CN102787970B - 风力涡轮机和相关的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种在极端风力条件下，控制可俯仰的双桨掠叶片风力涡轮机的方法，其中当探测到或预测到风力涡轮机的极端条件时，俯仰风力涡轮机叶片，使得叶片在大致水平布置中对齐。可偏航叶片，使得一个风力涡轮机叶片的尖端部指向风向，导致曝露于极端风力的叶片的表面积减小。该减小的表面积使得风力涡轮机在极端风力条件下经受的极端载荷减小。

Description

风力涡轮机和相关的控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机和控制该风力涡轮机的方法，特别涉及一种控制风力涡轮机以减小极端风力条件下风力涡轮机经受的最大载荷的方法。

背景技术

风力涡轮机通常位于具有相对可预测的风力型态的区域，例如，风力型态在~15-25m/s之间变化。然而，风暴条件下，风速通常可达到能够损坏风力涡轮机结构的极端水平。例如，离岸风力涡轮机设备可能经受台风或飓风条件，其中，阵风中风速可超过70m/s。高风速意味着用于易受极端风力条件影响的场所的风力涡轮机必须用坚固的材料和/或额外的加强元件建造，以抵御在这些区域的可能的高风力影响，并且恰当地规定用于谈及的场所。进一步，阵风中的高风速可导致风力涡轮机的结构组件中的显著的疲劳载荷，该疲劳载荷可导致风力涡轮机结构上的额外的磨损。因此，找到降低极端风力条件对风力涡轮机的影响的方法是有益的。

公开号为No.0709571的欧洲专利申请描述了一种双叶片部分变桨距风力涡轮机，其降低了极端风力条件的影响。该涡轮机包括具有内、外叶片段的第一和第二转子叶片，外叶片段可相对于内叶片段俯仰。高风力下，转子叶片大致水平对齐停置，第一叶片的外叶片段俯仰第一叶片段的内叶片段成90度的角度，而第二叶片的外叶片段未俯仰。释放方位角或偏航制动器，并且当暴露于高风力时，包括第一和第二转子叶片的转子结构用作风向标。因此，转子绕偏航轴移动，使得第一叶片段的尖端部直接指向迎面而来的风，从而呈现减小的风力作用的表面积。高风力条件下，减小的表面积导致涡轮机上的力减小，并且导致风力涡轮机结构中的载荷减小。

然而，这种方案存在一些问题。为了使风力涡轮机水平对齐，涡轮机中采用了复杂的定位、制动和/或锁定系统。由于经受的高风力水平，这些制动/锁定系统在运行中可能经受显著的疲劳载荷。因此，这些系统需要定期维护以确保有效运行。

本发明的目的是，提供一种风力涡轮机和相关的控制方法，该方法在导致极端载荷的高风速下提供了改进的性能，并且克服了以上问题。

发明内容

因此，提供一种在极端风力条件下减小可俯仰的双浆掠叶片风力涡轮机的风力载荷的方法，该风力涡轮机件具有至少35米长的第一和第二风力涡轮机叶片，其中，风力涡轮机叶片的尖端部相对于叶片的中心轴扫掠，所述方法包括以下步骤：

设置风力涡轮机叶片大致水平对齐；和

对齐大致水平的风力涡轮机叶片，使得叶片与涡轮机处的风向纵向对齐，以减小风力涡轮机叶片经受的极端风力载荷，其中，设置步骤包括俯仰风力涡轮机叶片，使得俯仰的叶片型面具有调整过的空气动力学型面，该调整过的空气动力学型面用于被动对齐大致水平对齐的风力涡轮机叶片。

由于转子叶片与风向对齐，使得一个转子叶片有效地指向迎面而来的风向，这减小了就极端风力作用在叶片上的表面积，从而减小了涡轮机结构经受的极端载荷的大小。掠叶片设计意味着通过适当的俯仰叶片，两个叶片组合的空气动力学型面可用于被动对齐大致水平位置的叶片，而不需要使用锁定或制动系统以水平对齐叶片。优选地，使用迎面而来的风力，变化的空气动力学型面用于转动地将叶片与迎面而来的风向对齐。由于风在大致水平方向吹动，叶片因此而大致水平对齐。优选地，叶片与风力涡轮机处的风向成+/-20的角度对齐，优选地，+/-5度。

优选地，进行俯仰步骤，使得沿着风力涡轮机叶片（其可包括任何相关的转子轮毂）转动轨迹的转子叶片的平衡点是当叶片处于大致水平位置。

可以理解的是，风力涡轮机包括可设于适当的基座中的塔架、设于塔架顶部的机舱、设于机舱处的转子轮毂、安装于转子轮毂的叶片。极端风力条件，可以理解的是，这是指可发生在风力涡轮机塔架附近的非常高的风速，所述风力涡轮机塔架和机座必须设计充分应对该非常高的风速。

优选地，风力涡轮机掠叶片包括前掠叶片。前掠叶片包括成型为，使得叶片尖端部扫掠远离风力涡轮机塔架的风力涡轮机叶片。（也就是，叶片从塔架向外偏斜）。普通的直叶片在转动中由于转动力的作用可变形，以至于叶片尖端可能撞击风力涡轮机塔架。使用前掠叶片设计能确保运转中的任何叶片变形都不需要额外的塔架至尖端间隙。

叶片的扫掠曲率（swept curvature）允许叶片的空气动力学型面通过俯仰至少一部分叶片而改变，使得一部分叶片扫掠段用于在大致水平位置对齐叶片，与涡轮机处的风向一致。可以理解的是，风力涡轮机叶片可转动地与风力涡轮机处迎面而来的风向对齐，使得风力涡轮机叶片的对齐角度取决于迎面而来的风与水平线所成的角度。

可以理解的是，所述对齐步骤可在所述设置步骤之前进行，使得风力涡轮机叶片在方位方向（azimuthal direction）偏航，直至风力涡轮机的转动轨迹大致与涡轮机处的风向一致。然后，叶片可俯仰，使得迎面而来的风用于在水平位置对齐叶片。

优选地，所述俯仰步骤包括俯仰叶片，使得叶片的扫掠尖端部沿着风力涡轮机转子叶片的转动轨迹指向大致相同的方向。

通过沿着风力涡轮机转子叶片的转动轨迹在相同的方向对齐叶片尖端，组合的叶片类似于平衡的双风杯风速计作用，在涡轮机处的迎面而来的风力下，自动并且被动地在大致水平位置对齐。进一步，由于俯仰布置，叶片的扫掠段经受的转动力大小大致相等，方向相反，叶片被动地转动，以与涡轮机处的风向对齐。这种被动对齐确保叶片总是与风向对齐，减小了曝露于风的表面积，从而减小了涡轮机经受的力，而不需要复杂的制动/锁定控制系统来将叶片维持在水平位置。

优选地，所述俯仰步骤包括俯仰所述叶片，使得扫掠尖端部具有约+/-90度的桨距角。

对于前掠叶片，通过以90度的俯仰角俯仰每个叶片，两个叶片的尖端部都沿着风力涡轮机叶片的转动轨迹指向相同的方向。可以理解的是，叶片可都正俯仰至+90度的俯仰角，或负俯仰，至-90度的俯仰角。

特别优选的实施例中，风力涡轮机包括具有第一扫掠尖端部的第一叶片和具有第二扫掠尖端部的第二叶片，其中，俯仰步骤包括俯仰所述第一叶片，使得所述第一扫掠尖端部具有约85-95度的桨距角（优选地，约90度），并且俯仰所述第二叶片，使得所述第二扫掠尖端部具有约45-85度的桨距角（优选地，约55-65度，进一步优选地，约60度）。

在进行的测试中，惊奇地发现，俯仰叶片使这种构造为本发明提供了改进的性能。据认为，由于惯性力、重力等的作用，这种不对称的俯仰更有效地用于平衡处于大致水平位置的风力涡轮机叶片，从而用于阻止叶片从所述大致水平位置的转动。

一个实施例中，所述方法包括以下步骤：

俯仰所述叶片，使得所述叶片的所述扫掠尖端部具有约85-95度的桨距角（优选地，约90度），以被动对齐大致水平布置的风力涡轮机叶片；和

当所述风力涡轮机叶片大致水平对齐时，俯仰一个所述叶片，使得所述一个所述叶片的尖端部具有约45-85度的桨距角（优选地，约55-65度，进一步优选地，约60度）。

这个实施例中，安全关机程序涉及两个俯仰步骤，其中，叶片首先被对称俯仰，以相对快速地在大致水平方向被动对齐叶片。一旦水平对齐后，一个叶片被俯仰至第二桨距角，导致扫掠尖端部的俯仰布置不对称，使得叶片的水平对齐布置更稳定。

优选地，设置所述俯仰步骤，使得俯仰至45-85度的叶片是指向涡轮机处的风向的叶片。

本发明的测试显示，确保特定扫掠叶片段是指向风向的叶片，该扫掠叶片段在45-85度俯仰，在安全关机程序中导致风力涡轮机的稳定运转的更宽的锥形区（wider cone of stableoperation of the wind turbine）。

可以理解的是，上述桨距角指示进行俯仰的幅度，并且同样可进行正向或负向俯仰。

优选地，风力涡轮机包括第一叶片和第二叶片，其中，该叶片包括大致凹入的压力侧和大致凸出的吸力侧，其中，所述方法包括：

俯仰至少一部分所述叶片，使得至少一部分所述凹入的压力侧与沿着风力涡轮机转子叶片的转动轨迹面向大致相同的方向，使得第一叶片的凹入的压力侧和第二叶片的凸出的吸力侧产生的拖曳力（drag forces）与第一叶片凸出的吸力侧和第二叶片凹入的压力侧产生的拖曳力大致平衡，以使风力涡轮机叶片稳定在大致水平位置。

俯仰的掠叶片像双风杯风速计一样作用，由于风杯上的力，其自动将其自身与风向对齐。这里，叶片的弯曲段，一旦俯仰，像风杯一样作用，其中，由于叶片沿着叶片转动轨迹的方位，一个叶片将在任何时间具有增加的拖曳力。在风的作用下，叶片将转动，并且最终将稳定在一个位置，该位置上，两个“风杯”上的拖曳力将相等，也就是，在平衡位置风力下的力相等时，其中，叶片与涡轮机处的风向在大致水平布置对齐。

优选地，所述方法包括增大俯仰的叶片的凹入的压力侧的拖曳力的步骤。

为了提供系统的改进的运行，叶片俯仰段的拖曳力可增大（增大片段的凹度）。这使得叶片更快地在大致水平位置稳定，因此，风力涡轮机在极端风力条件下经受的力可更快的减小，导致风力涡轮机结构经受的力减小。

增加拖曳力的方法可包括安装阻流板或格尼襟翼至风力涡轮机叶片的凹入段。进一步，这可包括驱动设于叶片上的可调整的阻流板或襟翼。

特定的实施例中，所述方法包括以下步骤：

极端风力条件下，俯仰转子叶片，使得转子叶片的扫掠尖端部沿着风力涡轮机转子叶片的转动轨迹指向大致相同的方向，以及对齐所述转子叶片，使得转子叶片的转动轨迹与涡轮机处的风向一致，使得俯仰的扫掠尖端部用于在大致水平位置对齐风力涡轮机叶片；和

当在大致水平位置时，俯仰转子叶片，使得转子叶片的扫掠尖端部指向大致向下的方向，以降低转子叶片的质心，并且阻止风力涡轮机叶片从所述大致水平位置转动。

这个实施例中，叶片可在第一布置中俯仰，以减慢叶片的转动，直至叶片稳定在大致水平位置，然后再次俯仰叶片，使得叶片尖端部朝地表水平指向下方，从而降低风力涡轮机叶片（以及任何相应的风力涡轮机轮毂）的平衡中心，以阻止风力涡轮机叶片从所述大致水平位置转动。

优选地，风力涡轮机包括塔架、位于所述塔架顶部的机舱、转动安装在所述机舱处的转子轮毂、通过转轴联接于所述转子轮毂的发电机、一对至少35米长的设于所述转子轮毂上的风力涡轮机叶片以及联接于所述机舱的偏航系统，其中，所述对齐大致水平的风力涡轮机叶片的步骤包括通过驱动所述偏航系统主动偏航所述机舱和所述转子轮毂。

通过主动偏航叶片，以使叶片与风向纵向对齐，这使得在极端风力条件下更好地控制风力涡轮机，使得转子叶片的对齐可基于风力涡轮机处的当前条件来完成。这种主动偏航确保各种尺寸的风力涡轮机的风力涡轮机叶片的精确对齐。

优选地，风力涡轮机叶片包括具有内叶片段和外叶片段的部分变桨距叶片，其中，所述俯仰步骤包括相对于所述内叶片段俯仰所述外叶片段。

优选地，所述内叶片段包括空气动力学型面，其相对于所述外叶片段未俯仰，该内叶片段未俯仰的空气动力学型面可用于稳定风力涡轮机叶片的转动。

由于内叶片段具有未俯仰的空气动力学型面，内叶片段与涡轮机处的风向相符，对迎面而来的风呈现减小的阻力。这阻止叶片在高风速转动，并且当在水平对齐的平衡位置时，增加了风力涡轮机叶片的稳定性。

还提供一种风力涡轮机，包括：

塔架，

位于所述塔架顶部的机舱，

转动安装于所述机舱的转子轮毂，

通过转轴联接于所述转子轮毂的发电机，和

一对至少35米长的设于所述转子轮毂上的掠叶片风力涡轮机叶片，其中，风力涡轮机进一步包括控制装置，用于执行上述方法的任何步骤。

还提供一种用于水平对齐可俯仰的双浆掠叶片风力涡轮机的叶片的一般控制方法，该风力涡轮机具有至少35米长的第一和第二风力涡轮机叶片，其中，叶片的尖端部相对叶片的中心轴扫掠，所述方法包括以下步骤：

俯仰转子叶片，使得叶片的扫掠尖端部提供风力涡轮机叶片的调整过的空气动力学型面，该调整过的空气动力学型面用于被动地对齐大致水平布置的风力涡轮机叶片。

俯仰掠叶片的方法可用作水平对齐双桨风力涡轮机的叶片的一般方法，例如，在维护运转之前，事先应用制动装置和/或转子锁定装置至风力涡轮机叶片，以在水平位置固定叶片。

附图说明

现在将描述本发明的实施例，仅通过举例的方式，并参考相应的附图，其中：

图1是根据本发明实施例的双桨部分变桨距掠叶片风力涡轮机的透视图；

图2是图1的风力涡轮机的俯视图；

图3是俯仰风力涡轮机叶片以平衡风力涡轮机叶片时，图1的风力涡轮机的透视图；

图4是图3的风力涡轮机的主视图；

图5（a）和5（b）示出了图3的俯仰的风力涡轮机的平衡力效果的草图；

图6示出了两种不同的增加图1的风力涡轮机叶片的拖曳力的方法；和

图7是根据本发明的加强版的图3的风力涡轮机的主视图。

具体实施方式

参见图1和2，双桨掠叶片部分变桨距风力涡轮机总体上用10表示。风力涡轮机10包括风力涡轮机塔架12，设于所述塔架12顶部的机舱14，以及设于所述机舱14处的转子轮毂16。第一和第二部分变桨距转子叶片18，20设于所述转子轮毂16相对的两侧。图1中，示出的塔架12设于风力涡轮机基体22上，该基体22包括任何合适的风力涡轮机基座。可以理解的是，虽然示出的实施例描述了本发明用于岸上风力涡轮机，可以理解的是，本发明同样可用于离岸环境的风力涡轮机。

第一和第二部分变桨距转子叶片18，20各自包括叶片主体，其具有安装于所述转子轮毂16的叶片根端部18a，20a和远部尖端部18b，20b。转子叶片18，20包括分别设于所述根端部18a，20a的内叶片段24，26，以及分别设于所述尖端部18b，20b的外叶片段28，30。转子叶片18，20进一步包括桨距系统（未示出），其设于每个叶片中的内叶片段24，26和外叶片段28，30之间的连接位处。

桨距系统用于相对于内叶片段24，26俯仰外叶片段28，30。图1和2中，示出的转子叶片18未俯仰（也就是，外叶片段28，30俯仰的桨距角为0度）。

如图2中所示，风力涡轮机10的风力涡轮机叶片18，20为前掠风力涡轮机叶片，其中叶片成型为使得叶片18，20的尖端部18b，20b指向远离风力涡轮机塔架12的方向（叶片的尖端部相对于叶片的中心纵轴扫掠）。这种前掠叶片可用于风力涡轮机中，以确保足够的尖端塔架比（tip-to-tower ratio）供风力涡轮机运行。

可以理解的是，本发明同样可用于任何掠叶片风力涡轮机构造。

虽然呈现的实施例描述了本发明用于部分变桨距风力涡轮机，可以理解的是本发明可应用于任何合适的双桨掠叶片风力涡轮机构造（例如，具有全部俯仰叶片），并且不限于部分变桨距风力涡轮机。

风力涡轮机10进一步包括控制装置（未示出），其用于在极端风力条件中执行安全关机程序。这种控制装置可以是设于风力涡轮机结构中的独立的控制装置，和/或通信联接至远程控制站，能够从远程位置操纵风力涡轮机的运行。

根据区域内的主要风力条件，风力涡轮机结构的设计考虑可因此而改变。极端风力条件，可以理解的是，这是指在临近风力涡轮机塔架发生的非常高的风速，为此，必须设计所述风力涡轮机塔架和基座能够充分应对非常高的风速。特别地，国际电工委员会（IEC）将极端风速条件规定为风切变情况，以及由于暴风的最高风速和风速方向的快速变化。风力涡轮机期望于抵御特定风速的极端风力条件，以取得作为IEC涡轮机特定等级的资格（例如，70m/s的风速的极端风通常规定为ICE Ⅰ级涡轮机）。

可以理解的是，这种极端风力条件的限定取决于若干因素，例如，规定用于期望等级的风力涡轮机的最大风速，和/或归类于10/50/100年一遇的风速（相对于风力涡轮机地点的正常的主要的风力条件）。

对于欧洲的大多地区，超过20m/s的风速可认为是极端风力条件。然而，在亚洲的台风或飓风区域，这种涡轮机必须规定为能够抵御高达70m/s的风速。因此，风力涡轮机的设计更多的涉及加强件的使用。对于这种加强的涡轮机，与基于欧洲的涡轮机情形相比，极端风力条件可在较高水平。总体上，包括至少33m/s（或119千米/时（km/h））的持续风力的天气体系归类为台风或飓风。

在探测或预测的极端风力条件的情形下，风力涡轮机控制装置用于以特定方式俯仰外叶片段28，30，使得风力涡轮机叶片18，20对齐并稳定在大致水平位置。

当叶片18，20水平对齐时，风力涡轮机10用于探测涡轮机处的当前风向，并且偏航风力涡轮机（包括设于机舱14上的风力涡轮机叶片18，20和转子轮毂16）的转子组件，使得一个风力涡轮机叶片18的尖端部18b指向当前风来临的方向，例如，如果探测到风来自西南方向，使用涡轮机偏航机构（未示出）主动偏航风力涡轮机叶片18，20，直至叶片18对齐风向，使得一个尖端部18b指向西南方向，相反的尖端部20b指向东北方向。

可以理解的是，叶片18，20与涡轮机10处的风向纵向对齐的步骤可与上述的俯仰步骤同时或在其之前进行。这种情况下，风力涡轮机的转子组件可偏航，使得风力涡轮机叶片18，20的转动平面与涡轮机10处的风向平行。

由于叶片18，20与风向对齐，呈现于风的叶片18，20的表面积最小化（与风作用在沿着叶片的整个纵向长度的表面上的情况下相比）。由于表面积最小化，因此风力涡轮机结构由于极端风力而经受的载荷力也最小化。这导致风力涡轮机10经受的极端载荷减小。这种减小的极端载荷的好处是，风力涡轮机结构的建造要求减低，导致生产成本和花费的精力减小。

参见图3和4，风力涡轮机叶片18，20的外叶片段28，30约成90度桨距角俯仰，使得叶片18，20的尖端部18b，20b均沿着风力涡轮机叶片的转动轨迹指向相同的方向（示出的实施例的情形下，指向逆时针方向）。通过以这种方式布置叶片的扫掠段，叶片18，20的空气动力学型面变化，叶片将在迎面而来的风的作用下，在大致水平布置上被动地对齐，涡轮机处的风将用于对齐叶片至最小阻力点，从而使得风力涡轮机结构经受的力最小。

以这种方式俯仰叶片意味着在沿着叶片转动轨迹的任何点（除了叶片水平时之外），迎面而来的风会作用在一个叶片的扫掠部的相对凹入的表面上以及另一个叶片的扫掠部的相对凸起的表面上。这导致在叶片上产生增加的拖曳力转动叶片，该叶片具有曝露的凹入的表面。叶片会转动，直至平衡位置，其中，每个叶片经受的力是相等的。对于水平风，这意味着叶片在静止位置大致水平稳定。

为了说明叶片对齐之后的原理，如图3和4所示，具有扫掠段的俯仰的风力涡轮机10可比作风杯风速计装置（通常用于测定风速），如图5所示，其仅具有两个风杯。

风速计100具有一对设于枢轴106上的臂102，104。臂102，104的端部设有敞面的风杯或半球108，110，风杯对齐，使得风杯108，110的敞面沿着臂102，104的转动轨迹的指向相同方向。示出的实施例中，风速计100以顺时针方式转动，风杯108，110面向与沿着转动轨迹相反的方向。这个实施例中，图5的风杯108，110与图3和4中俯仰的扫掠外叶片段28，30相似，均具有沿着臂/叶片的转动轨迹呈现的相对的凹入和凸出表面。

图5（a）中，当臂102，104在垂直位置时，风杯108，110的其中一个的敞面面朝迎面而来的风的方向（用箭头112表示）。风杯108敞开的、相对凹入的面，与风杯110关闭的、相对凸出的面相比，导致风杯108和臂102上产生的拖曳力（箭头114表示）大于风杯110和臂104上产生的拖曳力（箭头116表示）。

风杯108上更大的拖曳力114用于在顺时针方向转动臂102和风杯108。如果臂102，104转动越过水平，随后风杯110的敞面会呈现于迎面而来的风，风杯110和臂104中相应的增加的拖曳力将用于进一步转动风速计100。

最后，风速计100会稳定在一个位置，该位置上，两个风杯108，110上的拖曳力相等，也就是，当臂102，104在大致水平位置，如图5（b）所示。进一步，由于风速计曝露于风向的表面积减小，风速计100在该位置经受的力（箭头118表示）最小化。

通常的风杯风速计装置中，至少需要三个风杯和相应的臂，以防止风速计与风的一致稳定性。然而，该原理使得双桨掠叶片风力涡轮机的叶片与涡轮机处的风向被动对齐，以最小化涡轮机上的风力载荷。俯仰风力涡轮机叶片的扫掠段，使得其中一个叶片的相对凹入表面用于捕捉迎面而来的风力，以转动叶片，直至叶片达到大致水平对齐的平衡位置。

可以理解的是，可俯仰外叶片段，使得叶片的尖端部沿着叶片转动轨迹指向向前的方向（对于前掠叶片，这意味着桨距角约-90度），或沿着叶片的转动轨迹指向相反的方向（对于前掠叶片，这意味着桨距角约+90度，如图3和4所示）。

被发现的是，特别优选的构造涉及双桨掠叶片风力涡轮机的叶片的俯仰，使得所述第一扫掠尖端部具有约85-95度的桨距角（优选地，约90度），第二尖端部具有约45-85度的桨距角（优选地，约55-65度，进一步优选地，约60度）。测试显示，当用于本发明的方法中时，这种构造提供了改进的性能和稳定性。据认为，由于惯性力、重力等等的作用，这种不对称俯仰用于更有效的在大致水平位置平衡风力涡轮机，从而用于阻止叶片从所述大致水平位置转动。

测试显示，风力涡轮机叶片设于相对稳定的水平位置，如上所述，在风力涡轮机叶片与风对齐的位置周围，具有一个有效的稳定锥形区。

从0度风向开始（0度认为是风力涡轮机叶片与迎面而来的风向成稳定的水平方位），风向从0度的改变将导致叶片经受不同的力。当风改变方向，来自水平面之上/之下的一点时，叶片将经受的力试图沿着叶片转动轨迹转动叶片。一旦风向超过对叶片的特定稳定角度，风作用在足够的叶片表面积上，提供足够的力开始转动叶片。

当叶片转动至全部垂直位置，曝露于迎面而来的极端风力的转子组件的表面积最大化，因此导致的风力涡轮机结构经受的极端风力载荷最大化。

稳定锥形区是绕叶片的稳定的静止位置延伸的区域，在该稳定锥形区内，任何风向的改变都不会产生足够的转动力使得叶片转动至一个位置，该位置上更大的叶片表面积将曝露于总的迎面而来的风向中（有效的稳定锥形区是由于例如惯性力矩、空气动力学型面等等）。为了风力涡轮机的安全关机程序的有效运转，优选相对大的稳定锥形区，使得叶片对风向的突然改变较不灵敏。

在对称的俯仰布置中（其中，外叶片段均俯仰成90度），用风速计类比，呈现于风的风杯是同样的大小，产生同样的拖曳力。不对称俯仰布置（也就是，一个叶片段俯仰成90度，另一个叶片段俯仰成约60度）的作用是，有效地减小了其中一个风杯段的大小，调整了该风杯的拖曳力特征，并且在整个叶片布置上延伸。

风洞测试显示，对于对称的俯仰布置，用于测试的叶片设计的稳定锥形区延伸至约20度的弧，以0度为中心。

通过对比，使用不对称俯仰布置的同样的叶片设计的风洞测试，导致稳定锥形区扩展至约60度的弧，以0度为中心。（进行的测试中，指向风向的叶片段是俯仰成约60度的叶片段。）

因此，不对称的俯仰布置可导致更宽的稳定锥形区，用于水平设置的叶片。

一个实施例中，安全关机程序涉及两个俯仰步骤，其中，外叶片段最初俯仰成90度桨距角，以确保风力涡轮机叶片快速达到稳定水平位置。一旦水平，控制装置用于俯仰其中一个叶片段（优选地，叶片段指向迎面而来的风的方向）成45-85度之间的俯仰角（优选地，55-65度之间）。因此，俯仰水平的叶片，为变化的风向提供更宽的稳定锥形区，并在安全关机程序中为极端风力载荷的整个时期提供改善的性能。

叶片在水平位置的被动对齐，不需要使用锁定或制动系统使叶片水平对齐，和/或减少了这些系统的磨损。由于转子叶片与风向对齐，使得一个叶片有效的指向迎面而来的风向，这减小了极端风力作用的叶片的表面积，从而减小了涡轮机结构经受的极端载荷的大小。

虽然本发明可用于全部变桨距风力涡轮机，由于内、外叶片段的组合拖曳力比（combined drag ratios）改进了系统的稳定性，本发明的方法应用在部分变桨距风力涡轮机中呈现出进一步的优势。这在一些情形中应用，其中，部分变桨距风力涡轮机的内叶片段包括翼型型面（图3中所示）。

当在俯仰位置，外叶片段28，30对齐，使得叶片段的主体面向风（与叶片段的较低的压力侧或上部的吸力侧相应），内叶片段24，26保持未俯仰。因此，当叶片18，20的转动平面与涡轮机10处的风向对齐时，迎面而来的风将面向内叶片段24，26的后缘（如图3中的实施例所示）或前缘。

因此，当外叶片段的相对凹入的表面产生增加的拖曳力以转动叶片时，内叶片段提供较小的拖曳力（由于翼型型面与风一致），因此，这种部分变桨距双叶片风力涡轮机的叶片不会像全部变桨距风力涡轮机一样快速转动。因此，相对于全部变桨距涡轮机，具有空气动力学形状的内叶片段的双叶片部分变桨距风力涡轮机的水平位置的稳定性会增加。

优选地实施例中，风力涡轮机叶片18，20主动偏航，以将叶片18，20的转动轨迹的平面与涡轮机10处的风向对齐，例如，使用风力涡轮机偏航机构。由于叶片18，20主动偏航指向风向，这确保了叶片18，20精确地与涡轮机10处的风向对齐，而不考虑涡轮机的尺寸和/或叶片平衡。

可以理解的是，风力涡轮机10可包括任何适当的用于确定风速的装置，例如，风速计，以及确定风向的装置，例如，设于风力涡轮机结构上的风向标。附加地或可选择地，风力涡轮机10用于接收关于涡轮机的预测的风向的信息，并且偏航风力涡轮机叶片18，20，以与所述预测的风向对齐，例如，从预测的方向中预料到极端风速。

通过大致水平对齐，可以理解的是，叶片18，20设置为相对于风力涡轮机大致平行于地平面（或海平面），例如，+/-5度。优选地，与涡轮机处的风向相一致。

可以理解的是，可能用到一些加强的实施例。虽然本发明特别适合具有相对高弯曲度的叶片，但是，可增强叶片的俯仰段的拖曳作用使得叶片型面更加凹入或“凹陷”。参见图6，示出的格尼襟翼120和阻流板122应用于叶片型面124的下部的压力侧，当如上所述俯仰时，增加叶片型面124段的拖曳力。这种拖曳力增加装置120，122可附加/改装至叶片型面124，或者这种装置在部分安全关机程序中起作用。

可以理解的是，适度制动力可同时被应用上述方法中，以增强处于大致水平位置的风力涡轮机叶片的稳定性。附加地或可选择地，初始制动力被应用至风力涡轮机叶片，以将叶片的转动减慢至一个速度，在该速度可以执行安全关机程序的上述俯仰。

参见图7，示出进一步增强的本发明的系统。图7中，一旦风力涡轮机叶片18，20稳定至如上所述的大致水平位置，控制装置可用于调整一个或两个叶片18，20的桨距角，使得两个外叶片段28，30的尖端部18b，20b沿着叶片18，20的转动轨迹指向相反的方向，特别地，朝地表水平向下指向。通过这种方式俯仰叶片18，20，转子组件（包括转子轮毂16和叶片18，20）的质心降低至转子轮毂16的枢转点以下。因此，转子组件具有较低的平衡中心，需要花费更多的努力从当前大致水平位置转动叶片18，20。这种进一步的步骤可提供额外的稳定性，并且阻止叶片18，20在极端风力条件下移动。

根据叶片的转动角和偏航角，风力涡轮机叶片的布置与风向一致，意味着暴露于迎面而来的极端风力的转子组件的表面积最小化，转子组件和风力涡轮机结构上产生的极端风力载荷减小。这使得特定的风力涡轮机结构需要的部件重新确定尺寸，导致涡轮机成本的相应降低。俯仰的风力涡轮机叶片的对齐，降低了转子组件的质心，提供了稳定构造的转子组件，由于转子组件更好地阻止从所述水平位置的转动。

本发明不限于本文描述的实施例，可在不脱离本发明的范围内修改和适用。

Claims (11)

1.一种极端风力条件下减小可俯仰的双桨掠叶片风力涡轮机(10)的风力载荷的方法，该风力涡轮机(10)具有至少35米长的第一和第二风力涡轮机叶片(18，20)，其中，所述风力涡轮机叶片的尖端部(18b，20b)相对于所述叶片的中心轴扫掠，所述方法包括以下步骤：

设置所述风力涡轮机叶片(18，20)大致水平对齐；

其中，设置步骤包括俯仰风力涡轮机叶片(18，20)，使得所述叶片(18，20)的扫掠尖端部(18b，20b)沿着风力涡轮机转子叶片(18，20)的转动轨迹指向大致相同的方向，并且当每块风力涡轮机叶片(18，20)变桨距至一桨距角时，两块风力涡轮机叶片(18，20)具有组合空气动力学型面，所述组合空气动力学型面用于被动转动风力涡轮机叶片(18，20)，使风力涡轮机叶片(18，20)处于大致水平线对齐的位置；和

对齐大致水平的风力涡轮机叶片(18，20)，使得所述叶片与涡轮机(10)处的风向纵向对齐，以减小风力涡轮机叶片(18，20)经受的极端风力载荷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述俯仰步骤包括俯仰所述叶片(18，20)，使得扫掠尖端部(18b，20b)具有约90度的桨距角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机(10)包括具有第一扫掠尖端部(18b)的第一叶片(18)和具有第二扫掠尖端部(20b)的第二叶片(20)，其中，所述俯仰步骤包括俯仰所述第一叶片(18)，使得所述第一扫掠尖端部(18b)具有约85-95度的桨距角，并且俯仰所述第二叶片(20)，使得所述第二扫掠尖端部(20b)具有约45-85度的桨距角。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

俯仰所述叶片(18，20)，使得所述叶片的所述扫掠尖端部(18b，20b)具有约85-95度的桨距角，以被动对齐大致水平布置的风力涡轮机叶片(18，20)；和

当所述风力涡轮机叶片(18，20)大致水平对齐时，俯仰一个所述叶片(18，20)，使得所述一个所述叶片(18,20)的尖端部(18b，20b)具有约45-85度的桨距角。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，设置所述俯仰步骤，使得俯仰成45-85度之间的桨距角的叶片(18,20)是指向涡轮机(10)处的风(112)向的叶片(18,20)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机包括(10)第一叶片(18)和第二叶片(20)，其中，该叶片(18，20)包括大致凹入的压力侧和大致凸出的吸力侧，其中，所述方法包括：

俯仰至少一部分所述叶片(18，20)，使得至少一部分所述凹入的压力侧沿着风力涡轮机转子叶片(18，20)的转动轨迹面向大致相同的方向，使得第一叶片(18)的凹入的压力侧和第二叶片(20)的凸出的吸力侧产生的拖曳力大致与第一叶片(18)凸出的吸力侧和第二叶片(20)凹入的压力侧产生的拖曳力大致平衡，以在大致水平布置稳定风力涡轮机叶片(18，20)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括增大所述俯仰的叶片(18，20)的凹入的压力侧的拖曳力的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

极端风力条件下，俯仰转子叶片(18，20)，使得转子叶片的扫掠尖端部(18b，20b)沿着风力涡轮机转子叶片(18，20)的转动轨迹指向大致相同的方向，对齐所述转子叶片(18，20)，使得转子叶片(18,20)的转动轨迹与涡轮机(10)处的风向(112)相一致，使得俯仰的扫掠尖端部(18b，20b)用于在大致水平位置对齐风力涡轮机叶片(18，20)；和

当在大致水平位置时，俯仰转子叶片(18，20)，使得转子叶片(18，20)的扫掠尖端部(18b，20b)指向大致向下的方向，以降低转子叶片(18，20)的质心，并且阻止风力涡轮机叶片(18，20)从所述大致水平位置转动。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机(10)包括塔架(12)、位于所述塔架(12)顶部的机舱(14)、转动安装在所述机舱(14)处的转子轮毂(16)、通过转轴联接于所述转子轮毂(16)的发电机、一对至少35米长的设于所述转子轮毂(16)上的风力涡轮机叶片(18，20)以及联接于所述机舱(14)的偏航系统，其中，所述对齐大致水平的风力涡轮机叶片(18，20)的步骤包括通过驱动所述偏航系统主动偏航所述机舱(14)和所述转子轮毂(16)。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机叶片(18，20)包括具有内叶片段(24，26)和外叶片段(28，30)的部分变桨距叶片，其中，所述俯仰步骤包括相对于所述内叶片段(24，26)俯仰所述外叶片段(28，30)。

11.一种风力涡轮机(10)，包括：

塔架(12)，

位于所述塔架(12)顶部的机舱(14)，

转动安装于所述机舱(14)的转子轮毂(16)，

通过转轴联接于所述转子轮毂(16)的发电机，和

一对至少35米长的设于所述转子轮毂(16)上的风力涡轮机叶片(18，20)，其中，风力涡轮机(10)进一步包括控制装置，用于执行权利要求1-10任一权利要求所述方法的步骤。