供可根据权利要求12-16之一所述的风轮机的使用，其中所述风轮机是兆瓦级风轮机。

风轮机越大，则除冰越困难，且由于停止电力生产而停机浪费钱更多，因此利用本发明的除冰操作来给标称功率输出大于1兆瓦的风轮机除冰尤其有利。

附图说明

现在参照附图说明本发明，在附图中：

图1示出现有技术中已知的大型现代风轮机，如从前面所看到的，

图2示出简化的机舱剖视图，如从侧面所看到的，

图3示出给叶尖向下的叶片除冰的风轮机，如从前面所看到的，

图4示出给叶尖向右的叶片除冰的风轮机，如从前面所看到的，和

图5示出给叶尖向左的叶片除冰的风轮机，如从前面所看到的。

具体实施方式

图1示出现代风轮机1，该风轮机1包括塔架2和风轮机机舱3，所述塔架2安放在基座上，所述机舱3位于塔架2的顶部。风转机转子4包括三个风轮机叶片5，所述三个风轮机叶片5从共用的轮毂11伸出并连接到该轮毂11上，轮毂11则通过低速轴连接到机舱3，该低速轴从机舱3前面伸出。

所示出的风轮机1是桨距控制式(俯仰控制式)风轮机1，其中每个叶片5都包括变桨(俯仰)装置12，以用于在风轮机1的正常运行期间使叶片5相对于功率输出、风速、转动速度等变桨。

然而，按照本发明，风轮机1也可以是失速控制式风轮机1、主动失速控制式风轮机1或其它类型的风轮机。

在失速控制式风轮机1上，叶片5不能变桨，亦即它们刚性地固定到轮毂11上。因此，叶片5设计成风速越高则失速越深，并因此(被动式)控制风轮机上的负荷。

主动失速控制式风轮机1在技术上类似于桨距控制式风轮机1，因为它们二者都包括用于使叶片5变桨的变桨装置12，且为了在低风速下获得合理大的转矩(转动力)，主动失速控制式风轮机1通常编程以便在低风速下使叶片5很像桨距控制式风轮机1一样变桨。当主动失速控制式风轮机1达到它的额定功率时，如果发电机即将过载，则使其叶片5沿与桨距控制式风轮机1的变桨方向相反的方向变桨。换句话说，它将增加转子叶片5的攻角，以使叶片5进入更深的失速，因此废弃风中过多的能量。

所有上述风轮机类型还包括偏航机构13，以用于保持转子平面始终基本上与风的方向垂直。

大型现代风轮机1还可包括转子致动机构14，以用于使转子4旋转，从而例如在维修期间将叶片5定位在特定位置，或者将转子4定位在特定停止位置。转子致动机构14可例如是起电动机作用的风力发电机8，或者可以是专用电动机，例如用于驱动机舱3中高速轴，因此使用风轮机齿轮箱6以便通过齿轮传动旋转。

图2示出机舱3的简化的剖视图，如从侧面所看到的。

机舱3存在多种变型和配置，但在大多数情况下，机舱3中的传动系几乎总是包括下列部件中的一个或多个：齿轮箱6、连轴器(未示出)、某种断开系统7和发电机8。现代风轮机1的机舱3还可包括变换器9、逆变器(未示出)和附加外围设备，例如另外的功率处理设备、控制柜、液力系统、冷却系统等。

包括机舱部件6、7、8、9的整个机舱3的重量由负荷承载结构10承载。部件6、7、8、9通常放置在和/或连接到该共用负荷承载结构10上。在该简化的实施例中，负荷承载结构10仅沿机舱3的底部例如取基架的形式延伸，一部分或全部部件6、7、8、9连接到该基架上。在另一实施例中，负荷承载结构10能包括用于将转子4的载荷传送到塔架2的齿轮钟(钟形齿轮，锥齿轮，gear bell)，和/或该负荷承载结构10能包括多个互连的部分如网格。

在本发明的这个实施例中，传动系是相对于与穿过塔架2的中心轴线相垂直的平面(即水平面)以8°的操作角度建立的。传动系是形成角度的，以便实现能使转子4相应地倾斜，从而例如保证叶片5不碰撞塔架2、补偿在转子4的顶部和底部处的风速差异等。

在机舱3的底部处，风轮机1设有偏航机构13，该偏航机构13装配在塔架2和机舱3之间的接合处。偏航机构13通常包括某种有齿的旋转枢轴轴承，该有齿的旋转枢轴轴承用某种传动小齿轮15致动。

如上所述，桨距控制式风轮机1或主动失速调节式风轮机1的叶片5设有变桨机构12。在所示的实施例中，叶片5通过变桨轴承16连接到轮毂11上，从而使叶片5能绕其纵向轴线旋转。

在该实施例中，变桨机构12包括用于使叶片旋转的机构，该机构的形式为连接到轮毂11和相应叶片5上的线性致动器17。在优选实施例中，线性致动器17是液压缸。在另一实施例中，变桨机构12能包括步进电机或其它用于使叶片5旋转的机构。

在本发明的这个实施例中，机舱3还设有检测机构18，以用于检测叶片5上是否存在冰、雪或其它不希望有的外来物。在另一实施例中，检测机构18可放置在机舱3内部、轮毂11内部、叶片5之中或之上，或风轮机1上的其它地方。

在该实施例中，检测机构18包括观察系统，该观察系统用于直接检测叶片5上的结冰状况，但在另一实施例中，叶片5的结冰状况也能用叶片中的光纤传感器等直接测量，或者结冰状况能通过间接测量结果如叶片5中的应变的测量结果、叶片5的偏转的测量结果、转子4不平衡的测量结果等进行检测。

在本发明的这个实施例中，风轮机1还包括方位角检测机构21，其形式为放置在传动系的高速轴上的编码器。方位角检测机构21检测不同叶片5的实际方位位置，这些位置可当例如在除冰作业期间将叶片5定位在特定的方位位置时使用。

在另一实施例中，方位角检测机构21能包括其它类型的位置检测机构如传感器，该传感器当叶片5处在特定的方位位置或在特定的方位范围内时被致动。

图3示出从前面看去的风轮机1，其处于给叶尖朝下的叶片5除冰的过程中。

在本发明的这个实施例中，风况已变好转，并因此停机的风轮机开始继续电力生产。

在这个实施例中，风轮机1由于太低的风力而停顿，但风轮机1也能由于太高的风力、由于维修或其它原因而停止。

在风轮机1重新起动之前，起动转子致动机构14，并使叶片5一个接一个地转到180°的方位位置，亦即叶片5基本上叶尖直接朝下。当特定叶片5到达该位置时，转子致动机构14使转子4的旋转停止，而风轮机1的致动机构通过致动变桨机构12而形成受控制的加速状况和随后的受控制的减速状况。

在该实施例中，变桨机构12使叶片5通过该变桨机构12尽可能坚硬地前后俯仰，或者能像叶片5或变桨机构12一样坚硬。叶尖朝下的叶片5上的雪或冰因此从叶片5“抖下”，而在风轮机塔架2的根部处形成落下的冰或雪的堆20。

在另一实施例中，叶片5能朝一个方向阶跃式向前，然后阶跃式向后基本上回到起始点。

在另一实施例中，叶片5能前后俯仰，或者叶片5能在一定频率下逐步地俯仰，该频率在或接近叶片5的自然频率，或至少与叶片5的自然频率同相，以使叶片5产生振荡并加大加速和减速状况，因此使投出冰的机会增加。

在叶尖向下的叶片5除去冰之后，转子转动以使下一个叶片5定位在叶尖向下的位置，此后将该叶片5除冰，然后将该除冰操作继续，直至所有叶片5都除去冰，或者至少使所有在其上检测出冰的叶片5都除去冰，或者所有存在结冰状况的危险的叶片5都除去冰，例如当三叶片式风轮机1在Y位置中安排叶片5时，两个叶尖朝上的叶片5。

在本发明的这个实施例中，叶片表面包括凝胶涂层，该凝胶涂层显示良好的疏水品质，但在另一实施例中，叶片表面可包括其它疏水性涂层，以使实现抖掉叶片5上的冰和雪更容易。

可例如用类似于汽车喷漆中所用的方法通过空气喷涂来向叶片5提供该叶片5上的疏水性和/或疏冰性外层。该方法包括使叶片表面变光滑，以及然后通过喷漆法将凝胶涂层涂布若干薄层。

然后使喷涂过的叶片5干燥数个小时，并得到光滑的疏水性和/或疏冰性面层。对于光滑度较好的表面而言，该涂层可例如用本层补充。

叶片表面的疏水和/或疏冰品质有助于防止冰聚集在叶片表面上并且有助于保证叶片上的冰更容易弄松。

图4示出从前面看去的风轮机1，其处于给叶尖向右的叶片5除冰的过程中。

在这个实施例中，利用大型现代风轮机叶片5的挠性来增加除冰效果。与使叶片5的叶尖向下并建立受控制的减速状况不同，(本实施例)使叶片5达到这样的方位位置-其中在形成受控制的减速状况之前叶尖朝向侧面。受控制的减速状况将使叶片5振翼(拍动，摆动，flap)，并因此使叶片5中的冰松动弯曲，这使叶片对受控制的减速状况更容易抖掉叶片5上的冰或雪。

在这个实施例中，通过使叶片5前后俯仰形成受控制的加速和减速状况来抖掉叶片5上的冰或雪，从而在风轮机1附近的地面上形成堆20。

然而，在本发明的另一实施例中，致动机构19可以是偏航机构13，从而使机舱3并因此使转子4和叶片5左右摇摆，以便形成叶片5的受控制的加速和减速状况，所述加速和减速状况足够大以便抖掉叶片上冰的主要部分，因此实现能重新开始电力生产，而没有损坏风轮机的危险，基本上不降低风轮机效率，没有冰在高速下从叶片5甩出的危险，因此没有损坏附近的房屋、牲畜、人或其它东西的危险。

如果使用偏航机构13作为致动机构19，则因为必须使很大的质量运动，所以能否在接近叶片5的自然频率的频率下使机舱3左右摇摆并因此有利于在与叶片5的自然频率同相的频率下偏转是值得怀疑的。

在本发明的另一实施例中，还可使转子致动机构14起到致动机构19的作用，以形成叶片5的受控制的加速和减速状况。然后使转子4前后转动，以便形成抖掉叶片5上的冰的受控制的加速和减速状况。

无论受控制的加速和减速状况是否通过叶片5的变桨装置12、通过风轮机1的偏航机构13或转子致动机构14或者通过它们的任何组合形成，该方法的执行都将受除冰机构的控制机构控制，该控制机构例如取专用软件和硬件的形式，用于在除冰操作期间控制致动机构19，或者通过集成在现有风轮机软件中的软件-用于控制风轮机1的操作-与用于控制风轮机1的操作的现有硬件结合，例如为PLC、PC等。

图5示出从前面看去的风轮机1，其处在给叶尖向左的叶片5除冰的过程中。

在本发明的这个实施例中，转子4已通过转子致动机构14转动180°，因此在图4中叶尖朝右的叶片5现在叶尖向左。

如果例如检测出了当叶片5叶尖朝右时所实施的除冰操作不能除冰到令人满意的水平或者不像标准操作那样，则现在将转子4转动180°，以使叶片5不同地偏转，由此增加抖掉冰的机会。

前述除冰操作只在叶片5上有结冰状况时实施-其中结冰状况用检测机构18检测，或者该除冰操作可像标准操作那样实施-即每当风轮机1停机一段时间之后重新开始电力生产时实施。

如果存在某些气象条件，例如温度低于某一水平、存在环境温度和湿度的信息的组合、检测出与转子4的不平衡同时存在某些气象条件等，则也可仅实施除冰操作。

上面已参照了风轮机1、检测机构18、致动机构19、除冰操作等的具体例子举例说明了本发明。然而，应该理解，本发明不限于上述具体的例子，而是可以在如权利要求书所述的本发明的范围内进行多种设计和改变。

标号明细表

1、风轮机；

2、塔架；

3、机舱；

4、转子；

5、叶片；

6、齿轮箱；

7、制动系统；

8、发电机；

9、逆变器；

10、负荷承载结构；

11、轮毂；

12、变桨机构；

13、偏航机构；

14、转子致动机构；

15、偏航小齿轮；

16、变桨轴承；

17、线性致动器；

18、检测机构；

19、致动机构；

20、冰雪堆；

21、方位角检测机构。

Claims (17)

1.一种方法，用于在风轮机已停机一段时间之后给风轮机的叶片除冰，其中，所述方法包括以下步骤：

-形成所述叶片的受控制的加速状况，以及

-随后形成所述叶片的受控制的减速状况，由此将冰从所述叶片上抖掉。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况之前，将所述叶片定位在预定的方位角的步骤。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况之前，将所述叶片定位成基本上叶尖朝下的步骤。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况之前，将所述叶片定位成基本上叶尖朝向第一侧向方向的步骤。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，还将所述叶片定位成使它的叶尖朝向与所述第一侧向方向相反的侧向方向，以及在所述叶片定位成它的叶尖朝向所述相反的侧向方向时，形成另外的受控制的加速状况和另外的受控制的减速状况，

6.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，反复地形成所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，以一定的频率反复地形成所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况，该频率与所述叶片的自然频率相似或与所述自然频率同相。

8.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在形成所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况之前，检测所述叶片上的结冰状况的步骤。

9.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过致动风轮机的一个或多个致动动机构形成所述叶片的所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况。

10.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过致动所述叶片的变桨机构形成所述叶片的所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况。

11.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过致动所述风轮机的偏航机构和/或转子致动机构形成所述叶片的所述受控制的加速状况和所述受控制的减速状况。

12.一种风轮机，包括：

转子，该转子包括至少一个叶片，和

除冰机构，该除冰机构用于给所述叶片除冰，

其中，所述除冰机构包括所述风轮机的致动机构，以及所述除冰机构还包括控制机构，该控制机构用于实施按照权利要求1-11之一所述的方法。

13.按照权利要求12所述的风轮机，其特征在于，所述风轮机还包括检测机构，该检测机构用于检测所述叶片上的结冰状况。

14.按照权利要求12或13所述的风轮机(1)，其特征在于，所述风轮机还包括方位角检测机构，该方位角检测机构用于检测所述叶片的实际方位位置。

15.按照权利要求12-14之一所述的风轮机，其特征在于，所述风轮机还包括转子致动机构，该转子致动机构用于在所述叶片的除冰期间将所述叶片定位预定的方位位置中。

16.按照权利要求12-15之一所述的风轮机(1)，其特征在于，所述风轮机叶片包括疏水性表面材料。

17.按照权利要求12-16之一所述的风轮机(1)的使用，其中所述风轮机是兆瓦级风轮机。

Images