CN110177931B - 用于使涡轮的叶片定向的方法 - Google Patents

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Abstract

该方法用于使涡轮(4)的叶片(40)经过动力设备(2)中难以到达的位置范围(α1、α2)定向，所述叶片(40)可围绕不同于涡轮(4)的旋转轴线(X)的定向轴线(X40)旋转，该涡轮(4)包括用于使叶片(40)定向的器件(42、44、46)，所述器件适于对叶片(40)施加可调整的力矩。该方法包括如下步骤，其在于：a)停止涡轮(4)的能量生产；b)将运转涡轮(4)的水流设置成低于正常能量生产值的值；c)使用来自电网的能量来使涡轮(4)在马达模式中旋转；d)在涡轮(4)仍旋转的同时，将由用于使叶片(40)定向的器件输送的力矩调整成减小的值，使得叶片(40)在由水施加的液压力矩的作用下能够自由围绕它们的定向轴线(X40)旋转，经过难以到达的位置范围；e)一旦叶片(40)克服了难以到达的位置范围，将由用于使叶片(40)定向的器件输送的力矩调整成优于减小的值的正常值，使得叶片(40)围绕它们的定向轴线(X40)的旋转在确定的位置中停止。

Description

用于使涡轮的叶片定向的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使涡轮的叶片经过动力设备(power plant)中难以到达(non-reachable)的位置范围定向的方法。
背景技术
为了优化和增加动力设备(诸如潮汐动力设备)的涡轮的生产，在反转(reverse)叶片的可能性以及保持在操作期间调整叶片定向的可能性方面存在极大益处。
如从AU-A-2014/259522已知的，涡轮通常配备有伺服马达和传动***，其适于改变叶片的定向角度，以调整操作参数且提高性能。然而，传动***通常包括杠杆和伺服马达，其沿着涡轮的旋转轴线施加压力，导致对于叶片的死点和难以到达的位置范围。能量生产的优化因此不令人满意。
从相同的参考文献(reference)已知，通过添加辅助伺服马达来克服死点，该辅助伺服马达适于在使用主伺服马达难以到达的位置范围内驱动叶片。然而，由于在涡轮的结构上需要重大的机械改变，此解决方案是昂贵的。而且，添加的构件降低涡轮的液压性能。
公开用于克服死点问题的另外的辅助设备的另一个参考文献为GB 750951。
发明内容
本发明的目标在于提供一种使涡轮的随机数量的叶片定向的新方法，其需要在涡轮的标准结构上最少的可能改变。
为此，本发明涉及一种用于使涡轮的叶片经过动力设备中难以到达的位置范围定向的方法，所述叶片可围绕不同于涡轮的旋转轴线的定向轴线旋转，该涡轮包括用于使叶片定向的器件，所述器件适于对叶片施加可调整的力矩，其中该方法包括以下步骤中的一个或多个：
-a)停止涡轮的能量生产；
-b)将运转涡轮的水流设置成低于正常能量生产值的值；
-c)使用来自电网的能量来使涡轮在马达模式中旋转；
-d)在涡轮仍旋转的同时，将由用于使叶片定向的器件输送的力矩调整成减小的值，使得叶片在由水施加的液压力矩的作用下能够自由围绕它们的定向轴线旋转，经过难以到达的位置范围；和/或
-e)一旦叶片克服了难以到达的位置范围，将由用于使叶片定向的器件输送的力矩调整成优于减小的值的正常值，使得叶片围绕它们的定向轴线的旋转在确定的位置中停止。
由于本发明，可在水流的作用下使用叶片的自反转特性来使叶片经过难以到达的位置定向。因此，不需要额外的伺服马达和机械传动***。因此，涡轮的成本不增加，且涡轮的液压性能不受额外的构件所损害。此外，用于使叶片定向的器件可不同于施加压力的伺服马达。
本发明优于GB 750951是特别有利的，因为本发明克服为使叶片旋转必须使涡轮停顿的问题。
根据有利但非强制的本发明的另外的方面，此方法可结合以下特征中的一个或若干：
-在步骤b)处，水流可设置成包括于正常能量生产值的0与10%之间的值。
-在步骤b)处，水通道的水流调节***部分地或完全地关闭，涡轮位于该水通道中。
-在步骤d)处，可修改伺服马达的室中的控制压力，在优选实施例中可减小该控制压力。在优选实施例中，可通过修改伺服马达室内部的控制压力来控制和同步叶片的定向。优选地，所述控制压力控制螺母或类似器件(其联结到杠杆，杠杆驱动叶片围绕它们的定向轴线旋转)的角位置，所述伺服马达、所述螺母和所述杠杆形成用于使叶片定向的器件。
-该方法可包括在步骤c)之前的另外的步骤，其在于(优选地使用伺服马达)在与叶片的难以到达的位置范围的极限对应的确定的位置中驱动螺母。
-在步骤e)处，可使用伺服马达来将螺母稳定在与叶片的难以到达的位置范围的相反极限对应的角位置中。
-在步骤e)处，可在伺服马达的室中增加控制压力，使得在由水施加的液压力矩的作用下相对于叶片围绕它们的定向轴线的旋转施加阻力矩。
-该方法可包括在步骤e)之前的另外的步骤，其在于改变输送到涡轮的功率，由此优选地控制液压力矩，使得叶片的位置可克服包括于难以到达的位置范围内的用于使叶片定向的器件的死点。
-该方法还可包括控制导向静叶以控制通过涡轮的水流，由此优选地控制液压力矩(优选地由水提供)。
-该方法可包括在步骤e)之后的另外的步骤，其在于停止涡轮在马达模式中的旋转。
-该方法可包括在停止涡轮在马达模式中的旋转之后的另外的步骤，其在于使用伺服马达来使叶片定向在能量生产位置中，且将水流设置回到正常能量生产值。
-该方法可包括通过调整导向静叶来调整由水施加的液压力矩，导向静叶布置成控制到涡轮的水流。这样，可通过增加导向静叶的开度来增加水流和因此液压力矩；反之，可通过减小导向静叶的开度来减小水流和因此液压力矩。液压力矩可通过打开导向静叶来增加，以使叶片旋转，以克服或移过难以到达的位置范围。
根据另外的方面，本发明在于一种用于从水生成功率的水力涡轮，其中水力涡轮可围绕中心旋转轴线旋转且包括至少一个叶片。优选地，每个叶片可围绕定向轴线旋转。涡轮和/或每个叶片优选地布置成在液压力矩(优选地由水提供)的作用下使每个叶片(优选地在引导(direct)构造与非引导(indirect)构造之间)旋转。
叶片中的每一个可与中心轴线相关联。每个叶片可(优选地在液压力矩(优选地由水提供)的作用下)围绕其相关联的中心轴线在引导构造与非引导构造之间旋转。
在优选实施例中，涡轮的至少一个叶片可布置成在液压力矩的影响下旋转经过动力设备中难以到达的位置范围。
涡轮可包括用于使至少一个叶片定向的定向器件。优选地，操作器件可包括伺服马达，伺服马达可包括伺服马达室，伺服马达室可在控制压力下用流体填充。控制压力可调整以控制至少一个叶片的位置。伺服马达可包括可移动的壳体，其可驱动至少一个叶片(优选地围绕其定向轴线)旋转。
根据另外的方面，本发明在于一种使用上文公开的水力涡轮来使涡轮的至少一个叶片定向的方法。
要了解的是，如将对技术人员显而易见的，本发明的上文的方面或实施例中的任一个的上文的方面、实施例和特征中的任一个可容易组合。
附图说明
本发明现在将与附图对应地解释且解释为说明性示例，而不限制本发明的范围。在附图中：
-图1是包括可利用其来实现本发明的方法的涡轮的动力设备的图示；
-图2是图1的涡轮的部分截面示意图；
-图3是图2的涡轮的一部分的透视图；
-图4至图7是可利用本发明的方法来操作的叶片定向的各种构造的图示。
具体实施方式
图1上显示了动力设备2。更准确地，动力设备2为潮汐动力设备，其使用潮汐的能量来运转涡轮且生成电能。
动力设备2包括涡轮4、能量生产***6和电网8，电网8连接到能量生产***6，且电力线80从电网8出发。涡轮4以中心旋转轴线X为中心。能量生产***6由涡轮4驱动。能量生产***6是可逆的，因为它可选择性地在发电机模式中由涡轮4驱动以生成电能来供给电网8，或在马达模式中通过消耗来自电网8的电能来驱动涡轮4。在马达模式中，能量生产***6能够以可变的旋转速度来驱动涡轮4。
涡轮4位于具有入口端口12和出口端口14的水通道10中。动力设备2包括高水位侧16和低水位侧18。在图1的构造中，通过入口端口12将水通道10与高水位侧16连通，而通过出口端口14将水通道10与低水位侧18连通。取决于潮汐的整体形态，高水位侧16和低水位侧18可反转，且与动力设备2的上游或下游侧对应。
根据本发明的未示出的实施例，动力设备2可为不同类型的，而不是潮汐动力设备。
可使用导向静叶(未示出)来控制通过涡轮4的水流。
图2和图3上更准确地显示了涡轮4。涡轮4包括叶片40，其可围绕不同于涡轮4的旋转轴线X的定向轴线X40旋转。在当前情况下，定向轴线X40垂直于涡轮4的旋转轴线X。涡轮4还包括用于使叶片40定向的器件，其适于对叶片40施加可调整的力矩。这些器件包括伺服马达42，其包括可移动的壳体420和固定的活塞422。壳体420和活塞422可沿着旋转轴线X相对于彼此移动。壳体420和活塞422限定两个室42A和42B，室42A和42B适于由液压流体填充或排空，以便驱动可移动的壳体420相对于固定的活塞422平移。第一室42A具有整体的圆柱形形状，而第二室42B具有以轴线X为中心的环形形状。
可移动的壳体420包括垂直于轴线X定向的直线槽420A，且其中容纳螺母44，螺母44联结到杠杆46，杠杆46驱动叶片40围绕它们的定向轴线X40旋转。在壳体420的平移的作用下，螺母44在槽420A中滑动，且顺时针或逆时针驱动杠杆46，对叶片40施加力矩。此原理是众所周知的，且将不进一步详述。伺服马达42、螺母44和杠杆46形成用于使叶片40定向的器件。
此设计允许由于杠杆46使叶片40在难以到达的位置范围(其包括死点)周围可到达(reachable)的位置范围内定向。为了在不添加辅助伺服马达和传动的情况下在该难以到达的范围内驱动叶片40且驱动叶片40经过死点，使用包括以下步骤的方法来控制涡轮4。
第一步骤在于停止涡轮4的能量生产。停止涡轮4围绕其旋转轴线X的旋转，且不再产生电功率。
在第二步骤中，通道10中的水流设置成低于正常能量生产值的值。例如，水流可设置成在正常能量生产值的0与10%之间的值，或正常能量生产值的低于100%的不同比率。可完全停止水流。例如，当涡轮4在引导模式中运转时或当涡轮4在非引导模式中运转时，换句话说，当水流从出口14前进到入口12时，可通过完全地或部分地关闭水流的调节机构来减小水流。
可选的第三步骤在于使用伺服马达42在与叶片40难以到达的位置范围的极限对应的确定的位置中驱动螺母44。杠杆46包括可旋转地安装在螺母44中的轴460。死点对应于当轴460的中心轴线X460横穿中心轴线X时的位置。叶片40在死点周围运动在机械上是可能的，但隐含来自伺服马达42的不利的应力和液压作用力。使用用于使叶片40定向的器件难以到达的位置范围位于第一角度α1与第二角度α2之间，第一角度α1在死点的第一侧上限定于平面P1之间，平面P1垂直于轴线X且包括轴线X40，第二角度α2在死点的另一侧上。α1和α2的值可取决于涡轮4的设计而改变。
通过改变室42A和室42B中的控制压力来调整螺母44的位置。
第四步骤在于使用来自电网8的能量来使涡轮4在马达模式中且在顺时针或逆时针方向上旋转。因此，能量生产***6消耗能量来产生输送到涡轮4的力矩。
在第五步骤中，在涡轮4仍旋转的同时，将由用于使叶片40定向的器件输送的力矩设置成减小的值，使得叶片40在由流体施加的液压力矩的作用下能够自由围绕它们的定向轴线X40旋转，经过难以到达的位置范围。通过对控制静叶打开的量进行控制来控制由流体施加的液压力矩的水平。具体地，通过减小导向静叶打开的量来减小液压力矩，且通过增加导向静叶打开的量来增加液压力矩。
减小室42A和室42B中的一个中的控制压力，使得液压压力不阻碍叶片40在涡轮4上的旋转的作用下由力矩(其由水施加)引起的自旋转。另一室42A或42B中的控制压力也控制成使得叶片40的自旋转不在不期望的方向上驱动叶片40。因此，在涡轮4上没有任何额外构件的情况下获得叶片40在难以到达的范围内的定向。
在可选的第六步骤中，由动力设备2输送到涡轮4的功率调整成使得叶片40的位置克服死点(其相对于平面P1位于90°角度处)，且最终克服难以到达的位置范围。
一旦叶片40克服了难以到达的位置范围，在第七步骤中，将由用于使叶片40定向的器件输送的力矩调整回到优于减小的值的正常值，使得叶片40围绕它们的定向轴线X40的旋转在确定的位置中停止。这通过增加室42A和室42B中的一个中的控制压力来进行，使得相对于叶片40围绕它们的定向轴线X40的旋转施加阻力矩。
使用伺服马达42来将螺母44稳定在相对于螺母44在自旋转发生之前的位置与叶片40难以到达的位置范围的相反极限对应的角位置中。
在第八步骤中，停止涡轮4在马达模式中的旋转。在停止涡轮4在马达模式中的旋转之后，另外的步骤在于使用伺服马达42来使叶片40定向在能量生产定向中，且将水流设置回到正常能量生产值，使得涡轮4可再次启动，产生电功率。
图4至图7示出一个叶片40的定向以及取决于期望定向的伺服马达42中的控制压力(其通过室42A和室42B中的剖面线来显示)的管理的各种情况。
图4和图5上，叶片40从引导构造转到非引导构造。图4上，螺母44起初位于角度α1中，且在圆柱形室42A中设置正常的控制压力，产生阻力F1，阻力F1防止螺母44沿着箭头R1逆时针旋转。如图5上示出的，为了允许旋转，减小室42A中的控制压力，且增加室42B中的控制压力。旋转R1发生，且通过阻力F2将螺母44稳定在角度α2处，阻力F2由环形室42B中的控制压力施加，阻力F2防止壳体420进一步向下前进。
图6和图7上，叶片40从非引导构造转到引导构造。图6上，螺母44起初位于角度α2处，且圆柱形室42A中的控制压力施加阻力F3，阻力F3防止螺母44在箭头R2的方向上顺时针旋转。为了允许旋转，控制压力从圆柱形室42A转换到环形室42B。旋转R2发生，且一旦螺母44到达角度α1，阻力F4防止壳体420进一步向下前进。

Claims (10)

1.用于使涡轮(4)的叶片(40)经过动力设备(2)中难以到达的位置范围(α1、α2)定向的方法，所述叶片(40)可围绕不同于所述涡轮(4)的旋转轴线(X)的定向轴线(X40)旋转，所述涡轮(4)包括用于使所述叶片(40)定向的器件(42、44、46)，所述器件适于对所述叶片(40)施加可调整的力矩，其中所述方法包括如下步骤，其在于：
a)停止所述涡轮(4)的能量生产，
b)将运转所述涡轮(4)的水流设置成低于正常能量生产值的值；
c)使用来自电网的能量来使所述涡轮(4)在马达模式中旋转，
d)在所述涡轮(4)仍旋转的同时，将由用于使所述叶片(40)定向的所述器件输送的力矩调整成减小的值，使得所述叶片(40)在由水施加的液压力矩的作用下能够自由围绕它们的定向轴线(X40)旋转，经过所述难以到达的位置范围，
e)一旦所述叶片(40)克服了所述难以到达的位置范围，将由用于使所述叶片(40)定向的所述器件输送的力矩调整成优于所述减小的值的正常值，使得所述叶片(40)围绕它们的定向轴线(X40)的旋转在确定的位置中停止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)包括以下中的至少一个：
-所述水流设置成包括于所述正常能量生产值的0与10%之间的值；
-水通道(10)的水流调节***部分地或完全地关闭，所述涡轮(4)位于所述水通道(10)中。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤d)处，减小伺服马达(42)的室(42A、42B)中的控制压力，所述控制压力控制螺母(44)的角位置，所述螺母(44)联结到杠杆(46)，所述杠杆(46)驱动所述叶片(40)围绕它们的定向轴线(X40)旋转，所述伺服马达(42)、所述螺母(44)和所述杠杆(46)形成用于使所述叶片(40)定向的所述器件(42、44、46)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在步骤c)之前的另外的步骤，其在于使用所述伺服马达(42)在与所述叶片(40)的难以到达的位置范围(α1、α2)的极限对应的确定的位置中驱动所述螺母(44)。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤e)包括如下中的至少一个：
-使用所述伺服马达(42)来将所述螺母(44)稳定在与所述叶片(40)的难以到达的位置范围(α1、α2)的相反极限对应的角位置中；
-在所述伺服马达(42)的室(42A、42B)中增加所述控制压力，使得在由所述水施加的液压力矩的作用下相对于所述叶片(40)围绕它们的定向轴线(X40)的旋转施加阻力矩。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下另外的步骤中的至少一个：
-在步骤e)之前的另外的步骤，其在于改变输送到所述涡轮(4)的功率，使得所述叶片(40)的位置克服包括于所述难以到达的位置范围(α1、α2)内的用于使所述叶片(40)定向的所述器件(42、44、46)的死点；
-在步骤e)之后的另外的步骤，其在于停止或减小所述涡轮(4)在马达模式中的旋转；
-在停止或减小所述涡轮(4)在马达模式中的旋转之后的另外的步骤，其在于使用用于使所述叶片(40)定向的所述器件(42)来使所述叶片定向在能量生产位置中，且将所述水流设置回到所述正常能量生产值。
7.一种用于从水生成功率的水力涡轮(4)，其中所述水力涡轮(4)可围绕中心旋转轴线(X)旋转且包括：
至少一个叶片(40)，其中每个叶片(40)可围绕定向轴线(X40)在引导构造与非引导构造之间旋转；且
其特征在于，
所述至少一个叶片(40)布置成在由所述水提供的液压力矩的作用下围绕所述定向轴线(X40)在所述引导构造与所述非引导构造之间旋转；
其中，所述至少一个叶片(40)布置成在所述液压力矩的影响下旋转经过动力设备中难以到达的位置范围。
8.根据权利要求7所述的水力涡轮，其特征在于，所述至少一个叶片(40)可在由所述水提供的液压力矩的作用下围绕相关联的中心轴线(X460)在引导构造与非引导构造之间旋转。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的水力涡轮(4)，其特征在于，所述涡轮包括用于使所述至少一个叶片(40)定向的定向器件(42)。
10.根据权利要求9所述的水力涡轮(4)，其特征在于，所述定向器件(42)包括伺服马达(42)，所述伺服马达(42)包括具有控制压力的伺服马达室(42A、42B)，其中所述控制压力可调整以控制所述至少一个叶片(40)的位置。
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