CN109072872B - 风力涡轮机振荡的抑制 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其中一个或多个转子叶片中的每一个的桨距角可单独调整,该方法包括通过根据塔架减振桨距控制信号使每个转子叶片单独地变桨来抑制塔架的振荡,其中每个塔架减振桨距控制信号包括第一周期分量,其中第一周期分量的第一频率对应于塔架振荡的塔架频率与转子旋转的转子频率之间的频率差,并且其中第二周期分量已经被减少或去除。第二周期分量的第二频率对应于塔架频率与转子频率的频率和。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于抑制(damp)风力涡轮机的塔架的振荡的方法,更具体地,涉及一种通过使每个转子叶片单独地变桨来抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法以及相应的计算机程序产品、控制系统和风力涡轮机。
背景技术
本领域已知的风力涡轮机包括风力涡轮机塔架和转子。转子包括多个转子叶片。塔架易于振荡,这可能是由于循环的(cyclic)转子力和风场中的不均匀性或例如海浪的外力作用所引起的。
叶片桨距调整可用于抵消或抑制塔架的横向振荡。这些桨距调整需要能量并且导致风力涡轮机(诸如每个转子叶片的叶片轴承)的磨损。因此,用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的改进方法将是有利的,并且尤其是需要较少的桨距系统活动和/或能够减少磨损的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法。
发明内容
可以看出,本发明的目的是提供一种用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,该方法解决或减轻了桨距系统受到磨损的上述问题。
通过提供一种用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,旨在本发明的第一方面中获得上述目的,其中风力涡轮机包括塔架和具有一个或多个转子叶片的转子,转子连接到塔架并适于驱动发电机,其中一个或多个转子叶片中的每一个转子叶片的桨距角是可以单独调整的,该方法包括:
-为每个转子叶片准备前驱信号(precursor signal),其中每个前驱信号包括:
●具有大于零的第一幅度的第一周期分量(periodic component),并且其中第一周期分量的第一频率对应于塔架频率和转子频率之间的频率差,
以及
●具有大于零的第二幅度的第二周期分量,并且其中第二周期分量的第二频率对应于塔架频率与转子频率的频率和,
-根据前驱信号,为每个转子叶片准备塔架减振桨距控制信号,其中第二周期分量的第二幅度相对于第一周期分量的第一幅度已经部分或完全减小,
-通过根据塔架减振桨距控制信号使每个转子叶片单独地变桨来抑制塔架的振荡。
本发明尤其但并非仅仅有利于获得用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,本发明可以使所需的变桨活动减少。通过使第二幅度小于第一幅度,或者甚至去除第二幅度,从而减少了所需的变桨活动,这是因为在第二频率下需要更少或不需要变桨活动。此外,由于较小的第二幅度,与第二频率下的变桨有关的磨损可以减小。
‘抑制振荡’可以被理解为施加阻尼力,诸如与塔架的移动方向相反定向并且大小与所述移动的速度成比例的力。
‘风力涡轮机塔架的振荡’可以被理解为横向运动,诸如在转子平面中的水平运动。
‘通过使每个转子叶片单独地变桨来抑制塔架的振荡’可以被理解为使叶片单独地变桨,以便生成的阻力和空气动力学力用于抑制塔架的振荡。
‘塔架减振桨距控制信号’可以被理解为诸如用于每个叶片的单独塔架减振桨距控制信号的桨距控制信号,该桨距控制信号用于控制致动器,该桨距控制信号诸如被从控制系统(如桨距控制系统)发送到桨距力系统,该桨距力系统相应地调整每个叶片的桨距。
当参考‘第一频率对应于频率差’或‘第二频率对应于频率和’时,可以理解,实际情况中的第一频率或第二频率分别对应于频率差或频率和,诸如第一频率或第二频率分别在频率差或频率和的+/-50%以内,诸如分别在频率差或频率和的+/-25%以内,诸如分别在频率差或频率和的+/-10%以内,诸如分别在频率差或频率和的+/-5%以内,诸如分别在频率差或频率和的+/-2%以内,诸如分别在频率差或频率和的+/-1%以内,诸如分别基本上对应于频率差或频率和,诸如分别精确对应于频率差或者频率和。
塔架频率被理解为塔架振动的频率,尤其是塔架振动的最主要频率分量。塔架频率可以是例如塔架的第一固有频率,但也可以是不同的频率,例如转子频率。
在第二方面中,本发明涉及一种具有指令的计算机程序产品,当执行该指令时,致使用于风力涡轮机的计算设备或计算系统或控制系统执行根据第一方面的方法。
在第三方面中,本发明涉及一种控制系统,该控制系统被设置成用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡并且被设置成用于执行根据第一方面的方法。该控制系统可以被设置成确定桨距信号,并且可以被实施为用于风力涡轮机的总体控制器或者诸如专用桨距控制器的控制元件。
在第四方面中,本发明涉及一种包括根据第三方面的控制系统的风力涡轮机。
通过结合附图参考以下详细描述,将更容易了解并且可更好地理解许多附带特征。正如所属领域技术人员显而易见的,优选特征可以适当地组合,并且可以与本发明的任何方面组合。
附图说明
图1描绘了一种风力涡轮机。
图2示出了用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法。
图3示出了前驱信号的频谱的示例。
图4至图5示出了塔架减振桨距控制信号的频谱的示例。
图6示出了根据对应于图3中的前驱信号的信号进行变桨的结果。
图7示出了变桨的结果,其中已经引入了相位调整以考虑滞后。
图8示出了根据如图5所示的塔架减振桨距控制信号进行变桨的结果。
图9显示了相位调整的结果。
具体实施方式
现在将进一步详细解释本发明。尽管容易对本发明进行各种修改和替代形式,但具体实施方式已经以示例的方式公开。然而,应该理解,本发明并不限于所公开的具体形式。相反,本发明将涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
图1示出了风力涡轮机100(其也可以称为风力涡轮发电机(WTG)),其包括塔架101和具有至少一个转子叶片103(诸如三个转子叶片)的转子102。转子连接到机舱104,机舱104安装在塔架101的顶部上并适于驱动位于机舱内的发电机。转子102可通过风的作用而旋转。转子叶片103的由风引起的旋转能量经由轴传递到发电机。因此,风力涡轮机100能够借助于转子叶片将风的动能转换成机械能,并且随后借助于发电机转换成电能。发电机可包括:用于将发电机AC功率转换为DC功率的功率转换器,以及用于将DC功率转换为要被通入公用电网的AC功率的功率逆变器。发电机可控制用于产生对应于电力请求的电力。转子叶片103可以变桨,以便改变叶片的空气动力学特性,例如,以便最大化风能摄取,并且确保当吹强风时转子叶片不会承受太大的负载,并且在塔架上施加阻尼力。风力涡轮机100包括控制系统,该控制系统被设置成用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡,该控制系统被构造成确定桨距信号并且可以被实施为用于风力涡轮机的总体控制器或诸如专用桨距系统的控制元件,例如,其中叶片由桨距系统变桨,该桨距系统具有受桨距控制系统控制的桨距力系统,该桨距力系统包括致动器(诸如液压致动器),其用于根据来自桨距控制系统的桨距信号(诸如包括塔架减振桨距控制信号的桨距信号)使叶片共同和/或单独地变桨。
图2示出了用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法210,其中风力涡轮机包括塔架和具有一个或多个转子叶片的转子,转子连接到塔架并适于驱动发电机,其中一个或多个转子叶片中的每一个转子的桨距角可单独调整,该方法包括:
-通过根据相应的塔架减振桨距控制信号222使每个转子叶片单独变桨来抑制224塔架的振荡,其中每个塔架减振桨距控制信号包括:
●具有大于零的第一幅度的第一周期分量,其中第一周期分量的第一频率对应于塔架振荡的塔架频率(ftow)与转子旋转的转子频率(f1P)之间的频率差,
以及
●具有小于第一幅度的第二幅度的第二周期分量,其中第二周期分量的第二频率对应于塔架频率(ftow)与转子频率(f1p)的频率和。
塔架减振桨距控制信号基于前驱信号,并且在本实施方式中,该方法进一步包括:
-为每个转子叶片准备216相应的前驱信号218,其中每个相应的前驱信号包括:
●具有大于零的第一幅度的第一周期分量,并且其中第一周期分量的第一频率对应于塔架频率(ftow)与转子频率(f1p)之间的频率差,
以及
●具有大于零的第二幅度的第二周期分量,诸如第一幅度等于第二幅度,并且其中第二周期分量的第二频率对应于塔架频率(ftow)与转子频率(f1p)的频率和,
-根据相应的前驱信号218,为每个转子叶片确定220相应的塔架减振桨距控制信号222,其中第二周期分量的第二幅度相对于第一周期分量的第一幅度已经部分或完全减小。
因此,可以理解,可以通过以下内容准备塔架减振桨距控制信号:首先准备前驱信号,该前驱信号可选地包括在对应于塔架频率与1P转子频率的和及差二者的频率下大小相等的周期分量,并且随后通过例如用滤波器(诸如带通滤波器或陷波滤波器)减小在总和频率下的第二周期分量的幅度来准备塔架减振桨距控制信号。
前驱信号应该被广义地理解并且不需要是物理信号,而可以是第一和第二周期分量的频率位置的数学表示。
通常,横向减振(LD)的策略可以是通过连续产生与侧风(crosswind)塔架运动相反的力来模拟粘滞阻尼器。横向塔架行为可以被模型化为简单的线性弹簧-质量-阻尼器系统。
作为时间t的函数的横向位移x由以下微分等式表示:
1.确定(诸如测量)横向塔架顶部加速度
2.估计横向塔架速度,
本发明的方法可以通过根据每个叶片在转子平面中的位置而循环性地改变每个叶片的桨距角来产生横向(侧向)力。三个示例性叶片A、B、C的桨距信号可以写为等式5。
这可以是与塔架的振荡频率ftow成周期性的控制动作,因此将等式7代入等式5中,生成带有频率f1P±ftow的单独桨距信号。
θLD(t)=θ(t)cos(2πftowt) (7)
在该等式中,θ(t)是通用幅度,其可以与塔架速度的大小成比例。作用在通用叶片i上的空气动力学力由在每个叶片区段处相对于流入方向产生的升力FL,i与阻力FD,i的总和给出。
这些力在转子坐标系中变换,即叶片局部的力以转子平面上的坐标系表示。
在该等式中,Fx,i和Fy,i是来自第i个叶片的合力,以原点为转子中心的正交坐标系表示。等式8和等式9分别表示产生的力的侧向分量和推力向分量。当使叶片单独变桨时,单个叶片上的侧向力是桨距角的函数,其可以是关于运行点θ0线性的:
考虑重力增加到零,则作用在塔架顶部上的总空气动力学侧向力是在叶片边缘处的各个力的几何相加,等式11给出了由叶片A、B和C产生的作用在转子中心上的总横向力Fx:
作为示例考虑叶片A,由横向减振(LD)产生的单独桨距信号(即,忽略任何共同桨距信号)可以表示如等式12中的连续时间t的函数。
等式12被重写为等式13,以引出在ftow±f1P下的两个谐波的存在:
图3示出了前驱信号的频率(f)谱(即,作为频率f的函数的幅度A)的示例,该前驱信号具有:具有大于零的第一幅度A1的第一周期分量,并且其中第一周期分量的第一频率对应于塔架频率(ftow)与转子频率(f1P)之间的频率差;以及具有大于零并且在该实施方式中等于第一幅度的第二幅度A1的第二周期分量,并且其中第二周期分量的第二频率对应于塔架频率(ftow)与转子频率(f1P)的频率和。
还呈现了其中第二幅度为零或其中第二幅度为非零的实施方式,诸如图4至图5中所示。在实施方式中,每个塔架减振桨距控制信号由第一周期分量和第二周期分量组成。
图4示出了塔架减振桨距控制信号的频率(f)谱的示例,塔架减振桨距控制信号包括:具有大于零的第一幅度A1的第一周期分量,其中第一周期分量的第一频率对应于在塔架振荡的塔架频率(ftow)与转子旋转的转子频率(f1p)之间的频率差;以及具有非零且小于第一幅度A1的第二幅度A2的第二周期分量,其中第二周期分量的第二频率对应于塔架频率(ftow)与转子频率(f1P)的频率和。
在一个实施方式中,每个塔架减振桨距控制信号基本上仅包括第一周期分量,诸如仅包括第一周期分量。仅具有第一周期分量的优点可以是所需能量减少了对应于在第二频率下进行变桨所需能量的量。另一个优点可以是,由于在这种情况下仅存在单个周期分量,因此能够实现相移。
图5示出了塔架减振桨距控制信号的频率(f)谱的相应示例,除了第二周期分量的第二幅度为零之外,类似于图4。
在一个实施方式中,基于塔架相位与转子相位之间的相位差计算每个塔架减振桨距控制信号中的第一周期分量的第一相位,并且可选地基于塔架相位与转子相位的总和计算每个塔架减振桨距控制信号中的第二周期分量的第二相位。
在一个实施方式中,基于以下项的总和计算每个塔架减振桨距控制信号中的第一周期分量的第一相位:
-相对于所述相位差的相位调整。
可选地基于以下项的总和计算每个塔架减振桨距控制信号中的第二周期分量的第二相位:
-相对于所述相位和的相位调整。
这样的优点可以是能够提供适于抑制塔架振荡的第一相位,并且另外可选地,能够提供适于抑制塔架振荡的第二相位。
引入相位调整的优点可以是,所述相位调整可以补偿时间延迟和/或相移。时间延迟可以例如在检测塔架振荡、产生相应塔架减振桨距控制信号以及根据这些塔架减振桨距控制信号进行变桨的过程中被引入。相移可以由滤波器引入,诸如用于处理来自用以监测塔架振荡的传感器的信号的低通滤波器。如果没有引入相位调整,则由于时间延迟和相位调整,变桨的时序可能是次优的。然而,由于可以经由相位调整考虑到时间延迟和相移的组合效果,因此通过引入相位调整,则可以自由且最佳地选择与时间延迟和相移相关的参数。
在一个实施方式中,每个塔架减振桨距控制信号中的第一周期分量的第一相位对应于(诸如基于并对应于,诸如在实际情况下对应于,诸如等于)以下项之和:
-相对于所述相位差的相位调整。
每个塔架减振桨距控制信号中的第二周期分量的第二相位可选地对应于(诸如基于并对应于,诸如在实际情况中对应于,诸如等于)以下项之和:
-相对于所述相位和的相位调整。
在一个实施方式中,相位调整基于(诸如对应于,诸如在实际情况中对应于)以下效果(诸如组合效果):
-时间延迟,诸如从塔架振荡的检测到减振致动的时间延迟,和/或
-相移,诸如由滤波器(诸如低通滤波器)引入的相移。
可以理解,就周期性致动而言,时间延迟和相移的影响是等价的并且可以相加在一起(考虑它们的符号)。
通过基于时间延迟和/或相移(诸如等价于其组合效果)进行相位调整,时间延迟和相移可以得到考虑并且它们的负面影响被减轻或消除。
在一个实施方式中,基于风力涡轮机的运行点、风力涡轮机的结构特性和/或风力涡轮机的塔架频率进行相位调整。在这样的实施方式中,调整的量以及在可能情况下的符号也可以根据以下项中的一个或多个来进行:转子的速度、1P频率、1P频率与塔架的第一固有频率的比率。相位调整也可以基于诸如在给定运行点的塔架振荡的阻尼之类的结构特性。
图6示出了根据与图3中的前驱信号相对应的信号的变桨结果。
左上图示出了由于根据对应于前驱信号的信号进行变桨而从叶片施加在塔架上的力的方向的极坐标图。角度90°和270°分别对应于上和下,并且角度0°和180°对应于在正交于转子轴线的水平平面中远离风力涡轮机的两个方向。
右上图示出了作为从控制系统发送的请求-横向减振(LD)调制信号-的函数的上/下塔架顶部力,即由于根据对应于前驱信号的信号进行变桨而从叶片施加在塔架上的沿着正交于转子轴线的竖直方向的力。
左下图示出了作为转子方位角位置的函数的侧向塔架顶部力。
右下图示出了作为时间的函数的横向塔架顶部力。
更具体地,左上角的极坐标图示出了由于根据对应于前驱信号的信号进行变桨而从叶片施加在塔架上的力是水平的。然而,如在其余三幅图中可以看到的,(由时间延迟和/或相移引起的)滞后将开始降低减振效果或甚至增强减振效果。例如,对于某个在本示例中为2.87秒的滞后,由于所述变桨而从叶片施加在塔架上的力恰好反向,其对应于粘滞阻尼。
为了考虑到滞后,可以引入相位调整。
图7示出了对应于图6的情况,但是其中已经引入了相位调整以考虑到滞后。然而,相位调整有区别地影响各个组件,并且从而不能有效地消除滞后的影响。例如,在左上角的图中可以看出,滞后可导致由于根据对应于前驱信号的具有相位调整的信号进行变桨而从叶片施加在塔架上的力不再局限于水平面,因此在竖直方向上施加力(也如右上图所示),并且水平方向上的力太小(如左下图所示)。此外,如两个下方图所示,相位不再是最佳状态。
可以注意到,如果第二周期分量的幅度为零或相对于第一周期分量的幅度相对较小,则相位调整可以仍然是有利的。
图8包括形式类似于图6至图7的曲线图,并且示出了根据如图5所示其中第二周期分量的第二幅度为零的塔架减振桨距控制信号进行变桨的结果。更具体地,左上角的极坐标图表明,由于根据对应于前驱信号的信号进行变桨而从叶片施加在塔架上的力不仅是水平的,而且还包括竖直分量(也在右上方子图中示出),因此力矢量实际上绘制了一个(随着时间的)圆圈。但是,水平分量-如左下图所示-正在沿正确方向发挥作用。竖直力分量由塔架和/或重力承载。从两个下方子图中可以看出,(由时间延迟和/或相移引起的)滞后可以通过相位调整来补偿。
因此,仅具有第一周期分量允许找到转子(方位角)相位偏移以用于补偿控制回路中的时间延迟和/或相移。
可以注意到,图8中的左下方子图指出了水平力幅度(大约0.1N)仅是可以从图6的左下方子图中读出的水平力幅度(大约0.2N)的一半。这是因为相对于图6中的信号,图8中的信号的第二周期分量已经被选择性地去除,因此合力变小。这可以从等式中看出,其中等式13中的幅度相对于等式12中的幅度减半。这个副作用可以例如通过增益调度被轻易克服。
图9示出了相位调整的结果。更具体地,图9在三行的三个附图中描绘了具有恒定幅度的变桨的数字示例。前两行分别描绘了在ftow±f1P下的第一周期分量(第一行)和第二周期分量(第二行)的基于时间的信号A(t),此二者在加和时产生底行。每行中的不同线显示0秒至0.6秒的时间延迟对各个信号的影响。具体数字是(参考等式13),f1P=0.174Hz,ftow=0.22Hz,A=1。该附图示出了当在信号中具有一个或另一个周期分量时,相位调整是可能的,但存在两个周期分量使得到的信号模糊。在每行中,表示不同的延迟的曲线之间的距离随着延迟而增加。
在一个实施方式中,第二幅度取决于可用功率,诸如在经由液压桨距力系统提供用于变桨的力的情况中的液压。这样的优点可以是,当功率充足时,可以提供较大的第二幅度,而当较少功率可用时,通过具有较小的第二幅度,从而节省否则应当用于以相对较高频率进行变桨的功率来释放功率。另一个可能的优点是,能够在抑制一侧到一侧的塔架运动的同时减少泵上的应力。
在一个实施方式中,方法210还包括:
-确定212,诸如经由传感器(诸如加速度计)确定:
●塔架振荡的塔架频率(ftow),以及
●转子旋转的转子频率(f1P)。
在一个实施方式中,方法210还包括:
-确定214,诸如经由传感器(诸如加速度计和/或用于给出转子角位置的传感器)确定:
塔架的振荡可以是或基本是转子的平面中的水平振荡。
虽然已经结合具体实施方式描述了本发明,但不应解释为本发明以任何方式受限于给出的示例。本发明的范围由所附权利要求书限定。在权利要求的上下文中,术语“包括”或“包含”不排除其它可能的元件或步骤。此外,提及诸如“一个(a)”或“一个(an)”等的参考不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中所示元件的附图标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外,可以有利地组合在不同权利要求中提到的各个特征,并且在不同的权利要求中提及这些特征不排除特征的组合不是可能且有利的。
Claims (16)
1.一种用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述方法还包括:
-为每个转子叶片准备前驱信号,每个前驱信号包括:
具有大于零的第一幅度的第一周期分量,并且所述第一周期分量的第一频率对应于塔架频率与转子频率之间的频率差,
以及
具有大于零的第二幅度的第二周期分量,并且所述第二周期分量的第二频率对应于所述塔架频率与所述转子频率的频率和,
-根据所述前驱信号,为每个转子叶片准备塔架减振桨距控制信号,其中所述第二周期分量的所述第二幅度已经相对于所述第一周期分量的所述第一幅度部分或完全地减小,
-通过根据所述塔架减振桨距控制信号使每个转子叶片单独变桨来抑制所述塔架的振荡。
2.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,每个塔架减振桨距控制信号仅包括所述第一周期分量。
3.根据权利要求1或2所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述第二幅度减小到零。
4.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,
每个塔架减振桨距控制信号中的所述第一周期分量的第一相位基于以下项的总和计算:
-所述塔架的振荡的塔架相位与转子的旋转的转子相位之间的相位差,以及
-相对于所述相位差的相位调整。
5.根据权利要求4所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,
每个塔架减振桨距控制信号中的所述第二周期分量的第二相位对应于以下项的总和:
-所述塔架相位与所述转子相位之间的相位和,以及
-相对于所述相位和的相位调整。
6.根据权利要求4或5所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述相位调整是基于:
-时间延迟,和/或
-相移。
7.根据权利要求4或5所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述相位调整是基于:
-所述风力涡轮机的运行点,所述风力涡轮机的结构特性,和/或所述塔架频率。
8.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述第二幅度基于可用功率。
9.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述方法进一步包括:
-确定:
所述塔架的振荡的塔架频率,以及
转子的旋转的转子频率。
10.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述方法进一步包括:
-确定:
所述塔架的振荡的塔架相位,以及
转子的旋转的转子相位。
11.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,所述塔架的振荡是在所述转子的平面中的水平振荡。
12.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,每个塔架减振桨距控制信号由所述第一周期分量和所述第二周期分量组成。
13.根据权利要求1所述的用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡的方法,其特征在于,通过使用带通滤波器或陷波滤波器来减小所述第二周期分量的幅度。
14.一种具有指令的计算机可读介质,当执行所述指令时,致使用于风力涡轮机的计算设备或计算系统或控制系统执行根据权利要求1至13中的任一项所述的方法。
15.一种控制系统,其被设置成用于抑制风力涡轮机的塔架的振荡,并且被设置成用于执行根据权利要求1至13中的任一项所述的方法。
16.一种包括根据权利要求15所述的控制系统的风力涡轮机。
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