[发明专利]风力涡轮机的叶片载荷减少

说明书

技术领域

本发明涉及具有可变桨的叶片的风力涡轮机，并且涉及用于基于指示风力涡轮机状态的信号构造叶片变桨命令、用以减少风力涡轮机部件上的载荷的系统。

背景技术

平均风速随着在地面以上的高度而增加已经导致使用非常高的塔架，举例来说，60到120米，用以支撑风力涡轮机的机舱和转子。为了从风提取能量，风力涡轮机转子必须使风减速，因此将大的推力载荷放置在塔架上。高的塔架以及由阵风和狂风中的漩涡引起的大的不稳定的载荷能潜在地产生大的塔架顶部运动和塔架摆动。

已经提出了多种使用转子叶片上的空气动力减弱塔架沿着转子轴线方向摆动的想法。

US4,420,692描述了使用指示塔架顶部在转子轴线方向上的加速度的加速计信号控制叶片俯仰角并且产生与塔架摆动反相的总推力变量的系统。

US2008/0206051描述了类似的系统。已经提出了使用空气动力或发电机转矩控制塔架从一侧到一侧的摆动(也就是，垂直于转子轴线)的其它想法。

US7,309,930提出改变机舱中的发电机的转矩需求以产生与塔架的侧向运动反相的力矩，因此形成有效的塔架阻尼。

US7,400,055提出通过发电机和叶片变桨控制的组合减弱塔架侧向移动。

因此，在现有技术中，焦点是通过在传动系统中产生反相力而减弱塔架摆动。根本动机是降低塔架的载荷，允许使用更柔性的和更低廉的塔架。获得这种益处的代价是损害疲劳和涉及反相力传递的传动系统部件的载荷增加，因此导致增加传动系统设计成本和操作期间的维护成本。

所有的塔架顶部结构围绕典型地位于塔架的下部部分中的枢转点的转动会伴随塔架沿转子轴线方向的运动。这个转动使得回转载荷作用在转子叶片上，其然后传导通过传动系统。在海上装置中涡轮机被放置在浮动结构或平台顶部上时，能明显地判断这种塔架运动，并且风变化和波载荷能使得整个风力涡轮机和平台在转子轴线的方向上前后移动。这里，这种运动被称作“海上俯仰”，以区别它与“叶片俯仰”。

在岸上风力涡轮机装置中，风力涡轮机的转子轴线随着被称作“偏摆”的操纵而周期地改变以将风力涡轮机保持的基本上与平均风向相对准。另外，岸上装置的未命令的“偏摆”运动来自于塔架中的扭曲。在漂浮的海上装置中，由于漂浮系统更柔性地附接到海床下面，这种未命令的“偏摆”运动能是显著大于岸上装置的。由于它在叶片和传动系统中引起大的回转载荷，这种未命令的“偏摆”运动是有害的和不想要的，尽管通过使用大量缆绳附接到海底能部分拘束它，但是不能完全消除它。

关于减少叶片载荷，已经提出的通常策略是使用叶片变桨减少叶片应力，而不考虑应力的源。例如，已经提出了基于叶片应变和/或叶片变形的直接测量减少叶片应力的策略。这些策略造成不同叶片之间的俯仰角命令以及转子角位置(方位)不同，因此被称为“独立的变桨控制”。尽管已经测量到叶片载荷的一些减少，这主要是对于来自狂风的随机载荷而言，但提出的策略不适于抵消由于以下原因引起的回转载荷：在叶片移动之前产生的空气动力，因此阻止在正确的时间发出控制信号。此外，由于风本身的波动性，到达控制器的输入信号(即叶片根部力矩或叶片偏斜)具有自由随机的分量。这个自由分量阻碍叶片信号内对回转引起的载荷的发作进行立即辨认，并进而延迟甚或阻止纠正变桨动作的执行。

因此，期望提供一种显著抵消由于塔架前后运动和未命令的偏摆而作用在叶片上的不良有害的回转载荷的装置。此外，也期望在不使传动系统的部件遭遇额外载荷和疲劳的情况下获得这种载荷抵消。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种用于消除由于塔架在转子轴线的方向上的运动而作用在转子叶片上的回转载荷的系统。

本发明的第二个目的是提供一种用于消除由于围绕塔架的轴线的偏摆转动而作用在转子叶片上的回转载荷的系统。

本发明的第三个目的是提供一种基于无杂讯、非随机、确定的信号抵消回转载荷的有效方法。

本发明提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有可转动地附接到机舱的毂、可转动地附接到所述毂以允许改变叶片俯仰角的至少两个叶片、用于独立地控制各叶片的叶片俯仰角的叶片变桨系统、用于发布第一变桨命令的管理控制单元、产生指示转子方位位置的转子位置信号的转子位置传感器、产生指示转子转速的转子转动速率信号的转子转动速率传感器、和支撑所述机舱的塔架，该风力涡轮机包括产生指示所述风力涡轮机的海上俯仰速率的海上俯仰速率信号的海上俯仰速率传感器，接收包括所述转子位置信号、所述转子转动速率信号和所述海上俯仰速率信号的涡轮机状态信号的计算单元。