CN102177338A - 一种风力涡轮机的叶片倾斜控制系统 - Google Patents

一种风力涡轮机的叶片倾斜控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有至少一个叶片(21)的风力涡轮机(20)的改进，所述叶片(21)安装在轮毂(22)上以围绕叶片轴线(yb-yb)进行受控的旋转，从而改变叶片相对于气流的倾斜。轮毂安装在机舱(23)上以围绕轮毂轴线(xh-xh)旋转。风力涡轮机包括主倾斜控制系统和/或安全倾斜控制系统，所述主倾斜控制系统用于选择性控制叶片倾斜，所述安全倾斜控制系统用于超驰主叶片倾斜控制系统和在故障或过速状态下使叶片朝向顺流位置移动。这种改进包括：安装在机舱上且与叶片相联的能量存储设备(26)；安装在机舱上且与叶片和能量存储设备相联的倾斜轴线控制器(25)；安装在轮毂上且与叶片相联的机电式致动器(28)；以及至少一个滑环(29)，其可操作地被设置成在倾斜轴线控制器和机电式致动器之间传输功率和/或数据信号；因此能够降低轮毂的质量。

Description

一种风力涡轮机的叶片倾斜控制系统
技术领域
本发明总体上涉及具有安装在轮毂上以围绕其各自的叶片轴线进行独立且受控地旋转的多个叶片的风力涡轮机，更具体地涉及改进的风力涡轮机的叶片倾斜控制系统，其中迄今为止安装在转动轮毂上的某些部件被重新安置到机舱。
背景技术
现代风力涡轮机对转子叶片倾斜进行调节的原因有好几种。一种原因是要通过随着风速变化使叶片的气动力学与最佳效率相适应来改善叶片效率。另一种原因是要在风速超过最大安全额定速度或出现故障的情况下使叶片处于无负载或顺流状态。
现代风力涡轮机可具有两个分离且独立的叶片倾斜控制系统：(1)主叶片倾斜控制系统，其被用于在正常操作条件下优化性能；(2)安全倾斜控制系统，其适于超驰主叶片倾斜控制系统，并且在检测到故障或者风速超出预定最大值的情况下使各个叶片朝向无负载或顺流状态移动。
主叶片倾斜控制系统通常由闭环的倾斜轴线控制器控制。该控制器自动调节涡轮机的工作状态，以使其保持在预定的工作曲线或特性上。该控制器通过叶片倾斜致动器改变叶片倾斜或角度。该致动器可以是电动或液压驱动的。
安全倾斜控制系统可以是与主叶片倾斜控制系统分开且截然不同的。其功能是在出现问题的情况下将涡轮机带入安全状态。该安全系统通常不依赖自适应式电子器件。相反地，致动器通常通过正常情况下打开的继电器触点与电池硬线连接，其中所述继电器触点选择性地在出现故障或过速的情况下闭合。
迄今为止，倾斜轴线控制器、电池和用于改变各个叶片的倾斜的机电式致动器均放置在轮毂中。它们是安全倾斜控制系统的部件。这增加了旋转轮毂的质量，需要使用优质部件，并且使得在轮毂内出现空间限制。
因此，将电池和控制电子器件移动或重新放置到机舱是明显有利的。
发明内容
通过括号参引所公开的实施例的相应部件、部分或表面(只是用于说明，而非限制)，本发明大致提供了具有至少一个叶片(21)的风力涡轮机的改进(40)，所述叶片(21)安装在轮毂(22)上以围绕叶片轴线(yb-yb)进行受控的旋转，从而改变叶片相对于气流的倾斜，其中轮毂安装在机舱(23)上以围绕轮毂轴线(xh-xh)旋转，并且风力涡轮机包括主倾斜控制系统和/或独立的安全倾斜控制系统，所述主倾斜控制系统用于选择性控制叶片倾斜，所述安全倾斜控制系统用于超驰主叶片倾斜控制系统和在故障或过速状态的情况下使叶片朝向顺流位置移动。
这种改进大致包括：安装在机舱上且与叶片相联的能量存储设备(26)；安装在机舱上且与叶片和能量存储设备相联的倾斜轴线控制器(25)；安装在轮毂上且与叶片相联的机电式致动器(28)；以及至少一个滑环(29)，其可操作地被设置成在倾斜轴线控制器和机电式致动器之间传输功率和/或数据信号；因此能够降低轮毂的质量。
在故障或过速状态的情况下，滑环可以将功率从能量存储设备传给致动器。
数据信号可以是光学的，并且可以是多路传输的。或者，每个功率和/或数据通道可以具有独立的滑环。
风力涡轮机可以具有多个叶片，滑环可以被设置成在与各个叶片相联的倾斜控制器和机电式致动器之间传输功率和数据信号。如果存在多个叶片(通常情况就是如此)，能量存储设备(例如电池)、倾斜轴线控制器和机电式致动器可以与各个叶片相联。在某些情况下，能量存储设备可以由不同的叶片共用。
能量存储设备和倾斜轴线控制器可以是安全倾斜控制系统的一部分。
主倾斜控制系统和安全倾斜控制系统可以是部分冗余的，或者具有公用部件。
故障传感器可以被设置成检测故障或过速状态，并且可以被设置成向倾斜轴线控制器提供反映所检测到的这种故障或过速状态的信号。
滑环可以是主倾斜控制系统和安全倾斜控制系统的一部分。
滑环可以是非接触式的。
因此，本发明的大体目标是提供改进的用于风力涡轮机的倾斜控制系统。
另一目标可以是提供一种改进的减少转动轮毂质量的风力涡轮机的叶片倾斜控制系统。
另一目标是提供一种改进的风力涡轮机的叶片倾斜控制系统，其允许将电池和倾斜轴线控制器中的一些或全部从轮毂重新放置到机舱上，从而通过合并到箱体提供降低成本的好处，通过将电池和控制器重新放置到机舱上提供易于接近和维护的好处，以及总体系统简化的好处。
这些或其它目标和优点将从前面和后续的书面说明书、附图和所提交的权利要求书中变得显而易见。
附图说明
图1是风力涡轮机的一部分的透视图，其示出了相对于风力涡轮机的控制器、电池、机电式致动器和滑环的放大细节图，还示出了它们在现有技术的设计中的位置；
图2是图1中示出的典型的现有技术的系统的示意性方框图，其中用于各个叶片的电池、倾斜轴线控制器和机电式致动器被安装在轮毂上；
图3是改进的叶片倾斜控制系统的示意性方框图，其示出电池和倾斜轴线控制器已经被重新放置到机舱上，并且通过至少一个滑环与轮毂上的各种机电式致动器进行通讯。
具体实施方式
首先，应当清楚地了解，在所有的附图中，相同的附图标记始终用于标识相同的结构元件、部分或表面，这些元件、部分或表面可通过整个书面说明书进一步得到描述或解释，其中该具体实施方式部分是该书面说明书的一部分。除非特别说明，否则这些附图将结合说明书来阅读(例如，断面线、部件配置、比例、角度等)，并且应被视为本发明的整个书面说明书的一部分。当在下面的描述中提及时，术语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”和“下”以及它们的形容词和副词的衍生词(例如，“水平地”、“向右地”、“向上地”等)仅指当该特定附图朝向读者时，所示结构的方位。类似地，术语“向内地”和“向外地”通常指表面相对其延长轴线或旋转轴线(视情况而定)的方位。
现有技术的系统(图1和2)
在图1中示出了典型的现有技术的系统，其总体上用20指示。该系统具有安装在轮毂(总体上标为22)上的多个叶片(分别标为21)。各个叶片均适于选择性地相对于轮毂围绕叶片纵轴线(yb-yb)旋转，以改变叶片相对于它所处于的气流的角度或倾斜。
轮毂22安装在机舱(总体标为23)上，以便围绕轮毂轴线(xh-xh)旋转。机舱通常可枢转地安装在支撑塔或柱24的上端。因此，机舱能够自由地围绕塔24的竖直轴线(zp-zp)枢转，以使其相对于风向或气流定向。风从各个叶片上通过导致轮毂相对于机舱围绕其轴线(xh-xh)旋转。如上所述，各个叶片被设置成选择性地围绕它自己的纵轴线(yb-yb)旋转以改变叶片的相对于气流的倾斜。
仍然主要参见图1，在现有技术的系统中，控制器、电池和致动器通常被放置在位于各个叶片的基部上的轮毂内。这些部件是安全倾斜控制系统的一部分。在某些情况下，可以与主叶片倾斜控制系统共用致动器。典型地，每个叶片均可以根据其相对于机舱的角位置的函数独立地受到控制。在各个叶片上具有独立的主叶片倾斜控制和安全系统的好处是满足了下列安全要求，即：风力涡轮机具有至少两个独立的制动系统，所述制动系统能够在出现故障或过大的风载时将涡轮机从满负载状态带入安全或顺流状态。假定单个倾斜致动器可以独立具有防故障性，这种防故障性导致下列普遍认识，即：任何一个叶片系统均可发生故障，同时其它叶片在故障或风过大(over wind)状态下顺流。
图1还描述了与各个叶片有关的倾斜轴线控制器25、电池26和机电式致动器28。功率和控制信号通过滑环29传入和/或传出这几个转动控制器。现有技术的滑环的普遍不可靠常常被列举为必须在轮毂上安装控制器和电池的主要原因。倾斜轴线控制器被放置在滑环的转动侧，以便高带宽的致动器控制信号不必通过滑环。电池被放置在轮毂中，使得在完全掉电或滑环发生故障的情况下，安装在轮毂上的电池仍可用来提供功率以朝向顺流状态驱动叶片。这已经是为本行业所接受的标准。
这种系统的缺点是必须在转动轮毂内安置或容纳多套电子器件和/或电池，其中它们将受到离心力作用和紧密包装的限制。另外，难以接近轮毂以进行定期维护。
现在参见图2，图1中示出的现有技术的结构被描绘成在轮毂上安装有三个叶片。相应地，每个叶片被示出包含电池26、倾斜轴线控制器25和机电式致动器28。涡轮机的中央控制器30通过滑环29与不同的倾斜轴线控制器进行通讯。功率也通过该滑环被传给不同的致动器。涡轮机的中央控制器30通常被安装在机舱上，滑环提供机舱和轮毂之间的接口，电池26、26、26，倾斜轴线控制器25、25、25，以及机电式叶片倾斜致动器28、28、28均安装在转动轮毂上。如图1中示出的那样，在将这些不同的部件安装于其内的轮毂中存在物理尺寸、空间和包封的限制。此外，它们加大了转动轮毂的质量，并且与位于机舱内的部件相比更难以接近。
改进的系统(图3)
根据本发明的改进的倾斜控制系统在图3中总体用40标出。该改进的倾斜控制系统包括很多与先前描述的相同的元件。因此，将在图3中使用相同的附图标记指示先前关于图2描述过的相应部件。因此，改进的系统40同样包括三个电池(分别标为26)和三个倾斜轴线控制器(分别标为25)。明显不同之处是三个电池和倾斜轴线控制器现在位于机舱上，而不是如现有技术的结构那样位于轮毂上。涡轮机中央控制器30也位于机舱上。各种机电式致动器(分别标为28)位于转动轮毂上。这些致动器通过滑环29与各种倾斜轴线控制器进行通讯。因此，本发明具有冗余的滑环系统，消除了其它部件的不必要的冗余，并且将倾斜轴线控制器和能量存储设备移至机舱。通过应用这种系统，各种部件可以被合并，并且单个箱室能够容纳所有的电子器件。此外，本发明允许使用便宜的电子部件，并且使得能够更易于接近机舱内的控制装置。
滑环可以是光学滑环或者其它一些非接触式设备。数据可以通过滑环进行多路传输以减少物理通道数量。滑环冗余可以通过具有串联的两套相同滑环来实现，其中所述滑环例如具有开关设备和检错系统。必要时，可以为每个数据和/或功率通道使用单独的滑环。因此，本发明提供了旋转接头，该接头将提供独立且冗余的、从机舱上的安全叶片倾斜的电力系统到各个叶片的转动致动器的功率传输。
一种实施方法是提供用于在轮毂和机舱之间、更具体地在电源和控制器之间传输数据和/或功率的功率和信号滑环，以及用于各个安全回路的三个独立滑环。这些滑环中的每一个具有它自己的独立结构、轴承和滑环/电刷触点，并且在正常状态下不工作。通过目前在出现故障或风过大的情况下驱动安全回路的系统可以选择性地驱动这些滑环进入功率传输状态。所有三个回路可以共用公共的回流环，而不是每个致动器具有两个环(即，供电和回流)。
还可以采用其它的共用部件和/或部分冗余的方法。例如，独立的安全环可以被设置在与初级滑环独立且通过系统故障传感器驱动的公共轴和轴承支撑系统上。初级滑环可以被设计成具有必要的冗余系统以满足独立叶片倾斜控制系统的需要。
另一种实施方法是为作为常规滑环的一部分的每个叶片倾斜致动器提供独立的功率回路。这可以与冗余轴承设计或者冗余电刷设计结合以满足系统安全需要。
另一种实施方法是为每个安全回路提供用于利用非接触式动力设备(诸如旋转变压器)将电源和控制器之间的数据和/或功率传给三个独立叶片倾斜致动器的功率和信号滑环。这些安全功率设备具有它们自己的独立结构、轴承和滑环/电刷触点，并且它们在正常状态下不工作。通过同样的目前在故障状态下驱动安全回路的系统可以选择性地驱动这些独立电力设备进入功率传输状态。
又一种实施方法是为每个叶片倾斜致动器提供独立的非接触式功率设备，作为主叶片倾斜控制系统的一部分。这些独立设备可以充当用于正常叶片倾斜控制和安全倾斜控制的功率传输设备。这可以与冗余轴承设计或者冗余电刷设计结合以满足系统安全需要。非接触式功率传输设备可以被设计成直接驱动致动器，而无需用于功率转换的中间电子器件。
本发明由此提供了旋转接头，该接头将通过轮毂/机舱风力涡轮机接口提供足够的信号质量以允许通过该接口进行电机控制。另一种实施方法是使用宽带滑环技术，其将允许在铜传输线上传输高数据率的信号。这种宽带滑环技术可以与多路传输技术结合使用以减少所需要的信号环的数量。另一种实施方法是使用光学纤维旋转接头，用于信号的光学纤维传输。纤维数据传输可以与多路传输结合，从而允许将信号结合到单根纤维上以传输通过旋转接头。这种多路传输可以根据需要在单根纤维上提供双向信号，或者在两根纤维上提供冗余信号，或者在两根纤维上提供单向信号等。又一种方法是在利用或不利用多路传输技术的情况下使用其它非接触式信号技术(诸如RF或电容的)来传输数据。
改进
本发明设想可以进行很多种改变和改进。例如，本发明的原理可以普遍适用于多叶片式风力涡轮机。因此，无论风力涡轮机具有两个、三个或更多叶片，均可以实施本发明。虽然现在期望每个叶片都是可独立控制的，但这不是不可以变化的。可以使用其它能够提供主倾斜控制系统和/或安全倾斜控制系统的设备。这些系统可以独立工作，或者可以具有一些部分冗余或公共的部件。
因此，虽然已经示出和描述了本发明的优选形式及其几个改进形式，但是本领域技术人员将容易认识到可以在不脱离本发明精神的情况下进行各种其它的改变和改进，正如由下列权利要求所定义和区别的那样。

Claims (11)

1.在具有至少一个叶片的风力涡轮机中，所述叶片安装在轮毂上以围绕叶片轴线进行受控的旋转，从而改变所述叶片相对于气流的倾斜，其中所述轮毂围绕轮毂轴线可旋转地安装在机舱上；改进包括：
安装在所述机舱上且与所述叶片相联的能量存储设备；
安装在所述机舱上且与所述叶片和所述能量存储设备相联的倾斜轴线控制器；
安装在所述轮毂上且与所述叶片相联的机电式致动器；以及
至少一个滑环，其可操作地设置成在所述倾斜轴线控制器和所述机电式致动器之间传输功率和/或数据信号；
由此所述轮毂的质量能够被降低。
2.如权利要求1所述的改进，其中，在故障状态的情况下，所述滑环将功率从所述能量存储设备传给所述机电式致动器。
3.如权利要求1所述的改进，其中，所述数据信号是光学的。
4.如权利要求3所述的改进，其中，所述数据信号是多路传输的。
5.如权利要求1所述的改进，其中，所述风力涡轮机具有多个叶片，所述滑环被设置成在与各个叶片相联的所述倾斜轴线控制器和所述机电式致动器之间传输功率和数据信号。
6.如权利要求1所述的改进，其中，所述风力涡轮机包括主倾斜控制系统和安全倾斜控制系统，所述主倾斜控制系统用于选择性控制所述叶片的倾斜，所述安全倾斜控制系统用于超驰所述主叶片倾斜控制系统和在故障或过速状态的情况下使所述叶片朝向顺流位置移动。
7.如权利要求6所述的改进，其中，所述能量存储设备和所述倾斜轴线控制器是所述安全倾斜控制系统的一部分。
8.如权利要求6所述的改进，其中，所述主倾斜控制系统和所述安全倾斜控制系统是部分冗余的。
9.如权利要求6所述的改进，其中，所述滑环是所述主倾斜控制系统和所述安全倾斜控制系统的一部分。
10.如权利要求1所述的改进，其还包括故障传感器，所述故障传感器被设置成检测故障状态，并且向所述倾斜轴线控制器提供反映所检测到的故障状态的信号。
11.如权利要求1所述的改进，其中，所述滑环是非接触式的。
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