專利名稱：用于風(fēng)力渦輪機(jī)偏航控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)偏航控制的方法。
背景技術(shù)：
許多風(fēng)力渦輪機(jī)包括軸在水平位置的轉(zhuǎn)子。具有水平軸的風(fēng)力渦輪機(jī)
需要偏航調(diào)整。偏航角誤差(error)是轉(zhuǎn)子軸和風(fēng)向之間的角度。為了實現(xiàn)風(fēng) 力渦輪機(jī)的最大能力，轉(zhuǎn)子軸應(yīng)該與風(fēng)向平行。這意味著偏航角誤差具有0。 值。在考慮這個問題時，許多轉(zhuǎn)子軸為了防止葉片在高風(fēng)速下接觸塔而具 有的豎直傾角被忽略，嚴(yán)格地說，其意味著轉(zhuǎn)子軸實際上稍微偏離平行的 方向。
在偏航過程中，渦輪機(jī)艙(nacelle)圍繞豎直軸轉(zhuǎn)動直到除了可能的豎直 傾角外轉(zhuǎn)子軸平行于風(fēng)向。通常，偏航軸與風(fēng)力渦輪機(jī)塔軸同中心。偏航 一般通過電力或液壓裝置進(jìn)行。偏航驅(qū)動單元控制是基于通過一個或多個 布置在渦輪機(jī)搶上的風(fēng)向傳感器測量的風(fēng)向。
當(dāng)風(fēng)向傳感器位于具有布置在塔的上風(fēng)側(cè)的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)的渦輪 機(jī)艙上時，風(fēng)向傳感器并不易暴露到自由的不受干擾的風(fēng)。相反，風(fēng)已經(jīng) 通過轉(zhuǎn)子并可以被該轉(zhuǎn)子通過以及在艙自身周圍的加速現(xiàn)象而畸變 (distorted)。這樣的畸變通常是風(fēng)速、紊流、風(fēng)向和豎直風(fēng)傾斜的函ft。結(jié) 果，當(dāng)基于艙安裝(nacelle-mounted)的風(fēng)向傳感器進(jìn)行偏航控制時，轉(zhuǎn)子軸 和風(fēng)向的偏^^對準(zhǔn)與 一些不確定性有關(guān)。
在低的和中等的風(fēng)速下，功率輸出對正確的偏航對準(zhǔn)敏感。 一般認(rèn)為， 在風(fēng)力渦輪機(jī)上偏航對準(zhǔn)和功率輸出之間的關(guān)系是平方余弦函數(shù)，而不是 所期望的筒單的余弦函數(shù)。該高靈敏度的原因與風(fēng)力渦輪機(jī)的下風(fēng)向尾流 4亍為有關(guān)。
如果平方余弦關(guān)系成立，5。的偏航角誤差對應(yīng)cos2(5。)=0.99,其意味著 1%的功率損失。盡管該數(shù)量級的損失可以是合理小的，對于大的風(fēng)力渦輪 機(jī)其容易地成為每年超過100,000 kWh。而且，偏4元角誤差在風(fēng)力渦4侖機(jī)結(jié)
構(gòu)上產(chǎn)生更高的動載荷，這是一種不希望的現(xiàn)象。
到目前為止，偏航對準(zhǔn)的問題已經(jīng)通過艙安裝的風(fēng)向傳感器的適當(dāng)校 準(zhǔn)解決。在典型試驗過程中，通過比較偏航方向和在自由直立的氣象桅桿 處測量的風(fēng)向，測量風(fēng)力渦輪機(jī)的偏航對準(zhǔn)。任何的偏移可以通過風(fēng)向傳 感器安裝支架的永久調(diào)節(jié)而調(diào)節(jié)。任何對風(fēng)速的依賴可以通過在渦輪機(jī)控 制器中執(zhí)行適當(dāng)?shù)男拚惴ǘ{(diào)節(jié)。
但是，在該傳統(tǒng)方法中存在一些困難。首先，傳統(tǒng)方法對基線測量中
的公差(tolerance)例如安裝在自由直立的氣象桅桿上的儀器的風(fēng)向測量的校 準(zhǔn)、在測試渦輪機(jī)上測量的偏航方向的校準(zhǔn)以及用于艙安裝的風(fēng)向傳感器 的測試渦輪機(jī)架的精度敏感。再者，偏航的精度將總是為現(xiàn)場的單個渦輪 機(jī)上的傳感器的安裝精度的函數(shù)。而且，例如，由于在搶設(shè)備中的差異， 其可以影響在艙上的加速特征和環(huán)境流的情形的差異，現(xiàn)場的流動畸變可 以不同于在測試渦輪機(jī)中的流動畸變。典型地，在搶設(shè)備中的差異可以發(fā) 生在航空告警燈上。在環(huán)境流動情形中的差異可以是例如紊流或者流動傾 斜，例如由于在渦4侖機(jī)位置的地形特征。
在試圖解決這些問題中，已經(jīng)嘗試在艙的前面安裝儀器。已經(jīng)嘗試各 種方法，但是最簡單的方法是移動風(fēng)向傳感器位于轉(zhuǎn)子轂前面的轉(zhuǎn)子軸中 的支架上。該安置需要中空渦輪機(jī)軸。儀器支架在轉(zhuǎn)子轂處配合到軸承， 并且通過中空轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)矩管確保儀器不會隨著轉(zhuǎn)子轂轉(zhuǎn)動。
該方案解決流動畸變的問題，但是其具有對基線測量中的公差敏感和 對傳感器安裝精度的依賴的困難。當(dāng)考慮所有不確定性因素時，難以實現(xiàn) 士5。數(shù)量級的不確定性(uncertainty)。而且，流動畸變問題的解決是以定位風(fēng) 向傳感器在難以接近的位置為代價的。這導(dǎo)致有關(guān)保養(yǎng)與維修的困難。另 一結(jié)果是軸承和轉(zhuǎn)矩管的安置相當(dāng)復(fù)雜。
更先進(jìn)的方法使用 一組儀器，典型地以兩軸或三軸超聲風(fēng)速計的形式， 其位于轉(zhuǎn)子轂前面的轉(zhuǎn)子軸上。因為該類型的儀器可以允許隨著轉(zhuǎn)子轂轉(zhuǎn) 動，所以不需要中空的渦輪機(jī)軸或者轉(zhuǎn)矩管。
該方案解決流動畸變的問題，并同樣具有部分解決對基線測量中的公 差敏感的問題的潛力。但是，由于在轂前面甚至在轉(zhuǎn)子軸上在轉(zhuǎn)子前面的 動壓力，會存在一些流動畸變，并且流動畸變問題的解決也是以定位風(fēng)向 傳感器在難以接近的位置為代價的，導(dǎo)致有關(guān)保養(yǎng)與維修方面的困難。在GB2067247A中，公開了 一種用于確定風(fēng)能以便控制造風(fēng)發(fā)生器尤 其是為了關(guān)于氣流對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動平面的位置的裝置。在轉(zhuǎn)動平面的風(fēng)能 在由探針測量的壓差的幫助下控制，其中壓力探針安置在轉(zhuǎn)子葉片的表面 上。
在US 2004/0201220 Al中，公開了 一種用于包括驅(qū)動軸和葉片的風(fēng)力 渦輪機(jī)的空氣動力控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括耦合到從葉片的第一端向著 第二端延伸的導(dǎo)管的空氣控制系統(tǒng)。沿著葉片的表面的 一部分延伸的縫與
導(dǎo)管連通。儀器測量風(fēng)力渦輪機(jī)的操作數(shù)據(jù)?？刂破魇占僮鲾?shù)據(jù)并比較 它們以預(yù)先確定操作規(guī)范?；诓僮鲾?shù)據(jù)和預(yù)先確定的操作規(guī)范之間的比 較，控制器啟動空氣控制系統(tǒng)以促使受壓空氣以特定空氣流動速率進(jìn)入導(dǎo) 管并從縫中出來。流速的控制有助于從流經(jīng)風(fēng)力渦輪機(jī)的掃掠面積的風(fēng)獲 得動力。
在DE 20114351Ul中，公開了 一種用于確定風(fēng)矢量的裝置。該裝置尤 其可以用于風(fēng)力渦輪機(jī)。
在WO 2005/093435A1中，提供一種用于確定風(fēng)力渦輪機(jī)所經(jīng)受的風(fēng) 的速度和方向的設(shè)備和方法。所述設(shè)備包括固定到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子 上的至少一個傳感器、用以測量風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的角位置的角度傳感器 和將所述至少一個傳感器的輸出和角度傳感器的輸出之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為風(fēng) 力渦輪機(jī)經(jīng)受的風(fēng)的速度和方向的電路。傳感設(shè)備可以測量三維的風(fēng)速與 風(fēng)向。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的目的是提供用于風(fēng)力渦輪機(jī)的偏航控 制的有利的方法。本發(fā)明的另一目的是提供有利的風(fēng)力渦輪機(jī)。
這些目的通過權(quán)利要求1所述的偏航控制的方法和權(quán)利要求8所述的 風(fēng)力渦輪機(jī)而得到解決。從屬權(quán)利要求進(jìn)一步限定本發(fā)明。
本發(fā)明的偏航控制的方法涉及包括具有至少 一個轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng) 力渦輪機(jī)。轉(zhuǎn)子限定轉(zhuǎn)子軸和垂直于轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子平面。為了最小化風(fēng)向 和轉(zhuǎn)子軸之間的偏航角誤差，轉(zhuǎn)子軸被轉(zhuǎn)動?；谠谥辽僖粋€轉(zhuǎn)子葉片處 在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的風(fēng)速的測量，執(zhí)行轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動。還基于在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動期 間在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的風(fēng)速的測量的周期性變化執(zhí)行轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)子葉
片處在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的風(fēng)速的測量，而不是在轉(zhuǎn)子軸或者在艙處的測量，避 免可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子的前面在轉(zhuǎn)子軸上或在艙上的流動畸變的影響。此外， 渦輪機(jī)葉片的位置比在轉(zhuǎn)子轂處的位置更容易接近。
如果渦輪機(jī)沒有正確地與風(fēng)向?qū)?zhǔn)，本發(fā)明的方法允許其測量風(fēng)速的 周期性變化，其是基于在一個或多個風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的局部風(fēng)速的測量。 這不管所用的風(fēng)速傳感器的類型如何。測量的周期性變化是偏航角誤差的 函數(shù)，結(jié)果其可用于偏航控制目的。為了偏航控制目的的在轉(zhuǎn)子葉片處的 風(fēng)速測量的使用避免如果風(fēng)向傳感器定位在例如轉(zhuǎn)子軸處會發(fā)生的困難。
利用本發(fā)明的方法，偏航角誤差檢測的精度隨著不斷增加的風(fēng)速而提 高。這對于在風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的動載荷的減少特別重要。
而且，本發(fā)明的方法和本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)，其將在后面描述，對在 任何基線測量中的公差不敏感，僅因為不需要基線測量。而且，其對于傳 感器在現(xiàn)場的個別渦輪機(jī)上的安裝精度不敏感，因為不精確將僅導(dǎo)致在調(diào) 整環(huán)內(nèi)的增益的小的變化，而不會導(dǎo)致實際對準(zhǔn)的觀測的任何偏離。本發(fā) 明的方法對流動畸變不敏感，并測量也就是在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)其是要緊的偏航 角誤差。本發(fā)明的偏航控制的方法的優(yōu)點(diǎn)是其最大化能量輸出并最小化在 風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的動載荷。
優(yōu)選地，測量的風(fēng)速可以是在至少一個轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動方向中的相對
行轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動。這提供非常簡單并精確的偏航控制方法。在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動
分量引起的。如果環(huán)境風(fēng)向和轉(zhuǎn)子軸并不彼此平行，也就是，如果發(fā)生偏 航角誤差，環(huán)境風(fēng)速具有在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的分量。如果環(huán)境風(fēng)向和轉(zhuǎn)子軸彼
這意味著轉(zhuǎn)子軸可以轉(zhuǎn)動直到周期性變化最小或者消失。那么，轉(zhuǎn)子可以 保持在該位置直到周期性變化再次增加。通過該變化的增加，轉(zhuǎn)子再次轉(zhuǎn) 動直到該變化變得最小或者消失。
其中轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動以便最小化周期性變化的方向可以從關(guān)于轉(zhuǎn)子的方位 角的變化的相位確定。
而且，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動也可以基于環(huán)境風(fēng)速的測量和在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相 對風(fēng)速的測量而執(zhí)行。同樣地，測量環(huán)境風(fēng)速允許對于偏航角誤差(X的確
切確定。對于本發(fā)明，在水平方向在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速的選擇性的測 量，也就是，沿著垂直于轉(zhuǎn)子軸且垂直于風(fēng)力渦輪機(jī)塔的豎直軸的水平方 向的風(fēng)速的分量的測量在原理上將足以確定偏航角誤差。這可以通過關(guān)于
轉(zhuǎn)子的方位角的測量的適當(dāng)?shù)挠|發(fā)(triggering)而實現(xiàn)。偏航角誤差a然后可 以通過測量的環(huán)境風(fēng)速w和在水平方向在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速容易地確 定。環(huán)境風(fēng)速w可以由位于轉(zhuǎn)子軸上、在渦輪機(jī)艙上、在風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子 葉片上或者在單獨(dú)的塔上的風(fēng)速計測量，其定位的以使得盡可能少的受到 渦輪機(jī)的尾跡的影響。為了環(huán)境風(fēng)速w的測量，可以使用單軸、兩軸或者 三軸風(fēng)速計。
在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速也可以通過單軸、兩軸或者三軸風(fēng)速計測量。
風(fēng)速計測量。 一般地，風(fēng)速計可以是皮托管、杯形風(fēng)速計或者超聲風(fēng)速計。 所用風(fēng)速計可以位于風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上，特別地與風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉 片的中心線呈(3角度。風(fēng)速計在風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上的安裝具有尤其是 對于保養(yǎng)與維修風(fēng)速計易于接近的優(yōu)點(diǎn)。
而且，可以在執(zhí)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中考慮所用的風(fēng)速計距轉(zhuǎn)子軸的距離r、 風(fēng)速計到轉(zhuǎn)子葉片的中心線的角度p、風(fēng)速計的方位角0、環(huán)境風(fēng)速w、在 轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速u和轉(zhuǎn)子的角速度①。在這種情況中，偏航角誤差a 將引起周期信號，其大致由等式1^rcosin卩士wsinasin(e+P)給出。在固定的轉(zhuǎn) 子角速度co的情況下，等式的第一項為常數(shù)。如果存在轉(zhuǎn)子軸和環(huán)境風(fēng)向
之間的偏航角誤差a,那么等式的第二項取決于方位角e而周期性地變化，
并因此導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)測量的相對風(fēng)速u的周期性變化。如果偏航角誤 差趨于零，那么等式的第二項也趨于零，周期性變化消失。
結(jié)果，可以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子軸直到周期性變化最小，而無需明確地確定偏航 角?；蛘撸浇钦`差可以明確地計算并用于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子軸大約計算的角度。 如果偏航角將被明確地計算，在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速u和/或環(huán)境風(fēng)速w 和/或風(fēng)速計的方位角e、和/或轉(zhuǎn)子的角速度 可以連續(xù)地或者以時間步進(jìn) 地有利地測量。這允許其計算數(shù)據(jù)用于平均偏航角誤差a,從而提高精度。
優(yōu)選地，角度P設(shè)置在90。。這意味著可以測量在轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動方向 在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速ut,其與轉(zhuǎn)動圓相切。偏航角誤差a可以通過風(fēng)速 計的距離r和同時測量的轉(zhuǎn)子的角速度co、風(fēng)速計的方位角e、環(huán)境風(fēng)速w
和在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速Ut而確定。在這種情況中，等式
u二r①sinp士wsinasin(0+(3)可以簡4b為u二r①士wsinacos6。再次可以連續(xù)或者按
時間步進(jìn)地測量風(fēng)速計的方位角e、環(huán)境風(fēng)速w、在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速
U,其在這種情況中為在轉(zhuǎn)動方向的相對風(fēng)速Ut，和轉(zhuǎn)子的角速度(O。
本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)特別適于執(zhí)行本發(fā)明的方法，并包括轉(zhuǎn)子，其包 括轉(zhuǎn)子軸和垂直于轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子平面。風(fēng)力渦輪機(jī)還包括至少一個風(fēng)速計，
其如此地定位在轉(zhuǎn)子葉片處在距轉(zhuǎn)子軸特定距離r以允許測量轉(zhuǎn)子平面內(nèi) 的風(fēng)速u。至少一個轉(zhuǎn)子葉片裝備有兩個或多個風(fēng)速計，其位于距轉(zhuǎn)子軸不 同的距離r。這允許在不同的距離r之間選擇，其可以影響測定范圍并因此 影響偏航控制的精度。風(fēng)力渦輪機(jī)可還包括另一風(fēng)速計，其這樣定位以允 許環(huán)境風(fēng)速的測量。
通常，如果所用的風(fēng)速計位于轉(zhuǎn)子葉片的前邊緣或者至少部分地位于 轉(zhuǎn)子葉片的前邊緣，這是有利的。但是，將其定位在葉片的上風(fēng)側(cè)或者如 此定位在下風(fēng)側(cè)以突出到前邊緣之前也是可以的。
風(fēng)速計可以是單軸、兩軸或者三軸風(fēng)速計。例如，其可以是皮托管、 杯形風(fēng)速計或者超聲風(fēng)速計。如果風(fēng)速計是單軸類型的，其將只能測量相 對風(fēng)速，如果其是兩軸或者三軸風(fēng)速計，例如，杯形風(fēng)速計或者超聲風(fēng)速 計，其還可以測量環(huán)境風(fēng)。
每一個風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片裝備至少一個風(fēng)速計以便測量在轉(zhuǎn)子平面 內(nèi)的風(fēng)速分量u也是可以的。這可以平衡由于位于轉(zhuǎn)子葉片的風(fēng)速計會發(fā) 生的可能的負(fù)載。


本發(fā)明的其它特征、屬性和優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖的實施例的描述變 付,3疋。
圖1示意性地示出風(fēng)力渦輪機(jī)。
圖2示意性地示出偏航角、環(huán)境風(fēng)速和在水平方向在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相 對風(fēng)速之間的關(guān)系。
圖3示意性地示出本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分。 圖4示意性地示出在轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)速計的另一定位。 圖5示出在風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上的替換安裝的風(fēng)速計的一部分。
具體實施例方式
現(xiàn)將更加詳細(xì)地參照圖1-4描述本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)和本發(fā)明的方法 的第一實施例。圖1示意性地示出本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)包括 風(fēng)力渦輪機(jī)塔1和具有三個轉(zhuǎn)子葉片2的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動由箭頭20表示。 每個轉(zhuǎn)子葉片2裝備有風(fēng)速計3，其位于距轉(zhuǎn)子軸特定距離4處。風(fēng)速計3 被固定到轉(zhuǎn)子葉片2上?；蛘?，僅一個轉(zhuǎn)子葉片2或者兩個轉(zhuǎn)子葉片可以 裝備有風(fēng)速計3。盡管風(fēng)速計被示出為位于轉(zhuǎn)子葉片2的中間，但是將其定 位在葉片2的根端附近以便盡可能少地影響葉片的空氣動力學(xué)是實際有利 的。在圖中，豎直方向用箭頭12表示，而水平方向用箭頭13表示。圖2 示意性地示出偏航角誤差a(用標(biāo)號10表示)怎樣連系到環(huán)境風(fēng)速9和在轉(zhuǎn)子 平面內(nèi)的相對風(fēng)速8。在圖2中可以從上觀察風(fēng)力渦輪機(jī)。示出風(fēng)力渦輪機(jī) 艙5和轉(zhuǎn)子平面。轉(zhuǎn)子平面的上風(fēng)側(cè)用標(biāo)號6表示，轉(zhuǎn)子平面的下風(fēng)側(cè)用 標(biāo)號7表示。轉(zhuǎn)子平面，尤其是迎風(fēng)轉(zhuǎn)子平面6，垂直于轉(zhuǎn)子軸8定位。
如果發(fā)生偏航角誤差a,環(huán)境風(fēng)速9并不平行于轉(zhuǎn)子軸8。這意味著用 風(fēng)速計3測量的在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動過程中隨著取決于 各個葉片2的實際方位角在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的環(huán)境風(fēng)的水平分量11加到轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的相對風(fēng)或者從其減去而周期性交替。高偏航角誤差導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)動過程中相對風(fēng)速的高幅度變化，而小的偏航角導(dǎo)致小的幅度。因此， 偏航角誤差可以通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子軸而最小化以最小化在轉(zhuǎn)子平面中的測量的 相對風(fēng)速的周期性變化。
圖3示意性地示出風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分。轉(zhuǎn)子包括在轉(zhuǎn)子軸上的 轉(zhuǎn)子轂14和在葉片根部25連接到轉(zhuǎn)子轂14的三個轉(zhuǎn)子葉片2。三個轉(zhuǎn)子 葉片2的每一個具有中心線16,其對于三個轉(zhuǎn)子葉片2之一示出。中心線 16連接根部25和轉(zhuǎn)子葉片2的梢部21。
在該實施例中，所有的三個轉(zhuǎn)子葉片2都裝備有風(fēng)速計3，其能夠測量 至少在一個方向的風(fēng)速。該方向用標(biāo)號15表示。風(fēng)速計3固定到轉(zhuǎn)子葉片 2上以使得測量的風(fēng)向15垂直于轉(zhuǎn)子葉片的中心線16。這意味著在圖3中 用標(biāo)號17表示的角度(3是90。，并且在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動方向的相對風(fēng)速 得以測量?；蛘咧行木€16和測量的風(fēng)向15之間的角度17可以交替地具有 不同的值，其將意味著由風(fēng)速計3測量的在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的風(fēng)速可以類似于
由角度P的值確定的相對風(fēng)速的一部分。
在轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動的過程中，單個轉(zhuǎn)子葉片2的位置可以用方位角e
表示，其用標(biāo)號19表示。方位角e是轉(zhuǎn)子葉片2的中心線16和豎直軸18
之間的角度。在本發(fā)明的方法的第一實施例中，由轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)受的相對風(fēng)
速通過風(fēng)速計3測量。取決于各個葉片2的方位角，在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的環(huán)境 風(fēng)的水平分量加到由葉片經(jīng)受的相對風(fēng)或者從其減去。在風(fēng)速計的構(gòu)型中， 如圖3所示，如果環(huán)境風(fēng)的水平分量來自圖3的右側(cè)，在方位角e=o，也就 是當(dāng)葉片示出為豎直向上時，環(huán)境風(fēng)速的水平分量將加到由平面2經(jīng)受的 相對風(fēng)速。另一方面，如果轉(zhuǎn)子葉片2的方位角是180°,也就是，轉(zhuǎn)子葉 片示出為豎直向下，來自圖中的右側(cè)的水平分量將從由轉(zhuǎn)子葉片2經(jīng)受的 相對風(fēng)減去。通常，由葉片2經(jīng)受的相對風(fēng)遵循轉(zhuǎn)子葉片的方位角的余弦 函數(shù)，如所討論的。余弦函數(shù)的幅值取決于風(fēng)力渦輪機(jī)的偏航角誤差a,并 遵循關(guān)系wsin(a)。因此，由風(fēng)速計3測量的相對風(fēng)速遵循等式 u=rco+wcos(e)sin(a)，其中，r代表/人轉(zhuǎn)子軸測量的風(fēng)速計的半徑， 代表轉(zhuǎn) 子的角速度，w代表環(huán)境風(fēng)速，0代表從豎直測量的轉(zhuǎn)子葉片的方位角，a 代表偏航角誤差。方位角也可以基于轉(zhuǎn)子的角速度表示為(Ot。
根該公式，每一個風(fēng)速計3將測量不斷變化的風(fēng)速，其遵循與轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)動具有相同頻率的余弦函數(shù)。因此，為了實現(xiàn)偏航控制，可以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)下。
在所述的控制方法中，其中轉(zhuǎn)子軸將被轉(zhuǎn)動以減小偏航角誤差的方向， 也就是順時針的或者反時針的，也可以從不斷變化的風(fēng)速信號確定。上面 的例子已經(jīng)用來自圖3的右側(cè)的在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)環(huán)境風(fēng)的水平分量描述。這 意味著當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片是在豎直直立位置時(在圖1中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向用標(biāo)號 20表示)測量的相對風(fēng)的速度是在最大值。另一方面，如果在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的 環(huán)境風(fēng)的水平分量將來自圖3的左手側(cè)，測量的相對風(fēng)速中的最大值將是 在當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片正示出為豎直向下而不是豎直向上時測量的。換句話說，余 弦函數(shù)將關(guān)于轉(zhuǎn)子的方位角相移180。。因此，通過確定不斷變化的相對風(fēng) 速的相位，可以建立轉(zhuǎn)動方向，其中轉(zhuǎn)子軸必須轉(zhuǎn)動以為了減少偏航角誤 差。
應(yīng)該注意到，盡管上面提及的公式包括環(huán)境風(fēng)速，環(huán)境風(fēng)速的測量不
是嚴(yán)格必要的。特別地，如果環(huán)境風(fēng)速的變化僅具有與環(huán)境風(fēng)速的平均值 相比小的幅值，或者頻率足以不同于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率以使得能在兩 個頻率之間區(qū)分，實際環(huán)境風(fēng)速可以保持未知。只有當(dāng)這樣的分辨是不可 能的并且環(huán)境風(fēng)速的變化與平均環(huán)境風(fēng)速的幅值是相同^t量級時，才有必 要知道環(huán)境風(fēng)速。
對于以例如15 rpm操作的現(xiàn)代的風(fēng)力渦輪機(jī)，安裝在3m距離r的風(fēng) 速計3將測量下面的在5。偏航角誤差在上風(fēng)轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)速 以5m/s的環(huán)境風(fēng)速u=4.7m/s±0.4m/s 以15m/s的環(huán)境風(fēng)速u=4.7m/s±1.3m/s; 以25m/s的環(huán)境風(fēng)速u=4.7m/s±2.2m/s;
即使在低的風(fēng)速下，由與正常儀器安裝的總的不確定性相同數(shù)量級的 偏航角誤差引起的信號變化將給予作為葉片位置函數(shù)的±10%的數(shù)量級的信 號變化。因為風(fēng)速儀器可以容易地制造為總的不確定性小于滿量程的±1%， 具有比從一般應(yīng)用到風(fēng)力渦輪機(jī)的系統(tǒng)知道的更精確的幅值的數(shù)量級的精 度的偏航是可能的。
在本發(fā)明的偏航控制的方法的第二實施例中，通過利用環(huán)境風(fēng)速的測 量和在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的風(fēng)速的測量明確地確定偏航角誤差。用于測量環(huán)境風(fēng) 速w的風(fēng)速計，其用標(biāo)號9表示，可以迎風(fēng)地定位在轉(zhuǎn)子軸上、在渦輪機(jī) 艙5上、在風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片2之一上或者在現(xiàn)場的單獨(dú)的塔上。優(yōu)選 地，通過固定到轉(zhuǎn)子葉片2上的風(fēng)速計3的至少一個測量環(huán)境風(fēng)速w。在 這種情況中，風(fēng)速計3可以是兩軸或者三軸風(fēng)速計。由位于轉(zhuǎn)子葉片2之 一上的至少一個風(fēng)速計3測量環(huán)境風(fēng)速w具有環(huán)境風(fēng)速w可以在幾乎不受 干擾的條件下得以測量的優(yōu)點(diǎn)。尤其是由風(fēng)力渦輪機(jī)艙引起的紊流或者可 發(fā)生在轉(zhuǎn)子軸附近的紊流得以避免。 一般地，風(fēng)速計3可以是皮托管、杯 形風(fēng)速計或者超聲風(fēng)速計。
再者，至少在水平方向在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速Uh是由風(fēng)速計3測量。 如果用標(biāo)號19表示的各個葉片2的方位角0是0°和/或180。,這可以通過例 如僅測量在轉(zhuǎn)子平面的風(fēng)速而實現(xiàn)。在這種情況中，偏^^角誤差a，其用標(biāo) 號10表示，可以容易地通過利用等式uh=rco±wsina而確定。當(dāng)風(fēng)速計3安 裝在轉(zhuǎn)子葉片2上時，沿著中心線16從轉(zhuǎn)子軸測量的風(fēng)速計3的距離r， 其用標(biāo)號4表示，是固定的并可得以測量。 或者，可以連續(xù)地或者按時間步進(jìn)地測量風(fēng)速計3的方位角e(標(biāo)號19)、
環(huán)境風(fēng)速w(標(biāo)號9)、在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的相對風(fēng)速15和轉(zhuǎn)子的角速度co。在這 種情況中，偏航角誤差a(標(biāo)號IO)可以依賴于方位角由等式ut=ra±wsinacose測量。
位于轉(zhuǎn)子軸附近的風(fēng)速計3，其意味著小的距離r (標(biāo)號4),具有風(fēng)速 計3易于從風(fēng)力渦輪機(jī)搶5或者轉(zhuǎn)子穀14抵達(dá)的優(yōu)點(diǎn)。同時，小的距離r 具有轉(zhuǎn)子轂附近的紊流會影響測量的缺點(diǎn)。較大的距離r (標(biāo)號4)使得更不 易于接近風(fēng)速計3,但是具有偏航角誤差測量使得轉(zhuǎn)子平均數(shù)到更大的程度 的益處。因此，風(fēng)速計3優(yōu)選地位于在轉(zhuǎn)子轂14和轉(zhuǎn)子葉片的梢部21之 間的中間的某處的距離。
圖4示意性地示出風(fēng)速計3在轉(zhuǎn)子葉片2上的另一定位。轉(zhuǎn)子葉片2 包括在那里葉片安裝到轉(zhuǎn)子轂14的葉片根部25、梢部21、肩部24、前邊 緣22和后邊緣23。轉(zhuǎn)子葉片的中心線16連接葉片根部25和梢部21。后 邊緣23沿著肩部24連接葉片根部25和梢部21。前邊緣22連接葉片根部 25和梢部21,并與后邊緣23相對定位。圖4示出在轉(zhuǎn)子葉片2的上風(fēng)側(cè)6 上的視圖。風(fēng)速計3在下風(fēng)側(cè)7安裝到轉(zhuǎn)子葉片2并位于前邊緣22附近以 使得可能測量在前邊緣22或者在前邊緣22前面的相對風(fēng)速。另一可能性 將是將風(fēng)速計直接定位在葉片的前邊緣上。
還可以使用安裝在超過一個轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)速計。這具有冗余的和潛 在地更快地反應(yīng)的額外的益處。使用兩軸或三軸風(fēng)速計使得對偏航角誤差 較低的靈敏度，因為環(huán)境風(fēng)速也被測量，但具有用同一風(fēng)速計記錄環(huán)境風(fēng) 速的優(yōu)點(diǎn)。
在至此所述的實施例中，風(fēng)速計3到中心線16的角度(3(標(biāo)號17)已經(jīng) 具有卯。值。這意味著在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)由轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)受的相對風(fēng)速被測量。但 是，風(fēng)速計3到轉(zhuǎn)子葉片的中心線16的角度p(標(biāo)號17)通?？梢跃哂性?° 和360。之間的任何值。在這種情況中，偏^^角誤差a(標(biāo)號IO)可以通過利用 普適/>式mcosin(3士wsinasin(e+(3)確定。
對于在風(fēng)速計3和轉(zhuǎn)子葉片2的中心線16之間的角度(3(標(biāo)號17)具有 0。值的情況，在本發(fā)明第三實施例中，將參照圖1、 2和5描述本發(fā)明的偏 航控制方法和本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)。對應(yīng)第二實施例的元素的元素將用相 同的標(biāo)號表示，并且將不再描述以避免重復(fù)。
圖5示意性地示出本發(fā)明的風(fēng)力渦輪^L轉(zhuǎn)子葉片2的一部分。轉(zhuǎn)子葉
片2包括風(fēng)速計3，其測量沿著用箭頭15表示的方向的風(fēng)速。在該實施例 中，測量的風(fēng)速的方向15平行于風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片2的中心線16。這意 味著在中心線16和風(fēng)速計3之間的角度卩具有0°值，并且僅在轉(zhuǎn)子平面中 風(fēng)速的徑向分量ur被測量。在這種情況中，上面的等式可以筒化為 Ur，sinasine。這具有角速度 和風(fēng)速計3到轉(zhuǎn)子轂的距離r不必知道的優(yōu) 點(diǎn)。
除了不同的角度P，本發(fā)明的方法和本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)的所有的其它 特點(diǎn)和特征相當(dāng)于已經(jīng)在第一實施例中已經(jīng)描述的特征，尤其是在圖1和 圖2的描述的情形中。
總之，本發(fā)明的偏航控制的方法和本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)允許基于在轉(zhuǎn) 子葉片上在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的風(fēng)速的測量的精確的偏航控制，因為典型地發(fā)生 在轉(zhuǎn)子軸附近或者在轉(zhuǎn)子平面的下風(fēng)側(cè)的紊流的影響得以避免。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)偏航控制的方法，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有至少一個轉(zhuǎn)子葉片(2)的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子限定轉(zhuǎn)子軸(8)和垂直于所述轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子平面(6，7)，其中所述轉(zhuǎn)子軸(8)被轉(zhuǎn)動以使得最小化環(huán)境風(fēng)向(9)和所述轉(zhuǎn)子軸(8)之間的偏航角誤差(10)，其中基于在所述至少一個轉(zhuǎn)子葉片(2)上在轉(zhuǎn)子平面(15)內(nèi)的風(fēng)速的測量執(zhí)行所述轉(zhuǎn)子軸(8)的所述轉(zhuǎn)動，其特征在于，在所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動期間基于測量的在所述轉(zhuǎn)子平面(15)內(nèi)的所述風(fēng)速的周期性變化執(zhí)行所述轉(zhuǎn)子軸(8)的所述轉(zhuǎn)動。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述測量的風(fēng)速(15)是所述至少 一個轉(zhuǎn)子葉片(2)的在所述轉(zhuǎn)動方向的相對風(fēng)速。
3. 如權(quán)利要求1或者2所述的方法，其中，其中所述轉(zhuǎn)子軸(8)將被轉(zhuǎn) 動的方向是從所述周期性變化相對于所述轉(zhuǎn)子的方位角的相位確定。
4. 如權(quán)利要求1-3之任一所述的方法，其中，基于所述環(huán)境風(fēng)速(9)和 在所述轉(zhuǎn)子平面(6)內(nèi)的所述相對風(fēng)速的測量執(zhí)行所述轉(zhuǎn)子軸(8)的所述轉(zhuǎn) 動。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，在所述轉(zhuǎn)子軸(8)上、在渦輪機(jī)艙 (5)上、在風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(2)上或者在單獨(dú)的塔上測量所述環(huán)境風(fēng)速 (9)。
6. 如權(quán)利要求4或者5所述的方法，其中，風(fēng)速計(3)用于測量在所述 轉(zhuǎn)子平面(6)內(nèi)的所述相對風(fēng)速，并且在執(zhí)行所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)動中考慮所 用的風(fēng)速計(3)距所述轉(zhuǎn)子軸(8)的距離(4)、所述風(fēng)速計(3)到所述轉(zhuǎn)子葉片(2) 的所述中心線(16)的角度(17)、所述風(fēng)速計(3)的方位角(19)、所述環(huán)境風(fēng)速 (9)、在所述轉(zhuǎn)子平面(15)內(nèi)的所述相對風(fēng)速和所述轉(zhuǎn)子的所述角速度。
7. 如權(quán)利要求1-6之任一所述的方法，其中，連續(xù)地或者以時間步進(jìn) 地測量在所述轉(zhuǎn)子平面(6)內(nèi)的所述相對風(fēng)速和/或所述環(huán)境風(fēng)速(9)和/或所 述風(fēng)速計(3)的所述方位角(19)和/或所述轉(zhuǎn)子的角速度。
8. —種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子軸(8)和垂直于所述轉(zhuǎn) 子軸(8)的轉(zhuǎn)子平面(6)，其中所述風(fēng)力渦輪機(jī)還包括至少一個風(fēng)速計(3),其 定位的以使得位于轉(zhuǎn)子葉片(2)在距所述轉(zhuǎn)子軸(8)的特定距離(4)以允許測 量在所述轉(zhuǎn)子平面(6)內(nèi)的風(fēng)速，其特征在于，許多風(fēng)速計(3)位于相同的轉(zhuǎn)子葉片(2)上但在不同半徑。
9. 如權(quán)利要求8所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于，所述風(fēng)速計(3)是單軸、兩軸或者三軸風(fēng)速計。
10. 如權(quán)利要求8或者9所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于， 所述風(fēng)速計(3)是皮托管、杯形風(fēng)速計或者超聲風(fēng)速計。
11. 如權(quán)利要求8-10之任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于， 每個風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片(2)裝備有至少一個風(fēng)速計(3)以測量在所述轉(zhuǎn)子平面(6)內(nèi)的所述風(fēng)速。
12. 如權(quán)利要求8-ll之任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)子的每個轉(zhuǎn)子葉片(2)裝備有風(fēng)速計(3)。
13. 如權(quán)利要求8-12之任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其特征在于， 該風(fēng)力渦輪機(jī)還包括風(fēng)速計，其定位的以使得允許所述環(huán)境風(fēng)速的測
全文摘要
提供一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)(1)偏航控制的方法，該風(fēng)力渦輪機(jī)(1)包括具有至少一個轉(zhuǎn)子葉片(2)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子限定轉(zhuǎn)子軸(8)和垂直于轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子平面(6，7)，其中轉(zhuǎn)子軸(8)被轉(zhuǎn)動以使得最小化環(huán)境風(fēng)向(9)和轉(zhuǎn)子軸(8)之間的偏航角誤差(10)，其中基于在至少一個轉(zhuǎn)子葉片(2)上在轉(zhuǎn)子平面(15)內(nèi)的風(fēng)速的測量執(zhí)行轉(zhuǎn)子軸(8)的轉(zhuǎn)動。再者，提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括轉(zhuǎn)子，其包括轉(zhuǎn)子軸(8)和垂直于轉(zhuǎn)子軸(8)的轉(zhuǎn)子平面(6)和風(fēng)速計(3)以測量環(huán)境風(fēng)速(9)，其特征在于，風(fēng)力渦輪機(jī)(1)還包括至少一個風(fēng)速計(3)，其位于轉(zhuǎn)子葉片(2)上在距轉(zhuǎn)子軸(8)特定距離(4)以使得允許測量在轉(zhuǎn)子平面(6)內(nèi)的風(fēng)速。
文檔編號F03D1/00GK101349240SQ200810128188
公開日2009年1月21日 申請日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者亨里克·斯蒂斯達(dá)爾 申請人:西門子公司