CN1620553A - 风力涡轮机的被动速度和电力调节 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机其叶片(1)这样配置，使得叶片能够反抗弹簧(15)或其它弹性装置的作用而为失速进行俯仰，叶片上的离心负荷的作用沿由于使该叶片(1)向失速俯仰而丢失电力的方向反抗弹簧(15)。由发电机或其它电力转换装置提供的转矩加载起作用而使叶片(1)沿相反方向进行俯仰，从而无论何时当从风力涡轮机提取电力时能减少丢失负荷量。

Description

风力涡轮机的被动速度和电力调节

本发明涉及一种风力涡轮机的被动式速度和电力调整系统。

风力涡轮机是众所周知的用于从风抽取能量的装置。这些装置最普通的是带两个或更多个叶片的水平轴机器。对于所有这些机器的一种关键性设计的挑战是需要调节从风力提取的电力以避免过大的转子速度或强风下发电机的过载。一种达到这一点的方法是通过变换叶片的俯仰角度。这可以通过主动调节(如利用电力驱动器或液压驱动器)或被动机构来达到。被动调节涉及利用自然存在于风力涡轮机内的力来使这些叶片俯仰而反抗一个弹簧或使叶片或其连接点变形。

这些自然存在的力包括作用于风力涡轮机叶片上的离心负荷、主轴中的转矩及沿主轴轴向作用的推力负荷。这些力可以用于许多不同的实际构型来使叶片俯仰。叶片的俯仰或者可以顺着桨叶(以减小空气动力迎角并因此减小对风力涡轮机提供功率的空气动力的升力)，或者可以向着失速位置。向失速俯仰增大了该迎角，因此起初能增大功率，但最终该俯仰角会达到这些叶片会“失速”的角度而空气动力升力将丧失和空气动力阻力将增大。这样该风力涡轮机将失去其发电的能力。

目前存在几种用于达到被动式叶片俯仰的方法，包括使用上述力中的每一种力的方法。本专利描述一种不同的方法，该方法利用叶片上的离心负荷和轴转矩负荷两者的组合来给出一种改进的俯仰控制方法，这种方法不管发电机是否提供电力都能工作。不仅这些力的组合很重要，而且这些力作用的方向也很重要。离心负荷的作用是通过使叶片向失速进行俯仰来丢失电力，而轴转矩负荷沿反方向的作用是减小叶片俯仰的量并因此减小电力丢失量。

本发明涉及风力涡轮机叶片上的离心负荷或附着于叶片上的分力与利用发电机反作用转矩的组合，来提供对风力涡轮机的保护而反抗过分加速和反抗产生过多电力。该保护方法的工作与消费者需要风力涡轮机通过发电机产生多少电力无关。这种保护是通过被动式俯仰调节使得离心负荷起作用力图使叶片向失速的俯仰离开聚集能量的最佳位置，从而使电力丢失。发电机的反作用转矩(如果存在的话)沿反方向作用而减小俯仰运动的量并因此减小电力丢失的量。

存在一种获得这种特性组合的几何构型。

按照本发明，提供一种如权利要求1中所述的风力涡轮机。本发明的更具体的和/或更优选的特点列举于附属的权利要求书中。

在本发明的一个特定的实施例中，一种将叶片连接在风力涡轮机上的机构造成部分地消除通常加在轮毂上的某些局部负荷。这是通过将每个叶片连接在其端部和一第二外部位置两处上而达到的。这些叶片被配置成使得每个外叶片连接点尽可能靠近相邻叶片的端部连接点。因为与相邻叶片有关的负荷大部分是相等而对置的，所以这大大地减小了从叶片转移到轮毂上的局部负荷的严重程度。如果叶片直接连接在一直接驱动的发电机的转子上，那么这将特别有利，因为尽可能减小发电机的变形和发电机空气间隙的变化是重要的。

最好是，涡轮机叶片这样连接，使得它们在所有时间具有相同的俯仰设置。也描述了达到这一点的两种不同机构。

第一种方法涉及一种以上述几何形状连接多个叶片的紧凑机构，对叶片的俯仰施加一预负荷和弹性阻力，并允许叶片在俯仰中连接而使由该联动机构承载的负荷达到最小。

该方法使用连接在每个叶片上的一根俯仰杆上的推杆，这些推杆对着一个弹性部件如压缩弹簧起作用。该推杆在其移动中受到限制，以便起一个固定止动件的作用来限定最佳的叶片俯仰位置，并与该弹簧结合而施加一预负荷和提供一正比的阻抗来促进叶片的俯仰。

一个异形的俯仰连接板安装成能够围绕涡轮机的主轴转动。该板的几个顶点每个连接在一个叶片推杆上，使得该板将由于叶片俯仰而转动，由此限制这些叶片而保证相同的俯仰。通过将该板直接连接在这些推杆上，由于不需要传递俯仰的预负荷或俯仰的阻抗负荷而减小了通过转动该板所传递的负荷。

第二种方法具有提供一个在强风中完全停止涡轮机的机构和提供一正比于叶片俯仰变化速率的阻尼力这两者的补充优点。

在该配置中，称为俯仰臂的刚性部件连接在叶片上，使得当叶片俯仰时这些俯仰臂转动。这些俯仰臂的另一端利用销钉结合部连接在一个能围绕转动轴转动的刚性圆环上。每个俯仰臂的端部由于叶片在俯仰中的转动而描绘的弧形有两个分量，一个平行于涡轮机的主轴(“轴向分量”)，而另一个处在轮毂的转动平面内(“平面内分量”)。

每个俯仰臂端部所描绘的弧形的平面内分量造成该圆环的转动，由此将每个叶片限制于同样的俯仰角和俯仰变化。

每个俯仰臂端部所描绘的弧形的轴向分量使该圆环沿轴向移动。如果利用一个提供一正比于叶片在俯仰中转动程度的阻抗的弹性部件来沿轴向限制该圆环，而该圆环的轴向移动受到固定止动件沿一个方面的限制以给出一设定的初始的叶片俯仰角，那么一个预负荷可以被施加在该弹性部件上，使得该叶片的俯仰转矩在该叶片开始变化俯仰之前必须达到一设定的值。

该弹性偏压部件可以包括一个能沿一平面外方向弹性变形的圆形膜片，使得离开其平衡位置的轴向移动形成一正比于其偏移的阻抗。该圆形膜片沿轴向和径向受到限制，但被允许围绕转子轴转动。通过利用固定的止动件限制叶片经过某一点的俯仰和通过将该膜片的中心部分固定在一个从其未变形位置沿轴向移动的位置上而可以在膜片弹簧中引入一个预负荷。

该刚性圆环可以连接在一个相对于风的方向这样安置的表面上，使得由于其对风的显著的空气动力阻力而在该圆环上施加一随风速而增大的轴向力。

由该表面施加的力的作用是移动该刚性圆环并因此沿轴向移动俯仰臂的端部，由此，一旦膜片中的预负荷被由于离心力和该表面上的空气动力的力而产生的叶片俯仰转矩的组合所克服，就导致叶片向着一失速位置产生俯仰。这将在极端的风力状态下往往使叶片保持失速状态并造成较低的转动速度。

从由于围绕其俯仰轴转动而产生的叶片俯仰变化所形成的该表面的轴向移动也受一个正比于由该表面的空气阻力所产生的轴向偏移速度的力的阻力，由此形成一个阻止叶片俯仰变化的阻尼力。该阻尼力将正比于叶片俯仰的变化速率而增大，由此阻止叶片俯仰的快速度化。

上面列举了一个达到叶片被动式俯仰要求的几何形状布置的例子，现在参照下列附图来描述如何可以实现该布置的例子，附图中：

图1表示叶片连接和俯仰轴的几何形状；

图2是本发明第一实施例的涡轮机转子的主轴上的视图，表示叶片在一三角形轮毂板上的配置，为清楚起见移去了俯仰控制部件。

图3是该涡轮机转子的侧视立面图，表示连接在该轮毂上的一个叶片的配置，为清楚起见移去了俯仰控制部件和其它叶片。

图4是一个叶片的下侧面上的视图，表示俯仰杆、推杆、压缩弹簧和弹簧配件；

图5表示本发明第一实施例的变化方案，其中叶片和推杆组件安装在一圆形轮毂板上并连接在俯仰连接板上，为清楚起见未示出叶片；

图6表示安装在一圆形轮毂板上并连接在俯仰连接板上的叶片和推杆组件，图中示出了叶片；

图7是本发明第二实施例的叶片的逆风根区上的视图，表示外叶片俯仰轴承和俯仰臂与叶片端部俯仰销钉的连接；

图8是沿顺风方向的涡轮机转子的等比例图，表示叶片俯仰臂通过该刚性圆环的相互连接；

图9是沿逆风方向的涡轮机转子的等比例图，表示通过该膜片弹簧而安置在主轴上的该刚性圆环；以及

图10是涡轮机转子的侧视立面图，表示连接在该刚性圆环和膜片弹簧阻尼器上的三个叶片。

图1中示出一种达到叶片被动俯仰所要的配置。为清楚起见，该图只示出一个叶片。涡轮机主轴用(Z-Z)表示，转动方向用(R)表示，而风的方向用(U)表示。叶片安装成它能围绕俯仰轴(X-X)转动。俯仰轴沿径向相对于主轴(Z-Z)偏移一个距离(Y)。叶片轴(B-B)相对于俯仰轴(X-X)倾斜一个角度(A1)。叶片(m)的质量中心位于叶片轴(B-B)上。

一个预加载的弹性部件如弹簧(D)将该叶片保持在最佳俯仰位置处对着一强烈制动以最大地积聚能量。该风力涡轮机叶片安置成它能向失速进行俯仰，但由于预加载的弹簧而受到限制不能那样做。这些叶片保持在该最佳俯仰角处，直到作用其上而使叶片俯仰的负荷足以克服该预负荷并开始沿箭头(P)方向使叶片向失速开始俯仰。

该配置有两个特征。第一，当风力涡轮机转动时作用在叶片上的离心负荷(Fc)有一其作用力图使叶片围绕俯仰轴(X-X)而俯仰的分力。它被安置成使得该力的作用企图克服预加载的弹簧并使叶片向失速俯仰，从而丢失空气动力学功率。

第二，如果该叶片正在发电，那么它将产生一个围绕如箭头(R)所指示的主轴(Z-Z)的空气动力转矩。如果发电机不发电，它将不对该转矩提供反作用力，而该空气动力转矩将简单地使转子加速，而它将不直接影响俯仰角(假定系统的大部分转动惯量在叶片中而非发电机中)。但是，如果发电机连接在一个负载上，那么它将提供一个可能足以或可能不足以防止转子加速的反作用转矩。该反作用转矩也有一个其作用企图使叶片俯仰的分力。该几何形状是这样的，使得发电机转矩的作用使叶片背离失速而向着最佳能量聚集的位置俯仰。

理解该几何形状的优点的关键要求在当发电机设有连接在一负载上(风力涡轮机空转)时发生什么和当其连接在一负载上而发电时发生什么两者之间进行比较。

如果发电机设有连接在一个电负载上，那么风力涡轮机将实际上空转。在最大可能的速度，该弹簧力可这样设定，使得该离心力能够克服该预负荷而使叶片充分地俯仰而防止任何空气动力学发电，从而防止任何进一步加速(通常这将是靠近失速15度～20度)。

如果风力涡轮机发电机按照中等风力发电，那么将不需要俯仰，因为发电机将能够限制该风力涡轮机的速度。在强风下需要一些俯仰来保证在同一最大可能的转速下产生的空气动力不会超过被该发电机转化为电力的空气动力，从而防止任何进一步加速。如果发电机没有使用，这将要求比需要的更小的俯仰变化。风力涡轮机的几何形状可以做成保证发电机反作用转矩对俯仰力矩作出充分的贡献，以便将负荷丢失量刚巧减小所要的量。

因此，这种特点的组合允许风力涡轮机有一限定的最大允许转速，不管发电机是连接在一负载上还是风力涡轮机只是在空转，这一最大允许转速将不会被超过。

此外，上面详细描述的适合于被动式俯仰配置要求的几何形状可以这样配置，使得转移到轮毂上的负荷的严重程度大大减小。这例示于图2和图3，其中围绕轴(4)转动的三个叶片(1)每个在其端部(11)和第二外部位置(12)的两处连接在轮毂板(2)上。叶片(1)这样配置，使得每个外叶片连接点(12)尽可能靠近邻近的叶片端部连接点(11)。因为与相邻叶片有关的负荷大多是相等和相反的，所以这大大地减小了从叶片转移到该轮毂的局部负荷的严重程度。

涡轮机叶片最好在所有时间具有相同的俯仰位置。为了达到这一点，需要将叶片机械地连接。提出了两种保证这种叶片俯仰设置的匹配性的不同方法。

在第一方法中(见图4)，每个叶片(1)可以转动地安装在一个叶片端部连接点(11)和一个外叶片连接点(12)上。俯仰杆(13)刚性地连接在叶片的下侧面上，使其在俯仰中与叶片(1)一起转动。俯仰杆(13)连接在推杆(14)上，推杆(14)受弹簧(15)作用并且也受弹簧托架(16)限制。这两者起一个固定止动件的作用，使得该叶片只能沿向失速方向进行俯仰并对弹簧(15)施加一预负荷。弹簧托架(16)和推杆(14)将叶片(1)保持在一个对抗弹簧(15)的预负荷的设定位置上。

图5中例示在俯仰中连接三个叶片的机构，而图6表示一种将三个叶片安装在一圆形轮毂板上的配置。为了在俯仰中连接三个叶片，一个在其三个顶点的每个顶点处具有连接点的异形板(17)可以转动地安装在平行于轮毂板的涡轮机主轴上。每个推杆(14)通过径向可变结合部(18)连接在一个连接点上。叶片俯仰的任何变化产生异形板(17)的转动和所有叶片的俯仰中的相同变化。

通过分离转动俯仰连接板的功能与对俯仰的预负荷和弹性阻抗的要求，由俯仰连接板传递的负荷被大大减小。

在第二方法中，叶片不仅在俯仰中连接，而且承受一个向着失速的随风速的提高而提高的俯仰转矩。这一特点能够使风力涡轮机在极端风速下停止。

图7表示外叶片外连接点(8)和(9)与刚性地连接在叶片(1)的逆风面上的俯仰臂(5)的位置。它也表示与俯仰轴和外叶片连接销钉(9)同轴的叶片端部销钉(10)。

图8中示出一个互相连接叶片的机构。三个叶片(1)(为简明起见用虚线描画)通过其各自的俯仰臂(5)连接在一个刚性圆环(6)上。叶片(1)围绕其俯仰臂的转动造成刚性圆环(6)的转动和轴向偏移两者，因此每个叶片(1)受到限制而围绕其俯仰轴转动一个相等的量。

图9从逆风方向表示涡轮机转子，叶片(1)由俯仰臂(5)连接在刚性圆环(6)上。刚性圆环(6)连接在一膜板(7)上，后者通过其中心部分安置在轴(4)上，使其沿径向和轴向受到限制，但能自由地围绕转子的主轴转动。

因为膜板(7)沿轴向在其中心处受到限制，所以当外环形边缘(6)沿轴向移动时膜板(7)受力偏移，由此其行为好象提供一偏压力来对抗这种移动。膜板(7)沿轴向这样安置，使得其作用像一个偏压力，使叶片(1)围绕其俯仰轴转动，直到它们接触一个安置成将它们保持在一预先选定的俯仰角中的固定止动件。

图10表示涡轮机转子的侧视立面图，使膜板(7)偏移而给出一个预先加载的弹簧偏压，对着这些固定的止动件保持叶片(1)，直到该俯仰转矩足以在叶片俯仰中产生变化。因此，该膜板能够代替上面情况中提到的预加载弹簧的作用。它也提供一定程度的俯仰连接作用，能够代替前面所述的俯仰连接系统。

俯仰控制膜板(7)也这样设置，使得它将受主风的全力作用。小心地制作这表面的尺寸使得能够在连接到控制叶片俯仰的俯仰臂上环形外边缘(6)上外加一个可以预测的额外轴向力。因此在强风中该表面的空气动力的阻力将自动地使叶片移动到一个失速位置。该系统能够用于使风力涡轮机在强风中停止。

该表面的轴向移动与叶片俯仰的变化一起使该表面能够产生一个正比于俯仰角变化速率的阻尼力。该阻尼力产生于由于其移动而作用在该膜板上的风速的变化，而这能有助于显著地改进该俯仰系统的动力学行为。

Claims (14)

1.一种具有至少一个叶片的风力涡轮机，该叶片配置成能够反抗一弹簧或其它弹性装置的作用而向失速进行俯仰，也使得该叶片上或一个或多个任选地连接于其上的部件上的离心负荷沿由于使该叶片向失速俯仰而丢失电力的方向反抗该弹簧起作用，也使得由发电机或其它电力转换装置所提供的转矩加载起作用而沿相反方向使叶片俯仰，从而使得无论何时当从该风力涡轮提取电力时能减小负荷丢失量。

2.一种如权利要求1中所述的风力涡轮机。其特征在于，该俯仰轴线沿侧向偏置，使其不与该风力涡轮机的转动主轴线相交，而该叶片的质量中心和空气动力中心沿平行于该风力涡轮机的转动轴线的方向与俯仰轴线偏置。

3.一种如权利要求1中所述的具有两个或多个叶片的风力涡轮机，其特征在于，所有叶片的俯仰角是通过一共用的俯仰联动机构系统而做成相同的。

4.一种如权利要求3中所述的风力涡轮机，其特征在于，该联动机构通过这样一个板制成的，该板围绕以该风力涡轮机转子相同的轴线转动。

5.一种如权利要求1中所述的具有两个或多个叶片的风力涡轮机，其特征在于，其单个叶片连接在两个称为“叶片端部”和“外侧”连接点的位置上，并这样配置，使得对于所有叶片来说，一个叶片的叶片端部连接点相邻于或重合于下一个叶片的外侧连接点。

6.一种如权利要求5中所述的风力涡轮机，其特征在于，其叶片直接连接在一个直接驱动发电机的转子上。

7.一种如权利要求2中所述的具有多于一个叶片的风力涡轮机，其特征在于，这些叶片是利用在其一端连接于该叶片上的部件使这些部件随该叶片的俯仰变化而转动而相互连接的，并在该叶片的另一端连接在一个刚性圆环上，该圆环沿径向受到限制，但能围绕该转子轴线转动，从而保证所有叶片有相同的俯仰变化。

8.一种如权利要求7中所述的风力涡轮机，其特征在于，连接这些叶片俯仰臂的圆环受一个产生一偏压力的弹性部件的轴向限制，使得其离开平衡位置的轴向移动造成一个由于其偏移而产生的阻力。该阻力作用在由连接于该圆环上的俯仰臂的端部所描绘的圆弧的轴向分量上，从而反抗该叶片围绕其俯仰轴线的转动。

9.一种如权利要求8中所述的风力涡轮机，其特征在于，在其中提供固定的止动件，用以设定该叶片的初始俯仰角和对该弹性部件施加一预负荷，从而将该叶片保持一个规定的俯仰角，直到达到一个选定的俯仰转矩。

10.一种如权利要求7～9中任何一项所述的风力涡轮机，其特征在于，该连接该叶片俯仰臂的圆环连接在一圆形膜片上，该膜片能够沿平面外的方向弹性地变形，使得离开其平衡位置的轴向移动产生一正比于其偏移的阻力，该阻力作用在由连接于该圆环上的该俯仰臂的端部所描绘的圆弧的轴向分量上，从而反抗该叶片围绕其俯仰轴线的转动。

11.一种如权利要求10中所述的风力涡轮机，其特征在于，通过利用固定的止动件限制该叶片经过一定点的俯仰并通过固定自其未变形位置轴向移动的膜片的中心部分，该膜片弹簧受到一预负荷。

12.一种如权利要求7～11中任何一项所述的风力涡轮机，其特征在于，该圆环连接在一个相对于风力方向这样设置的表面上，使得由于其显著的空气动力阻力，它对该圆环施加一个随风速而变化的轴向力。

13.一种如权利要求12中所述的风力涡轮机，其特征在于，由该表面施加的力产生作用而沿轴向移动这些俯仰臂的端部，造成这些叶片产生俯仰。

14.一种如权利要求12或13中所述的风力涡轮机，其特征在于，由于围绕其俯仰轴转动而产生的这些叶片俯仰变化所造成的该表面的轴向移动受到一个正比于由于该表面的空气阻力而产生的轴向偏移速度的力的抵抗，从而产生一个反抗叶片俯仰快速变化的阻尼力。

Images