CN102439294A - 用于水平轴风力涡轮(hawt)的自动节距控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自设置和自推进系统，用于调节风力涡轮的叶片角度，从而它们在停止时具有高的冲角以促进容易地启动，移动到它们的用于正常运行的理想设置角度，可以以适当的变化响应于阵风和暂息，并且使叶片顺流以在风暴情况中限制转速和减少载荷。该系统使在涡轮上的推力载荷与由重块响应于转速而产生的向心力平衡，在阵风的情况下增加叶片节距以增加转矩并因此增加转动加速度，在暂息的情况下减少叶片节距以节省转动动量，并使用弹簧建立适合发电机机构的启动位置和转速限制。

Description

用于水平轴风力涡轮(HAWT)的自动节距控制系统

技术领域

本发明涉及一种新装置，风力涡轮的叶片节距角(pitch angle)通过该新装置可以自动地设置，用于在不断变化的风情况下优化功率输出。

本发明涉及一种机构，可以由水平轴风力涡轮(HAWT)采用以设置用于它们可能遇到的不同的情况的最佳叶片节距角，以优化它们的功率产出。

尽管大型涡轮机可以证明设置有来自传感器的风力情况数据的复杂的伺服驱动节距调节系统是正当的，但这些大型涡轮机昂贵和耗电。因此，小规模的涡轮机主要使用简单的固定节距(pitch)系统。

已经提出根据涡轮叶片上的向心力自推进的多个折衷解决方案，但这些方案往往是差的折衷，没有充分地优化启动情况和过载情况。也没有一种方案能够迅速地反应以最好地利用风速的瞬态变化，诸如阵风和暂息(lull)。

背景技术

所有大型涡轮机目前使用可变节距调节系统以设置最佳叶片冲角(angle of attack)，以配合当时的风力情况。这种用于优化选定风板的升力/阻力性能的理想设置角度增加到由端速比(TSR)限定的角度，端速比是叶片尖端速度除以风速。由Mutschler和Hoffman发表的题为“Comparison of Wind Turbines Regarding their Energy Generation”的研究报告表明，可变节距可以比固定节距系统多交付约20％的能量并且对于小的高TSR系统达到38％。在平均风速相当低和湍流高的地方收益最明显，如同较低的塔架上的较小涡轮的情况一样。

可以显示，在平均风速6米/秒处运转的小型涡轮机系统在面对3米/秒的阵风或暂息时，将需要调节其冲角约7度以保持在其最佳性能处。如果没有这种做，在暂息中，其升力系数从～2将减少到～1.3，并且在阵风中，其阻力系数将从～0.03增加到～0.075，而升力仅有小的增加。如果波动是6米/秒，在暂息中，涡轮将像风扇一样动作，并且浪费其加速空气的角动量，并且在阵风中，升力系数将下降到～1.8，而阻力系数极大地攀升到～0.15。

大型系统使用风速和涡轮转速的传感器数据指示电动伺服系统按比例地调节叶片节距。这是值得的，虽然注意到，高的叶片惯性和伺服系统的相对较慢的速度并不能够使它们优化如可能经历的一样快的风速变化。Mutschler使用具有平均20％湍流偏差和在其限度之间在～10秒中所发生的变化的模拟。实际的风数据表明，这些变化如图1和2所示的那样非常快，图1和2显示在10秒期间内在正常和湍流两种情况下的典型模式。在能量与风速的立方成正比的情况下，波动等同于在几秒钟内的能量的二倍或三倍。它们显示，如果能够足够快地实现节距变化，进一步的能量获得是可能的。

使用向心力以调节节距角的折衷自推进解决方案由于转子需要时间来加速而不能迅速地反应。它的作用是在大风中降低节距并且因而提高TSR。这没有显著地有助于启动，并且仅通过使叶片停止而对过载反应，同时降低转速以高的轴向推力载荷为代价，并且因而在塔架上施加过度压力。

已经提出各种其它装置，诸如允许叶片以倾斜角度(skew angle)转动，从而在阵风吹回叶片时，它们增加叶片的冲角。这种响应难以适合优化设置水平，并且虽然稍微有助于启动，但没有提供过载解决方案。

大多数小系统通过使用方向舵以倾斜自身到一边来避免过度的风，其中它们故意变得低效和湍流，或有具有其它装置以溢出过度能量。虽然可以避免发电机旋转太快，但风车结构仍然不得不暴露增加的风力载荷。过载荷保护的结果往往是正好在能量密度最大时减少能量输出。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种装置，用于将叶片节距自动地设置到低的TSR，以在早期涡轮启动时在零转速处交付最大转矩。

本发明的进一步目的是在涡轮加速时增加TSR并且保持其稳定在理想的连续运行情况处。

本发明的进一步目的是通过降低TSR以增加转矩和因而增加转动加速率，对阵风或者风速的瞬时增加快速地反应。

本发明的进一步目的是，通过增加TSR以降低转矩和因而保持转动动量(momentum)，对暂息或者风速的瞬时下降快速地反应。

本发明的进一步目的是，通过在这些情况下减少TSR-类似于使叶片顺流(feathering)，对过度的风速做出反应，以不超过安全转速限制，其中在叶片顺流时叶片产生较少阻力。

本发明的进一步目的是为上述全部目标提供能够以成本低制造的自推进和相对简单的机构。

其它和进一步的目的将在下文中解释并且更特别地在附后权利要求中描述。

综上所述，本发明提出利用转子上的轴向推力和与其转动速度相关的向心力两者以实现用于全部情况的最佳解决方案。

基本概念是轴向推力沿其轴向后推动涡轮，引起节距增加和TSR降低，同时转速相关向心力向前牵引涡轮，引起TSR将被增加。

在阵风情况中，这个做的结果是，当风速增加得比涡轮机可以加速的快时，作用力失衡引起涡轮向后移动，并且从而降低TSR以避免停止，并且因而较好地利用有效功率作为增加的转矩。

同样地，当存在暂息时，所述失衡向前移动涡轮，增加TSR并从而降低转矩，并且因而帮助节省其转动动量。

为了在低风速中的早期启动时引起涡轮移动到低的TSR，设置弹簧以向后推涡轮，有效地顺应任何风。

为了引起涡轮朝向低TSR移动以限制在过载情况下的转速并且跟踪最大安全能量，甚至在风的速度继续增加时，采用进一步的弹簧装置。这个过载荷弹簧作用在向心力元件和涡轮之间，并且因而使涡轮在大风中向后移动，而不管产生的向心力的量。该弹簧装置被设置到预载荷，从而其在转速限制处并以适合在TSR按比例地降低时维持该限制的弹簧比率产生的已知推力被超过以后允许移动。

不是利用叶片产生平衡向心力，在优选实施例中是使用单独的重块产生平衡向心力。使向心力从叶片脱开的优点在于，叶片作用力有可能变得过高，并且在叶片径向地向外移动时尖端直径的增加可能是一个问题，其中的叶片在受限的管中运转，如在其中扩散器(diffuser)用来加速通过涡轮的风的系统中运转。

重块可能被布置以轴向地冲出(fly out)，或许甚至围绕叶片轴，但是优选的实施例是使它们在臂上摆动，很像是用调速器发生的那样。

这个动作可以布置以引起在重块杠杆上的滚轴反抗凸轮动作或起作用，凸轮的轮廓呈现局部坡道角度，该坡道角度使产生的轴向平衡作用力的量适合于最佳的任何给定转速。

该技术方案要求叶片轴与毂的轴向移动成比例地转动。实现这个目的的优选装置是采用连接到固定的发电机轴的两个滚轴，滚轴作用在连接到叶片轴的双面凸轮。再次，可以选择凸轮角级数以改变齿轮连接，从而关系不需要是线性的。由于涡轮被移动，当滚轴处于关于发电机轴的固定位置时，凸轮不得不转动。

在进一步的实施例中使用皮带，皮带首先连接到毂的固定部，然后围绕连接到毂的轴向可移动部的叶片轮轴缠绕，并且然后通过弹簧返回到固定部。由于叶片组轴向地移动，皮带引起叶片在其轴上转动，由弹簧获得松弛或由弹簧加长皮带。

在这个实施例中，弹簧作为预载荷装置，不仅只是保持皮带张力，而且试图推入皮带，其中弹簧移动叶片组使其增加它们的节距角并且变得更顺流，如在启动情况中将适合的那样。在这样做时，还保持向心重块位于其关闭位置。

在启动以后，期望TSR快速地增加到其最佳运行模式，启动弹簧仍然将产生使TSR快速地增加到其最佳运行模式所需要的向心力的重块保持在合适的位置中。向心力因此必须比推力更快地增加，以使其占优势并开始向前移动毂。该移动将随着涡轮加速而继续，直到向心力再次通过由弹簧增大的日益增长的推力载荷而被平衡。

在涡轮转矩随着TSR增加而已经减少的点处达到平衡点从而不再加速。这由启动弹簧帮助，启动弹簧与设置TSR的轴向涡轮移动成比例地提供其轴向作用力。同样，由于风速增加，达到的平衡点趋向于少量增加其TSR(并且弹簧具有相对较小的推动效果)。这有助于在较低的速度处提供更大的转矩，以更好地匹配所连接的发电机的特性。

为了使这个平衡点适合理想的TSR，通过改变凸轮上的坡道角度来调节向心力，如之前说明的那样，所述向心力反抗所述凸轮动作或起作用。

现在可以看到，风速波动将作用以移动这个作用力平衡点，并且与风推力载荷变化一样快速。

在阵风的情况下，风推力向后移动涡轮机并且因而提供动量以将叶片转动到较低的TSR，使得它们能够更快地加速，而不是趋向停止。在暂息的情况下，使用涡轮机的存储的转动惯量的向心重块现在具有较少的平衡风推力以牵引毂向前，并且从而减小叶片节距和因此降低具有较高TSR的转矩，而不是趋向变成其中转动动量快速地失去的风扇。

这些反作用的作用在于，它们能够迅速地出现，由大的风推力推进，并且动量功率节省或备用(reserve)。

现在描述最佳模式和优选设计和技术。

附图说明

结合附图能够最好地理解本发明，其中：

图1显示第一数据图表；

图2显示第二数据图表；

图3显示作用力平衡关系；

图4显示端速比关系；

图5显示所述机构的两个等大视图。左手视图显示其处于启动情况，其中叶片被设置以提供最大转矩。右手视图显示其处于最高转速情况，其中重量已经向外摆动，向前牵引毂并且将叶片设置为适合高TSR。

图6显示两个顶视图，其中穿过上部叶片系统的驱动凸轮剖开上部叶片系统。左手视图显示其处于启动情况，叶片凸轮处于其向后限制处，并且其中其在凸轮滚轴之间的偏移量已经引起其转动到其顺时针方向限制。右手视图显示毂被向前牵引，将凸轮移动到其逆时针方向限制。

图7显示穿过该机构的中心部分的侧视图截面，显示该机构处于其启动情况中。

图8显示类似侧视图截面，但是该机构处于其最高转速情况。

图9显示类似侧视图截面，但是该机构处于其过载情况，其中过载弹簧已经被压缩并且允许毂向后移动，而不管与毂向后移动相对的高的向心力。

图10显示皮带用于转动叶片轮轴的实施例。在这个视图中，皮带已经由它们的弹簧牵引回来以使叶片移动到大节距顺流(pitch feathered)位置。

图11显示与图10相同的实施例，但是现在处于较高转速的运行模式中，其中向心重块已经向外摆动，并且向前牵引叶片组，从而拉伸保持皮带的弹簧，并且进而引起皮带使叶片的轮轴转动。

在附图中，通过示例的方式说明发明的优选实施例，将被清楚地理解，说明书和附图仅用于图示和优选设计的目的，而不意图作为本发明的限制的限定。

具体实施方式

在图5中

显示了该机构，其框架1包括两个轮廓切片，其具有被焊接成放射状图案以支撑叶片轴的管状长度。这个实施例支撑五个叶片，但是看起来其它数字也是可行的。毂由弹簧2推动到毂的轴的后面，保持向心重块3，向心重块3在臂上摆动以克服凸轮5驱动滚轴4，以在重量如由12所显示向外摆动(swing out)时逐步地向前移动毂。

凸轮滚轴支撑件10保持作用在叶片设置凸轮7上的滚轴6。由此可以看出，当重量向前推动毂时，叶片8在其轴上转动进入位置11。

在图6中

在左侧视图中成截面的该结构显示背面法兰14，背面法兰14支撑凸轮滚轴固定器19，固定器19的滚轴20和22作用在凸轮17上以设置其围绕叶片轴的转动角度。滚轴23靠着窄楔板24动作或起作用，并且将驱动转矩从框架13传输到法兰14。此装置使其能够被调节到支承滚轴中的与刚性控制一致的预载荷的程度。重块(masses)15处于其停放位置。

在右侧视图中，重块16已经向外摆动，牵引毂和框架25向前远离法兰27，引起凸轮18使叶片从叶片启动位置25转动到叶片高转速位置26。

在图7中

截面视图显示刚性连接到发电机轴的法兰28和轴延伸部分。凸轮滚轴固定器32连接到法兰，固定器32将滚轴(例如34)保持在凸轮38上。

框架30包括孔，该孔允许其根据需要沿着轴滑动，以实现作用力平衡轴向偏移定位。框架通过大作用力弹簧33保持紧紧靠着另一个的台阶状管29，大作用力弹簧33支撑在轴的径向阵列上，端部停止件31将框架的成形侧板中一个限制在端部停止件和弹簧之间。如将看到的那样，这构成过载的预载荷装置。

重量显示为完全地由弹簧37的作用抵消，弹簧37尽可能向后移动凸轮36以及框架29和30，以引起滚轴35上升到其顶部位置。

在图8中

截面视图现在显示该机构处于其最大向前位置，其中处于向上摆动中的滚轴46已经向前牵引凸轮48，随着它一起拖曳台阶状管45和框架39-如在转速限制处可能发现的那样。现在启动载荷弹簧47已经被完全地压缩。

当已经通过由作为轴延伸部分44的一部分的部分43保持在法兰上的滚轴(例如40))的作用转动凸轮42时，叶片转动已经被设置用于最大转速。

过载弹簧38再次限制框架向上紧靠台阶状管45。

在图9中

示出了与图4中所示相同的截面视图，但是现在风推力已经克服过载弹簧38，从而框架39可以相对于保持向心凸轮48的台阶状管45向后滑动。通过这样做，它们可以改变叶片角度，从而不超过转速限制。在飓风作用力的情况下，这可能如启动位置一样向后，其中叶片将基本上顺流(feathered)，用于最小化阻力。

在图10中

示出了使用皮带(例如皮带49)的实施例，皮带围绕皮带轮(例如皮带轮51)作用，皮带轮由弹簧(例如弹簧50)拉紧，从而在这种情况下，弹簧引入保持叶片57毂的轴向可移动部分中，这又导致向心重块保持在其关闭位置中。

在图11中

显示与图6相同的实施例，但是现在叶片组58已经由向心重块56向前推动，作为毂转动的结果，向心重块56在它们的杠杆臂上向外摆动。弹簧(例如弹簧52)现在已经被拉伸，有效地延长转动皮带轮(例如皮带轮54)的皮带(例如皮带53)，并且因此调节叶片节距角，在这种情况下，是减少叶片节距角(pitch angle)。

本领域技术人员将想到本发明的其它修改，并且所有这些被视为落入本发明的由附后权利要求限定的精神和范围内。

Claims (11)

1.一种自推进自动节距调节系统，其中涡轮上的轴向推力载荷与由涡轮转动引起的轴向分解向心力保持平衡，从而，如果推力载荷增大得比向心力载荷快，则涡轮叶片的节距角被增加以增加转矩，并且如果推力载荷减少得比向心力载荷快，则节距角被减小以节省转动动量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中保持叶片的毂响应于风推力载荷的增加而轴向地向后移动，但是响应于向心力载荷的增加而向前移动，所产生的净轴向移动确定叶片的节距角。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中包括弹簧力部件，该弹簧力部件在风推力和转速两者都低时轴向地动作以增大风推力，从而使叶片返回到大节距角停止位置。

4.根据权利要求1，2或3所述的系统，其中向心力的平衡反作用力由预载荷装置限制，从而在限定的风轴向推力水平之上，所述毂能够轴向地移动，而不管向心力，从而按比例地增加节距角，并且因而通过移动叶片进入顺流状态而有效地限制转速。

5.根据权利要求1，2，3或4所述的系统，其中向心载荷由重块提供，所述重块在杆杆臂上向外摆动，在凸轮中产生克服涡轮上的风推力的轴向反作用力。

6.根据上述任何一项权利要求所述的系统，其中向心力由重块提供，所述重块由将径向移动转化为轴向移动的装置约束以径向地向外移动。

7.根据权利要求1，2，3或4所述的系统，其中涡轮沿其转动轴线的移动引起连接到涡轮叶片轮轴的凸轮由滚轴成比例地转动，所述滚轴固定到轴向刚性发电机轴。

8.根据权利要求1，2，3或4所述的系统，其中通过允许叶片径向地向外移动而产生向心力，并且其中这种运动被转化成克服推力的轴向力。

9.根据权利要求1，2，3或4所述的系统，其中皮带通过能够拉伸的拉力装置从毂上的固定点开始运行，围绕涡轮叶片的轮轴上的皮带轮，返回到固定点，从而叶片阵列的作为净推力和向心力的结果的轴向移动引起皮带使叶片围绕它们的轮轴与所述轴向移动成比例地转动。

10.根据权利要求1，2，3或4所述的系统，其中推杆从毂上的固定点运行到连接到涡轮叶片的轮轴的曲柄，从而叶片阵列的作为净推力和向心力的结果的轴向移动引起推杆使叶片围绕它们的轮轴与所述轴向移动成比例地转动。

11.根据权利要求1，2，3或4所述的系统，其中向心载荷由重块提供，重块在杆杆臂上向外摆动，引起围绕重块枢轴转动的凸轮拉入皮带或链条，所述皮带或链条固定到保持叶片阵列的能够轴向移动的毂部，从而，皮带中的所述拉力与风推力相对。

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