CN102628423A - 风力涡轮机以及相关的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种双叶片部分变桨距风力涡轮机，以及在高风力条件下控制这种风力涡轮机的方法。该涡轮机用于在极端风况下俯仰涡轮机转子叶片的外片段，使得该外叶片段大体正交于内叶片段。这种设置降低了风力涡轮机在强烈阵风中(例如飓风或台风条件下)所经受的极端轴向载荷，并因此在这种条件下降低了风力涡轮机损坏的风险。

Description

风力涡轮机以及相关的控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机以及控制所述风力涡轮机的方法，特别是在极端风况下。
背景技术
在风力涡轮机领域中，一个相当大的问题是，由于极端风况，导致风力涡轮机结构在高载荷期间损坏。在这种情况下，由于通常风力涡轮机叶片被限制旋转，风力涡轮机叶片在高风载荷中经受的最大升力或最大阻力转移至风力涡轮机的塔架结构，导致塔架结构自身经受相当大的应力和应变。
翼面在特定的气流条件下产生的升力L与翼面的面积以及迎面而来的气流攻角(也就是翼面弦线和迎面而来的气流的矢量线之间的夹角)通过以下公式相关联：
L＝1/2ρυ2ACL
其中，ρ是空气密度，υ是真空速，A是平面面积，CL是入射空气攻角的升力系数。翼面的阻力由类似公式得出，其中，阻力系数Cd替换CL。
参见图1，示出标准翼面的升力系数(由虚线表示)和阻力系数(实线)，其根据不同的攻角绘制。从图中可以看出，对于标准翼型，一般在迎面而来的风的攻角约为15°-20°时，产生最大升力。在攻角约为90°时，产生最大阻力。
参见图2，示出一对风力涡轮机叶片10、塔架12和机舱14的示例性附图，显示出在极端风况中经受的高载荷(为便于参考，叶片10与塔架结构12成直线示出)。图2(a)中迎面而来的气流16的攻角(AoA)约为15°-20°。因此，叶片10在箭头18指示的方向上经受最大升力。叶片10上的该升力18转变成在风力涡轮机机舱14上的轴向载荷，并随后转变成在塔架12上的轴向载荷，用箭头20指示。
同样地，图2(b)中，当迎面而来的风(用箭头22指示)具有约90°的攻角(AoA)时，叶片10在箭头24指示的方向上经受最大阻力。然后该阻力22导致如箭头26所指示的塔架12上的相应的轴向载荷。该轴向载荷力20，26很大程度上归因于风力涡轮机经受的应力和应变，并且在极端危险的载荷状况下，可导致风力涡轮机的损坏和结构破损。
标准的双叶片风力涡轮机的俯视图在图3中用28指示。该风力涡轮机28包括塔架30，位于该塔架30顶部的涡轮机机舱32，以及一对从轮毂33向相反的方向上延伸的风力涡轮机叶片34，该轮毂33设于所述机舱32。当双叶片涡轮机28停止旋转时(例如，在极端风况下)，双叶片34大体上稳定在水平对齐状态，如图3中所示。如与图2中图示相关的描述，任何强风力载荷(用箭头36指示)将作用于叶片34的整个翼展上，在叶片34上导致相应的升力或阻力38。这些沿着叶片34的长度作用的力38，导致累积的轴向力40，该轴向力40作用于风力涡轮机机舱32和塔架30上，其决定为风力涡轮机设定的设计载荷，以保证恰当的运转。风速超出可导致涡轮机结构28的损坏。图4中示出作用于其中一个风力涡轮机叶片34上的力的透视图。在公开号为No.2009/0148285和2009/0148291的美国专利申请中，可看到已知的三叶片部分变桨距涡轮机。
US2009/0148291公开了一种风力涡轮机，其具有带三个叶片的转子。在极端风况下，所述带三个叶片的转子不能在风中找到中立位置。因此，非常常见的是用一种方式控制风力涡轮机，该方式中，叶片的最外部俯仰至顺桨位置，但由于该叶片的最内部固定，这部分不能够变桨距。在极端风况中，US 2009/0148291的内叶片部分能够引导机舱周围的风，为了这样做，所述转子需要对准风。当涡轮机联接至电网并生产电能时，这只能通过执行对风力涡轮机的偏航系统的控制来完成。通过运行和控制该偏航系统，可控制攻角并且可引导机舱周围的风。依照US 2009/0148291运行风力涡轮机，将使来自极端风况的外部叶片上的载荷最小化，并因此也使塔架和基座上的载荷最小化，但由于内叶片部分受制于全部极端风力载荷，其上仍会有一些来自该内叶片部分的重载荷。进一步，这种系统仅在能够运行和控制偏航系统时起作用，这在极端风况下通常是一个问题，这是由于风力涡轮机大多通常会从电网解除联接。如果不控制并运行US 2009/0148291公开的风力涡轮机至某一与风向相关的方向，将会产生巨大并且是不想要的载荷。这实际上是至关紧要的，这是由于在极端风况中，例如风暴和台风，风向常常会快速并大幅度地改变。风力涡轮机偏航系统不足够快速，以跟随风向的快速变化，因此，不得不处理非常巨大的载荷。
国际电工委员会(IEC)，其维护风力涡轮机设计评级的标准机构，将极端风况规定为风切变现象，以及由风暴和风速风向的快速变化所引起的风速峰值(www.iec.ch)。
如果每个完整的风力涡轮机叶片10，34经受最大升力/阻力，由于这些力与风速的平方成比例，随后的风力涡轮机结构12，14或30，32经受的轴向力可能是巨大的。例如，IEC规定I级涡轮机必须抵御70m/s的极端阵风。满足这些评级要求的约束是，风力涡轮机生产商设计能够抵御这些载荷的风力涡轮机结构，例如，通过使用额外的加固材料。这些设计特点造成相对高的风力涡轮机的工程费用。
本发明的目的是提供一种在极端风况下控制风力涡轮机的方法，该方法减少了风力涡轮机经受的载荷的影响，并因此降低了风力涡轮机相关的成本，以及对风力涡轮机的损坏风险。
发明内容
因此，提供一种在极端风况下控制部分变桨距风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架，风力涡轮机基座以及至少两个安装于机舱处转子上的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机包括用于相对于风向偏航所述转子的偏航系统，所述偏航系统安装于所述机舱和所述塔架之间，其中，所述至少两个风力涡轮机叶片包括第一叶片段和第二叶片段，所述第二叶片段可相对于所述第一叶片段俯仰，所述方法包括以下步骤：
对于极端风况，关闭所述偏航系统并且俯仰所述风力涡轮机转子叶片的所述第二叶片段，使得所述第二叶片段在与所述第一叶片段大体正交的桨距角俯仰，以减小所述风力涡轮机塔架和基座经受的极端载荷的大小，其中，设置所述俯仰步骤，使得由迎面而来的风在所述第二叶片段上产生的力与其在所述第一叶片段上产生的力相比，大小大体相等，但方向上正交。
通过使用部分变桨距风力涡轮机，并且在与叶片的内片段的桨距角大体成直角处定向可俯仰的叶片片段，可使风力涡轮机结构经受的高载荷分布得更均匀。由于片段大体上彼此垂直，迎面而来的风将在叶片内产生作用于不同方向的力。由于作用于风力涡轮机结构的力是矢量力，该矢量力基于不同叶片片段经受的力的合成，因此，相对于传统的全部变桨距系统经受的高载荷，风力涡轮机结构，特别是风力涡轮机塔架和基座经受的合成的轴向载荷将会降低。设置俯仰，使得作用于叶片片段上的正交力的大小大体相等，这样，风力涡轮机塔架和基座上合成的轴向载荷将会最小化。
通过采用这种方法，高风力下，该部分变桨距风力涡轮机结构经受的极端载荷可大约降低至全部变桨距叶片风力涡轮机经受的极端载荷大小的60％。该方法的优点是，针对降低载荷的外形，可设计风力涡轮机结构和基座，并相应的重定塔架组件、基座等等的尺寸，这样能够降低风力涡轮机的建造和材料成本。
根据区域内的主要风力条件，可因此改变风力涡轮机结构的设计要素。极端风况，可以理解为指非常高的风速，该风速可发生在风力涡轮机塔架的附近，由此必须设计所述风力涡轮机塔架和基座以妥善应对。特别地，国际电工委员会(IEC)将极端风况规定为风切变现象，以及由风暴和风速风向的快速变化引起的风速峰值。风力涡轮机有望抵御规定风速的极端风况，以取得作为IEC涡轮机的特定等级的资格(例如，现在IEC的I级涡轮机规定的极端风的风速为70m/s)。
可以理解的是，极端风况的定义取决于若干因素，例如，期望级别的风力涡轮机的最大风速等级，和/或被列为10/50/100年一遇的风速(在风力涡轮机位置相对于正常的主要风力条件)。
根据本发明的风力涡轮机和控制风力涡轮机的方法解决的一个非常重要的问题是，即使风向快速改变并且出现阵风，该风力涡轮机设计为应对这些状况。由于风力涡轮机的偏航系统关闭，并且转子自由空转，该转子总是能够从风引起的载荷中自行缓解。由于第二/外叶片段相对于第一/内叶片段俯仰的事实，转子将不会以明显的速度旋转，但是当风向面向转子平面前方时，其将仅仅空转或以非常慢的速度稍微来回移动。
转子的叶片段的相对位置具有的影响是，无论哪个方向的风作用于叶片，转子将自行缓解，并且当最坏的情况发生时，不会是单一风向。叶片上产生的力将总是分成多个方向的力，并因此使合力最小化。
一个风向可能将载荷置于叶片的第一段上，产生阻力，并且第二段叶片上的载荷将产生一些升力，该升力具有一些空转转子的趋势。这种空转旋转一定程度上是允许的，并且通过相反的作用于另一个叶片段上的力，其将被最小化，该另一个叶片段在转子上的同一个或另一个叶片上。另一个风向可能将载荷置于第二段上，在第一段上产生阻力和升力，但同样，主要通过缓解自身并通过应对一小部分载荷，不同叶片上的不同段将作用于使载荷最小化。双叶片风力涡轮机的情形是，偏航系统关闭，转子大致在水平位置，并且与最可能的方向相对，该情形将使得风力涡轮机结构经受极端风力条件下的最低可能的载荷，该极端风力条件如具有40至70m/s的速度或更高速度的台风。如果这种双叶片转子与风相对，该转子将用作风向标并且维持其位置，并且仅轻微的上下移动(轻微地来回空转)。
对于欧洲的大多数地区，大于20m/s的风速可被认为是极端风况。因此，可设置这些位置的风力涡轮机，使得在风速超过20m/s时发生俯仰步骤，并根据这种风速等级设计风力涡轮机结构。
然而，在亚洲的台风或飓风多发地区，可能需要规定这种涡轮机抵御风速高达70m/s的风。因此，涡轮机结构的设计可涉及对更多加强元件的使用。对于这种风力涡轮机，与设在欧洲的涡轮机相比，极端风况等级会更高。大体上，包括至少33m/s(或119km/hour)的持续风速的天气系统列为台风或飓风。
优选地，设置所述俯仰步骤，使得所述第一叶片段的表面积大体上等于所述第二叶片段的表面积。
升力与其作用的翼面的表面积成比例。由于设置俯仰，使得俯仰和非俯仰片段的表面积大体上相等，这将导致在转子叶片的俯仰和非俯仰片段之间的升力分布均等，甚至在整个转子叶片结构扩散这种力的影响。这确保使风力涡轮机塔架和结构上的合成的轴向载荷最小化。由于轴向载荷最小化，这意味着可量身制定风力涡轮机的建造要求，以适应降低的载荷，风力涡轮机成本随之降低。
优选地，当风速超过约25m/s时执行所述俯仰步骤。
一个实施例中，风力涡轮机的风速限制约为25m/s，并且当经受的风在这个级别或以上，涡轮机将停止并且启动适当的安全程序，以抵御极端风力负载。可以理解的是，俯仰步骤也可在风力涡轮机处于极端风况之前执行，例如，基于可能的天气预报。
优选地，执行所述俯仰步骤，使得每个所述第二叶片段同时俯仰，以与所述第一叶片段大体正交。
由于叶片段的俯仰同步，这意味着转子叶片在俯仰操作中平衡。
优选地，所述方法进一步包括停止所述风力涡轮机叶片旋转的步骤。
在高风速，风能可能超出风力涡轮机结构的额定限制，以及涡轮发电机的最大额定功率。因此，当探测到高风速时，转子叶片停止，以预防风力涡轮机损坏。优选地，当涡轮机处的风速超过25m/s时，执行所述停止步骤。
优选地，所述停止步骤包括俯仰所述第二叶片段至顺桨位置。
顺桨位置意味着旋转叶片段，以使其平行于迎面而来的风。第二叶片段的顺桨降低了风在叶片上产生的升力，并且逐渐降低叶片的转动功率，最终使转子叶片停止。一旦转子叶片停止，或降低至相对低的旋转速度，可俯仰第二叶片段，以大体与第一叶片段正交。一旦叶片处于顺桨位置并且关闭偏航系统，由于风向可能改变，第二叶片段将不必与迎面而来的气流平行。
优选地，所述方法进一步包括让风力发电机转子叶片空转的步骤，例如，将刹车应用至该风力涡轮机，以阻止风力涡轮机叶片的旋转。
本发明的一个优选实施例中，可应用这种刹车，但当来自风的力作用于转子的不同部分时，转子仍可空转或移动，以缓解压力。
这种刹车可以是机械的或电动的刹车。该刹车可用于使涡轮机完全停止旋转，或者其至少可抵制叶片旋转。
优选地，所述俯仰步骤包括旋转所述第二叶片段，使得第二叶片段和第一叶片段之间的桨距角在80°-100°。
由于第一和第二叶片段大体上彼此成直角。由于轴向力是不同段经受的力的矢积，并且不是这些力的简单的累积效应，这导致风力涡轮机结构经受的合成的轴向力大大减小。可以理解的是，在极端风况的持续期间，第二叶片段可锁定在相对的正交位置。此外，额外地或可选择地，可对叶片段之间相对的桨距角作出轻微调整，以在整个风力涡轮机结构上改进载荷分布。
优选地，在所述俯仰步骤之后，所述方法进一步包括反复调整所述第二叶片段的桨距角的步骤，以使极端风况下风力涡轮机经受的极端载荷的大小最小化。
可以理解的是，当风力涡轮机经受极端风力条件，由于风向、风速和/或叶片段载荷的调整，可对第一叶片段和第二叶片段之间相对的桨距角作出轻微调整。当所述步骤反复调整时，可不断调整第二段的桨距，以确保极端风力条件产生的载荷在每个叶片段上均匀分布。
优选地，所述方法进一步包括监测风力涡轮机结构所经受的载荷的步骤，其中，基于所述被监测的载荷，调整所述桨距角。优选地，所述监测步骤包括监测风力涡轮机塔架经受的载荷。
优选地，所述方法进一步包括监测至少一个所述叶片段所经受的载荷的步骤，其中，基于所述被监测的载荷，调整所述桨距角。
通过在风力涡轮机塔架中以及不同的叶片段上使用载荷传感器，可监测风力涡轮机结构和叶片的不同段上的载荷影响，并因此调整第二段的桨距角。这使得叶片上载荷的调整取决于风力涡轮机结构整体经受的合力，也使得载荷在整个叶片段上均匀分布，甚至在当风力条件经历变化，而该变化通常可影响这种载荷分布时。这确保风力涡轮机结构经受的轴向载荷保持在最小。还可以理解的是，所述方法进一步包括在风力涡轮机处监测风速和/或风向的步骤，其中，基于所述监测，调整所述桨距角。
优选地，所述调整步骤是闭环反馈系统，其中，所述闭环系统的反馈信号是所述叶片段的所述监测载荷。闭环反馈系统的使用使得装置稳定运行，并且依靠测量的载荷，随后可微调桨距角。
优选地，一旦所述极端风况过后，所述方法进一步用于俯仰所述第一叶片段，以脱离与所述第一叶片段大体正交的桨距角。
一旦极端风况结束，风速和相关的涡轮机负载降低至可控水平，并且涡轮机或电网不需要额外的维护和/或维修，第二叶片段可相对于所述第一段俯仰至正常的运行位置，并且可重新开始涡轮机的运行和发电。
优选地，所述俯仰步骤包括旋转所述第二叶片段，使得第二叶片段和第一叶片段之间的桨距角约为+90°。可选地，所述桨距角约为-90°。
优选地，所述方法包括在所述风力涡轮机区域中监测环境条件的步骤。优选地，所述俯仰步骤响应所述风力涡轮机处的极端风况预报。
可以理解的是，术语风力涡轮机的“区域中”覆盖直接邻近风力涡轮机的位置，但是所述区域可从所述风力涡轮机位置延伸约100-1,000km，使得从远离风力涡轮机位置的监测站，可探测到或预测到临近的可损坏风力涡轮机的天气系统。
进一步提供具有至少两个风力涡轮机转子叶片的部分变桨距风力涡轮机，其用于执行以上方法的步骤。
优选地，提供一种具有至少两个风力涡轮机转子叶片的部分变桨距风力涡轮机，该转子叶片长度至少为35m，所述风力涡轮机包括：
设于风力涡轮机基座上的风力涡轮机塔架；
设于所述塔架上端的机舱；
设于所述机舱处的轮毂；
至少两个风力涡轮机转子叶片，所述转子叶片安装在所述机舱处的转子上，并且包括第一叶片段和至少一个第二叶片段；
用于相对于风向偏航所述转子的偏航系统，所述偏航系统安装在所述机舱和所述塔架之间；和
用于相对于所述第一叶片段俯仰所述第二叶片段的俯仰系统，其中，所述风力涡轮机进一步包括联接于所述俯仰系统的控制系统，所述控制系统进一步联接于所述偏航系统，通过关闭所述偏航系统，并且通过极端风况下以大体与所述第一叶片段成正交的桨距角俯仰所述第二叶片段，所述控制系统用于降低所述风力涡轮机塔架和基座经受的极端载荷的大小，使得迎面而来的风在所述第二叶片段上产生的力与其在所述第一叶片段上产生的力相比，大小上大体相等，方向上正交。
高风力条件下，由于控制风力涡轮机，以俯仰所述转子叶片的第二段正交于所述第一叶片段，这导致风力涡轮机结构的极端轴向载荷降低。由于控制系统用于控制俯仰，使得在不同叶片段上的大体正交的力具有大体相等的大小，这意味着将使作用于风力涡轮机结构上的合成的力矢量最小化。
在一个实施例中，风力涡轮机是双叶片部分变桨距风力涡轮机。在另一个实施例中，风力涡轮机是三叶片部分变桨距风力涡轮机。优选地，控制器用于俯仰每个外叶片段，使得在极端风况下，每个所述外叶片段分别大体正交于所述内叶片延伸段。
优选地，设置所述风力涡轮机转子叶片，使得所述第一叶片段的表面积与所述第二叶片段的表面积大体相等。优选地，风力涡轮机的每个叶片段的表面积大体相等。
每个转子叶片段的表面积相等，确保每段经受等量的力，因此，所述转子叶片经受的载荷在整个转子跨度上均匀分布。由于力在不同的转子叶片段之间均匀分布，这在风力涡轮机中提供最佳的载荷的平衡，并且使更大的风力涡轮机结构所经受的合成的轴向载荷(该轴向载荷是正交的载荷的矢量积)最小化。由于最小化轴向载荷，从而可调整涡轮机的建造要求，风力涡轮机和基座建造的成本和材料可保持在最小的需求。
优选地，所述第一段为失速控制的风力涡轮机叶片段，所述第二段为俯仰控制的风力涡轮机叶片段。
采用失速控制和俯仰控制转子叶片的组合导致的优点是，为单一的风力涡轮机叶片设计两种类型的风力涡轮机叶片。
优选地，所述第一段包括联接于所述轮毂的内叶片延伸段，所述第二段是外部可俯仰的叶片段，其联接于所述内叶片延伸段的远端。
优选地，设置所述转子叶片，使得所述内叶片延伸段构成所述转子叶片长度的20％-50％。进一步优选地，所述内转子延伸段大约构成所述转子叶片长度的1/3。
优选地，所述俯仰系统包括单独的用于每个叶片的俯仰装置，所述俯仰装置用于相对于所述各自的转子叶片的第二叶片段，俯仰所述各自的转子叶片的第一叶片段。例如，在双叶片部分变桨距涡轮机的情形中，优选地，所述俯仰系统包括第一俯仰装置，其用于相对于第一内叶片延伸件，俯仰第一外叶片段，以及第二俯仰装置，其用于相对于第二内叶片延伸件，俯仰第二外叶片段。优选地，每个所述俯仰系统设于各自的转子叶片的所述第一叶片段和所述第二叶片段的界面。
优选地，风力涡轮机进一步包括至少一个载荷传感器，其设于所述风力涡轮机塔架中，其中，所述控制系统用于在极端风况下，基于所述至少一个载荷传感器的输出，相对于所述第一叶片段调整所述第二叶片段的桨距角，以降低风力涡轮机经受的极端载荷的大小。
可以理解的是，载荷传感器可设于风力涡轮机的其他片段中，例如机舱，轮毂等等。
优选地，风力涡轮机进一步包括至少一个设于所述第一和第二叶片段中的载荷传感器，其中，所述控制系统用于在极端风况下，基于所述至少一个载荷传感器的输出，相对于所述第一叶片段调整所述第二叶片段的桨距角，以降低风力涡轮机经受的极端载荷的大小。
在整个风力涡轮机结构和叶片中使用载荷传感器，这允许叶片段的桨距角的详细微调，以更好地分布风力涡轮机经受的载荷。
优选地，风力涡轮机进一步包括偏航系统，其中，所述控制系统用于在极端风况下，偏航所述机舱，轮毂，转子叶片迎风。
优选地，涡轮机进一步包括至少一个联接于所述控制器的风向传感器，所述控制器基于所述风向传感器的输出，偏航所述机舱，轮毂，以及转子叶片。
优选地，所述风力涡轮机进一步包括刹车，其可阻止所述至少一个转子叶片的旋转，但如果需要，仍可让转子空转。
在风力涡轮机转子中使用刹车，可在极端风力条件下，防止不必要的转子叶片旋转。优选地，所述刹车是机械刹车和/或电动刹车。
优选地，风力涡轮机是离岸风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机基座选自以下之一：单桩基座；三脚架基座；重力基座；吸力基座。
由于离岸风力涡轮机的成本常常是离岸涡轮机最大的考虑因素之一，任何可降低建造要求和成本的机会都是受欢迎的。根据本发明，为了降低离岸涡轮机经受的基座载荷，可对离岸涡轮机的基座进行重定尺寸和优化，因此，本发明提供在这方面提供相当大的优势。
附图说明
现在将描述本发明的实施例，仅通过举例的方式，并参考相应的附图，其中：
图1是标准三叶片涡轮机的升力系数和阻力系数相对于攻角的变化图表；
图2是高风力条件下，作用于风力涡轮机结构上的力的示例性附图；
图3是现有技术的双叶片风力涡轮机在高风力条件下的俯视图；
图4是图3的风力涡轮机的一个叶片的透视图；
图5是根据本发明的双叶片部分变桨距风力涡轮机的俯视图；
图6是图5的风力涡轮机在极端风况下受控制时的俯视图；
图7是图6的第二转子叶片的透视图；
图8是在极端风况下，作用于图6的风力涡轮机上的力的示例性附图；以及
图9是根据本发明的标准三叶片涡轮机以及双叶片部分变桨距涡轮机，在60m/s的风中经受的样本基座载荷的图表。
具体实施方式
参见图5，根据本发明的双叶片变桨距风力涡轮机大体上用50指示。该风力涡轮机50包括设于风力涡轮机基座(未示出)内的塔架52、设于所述塔架52顶端的机舱54、以及第一和第二风力涡轮机叶片56，58，该第一和第二风力涡轮机叶片56，58从设于所述机舱54处的轮毂55的相对两侧延伸。叶片56，58和轮毂55联接于转轴以及发电机(未示出)。正常运行中，迎面而来的风使得所述叶片56，58旋转，因此，旋转转轴并在发电机中产生电流。
风力涡轮机叶片56，58是部分变桨距设计，其中每个叶片56，58包括内叶片延伸段56a，58a和外叶片段56b，58b。内叶片延伸段56a，58a从风力涡轮机轮毂55延伸。外叶片段56b，58b分别联接于内叶片延伸段56a，58a的远端。大体上，内叶片延伸段56a，58a刚性连接于风力涡轮机轮毂55，并且用作增加叶片56，58的扫掠面积，并因此增加风力涡轮机50的额定功率。
叶片延伸件(也叫做轮毂延伸件)通常对风力涡轮机的升力没有贡献，并因此通常大体上不具有动力学外形(许多情况下，叶片延伸件可以是简单的刚性圆柱部件)。然而，图5中示出的实施例显示，内叶片延伸段56a，58a具有延伸的空气动力学后缘57。这可以是以下形式，即，叶片延伸段56a，58a的成型表面；空气动力学整流罩可安装于圆柱形叶片延伸件之上；或者额外的元件，例如翅片，可附接至常规的圆柱形叶片延伸件，以形成更符合空气动力学的外形。可以理解的是，本发明的系统中可采用任何适当的设置的叶片延伸件，该叶片延伸件可具有或不具有空气动力学后缘57。
变桨距系统(未示出)设置于风力涡轮机50内，优选地，在两个风力涡轮机叶片56，58中以独立的俯仰装置的形式，该俯仰装置分别位于叶片延伸段56a，58a和外叶片段56b，58b之间的界面。变桨距系统/俯仰装置用于相对于内叶片延伸段56a，58a俯仰叶片56，58的外叶片段56b，58b。部分变桨距涡轮机允许调节外叶片段的桨距，以控制涡轮发电机的功率输出。
风力涡轮机50进一步包括控制系统(未示出)。该控制系统可设置在涡轮机50区域，或设置在遥控站，其中，该控制系统可统筹多个类似的双叶片部分变桨距风力涡轮机的运转。
该控制系统可与用于监测环境条件的系统联接，该用于监测环境条件的系统在风力涡轮机50区域。例如，这可以是任何适当的用于监测天气条件和或相关环境要素的装置，例如，大气压力，风速等等。进一步，可使用风力涡轮机区域内的可用的气象预报服务。这种监测系统基于可用的气象信息，能够探测当前的风力涡轮机50的位置处的大气情况，或能够预报极端风况到达风力涡轮机50处。
可以理解的是，极端风况涉及风切变现象、风暴下的风速峰值、以及能够导致风向快速变化的情况。可以理解的是，风力涡轮机现场的极端风况取决于若干因素，例如，该现场期望级别的风力涡轮机的最大风速等级，和/或可列为10/50/100年一遇的风速(相对于风力涡轮机现场的正常风力情况)。
对于欧洲的多数地区，大于20m/s的风速可视为极端风况。因此，可设置这种位置的风力涡轮机结构，使得所述俯仰步骤在风速超过20m/s时发生，风力涡轮机结构根据这种风速等级设计。
然而，在亚洲的台风或飓风多发地区，需要规定这种涡轮机抵御风速高达70m/s的风。因此，涡轮机结构的设计可涉及更多的使用加强元件。对于这种风力涡轮机，与设在欧洲的涡轮机相比，极端风况等级会更高。大体上，包括至少33m/s(或119km/hour)的持续风速的天气系统列为台风或飓风。
当探测到或预测到风力涡轮机50的现场的极端天气条件，控制系统用于启动用于风力涡轮机50的程序或“安全模式”，以降低风力涡轮机将会经受的极端载荷。
优选地，当涡轮机处的风速超过约25m/s时，启动风力涡轮机的“安全模式”或安全程序。
首先，停止风力涡轮机叶片56，58的旋转。当发电机每分钟转数和功率输出下降时，这通过相对缓慢地俯仰外叶片段56b，58b至顺桨位置来完成。顺桨位置是当旋转翼面至平行于迎面而来的风时。因此，翼面产生的升力下降，减慢了风力涡轮机叶片56，58的旋转。优选地，以大约每秒2°的速度俯仰外叶片段56b，58b。一旦发电机每分钟转数/功率下降至特定界限以下(例如，3-4rpm)，发电机与电网断开连接，并且叶片段56b，58b俯仰至顺桨位置。
风力涡轮机叶片56，58最终将到达稳态平衡位置，通常在大体水平的停顿位置。此刻，控制系统可用于指示变桨距系统，以相对于内叶片延伸段56a，58a俯仰外叶片段56b，58b，使得外叶片段56b，58b的桨距角大体上与叶片延伸段56a，58a的桨距角正交，如图6所示。可以理解的是，外叶片段56b，58b的这种俯仰同时进行，以在总体的风力涡轮机内保持平衡。
可以理解的是，俯仰叶片段56b，58b的步骤可与叶片段56b，58b的顺桨步骤结合。
还可以理解的是，风力涡轮机50可进一步包括刹车(未示出)，该刹车可应用于风力涡轮机50的转子，以防止或阻止转子叶片56，58的旋转。这种刹车可以是电动刹车或机械刹车。
图6中，内叶片延伸段56a，58a(被固定)具有空气动力学外形，其大体上与迎面而来的气流成直线(也就是，与图6中看到的页面表面成直线)。外叶片段56b，58b具有大体正交于内叶片段56a，58a的桨距角(也就是，从图6中看到的页面中伸出)。
参见图7，从图6的风力涡轮机的轮毂55位置看，示出放大的第二叶片58的透视图。由于第二外叶片段58b大体正交于第二内叶片延伸段58a，与图4示出的叶片相比，这导致迎面而来的高风力引起的力在叶片58周围的不同分布。
迎面而来的风(用箭头60指示)作用于内叶片延伸段58a，产生沿着叶片延伸段58a长度的升力62。由于外叶片段58b正交于叶片延伸段58a，迎面而来的风60在叶片58的该片段具有不同的攻角，并且产生相应的沿着外叶片段58b的阻力64。
设置风力涡轮机50，使得沿着叶片延伸段58a长度的总升力62与沿着外叶片段58b的总阻力64相比，在大小上大体上相等，在方向上正交。
转至图8，该示例性草图显示出作用于第一叶片56上的力，以及由此在风力涡轮机结构50上产生的效果。由于第一外叶片段56b上产生的升力62和第一内叶片延伸段56a上产生的升力64彼此正交，由此导致的风力涡轮机塔架12和机舱14经受的轴向力是这些力的矢量积(图8中用箭头66指示)，与图2中示出的现有技术的系统相比，这导致减小的极端轴向力，该极端轴向力由高风条件引起，并作用于风力涡轮机结构上。由于力62和64的大小大体相等但方向正交，这意味着使风力涡轮机结构和基座经受的矢量力66最小化。
已经测试过，高风力条件下，部分变桨距涡轮机的叶片段的这种正交设置能够导致该风力涡轮机基座经受的轴向载荷的峰值降低，大约降低至全叶片变桨涡轮机相应的轴向载荷值的60％。
由于这种限定的极端风况下的风力涡轮机结构经受的结构载荷能够降低，这意味着设计于满足某个IEC级别的风力涡轮机可被重新设计，以减少结构加强的需求。这意味着可重新设计风力涡轮机组件(例如塔架，机舱，基座等等)，减少材料需求以满足降低的载荷要求。
这考虑到建造材料，建造时间，组件重量，基座要求等等，这种建造要求的降低可导致相当大的费用节省，并且使得涡轮机的总成本的降低。
图9示出，当暴露于60m/s的风速，风向角变化时，作用于样本风力涡轮机基座上的轴向载荷的图表。虚线表示传统的三叶片全变桨风力涡轮机，而实线表示根据本发明的双叶片部分变桨距风力涡轮机的测定载荷(也就是，具有正交俯仰的外叶片段)。可从图表中见到的是，与已知的设计相比，上述的双叶片部分变桨距风力涡轮机在风力涡轮机基座中经受降低的极端轴向载荷——从标准三叶片涡轮机大约1.05单位的极端轴向载荷，到本发明的涡轮机的大约0.56单位的最大极端轴向载荷。
为了在整个风力涡轮机转子叶片56，58上提供均等的载荷分布，优选地，设计转子叶片，使得内叶片延伸段56a，58a的表面积大体上等于外叶片段56b，58b的表面积。这确保了每个叶片组件产生的升力/阻力大体上相等，并且在转子叶片56，58中提供最佳的载荷分布。
优选地，内叶片延伸段设计为失速控制的叶片段，而外叶片段设计为桨距控制的叶片段。在失速控制的叶片中，转子叶片外形设计符合空气动力学，以保证风速超过优选地速度时，叶片设计在叶片吸力面上导致气流紊乱。这种失速防止了转子叶片的升力作用于转子上。桨距控制叶片中，超风速在转子叶片上的影响能够通过俯仰叶片脱离风来调整，以降低升力。
优选地，转子叶片56，58设计为，使得叶片延伸段56a，58a大约为整个转子半径的20％-50％，优选地，约为转子半径的1/3。内叶片延伸段56a，58a的弦线通常长于外叶片段56b，58b的弦线，这造成作用于转子叶片56，58上的升力分布更加均匀。(应当注意的是，由于转子叶片的锥形性质，不排除内外叶片段的表面积相等的实施例。)
一旦极端风力条件过后，并且假设风力涡轮机或较大的电网不需要修理，该涡轮机可俯仰外叶片段56b，58b，脱离所述相对的正交位置，并且启动涡轮机的运行和发电。
当极端风力条件的发生导致在涡轮机区域电力短缺时(例如，由于电网连接的损坏或失效)，可以理解的是，对产生动力的涡轮机(即，仍与电网连接的涡轮机，和/或包括当地电力供应源的涡轮机)而言，可提供增强的涡轮机运行方法。
在一个特征中，涡轮机可用于在叶片段之间产生对桨距角的较小的调整，以改进整个叶片段的载荷的分布。由于涡轮机处的风向和风速的变化，这是需要的。整个叶片段的最佳载荷分布导致风力涡轮机上的轴向载荷最小化。
这种较小的调整通过测定较大的风力涡轮机结构，例如塔架、机舱、轮毂所经受的载荷，和/或叶片的不同段所经受的载荷而确定，例如，如果一段经受的载荷增加，可调整叶片段的桨距角，直至载荷均匀分布于所有的叶片段。到最后，涡轮机可包括存在于风力涡轮机结构或不同段的转子叶片中的载荷传感器，所述传感器的输出用于确定可俯仰的叶片段的优选的桨距角调整。优选地，在反馈控制系统中。优选地，所述载荷传感器包括任何合适的载荷传感器，例如应变仪、水压载荷传感器、压电载荷传感器、振弦载荷传感器等等。
在附加的或可选择的特征中，虽然一些实施例在极端风况下关闭涡轮机的偏航系统，但涡轮机可进一步偏航涡轮机机舱、转子轮毂、以及转子叶片面向风，或将一个叶片指向风。到最后，涡轮机可进一步包括风向传感器，用于探测当前的风向，使得可偏航涡轮机面向迎面而来的风，或者如前述的将一个叶片指向风。
当以上的实施例将转子叶片的可俯仰段描述为转子叶片的外部片段时，可以理解的是，所述可俯仰段可设于沿着转子叶片长度的任何位置。
由于建造离岸基座的成本和精力是离岸风力涡轮机的建造中最重要的因素之一，本发明在这方面具有特别的优势，对基座的要求被最小化，以降低风力涡轮机结构和基座经受的轴向载荷。本发明的可优化的适当的离岸基座的实施例包括单桩基座、三脚架基座、重力基座、吸力基座等等。由于根据本发明运行的风力涡轮机的轴向载荷可降低至现有技术的涡轮机经受的载荷的大约60％，风力涡轮机结构和基座的结构性要求中可节省相应的成本。
可以理解的是，虽然本发明描述为涉及一种逆风式涡轮机，但其也可用于顺风式涡轮机设计中。
本发明不限于本文描述的实施例，并且在不脱离本发明的范围内可被修改和适用。

Claims (17)

1.一种在极端风况下控制部分变桨距风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括风力涡轮机塔架，风力涡轮机基座以及至少两个安装于机舱处转子上的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机包括用于相对于风向偏航所述转子的偏航系统，所述偏航系统安装于所述机舱和所述塔架之间，其中，所述至少两个风力涡轮机叶片包括第一叶片段和第二叶片段，所述第二叶片段可相对于所述第一叶片段俯仰，所述方法包括以下步骤：
对于极端风况，关闭所述偏航系统并且俯仰所述风力涡轮机转子叶片的所述第二叶片段，使得所述第二叶片段在与所述第一叶片段大体正交的桨距角俯仰，以减小所述风力涡轮机塔架和基座经受的极端载荷的大小，其中，设置所述俯仰步骤，使得由迎面而来的风在所述第二叶片段上产生的力与其在所述第一叶片段上产生的力相比，大小大体相等，但方向上正交。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置所述俯仰步骤，使得所述第一叶片段的表面积大体上等于所述第二叶片段的表面积。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述风力涡轮机转子叶片的旋转停止的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述停止步骤包括俯仰所述风力涡轮机转子叶片的所述第二叶片段至顺桨位置。
5.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括让所述风力发电机转子叶片空转的步骤，例如将刹车应用至风力涡轮机，以阻止所述风力涡轮机叶片的旋转。
6.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述俯仰步骤包括旋转所述风力涡轮机转子叶片的所述第二叶片段，使得所述第二叶片段和所述第一叶片段之间的桨距角在80°-100°之间。
7.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，执行所述倾斜步骤，使得每个所述第二叶片段同时俯仰，以大体上与所述第一叶片段正交。
8.如之前任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述俯仰步骤之后，所述方法进一步包括反复调整所述第二叶片段的桨距角的步骤，以使极端风况下所述风力涡轮机经受的极端载荷的大小最小化。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括监测所述风力涡轮机结构经受的所述载荷的步骤，其中，基于所述监测的载荷调整所述桨距角。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括监测至少一个所述叶片段经受的所述载荷的步骤，其中，基于所述监测的载荷调整所述桨距角。
11.具有至少两个风力涡轮机转子叶片的部分变桨距风力涡轮机，该转子叶片长度至少为35m，所述风力涡轮机包括：
设于风力涡轮机基座上的风力涡轮机塔架；
设于所述塔架上端的机舱；
设于所述机舱处的轮毂；
至少两个风力涡轮机转子叶片，所述转子叶片安装在所述机舱处的转子上，并且包括第一叶片段和第二叶片段；
用于相对于风向偏航所述转子的偏航系统，所述偏航系统安装在所述机舱和所述塔架之间；和
用于相对于所述第一叶片段俯仰所述第二叶片段的俯仰系统，其中，所述风力涡轮机进一步包括联接于所述俯仰系统的控制系统，所述控制系统进一步联接于所述偏航系统，通过关闭所述偏航系统，并且通过极端风况下以大体与所述第一叶片段成正交的桨距角俯仰所述第二叶片段，所述控制系统用于降低所述风力涡轮机塔架和基座经受的极端载荷的大小，使得迎面而来的风在所述第二叶片段上产生的力与其在所述第一叶片段上产生的力相比，大小上大体相等，方向上正交。
12.如权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，设置所述至少两个风力涡轮机转子叶片，使得所述第一叶片段的表面积与所述第二叶片段的表面积大体相等。
13.如权利要求11或12所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第一叶片段为失速控制的风力涡轮机叶片段，所述第二叶片段为俯仰控制的风力涡轮机叶片段。
14.如权利要求11至13任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第一叶片段包括联接于所述轮毂的内叶片延伸段，所述第二叶片段是外部可俯仰的叶片段，其联接于所述内叶片延伸段的远端。
15.如权利要求11至14任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机进一步包括至少一个载荷传感器，其设于所述风力涡轮机塔架中，其中，所述控制系统用于在极端风况下，基于所述至少一个载荷传感器的输出，相对于所述第一叶片段调整所述第二叶片段的桨距角，以降低所述风力涡轮机经受的极端载荷的大小。
16.如权利要求11至15任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机进一步包括至少一个设于所述第一和第二叶片段中的载荷传感器，其中，所述控制系统用于在极端风况下，基于所述至少一个载荷传感器的输出，相对于所述第一叶片段调整所述第二叶片段的桨距角，以降低风力涡轮机经受的极端载荷的大小。
17.如权利要求11至16任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机是离岸风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机基座选自以下之一：单桩基座；三脚架基座；重力基座；吸力基座。
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