用于操作风轮机的方法、风轮机以及该方法的用途

摘要

本发明涉及一种用于操作风轮机(1)的方法。所述风轮机(1)包括具有多个风轮机叶片(5)的转子(4)，其中所述转子(4)的旋转轴线(7)相对于进来的风(13)的方向是倾斜的。所述方法包括以下步骤：确定所述叶片(5)的方位角(A)，和根据所述方位角(A)调节所述叶片(5)的桨距角，以在所述转子(4)的至少一次全程旋转期间确保基本上不变的迎角(AoA)。本发明还涉及风轮机(1)和所述方法的用途。

权利要求

1.一种用于操作包括具有多个风轮机叶片的转子的风轮机的方法，其中，所述转子的旋转轴线相对于进来的风的方向是倾斜的，所述方法包括以下步骤：-确定所述叶片的方位角，和

-根据所述方位角调节所述叶片的桨距角，以在所述转子的至少一次全程旋转期间确保基本上不变的迎角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述叶片的所述桨距角，以使当所述叶片的方位角在0°和180°之间时，即，当所述叶片向下移动时，后缘沿所述进来的风的方向移动并且前缘至少在某些点沿相对的方向移动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述叶片的所述桨距角，以使当所述叶片的方位角在180°和360°之间时，即，当所述叶片向上移动时，前缘沿所述进来的风的方向移动并且后缘至少在某些点沿相对的方向移动。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述进来的风的当前速度进一步调节所述叶片的所述桨距角。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述转子的当前旋转速度进一步调节所述叶片的所述桨距角。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述方位角在10°和170°之间与在190°和

350°之间时，调节所述桨距角。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，能单独地调节所述叶片的所述桨距角。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转子的旋转轴线倾斜，以使转子平面的底部移入进来的风的方向并且所述转子平面的顶部沿远离进来的风的方向移动。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，因为一个或多个所述叶片沿所述进来的风的方向完全向前形成角度，所以所述转子成锥形。

10.一种包括用于执行根据权利要求1的方法的控制装置的风轮机。

11.根据权利要求10所述的风轮机，其中，所述风轮机包括用于单独调节所述叶片的所述桨距角的装置。

12.根据权利要求10所述的风轮机，其中所述风轮机是变速变桨距风轮机。

13.根据权利要求1至9中任一项的方法用于减少来自风轮机的噪声排放的用途。

说明书

用于操作风轮机的方法、风轮机以及该方法的用途

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于操作风轮机的方法、一种包括控制装置的风轮机以及该方法的用途。

背景技术

[0002] 本技术领域中已知的风轮机包括风轮机塔和定位在塔的顶部上的风轮机机舱。如图1所示，具有多个风轮机叶片的风轮机转子通过低速轴连接至机舱。

[0003] 借助于风轮机生产电能的结果之一是产生来自机械系统(齿轮、发电机、冷却风扇等)的噪声和来自叶片的空气动力噪声。对于离岸的风轮机而言噪声的排放未必是问题，但是对于陆上的风轮机而言噪声排放假如不小心控制则可能是个问题。

[0004] 影响由风轮机产生的噪声的大小的最重要的两个参数是叶片的角速度和穿过转动的叶片的进入的风的迎角。

[0005] 确保邻近风轮机的位置处的噪声处于可接受的水平的一个方法是在给定环境下仅测量一次噪声水平，并且之后控制风轮机的操作(例如转子的转速或叶片迎角)以确保永不达到临界噪声水平。但是在邻近风轮机的给定位置处的噪声水平取决于通常互相影响的大量因素，因此必须在对于临界噪声水平而言相对大的安全系数条件下进行操作，以确保在任何情况下都不超过临界水平。

[0006] 根据美国专利NO.6,688,841还已知，或多或少持续地测量风轮机放置场所附近的位置的声音水平，然后假如超过预定的水平就减小转子的转速。然而，由于大量因素都能影响测量，所述因素诸如背景噪声、雨、风或其他因素，因此这种声音水平的测量易受不确定性的影响，并且如果必须要考虑很多不同位置处的噪声水平，则建立和操作此系统可能非常复杂且昂贵。

[0007] 因此发明的目的在于提供一种用于操作风轮机的有利的且有成本效益的技术。

发明内容

[0008] 本发明提供一种用于操作风轮机的方法。所述风机轮包括具有多个风机轮叶片的转子，其中所述转子的旋转轴线相对于进来的风的方向是倾斜的。所述方法包括以下步骤：

[0009] -确定所述叶片的方位角，和

[0010] -根据所述方位角调节所述叶片的桨距角，以在所述转子的至少一次全程旋转期间确保基本不变的迎角。

[0011] 几乎所有的现代风轮机的转子平面都是略微倾斜，其中一个原因是确保所述叶片不碰撞塔。但是此倾斜具有如下的效果：当所述叶片向下移动时它们也略微向前移入所述进来的风，并且当它们向上移动时它们略微移出所述进来的风。这将导致所述叶片的迎角会取决于所述叶片的方位角位置而变化。所述叶片的迎角对所述叶片的噪声产生有很大影响，并且通过在倾斜的所述转子的至少一次全程旋转期间确保基本上不变的迎角可获得更加恒定的噪声排放水平。

[0012] 更加恒定的噪声排放水平有利的其中一个原因在于，它因此可以减小安全系数的大小，并因此减小来自所述风轮机的噪声排放或增大所述风轮机的总输出量。

[0013] 应当强调这不会限制所述叶片在所有时间都是以不变迎角来运转。例如通过更长期的共同桨距控制策略，能相对于风速、功率输出等等来调节所述叶片的桨距角，因此本方法仅试图在至少一次全程旋转期间确保基本上不变的迎角，即，补偿倾斜的所述转子的影响。

[0014] 还应当强调，术语“所述转子的旋转轴线相对于所述进来的风的方向是倾斜的”应被理解为所述转子的旋转轴线不与所述进来的风的方向平行，即，转子平面布置成使得所述进来的风的角度不与所述转子平面垂直，其中所述转子平面是所述转子的所述叶片在其中旋转的平面。

[0015] 在发明的一个方面，确保所述迎角不变以减小所述转子的噪声排放。

[0016] 现代风轮机经常在接近于它们的能力极限的情况下操作以使所述风轮机的总输出量达到最大值。但是这样做必须确保将所述风轮机的噪声传播保持在可接受的水平。因此通过确保基本上不变的迎角而减少所述噪声排放是有利的。

[0017] 在发明的一个方面，确保所述迎角不变以将噪声排放保持在预定水平之下。

[0018] 由此获得发明的有利实施方式。

[0019] 在发明的一个方面，确保所述迎角不变以改善所述风轮机的噪声排放/输出比率。

[0020] 在某些情况下，所述风轮机的所述噪声排放是限制所述风轮机的总功率输出的主要因素，并且因此改善所述风轮机噪声排放/输出比率是有利的。

[0021] 在本发明的一个方面，调节所述叶片的所述桨距角，以使当所述叶片方位角在0°和180°之间时，即，当所述叶片向下移动时，后缘沿所述进来的风的方向移动并且前缘至少在某点沿相对的方向移动。

[0022] 当所述叶片向下移动时通过将所述后缘移入所述进来的风，使所述叶片相对于所述进来的风的的位置变得更少冲击性(aggressive)，这是因为对于现代风轮机上的叶片所述叶片迎角被减小了。这是有利的，因为由此能够减小所述噪声排放而基本上不改变输出。

[0023] 在发明的一个方面，调节所述叶片的桨距角，以使当所述叶片方位角在180°和360°之间时，即，当所述叶片向上移动时，所述前缘沿所述进来的风的方向移动并且所述后缘至少在某点沿相对的方向移动。

[0024] 当所述叶片向上移动时，通过将所述前缘移入所述进来的风，使所述叶片相对于所述进来的风的位置更具冲击性，这是因为对于现代风轮机上的叶片所述叶片的迎角被增大了。这是有利的，因为在基本上没有改变来自所述叶片的所述噪声排放的情况下，能增大所述叶片的输出并且因此能增大所述风轮机的功率输出。

[0025] 在发明的一个方面，根据所述进来的风的当前速度进一步调节所述叶片的所述桨距角。

[0026] 许多因素影响所述叶片的迎角，因此未必可以预测出在给定方位角的情况下应该调节多少所述桨距角，以给出最优的结果。因此考虑所述进来的风的当前速度是有利的，由此可以甚至更进一步地减小所述噪声排放或甚至更进一步地增加所述输出。

[0027] 在发明的一个方面，根据所述转子的当前转速进一步调节所述叶片的所述桨距角。

[0028] 考虑所述转子的所述当前转速是有利的，由此可以甚至更进一步地减少所述噪声排放或甚至更进一步地增大所述输出。

[0029] 在发明的一个方面，当所述方位角在10°和170°之间与在190°和350°之间时，优选地在30°和150°之间与在210°和330°之间时，以及最优选地在60°和120°之间与在240°和300°之间时，调节所述桨距角。

[0030] 所述叶片越接近于90°和270°的方位角，则所述叶片越是沿风的方向移动，因此该角度范围呈现用于调节所述方位角的有利间隔。

[0031] 在发明的一个方面，能单独调节所述叶片的所述桨距角。

[0032] 能共同调节所述叶片的所述桨距角，以简化所述风轮机的操作，但是为了增大本方法关于噪声排放、输出或两者的积极效果，有利的是能单独调节所述叶片。

[0033] 在发明的一个方面，所述转子的旋转轴线倾斜，以使所述转子平面的底部移入所述进来的风的方向，并且所述转子平面的顶部沿远离所述进来的风的方向移动。

[0034] 现代风轮机的叶片非常长且细长，因此也是相对柔韧的。为了确保即使在高风速下承受重负荷时所述叶片也不撞击所述塔，所述叶片必须在所有时间都以安全的距离通过所述塔。这能够通过将所述转子的毂定位成离开所述塔的顶部很大距离而被确保，但是这将使所述风轮机的设计变复杂并且必然引起大的转矩。因此倾斜所述转子的旋转轴线以使所述叶片以安全的距离通过所述塔是有利的。

[0035] 在发明的一个方面，因为一个或多个所述叶片完全或部分地沿所述进来的风的方向向前形成角度，例如相对于所述转子平面向前成1°和7°之间，所以所述转子成锥形。

[0036] 如上所说明的，现代风轮机的所述叶片是非常柔韧的，并且为了确保所述叶片以安全的距离通过所述塔，有利的是安装所述叶片以使它们沿所述进来的风的方向略微指向前，从而使所述转子平面略微成锥形。然而，假如所述叶片向前形成角度太大则它们的效率会减小，该角范围因此提供关于安全性和功能性的有利间隔。

[0037] 发明还提供包括用于执行根据前述权利要求中的任一项的方法的控制装置的风轮机。

[0038] 提供具有用于执行在前描述的方法的控制装置的风轮机是有利的，这是因为可以由此以简单并且具成本效益的方式减小来自所述风轮机的噪声排放和/或增大来自所述风轮机的输出。

[0039] 在发明的一个方面，所述风轮机包括用于单独调节所述叶片的所述桨距角的装置。

[0040] 在发明的一个方面，所述风轮机是变速变桨距风轮机。

[0041] 来自变速变桨距风轮机的噪声排放常常比来自其他类型的风轮机的噪声排放更不可预测，因此假如所述风轮机是变速变桨距风轮机则特别有利。

[0042] 发明甚至还提供根据在前提及的方法中用于减少来自风轮机的噪声排放的任一方法的用途。

[0043] 所述叶片的迎角是控制所述叶片噪声排放的主要因素，因而通过根据所述方位角调节所述叶片的所述桨距角以在倾斜的所述转子的至少一次全程旋转期间确保基本上不变的迎角，是用于减少来自所述风轮机的所述噪声排放的有利方法。

附图说明

[0044] 下面将参照附图描述本发明，其中：

[0045] 图1示出如从正面所见的大型现代风轮机，

[0046] 图2示出如从侧面所见的本领域技术中已知的简化机舱的实施方式的横截面，[0047] 图3示出如从正面所见的具有处于90°方位角位置的叶片的大型现代风轮机，[0048] 图4示出如从侧面所见的图3中所示出的处于90°方位角位置的叶片的横截面，[0049] 图5示出如从正面所见的具有处于270°方位角位置的叶片的大型现代风轮机，[0050] 图6示出如从侧面所见的图5中所示出的处于270°方位角位置的叶片的横截面，[0051] 图7示出现有技术的风轮机和根据发明的风轮机在不同时间的噪声排放，[0052] 图8示出对于8米/秒的风速，翼展上的迎角相对于方位角的坐标系统，以及[0053] 图9示出对于11米/秒的风速，翼展上的迎角相对于方位角的坐标系统。

具体实施方式

[0054] 图1示出了包括塔2和定位在塔2的顶部上的风轮机机舱3的风轮机1。包括安装在毂6上的三个风轮机叶片5的风轮机转子4通过低速轴连接至机舱3，所述低速轴延伸出机舱3正面。

[0055] 在另一种实施方式中，风轮机转子4能包括另外数量的叶片5，诸如一个、两个或四个叶片5。

[0056] 图2示出了如从侧面所见的现有技术风轮机1的机舱3的简化横截面。机舱3存在许多种变型和结构，但是在大多数情况下，机舱3中的动力传动系统几乎总是包括一个或多个下列部件：变速箱15(通常为行星式变速箱)，联接器(未示出)、某种类型的制动系统16以及发电机17。现代风轮机1的机舱3还可能包括变流器(也称为反用换流器)和附加的外围设备，诸如另外的电能处理设备、控制箱、液压系统、冷却系统甚至更多。

[0057] 包括机舱部件15、16、17、18的整个机舱3的重量由机舱结构19承载。部件15、16、17、18通常放置在和/或连接到此共同的承载机舱结构19上。在此简化的实施方式中，承载机舱结构19例如以基架的形式仅沿机舱3的底部延伸，部件15、16、17、18中的一些或所有连接至该基架。在另一种实施方式中，承载结构19能包括齿轮钟形物(gear bell)，该齿轮钟形物能够通过主轴承将转子4的负荷转移到塔2，或者承载结构19能包括诸如网格结构的若干互相联接的部件。

[0058] 机舱3还包括主轴承(未示出)，该主轴承用于确保转子4能相对于机舱结构19和机舱3的固定动力传动系统部件15、16、17、18基本上自由地旋转。在动力传动系统的此实施方式中，由于转子4经由毂6直接连接到变速箱15，因此主轴承被结合到变速箱15中。因为主轴承14被并入变速箱15中，所以变速箱结构必须能借助于机舱加固结构19将转子
4的全部负荷转移到塔2。

[0059] 在本实施方式中，动力传动系统相对于与通过塔2的中心轴线垂直的平面(即水平面)、以6°的正常操作角NA而设置。在另一种实施方式中，转子4和/或动力传动系统能在1°和10°之间倾斜并且优选地在1.5°和8°之间倾斜。

[0060] 通过倾斜动力传动系统，转子平面24倾斜，从而使得进来的风13以不同于直角的角度到达转子平面24。对本领域技术人员来说显而易见的是，即使转子平面24倾斜NA，在一些情况下进来的风13也可能会基本上垂直地到达转子平面24，这是因为风的方向可能由于例如高度湍流、风向改变、障碍、地形的改变等等而改变。

[0061] 转子4倾斜成例如确保叶片5不碰撞塔2，以补偿在转子4的顶部和底部和/或其他处的风速差。

[0062] 为进一步确保塔与叶片5之间的间隙，大部分现代风轮机1的叶片5也成锥形。

[0063] 在风轮机1的此实施方式中，叶片5的纵轴线8基本上与转子4的旋转轴线7垂直。但是在另一种实施方式中，叶片5能以使它们相对于转子的旋转轴线7略微指向前的角度安装(即，叶片略微成锥形)，或者转子4能设有用于相对于转子的旋转轴线7调节叶片5的纵轴线8的角度的装置。能够通过将叶片设置成具有沿叶片的长度有些弯曲的角度或者通过以希望的角度构造毂6或毂6的安装表面而构造此锥度。传统上叶片5成大约2°的锥形，且在大多数情况下4°是最大的锥度角。

[0064] 在发明的另一种实施方式中，能单独地构造和/或控制叶片5的锥度角。

[0065] 在又一种实施方式中，风轮机1能包括刚性地连接在转子的旋转轴线7处或附近的两个叶片5，在该处叶片5将通过某种类型的铰链连接至毂6，从而允许两个叶片5能相对于转子的旋转轴线7同时略微倾斜。因而此倾斜能被主动地控制，或者此倾斜能作为对具体风轮机或风况的反应而发生。

[0066] 图3示出了如从正面所见的具有处于90°方位角位置A的叶片5的大型现代风轮机1。

[0067] 在根据本发明的风轮机1的本实施方式中，风轮机叶片5中的一个示出为处于90°方位角A。

[0068] 给定本风轮机1的转子4的旋转方向14并且因为转子平面24倾斜，所以处于90°方位角A的叶片5向下移动并因此略微移入进来的风13中。

[0069] 图4示出了如从侧部所见的图3中示出为处于90°方位角位置A的叶片5的横截面。

[0070] 当叶片5旋转时，转子4的倾斜NA和锥度导致沿轴向方向22的速度分量，该沿轴向方向22的速度分量作为关于方位角位置A的函数由于叶片5而持续地改变大小(magnitude)。

[0071] 当叶片处于90°的方位角位置A时，叶片5的轴向速度20由于倾斜是最大的，因为倾斜NA并且叶片5向下移动，所以此轴向速度20的方向与进来的风23相反。这必然使得叶片5“看见”更高的进来的风的速度23并且因此“看见”更高的迎角AoA和通过叶片5的更高的相对风速21。

[0072] 如前所说明的，关于噪声排放的最重要的因素之一是叶片迎角AoA，因此在本风轮机1上的叶片5当其向下移动并且特别是当其处于或接近90°方位角A时将产生更多的噪声。

[0073] 通过根据发明的方法，试图通过努力将迎角AoA保持在基本上不变的希望角度而补偿该额外的轴向速度分量20，而实现所述对迎角AoA的保持则是通过调节叶片5的桨距角(pitch angle)，以使得当方位角A在0°和180°之间时，即，当叶片向下移动时，后缘26沿进来的风13的方向移动并且前缘23略微移出进来的风13。

[0074] 要重点指出的是，由于其他控制模式，即使在单次转子旋转期间使迎角AoA变化也可能是有利的，但是根据本发明，优点在于维持迎角AoA基本上不变，以平衡倾斜的NA转子平面24的影响，因此至少在转子4的一次旋转期间看到叶片5的噪声和/或功率生成达到平衡。

[0075] 桨距角A调节的精确量和时间取决于许多因素。首先它取决于方位角A，并且如在前说明的，处于和接近90°和270°方位角，当转子平面24倾斜以使进来的风13不与转子平面24垂直时，问题最深奥。桨距角A调节的数量和时间也取决于在给定情况下叶片5的实际桨距角，并且实际桨距角可能例如取决于进来的风13的速度、转子4的转动速度、叶片的设计以及其他因素。

[0076] 图5示出了如从正面所见的具有处于270°方位角位置A的叶片5的大型现代风轮机1。

[0077] 在根据发明的风轮机1的本实施方式中，风轮机叶片5中的一个示出为处于270°方位角A。

[0078] 给定本风轮机1的转子4的旋转方向14并且因为转子平面24是倾斜的，所以处于270°方位角A的叶片5向上移动并且从而略微移出进来的风13。

[0079] 图6示出了如从侧面所见的图5中示出为处于270°方位角位置A的叶片5的横截面。

[0080] 当叶片5处于270°的方位角位置A时，流动情况与图4所述的相反。由于倾斜NA，叶片5的轴向速度20最大，并且方向远离进来的风13。这意味着叶片5“看见”较低的进来的风的速度23，并且因此“看见”较低的迎角AoA，也“看见”通过叶片5的较低的相对风速21。

[0081] 因为此情况下叶片迎角AoA低于平均值，所以叶片很可能将产生较小的噪声或噪声水平至少不会升高。然而，因为叶片5不再在最佳的迎角AoA下运行，所以较低的迎角AoA可能导致叶片5输出较低。

[0082] 因此在发明的本实施方式中，调节叶片5的桨距角，以使当叶片方位角A在180°和360°之间时，即，当叶片5向上移动时，前缘25沿进来的风13的方向移动并且后缘26至少在某点沿相对的方向移动。

[0083] 图7示出了关于现有技术风轮机1和根据发明的风轮机在不同时间的噪声排放。

[0084] 在该坐标系统中，横坐标轴表示叶片5排放的噪声量NE，并且纵轴表示时间T。

[0085] 上虚线10示出了具体的临界噪声水平，假如风轮机1遵守为具体场所设定的最大噪声排放要求，则不会超过该具体的临界噪声水平。

[0086] 距离9示出了最大容许噪声排放10的安全系数，通常维持该安全系数以在不超过最大容许噪声排放10的情况下允许噪声排放中例如由阵风引起的突然的峰值。

[0087] 虚曲线11示出了在五次全程旋转期间来自具有倾斜的转子平面24的现有技术风轮机1的具体叶片5的噪声排放。如所示，噪声排放随叶片5的方位角A而非常大地波动，使平均噪声级相对低，并因此至少在某种程度上也使叶片5的输出相对低。

[0088] 实曲线12也示出了在五次全程旋转期间来自具有倾斜的转子平面24的根据发明的风轮机1的具体叶片5的噪声排放。当偶尔或持续地调节叶片5的桨距角以得到更恒定的叶片5的迎角AoA时，叶片5的噪声排放也变得更加恒定并且更加可预测，因此可以在没有增大超过最大容许噪声排放10的风险的情况下，以较高的平均噪声排放并因此以较高的平均输出来操作叶片5。

[0089] 图8和9分别示出了对于8米/秒和11米/秒的风速，翼展上的迎角AoA相对于方位角A的两个坐标系统。

[0090] 横坐标轴表示迎角AoA并且纵轴表示翼展，其中0相当于叶片5的根部并且1相当于叶片5的顶端。

[0091] 第一曲线(实线)27示出了90°的方位角A，第二曲线(虚线)28示出了0°的方位角A，第三曲线(点划线)29示出了180°的方位角A，以及第四曲线(点线)30示出了270°的方位角A。

[0092] 两个坐标系统示出了当叶片5处于或接近90°和270°的方位角位置A时，方位角A的变化产生了迎角AoA的较大变化。由于来自倾斜NA的轴向速度20的影响，因为非常低的速度而对叶片5的内部有相对较大的影响，所以在叶片5的内部迎角AoA的差异特别大。

[0093] 方位角位置0°和180°之间(处于顶部位置和底部位置的叶片)的差异归因于转子4的倾斜、锥度或倾斜和锥度的结合。

[0094] 已经在上文参照风轮机1、叶片5、控制方法等的具体实施例而对本发明进行了举例说明。然而，应当理解本发明不限于以上所述的具体实施例，而是可以在如权利要求所指定的发明的范围内以多种变型来设计和改变。

[0095] 列表

[0096] 1、风轮机

[0097] 2、塔

[0098] 3、机舱

[0099] 4、转子

[0100] 5、叶片

[0101] 6、毂

[0102] 7、转子的旋转轴线

[0103] 8、叶片的纵轴线

[0104] 9、噪声安全系数

[0105] 10、预定的最大容许噪声排放

[0106] 11、已知的风轮机的噪声排放曲线

[0107] 12、根据发明的风轮机的噪声排放曲线

[0108] 13、进来的风

[0109] 14、旋转方向

[0110] 15、变速箱

[0111] 16、制动系统

[0112] 17、发电机

[0113] 18、变流器

[0114] 19、机舱结构

[0115] 20、轴向速度分量

[0116] 21、相对风速

[0117] 22、切向叶片速度

[0118] 23、进来的风的风速

[0119] 24、转子平面

[0120] 25、前缘

[0121] 26、后缘

[0122] 27、示出90°方位角的曲线

[0123] 28、示出0°方位角的曲线

[0124] 29、示出180°方位角的曲线

[0125] 30、示出270°方位角的曲线

[0126] NA、正常操作角

[0127] AoA、迎角

[0128] NE、噪声排放

[0129] T、时间

[0130] A、方位角