用於水平軸風力渦輪(hawt)的自動節距控制系統的製作方法

2023-12-04 20:26:36

專利名稱：用於水平軸風力渦輪(hawt)的自動節距控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新裝置，風力渦輪的葉片節距角(pitch angle)通過該新裝置可以自動地設置，用於在不斷變化的風情況下優化功率輸出。本發明涉及一種機構，可以由水平軸風力渦輪(HAWT)採用以設置用於它們可能遇到的不同的情況的最佳葉片節距角，以優化它們的功率產出。儘管大型渦輪機可以證明設置有來自傳感器的風力情況數據的複雜的伺服驅動節距調節系統是正當的，但這些大型渦輪機昂貴和耗電。因此，小規模的渦輪機主要使用簡單的固定節距(Pitch)系統。已經提出根據渦輪葉片上的向心力自推進的多個折衷解決方案，但這些方案往往是差的折衷，沒有充分地優化啟動情況和過載情況。也沒有一種方案能夠迅速地反應以最好地利用風速的瞬態變化，諸如陣風和暫息(lull)。
背景技術：
所有大型渦輪機目前使用可變節距調節系統以設置最佳葉片衝角(angle of attack)，以配合當時的風力情況。這種用於優化選定風板的升力/阻力性能的理想設置角度增加到由端速比(TSR)限定的角度，端速比是葉片尖端速度除以風速。由Mutschler 禾口 Hoffman 發表的題為"Comparison of Wind Turbines Regarding their Energy Generation"的研究報告表明，可變節距可以比固定節距系統多交付約20%的能量並且對於小的高TSR系統達到38%。在平均風速相當低和湍流高的地方收益最明顯，如同較低的塔架上的較小渦輪的情況一樣。可以顯示，在平均風速6米/秒處運轉的小型渦輪機系統在面對3米/秒的陣風或暫息時，將需要調節其衝角約7度以保持在其最佳性能處。如果沒有這種做，在暫息中，其升力係數從 2將減少到 1.3，並且在陣風中，其阻力係數將從 0. 03增加到 0. 075， 而升力僅有小的增加。如果波動是6米/秒，在暫息中，渦輪將像風扇一樣動作，並且浪費其加速空氣的角動量，並且在陣風中，升力係數將下降到 1.8，而阻力係數極大地攀升到 0. 15。大型系統使用風速和渦輪轉速的傳感器數據指示電動伺服系統按比例地調節葉片節距。這是值得的，雖然注意到，高的葉片慣性和伺服系統的相對較慢的速度並不能夠使它們優化如可能經歷的一樣快的風速變化。Mutschler使用具有平均20%湍流偏差和在其限度之間在 10秒中所發生的變化的模擬。實際的風數據表明，這些變化如圖1和2所示的那樣非常快，圖1和2顯示在10秒期間內在正常和湍流兩種情況下的典型模式。在能量與風速的立方成正比的情況下，波動等同於在幾秒鐘內的能量的二倍或三倍。它們顯示，如果能夠足夠快地實現節距變化，進一步的能量獲得是可能的。使用向心力以調節節距角的折衷自推進解決方案由於轉子需要時間來加速而不能迅速地反應。它的作用是在大風中降低節距並且因而提高TSR。這沒有顯著地有助於啟動，並且僅通過使葉片停止而對過載反應，同時降低轉速以高的軸向推力載荷為代價，並且因而在塔架上施加過度壓力。已經提出各種其它裝置，諸如允許葉片以傾斜角度(skew angle)轉動，從而在陣風吹回葉片時，它們增加葉片的衝角。這種響應難以適合優化設置水平，並且雖然稍微有助於啟動，但沒有提供過載解決方案。大多數小系統通過使用方向舵以傾斜自身到一邊來避免過度的風，其中它們故意變得低效和湍流，或有具有其它裝置以溢出過度能量。雖然可以避免發電機旋轉太快，但風車結構仍然不得不暴露增加的風力載荷。過載荷保護的結果往往是正好在能量密度最大時減少能量輸出。

發明內容
因此，本發明的主要目的是提供一種裝置，用於將葉片節距自動地設置到低的 TSR,以在早期渦輪啟動時在零轉速處交付最大轉矩。本發明的進一步目的是在渦輪加速時增加TSR並且保持其穩定在理想的連續運行情況處。本發明的進一步目的是通過降低TSR以增加轉矩和因而增加轉動加速率，對陣風或者風速的瞬時增加快速地反應。本發明的進一步目的是，通過增加TSR以降低轉矩和因而保持轉動動量 (momentum)，對暫息或者風速的瞬時下降快速地反應。本發明的進一步目的是，通過在這些情況下減少TSR-類似於使葉片順流 (feathering)，對過度的風速做出反應，以不超過安全轉速限制，其中在葉片順流時葉片產生較少阻力。本發明的進一步目的是為上述全部目標提供能夠以成本低製造的自推進和相對簡單的機構。其它和進一步的目的將在下文中解釋並且更特別地在附後權利要求中描述。綜上所述，本發明提出利用轉子上的軸向推力和與其轉動速度相關的向心力兩者以實現用於全部情況的最佳解決方案。基本概念是軸向推力沿其軸向後推動渦輪，引起節距增加和TSR降低，同時轉速相關向心力向前牽引渦輪，引起TSR將被增加。在陣風情況中，這個做的結果是，當風速增加得比渦輪機可以加速的快時，作用力失衡引起渦輪向後移動，並且從而降低TSR以避免停止，並且因而較好地利用有效功率作為增加的轉矩。同樣地，當存在暫息時，所述失衡向前移動渦輪，增加TSR並從而降低轉矩，並且因而幫助節省其轉動動量。為了在低風速中的早期啟動時引起渦輪移動到低的TSR，設置彈簧以向後推渦輪， 有效地順應任何風。為了引起渦輪朝向低TSR移動以限制在過載情況下的轉速並且跟蹤最大安全能量，甚至在風的速度繼續增加時，採用進一步的彈簧裝置。這個過載荷彈簧作用在向心力元件和渦輪之間，並且因而使渦輪在大風中向後移動，而不管產生的向心力的量。該彈簧裝置被設置到預載荷，從而其在轉速限制處並以適合在TSR按比例地降低時維持該限制的彈簧比率產生的已知推力被超過以後允許移動。不是利用葉片產生平衡向心力，在優選實施例中是使用單獨的重塊產生平衡向心力。使向心力從葉片脫開的優點在於，葉片作用力有可能變得過高，並且在葉片徑向地向外移動時尖端直徑的增加可能是一個問題，其中的葉片在受限的管中運轉，如在其中擴散器 (diffuser)用來加速通過渦輪的風的系統中運轉。重塊可能被布置以軸向地衝出(fly out)，或許甚至圍繞葉片軸，但是優選的實施例是使它們在臂上擺動，很像是用調速器發生的那樣。這個動作可以布置以引起在重塊槓桿上的滾軸反抗凸輪動作或起作用，凸輪的輪廓呈現局部坡道角度，該坡道角度使產生的軸向平衡作用力的量適合於最佳的任何給定轉速。該技術方案要求葉片軸與轂的軸向移動成比例地轉動。實現這個目的的優選裝置是採用連接到固定的發電機軸的兩個滾軸，滾軸作用在連接到葉片軸的雙面凸輪。再次，可以選擇凸輪角級數以改變齒輪連接，從而關係不需要是線性的。由於渦輪被移動，當滾軸處於關於發電機軸的固定位置時，凸輪不得不轉動。在進一步的實施例中使用皮帶，皮帶首先連接到轂的固定部，然後圍繞連接到轂的軸向可移動部的葉片輪軸纏繞，並且然後通過彈簧返回到固定部。由於葉片組軸向地移動，皮帶引起葉片在其軸上轉動，由彈簧獲得鬆弛或由彈簧加長皮帶。在這個實施例中，彈簧作為預載荷裝置，不僅只是保持皮帶張力，而且試圖推入皮帶，其中彈簧移動葉片組使其增加它們的節距角並且變得更順流，如在啟動情況中將適合的那樣。在這樣做時，還保持向心重塊位於其關閉位置。在啟動以後，期望TSR快速地增加到其最佳運行模式，啟動彈簧仍然將產生使TSR 快速地增加到其最佳運行模式所需要的向心力的重塊保持在合適的位置中。向心力因此必須比推力更快地增加，以使其佔優勢並開始向前移動轂。該移動將隨著渦輪加速而繼續，直到向心力再次通過由彈簧增大的日益增長的推力載荷而被平衡。在渦輪轉矩隨著TSR增加而已經減少的點處達到平衡點從而不再加速。這由啟動彈簧幫助，啟動彈簧與設置TSR的軸向渦輪移動成比例地提供其軸向作用力。同樣，由於風速增加，達到的平衡點趨向於少量增加其TSR(並且彈簧具有相對較小的推動效果)。這有助於在較低的速度處提供更大的轉矩，以更好地匹配所連接的發電機的特性。為了使這個平衡點適合理想的TSR，通過改變凸輪上的坡道角度來調節向心力，如之前說明的那樣，所述向心力反抗所述凸輪動作或起作用。現在可以看到，風速波動將作用以移動這個作用力平衡點，並且與風推力載荷變化一樣快速。在陣風的情況下，風推力向後移動渦輪機並且因而提供動量以將葉片轉動到較低的TSR，使得它們能夠更快地加速，而不是趨向停止。在暫息的情況下，使用渦輪機的存儲的轉動慣量的向心重塊現在具有較少的平衡風推力以牽引轂向前，並且從而減小葉片節距和因此降低具有較高TSR的轉矩，而不是趨向變成其中轉動動量快速地失去的風扇。這些反作用的作用在於，它們能夠迅速地出現，由大的風推力推進，並且動量功率節省或備用(reserve)。現在描述最佳模式和優選設計和技術。


結合附圖能夠最好地理解本發明，其中圖1顯示第一數據圖表；圖2顯示第二數據圖表；圖3顯示作用力平衡關係；圖4顯示端速比關係；圖5顯示所述機構的兩個等大視圖。左手視圖顯示其處於啟動情況，其中葉片被設置以提供最大轉矩。右手視圖顯示其處於最高轉速情況，其中重量已經向外擺動，向前牽引轂並且將葉片設置為適合高TSR。圖6顯示兩個頂視圖，其中穿過上部葉片系統的驅動凸輪剖開上部葉片系統。左手視圖顯示其處於啟動情況，葉片凸輪處於其向後限制處，並且其中其在凸輪滾軸之間的偏移量已經引起其轉動到其順時針方向限制。右手視圖顯示轂被向前牽引，將凸輪移動到其逆時針方向限制。圖7顯示穿過該機構的中心部分的側視圖截面，顯示該機構處於其啟動情況中。圖8顯示類似側視圖截面，但是該機構處於其最高轉速情況。圖9顯示類似側視圖截面，但是該機構處於其過載情況，其中過載彈簧已經被壓縮並且允許轂向後移動，而不管與轂向後移動相對的高的向心力。圖10顯示皮帶用於轉動葉片輪軸的實施例。在這個視圖中，皮帶已經由它們的彈簧牽引回來以使葉片移動到大節距順流(Pitch feathered)位置。圖11顯示與圖10相同的實施例，但是現在處於較高轉速的運行模式中，其中向心重塊已經向外擺動，並且向前牽引葉片組，從而拉伸保持皮帶的彈簧，並且進而引起皮帶使葉片的輪軸轉動。在附圖中，通過示例的方式說明發明的優選實施例，將被清楚地理解，說明書和附圖僅用於圖示和優選設計的目的，而不意圖作為本發明的限制的限定。
具體實施例方式在圖5中顯示了該機構，其框架1包括兩個輪廓切片，其具有被焊接成放射狀圖案以支撐葉片軸的管狀長度。這個實施例支撐五個葉片，但是看起來其它數字也是可行的。轂由彈簧2推動到轂的軸的後面，保持向心重塊3，向心重塊3在臂上擺動以克服凸輪5驅動滾軸 4，以在重量如由12所顯示向外擺動(swing out)時逐步地向前移動轂。凸輪滾軸支撐件10保持作用在葉片設置凸輪7上的滾軸6。由此可以看出，當重量向前推動轂時，葉片8在其軸上轉動進入位置11。在圖6中在左側視圖中成截面的該結構顯示背面法蘭14，背面法蘭14支撐凸輪滾軸固定器19，固定器19的滾軸20和22作用在凸輪17上以設置其圍繞葉片軸的轉動角度。滾軸 23靠著窄楔板M動作或起作用，並且將驅動轉矩從框架13傳輸到法蘭14。此裝置使其能夠被調節到支承滾軸中的與剛性控制一致的預載荷的程度。重塊(masses) 15處於其停放位置。在右側視圖中，重塊16已經向外擺動，牽引轂和框架25向前遠離法蘭27，引起凸輪18使葉片從葉片啟動位置25轉動到葉片高轉速位置26。在圖7中截面視圖顯示剛性連接到發電機軸的法蘭28和軸延伸部分。凸輪滾軸固定器32 連接到法蘭，固定器32將滾軸(例如34)保持在凸輪38上。框架30包括孔，該孔允許其根據需要沿著軸滑動，以實現作用力平衡軸向偏移定位。框架通過大作用力彈簧33保持緊緊靠著另一個的臺階狀管四，大作用力彈簧33支撐在軸的徑向陣列上，端部停止件31將框架的成形側板中一個限制在端部停止件和彈簧之間。如將看到的那樣，這構成過載的預載荷裝置。重量顯示為完全地由彈簧37的作用抵消，彈簧37儘可能向後移動凸輪36以及框架四和30，以引起滾軸35上升到其頂部位置。在圖8中截面視圖現在顯示該機構處於其最大向前位置，其中處於向上擺動中的滾軸46 已經向前牽弓丨凸輪48，隨著它一起拖曳臺階狀管45和框架39-如在轉速限制處可能發現的那樣。現在啟動載荷彈簧47已經被完全地壓縮。當已經通過由作為軸延伸部分44的一部分的部分43保持在法蘭上的滾軸(例如 40))的作用轉動凸輪42時，葉片轉動已經被設置用於最大轉速。過載彈簧38再次限制框架向上緊靠臺階狀管45。在圖9中示出了與圖4中所示相同的截面視圖，但是現在風推力已經克服過載彈簧38，從而框架39可以相對於保持向心凸輪48的臺階狀管45向後滑動。通過這樣做，它們可以改變葉片角度，從而不超過轉速限制。在颶風作用力的情況下，這可能如啟動位置一樣向後， 其中葉片將基本上順流(feathered)，用於最小化阻力。在圖10中示出了使用皮帶(例如皮帶49)的實施例，皮帶圍繞皮帶輪(例如皮帶輪51)作用，皮帶輪由彈簧(例如彈簧50)拉緊，從而在這種情況下，彈簧引入保持葉片57轂的軸向可移動部分中，這又導致向心重塊保持在其關閉位置中。在圖11中顯示與圖6相同的實施例，但是現在葉片組58已經由向心重塊56向前推動，作為轂轉動的結果，向心重塊56在它們的槓桿臂上向外擺動。彈簧(例如彈簧52)現在已經被拉伸，有效地延長轉動皮帶輪(例如皮帶輪的皮帶(例如皮帶53)，並且因此調節葉片節距角，在這種情況下，是減少葉片節距角(Pitch angle)。本領域技術人員將想到本發明的其它修改，並且所有這些被視為落入本發明的由附後權利要求限定的精神和範圍內。
權利要求
1.一種自推進自動節距調節系統，其中渦輪上的軸向推力載荷與由渦輪轉動引起的軸向分解向心力保持平衡，從而，如果推力載荷增大得比向心力載荷快，則渦輪葉片的節距角被增加以增加轉矩，並且如果推力載荷減少得比向心力載荷快，則節距角被減小以節省轉動動量。
2.根據權利要求1所述的系統，其中保持葉片的轂響應於風推力載荷的增加而軸向地向後移動，但是響應於向心力載荷的增加而向前移動，所產生的淨軸向移動確定葉片的節距角。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中包括彈簧力部件，該彈簧力部件在風推力和轉速兩者都低時軸向地動作以增大風推力，從而使葉片返回到大節距角停止位置。
4.根據權利要求1，2或3所述的系統，其中向心力的平衡反作用力由預載荷裝置限制， 從而在限定的風軸向推力水平之上，所述轂能夠軸向地移動，而不管向心力，從而按比例地增加節距角，並且因而通過移動葉片進入順流狀態而有效地限制轉速。
5.根據權利要求1，2，3或4所述的系統，其中向心載荷由重塊提供，所述重塊在杆杆臂上向外擺動，在凸輪中產生克服渦輪上的風推力的軸向反作用力。
6.根據上述任何一項權利要求所述的系統，其中向心力由重塊提供，所述重塊由將徑向移動轉化為軸向移動的裝置約束以徑向地向外移動。
7.根據權利要求1，2，3或4所述的系統，其中渦輪沿其轉動軸線的移動引起連接到渦輪葉片輪軸的凸輪由滾軸成比例地轉動，所述滾軸固定到軸向剛性發電機軸。
8.根據權利要求1，2，3或4所述的系統，其中通過允許葉片徑向地向外移動而產生向心力，並且其中這種運動被轉化成克服推力的軸向力。
9.根據權利要求1，2，3或4所述的系統，其中皮帶通過能夠拉伸的拉力裝置從轂上的固定點開始運行，圍繞渦輪葉片的輪軸上的皮帶輪，返回到固定點，從而葉片陣列的作為淨推力和向心力的結果的軸向移動引起皮帶使葉片圍繞它們的輪軸與所述軸向移動成比例地轉動。
10.根據權利要求1，2，3或4所述的系統，其中推桿從轂上的固定點運行到連接到渦輪葉片的輪軸的曲柄，從而葉片陣列的作為淨推力和向心力的結果的軸向移動引起推桿使葉片圍繞它們的輪軸與所述軸向移動成比例地轉動。
11.根據權利要求1，2，3或4所述的系統，其中向心載荷由重塊提供，重塊在杆杆臂上向外擺動，引起圍繞重塊樞軸轉動的凸輪拉入皮帶或鏈條，所述皮帶或鏈條固定到保持葉片陣列的能夠軸向移動的轂部，從而，皮帶中的所述拉力與風推力相對。
全文摘要
本發明公開一種自設置和自推進系統，用於調節風力渦輪的葉片角度，從而它們在停止時具有高的衝角以促進容易地啟動，移動到它們的用於正常運行的理想設置角度，可以以適當的變化響應於陣風和暫息，並且使葉片順流以在風暴情況中限制轉速和減少載荷。該系統使在渦輪上的推力載荷與由重塊響應於轉速而產生的向心力平衡，在陣風的情況下增加葉片節距以增加轉矩並因此增加轉動加速度，在暫息的情況下減少葉片節距以節省轉動動量，並使用彈簧建立適合發電機機構的啟動位置和轉速限制。
文檔編號F03D7/02GK102439294SQ201080017970
公開日2012年5月2日 申請日期2010年3月24日 優先權日2009年3月24日
發明者拉爾夫-彼得·貝利 申請人:動力豐收有限公司