控制風力渦輪機的方法和風力渦輪的制造方法
【專利摘要】控制具有平面/滑動軸承（2）和軸承潤滑裝置（7）的風力渦輪機（1）的方法包括以下步驟：在正常操作下將軸承（2）操作為流體動壓軸承（HD）；以及當軸承（2）的摩擦達到閾值時，將軸承（2）操作為流體靜壓軸承（HS）。
【專利說明】控制風力渦輪機的方法和風力渦輪機
[0001]本發(fā)明總體涉及具有平面/滑動軸承的風力渦輪機。具體地，本發(fā)明涉及控制風力渦輪機的軸承。
[0002]由于當前的滾動元件支承系統(tǒng)不能提供足夠的壽命和魯棒性的事實，新一代的多MW規(guī)格直接驅動式(DD)風力渦輪機可開始使用平面/滑動軸承。平面/滑動軸承的一個缺點是在達到完整的流體靜壓(HD)膜并且軸承表面由油膜完全分離之前的操作性包絡。在完全膜分離之前的操作區(qū)域，將存在導致磨損和摩擦的部分接觸。此外，當摩擦接觸的元件從靜止開始運動時，靜摩擦力(靜態(tài)啟動/停止摩擦)高。描述當兩個物體在彼此上滑動時可能出現(xiàn)的自發(fā)沖擊運動的粘滑現(xiàn)象也可能成為問題。
[0003]因此，本發(fā)明的目的是改進風力渦輪機中平面/滑動軸承的操作。
[0004]此目的分別由權利要求1和5的特征達到。從屬權利要求給出本發(fā)明的進一步細節(jié)和優(yōu)點。
[0005]在第一方面，本發(fā)明涉及一種控制具有平面/滑動軸承和軸承潤滑裝置的風力渦輪機的方法，所述方法包括步驟:
在正常操作下將軸承操作為流體動壓軸承；以及當軸承的摩擦達到閾值時，將軸承操作為流體靜壓軸承。
[0006]術語“軸承潤滑裝置”包括例如油的簡單潤滑劑以及具有用于潤滑劑的管道、泵和/或儲器的完整系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明采用智能和受控的流體靜壓(HS)頂升。風力渦輪機控制系統(tǒng)可基于實際渦輪機載荷和產(chǎn)量、潤滑劑情況、操作和/或維修狀態(tài)的特征來智能地控制具有HS支撐系統(tǒng)的流體動壓(HD)軸承。此外，可監(jiān)控軸承情況。通過至控制器的反饋回路可避免隨后的計劃外的維修或維護。
[0008]通過在HD軸承中設置傳感器和測量裝置，可通過至渦輪機控制器的反饋回路來改變情況并改進HD軸承的性能。此情況測量可基于來自軸承的通過開環(huán)調(diào)整調(diào)節(jié)的反饋。因此，可監(jiān)控軸承的性能和情況，以在合適的時間優(yōu)化并安排滑動表面的維修、更換和/或重新加工。
[0009]當渦輪機已經(jīng)進行了許多次啟動和運轉/停機操作而具有一定程度的撕裂和磨損時，這將影響表面光潔度、公差、發(fā)熱、軸承間隙和/或軸承性能。如果磨損超過設計極限，則承載能力將下降并且軸承將失效。利用智能的HS系統(tǒng)，可增加軸承的承載能力，并且由此軸承可操作直到進行維修。
[0010]如果在從啟動、部分處于完全操作、以及運轉/停機的整個操作范圍期間利用流體靜壓支撐來控制和加壓具有HD軸承的渦輪機，則還將可以運轉具有受損或磨損的軸承的渦輪機。如果利用軸承中不同的壓力來控制、監(jiān)控和調(diào)節(jié)所述情況，則可實現(xiàn)在故障模式下操作和運轉，并可獲得由一些故障模式產(chǎn)生的一些額外的優(yōu)點。
[0011]在啟動和運轉/停機期間，HD軸承需要借助流體靜壓潤滑來加壓，以便降低靜摩擦并最小化撕裂和磨損。這增加軸承的壽命。
[0012]本發(fā)明公開一種用于啟動、操作、停機和監(jiān)控具有滑動軸承的風力渦輪機的系統(tǒng)。風力渦輪機的主軸承在靜止時具有高載荷。本發(fā)明克服了啟動時具有相應的高摩擦的高載荷。利用本發(fā)明的風力渦輪機主軸承，可以在外部載荷增加或軸承的一些部段受損時增加承載能力。
[0013]對于流體靜壓操作，可加壓軸承的潤滑劑和/或可控制軸承的溫度。在潤滑劑的壓力增加的情況下，軸承的操作模式可從流體靜壓(HS)操作切換到流體動壓(HD)操作。換言之，軸承可操作作為流體動壓軸承以及作為流體靜壓軸承。潤滑劑的黏度也取決于溫度。通過直接改變潤滑油的溫度，或通過單獨的系統(tǒng)間接地冷卻或加熱軸承環(huán)，可控制軸承中的間隙并且可通過調(diào)整裝置來預計進行維修或更換前的剩余使用時間。在潤滑劑壓力增加的情況下，例如當發(fā)生故障時，不僅可以改變和適應操作模式，還可以在操作模式中調(diào)節(jié)軸承。
[0014]可通過測量軸承的壓力、溫度和/或膜厚度或通過風力渦輪機控制器的參數(shù)來確定摩擦。高摩擦通常發(fā)生在啟動和停機時，因為尚未形成完整的膜。過高的載荷、滑動表面的磨損(軸承性能降低的間接量度)、過高的溫度和黏度降低(軸承性能降低的間接量度)、油中存在顆粒(需要更厚的膜)、過低的膜厚度(軸承性能降低的間接量度)和/或指示將有強風(或類似的高載荷天氣正在到來)的風力預報，也都可導致高摩擦或預報高摩擦。
[0015]可調(diào)節(jié)渦輪機和/或傳動系統(tǒng)部件的剛度和/或阻尼?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)油膜中的壓力來改變和優(yōu)化渦輪機和傳動系統(tǒng)部件的剛度和阻尼，并由此改變系統(tǒng)的自然頻率和動態(tài)響應。由此可以避免不期望的本征頻率。
[0016]在另一方面，本發(fā)明涉及一種具有平面/滑動軸承和軸承潤滑劑的風力渦輪機，其包括用于控制潤滑劑的壓力的壓力單元和與壓力單元連接的適于控制軸承的作為流體動壓軸承和/或作為流體靜壓軸承的操作的控制器。與上述相同的優(yōu)點和修改也適用于此。壓力單元可以例如是用于使得潤滑劑加壓和/或循環(huán)的泵。控制器可以實現(xiàn)為硬件和/或軟件。控制器可以是不同的單元或者它可以集成到現(xiàn)有控制器或計算機(如風力渦輪機控制器)中。
[0017]控制器可包括用于實際渦輪機載荷和產(chǎn)量、軸承和潤滑劑情況和/或操作和維修狀態(tài)的輸入，并且其中，控制器可適于基于輸入產(chǎn)生用于壓力單元的輸出?？刂破鞯姆答伜?或開環(huán)調(diào)整可使用這些和更多的輸入或信號，以產(chǎn)生用于控制壓力單元和/或溫度單元的輸出或信號。
[0018]風力渦輪機可包括具有用于潤滑劑的壓力儲器的能量存儲裝置。流體靜壓加壓系統(tǒng)可由某種能量供應或能量存儲裝置或受迫驅動系統(tǒng)支持，以即使在渦輪機沒有電力連接或電網(wǎng)連接的情況下也可確保加壓功能。
[0019]風力渦輪機可包括用于控制軸承的溫度的溫度單元，其中，溫度單元連接到控制器。由于磨損，軸承中的潤滑膜、環(huán)和保持器(由外環(huán)和內(nèi)環(huán)構成)的溫度改變將改變潤滑膜的間隙，所述間隙可由如加熱和/或冷卻系統(tǒng)的溫度單元以相反方式改變。但這也可在維修或維護期間通過調(diào)節(jié)螺釘來手動完成。溫度單元可以是壓力單元的一部分。
[0020]風力渦輪機可包括用于測量軸承中的潤滑劑的壓力、溫度和/或膜厚度的傳感器。這個或這些傳感器允許精確且快速地測量軸承和/或潤滑劑的情況。因此，控制器可針對變化的情況精確地作出反應。
[0021]傳感器可被布置在軸承的潤滑劑入口的區(qū)域中。一個或多個襯墊或凹槽可被布置在內(nèi)環(huán)和/或外環(huán)的滑動表面中，以允許潤滑劑進入軸承。在襯墊內(nèi)，傳感器可被布置為非常靠近軸承內(nèi)的潤滑劑膜。
[0022]附圖被包括以提供對實施例的進一步理解。其它實施例和許多預期的優(yōu)點將更容易明白，因為它們通過參照以下詳細描述會變得被更好地理解。附圖的元件不必按比例繪制。相似的附圖標記表示相應的類似零件。
[0023]圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的軸承和潤滑系統(tǒng)的示意圖。
[0024]圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的軸承的摩擦系數(shù)的視圖。
[0025]圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的軸承的Stribeck曲線。
[0026]圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的軸承的操作模式的視圖。
[0027]圖5和6圖示根據(jù)本發(fā)明的在其正常操作條件之外操作的軸承的另一 Stribeck曲線。
[0028]在以下詳細描述中，參照構成本發(fā)明的一部分的附圖，并且在附圖中以圖示方式示出了可實踐本發(fā)明的特定實施例。對此，參照所描述的附圖的取向來使用方向術語，諸如“頂部”、“底部”等。由于實施例的部件可布置成許多不同取向，因此方向術語被使用以用于圖示目的，而絕非用于限制目的。應該理解，可采用其它實施例，并且在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可作出結構或邏輯改變。因此，以下詳細描述不具有限制意義，并且本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。
[0029]圖1示出了具有平面/滑動軸承2的風力渦輪機I。軸承2具有外環(huán)3，風力渦輪機I的轉子輪轂(為了清楚起見，未示出)連接到外環(huán)3。內(nèi)環(huán)4被布置在外環(huán)3內(nèi)側。內(nèi)環(huán)4附接到風力渦輪機I的軸(為了清楚起見，未示出)。在兩個環(huán)之間，存在潤滑劑5以減小或消除兩個環(huán)之間的摩擦。轉子可替代性地連接到內(nèi)環(huán)4。
[0030]例如為了穩(wěn)定性,夕卜殼6包圍外環(huán)3。在另一種設計中,夕卜殼6可以是外環(huán),并且外環(huán)3可以是提供支撐表面的襯套。
[0031]軸承潤滑裝置7提供潤滑劑5。軸承潤滑裝置7具有壓力單元8，所述壓力單元用于使得潤滑劑5增壓和或循環(huán)。
[0032]溫度單元9控制軸承2和/或潤滑劑5的溫度。這可通過直接控制軸承2(S卩，如所述的，通過加熱和/或冷卻內(nèi)環(huán)4和/或外環(huán)3、或通過加熱和/或冷卻所述潤滑劑5)來實現(xiàn)。
[0033]控制器10與壓力單元8和溫度單元9連接或通信。四個傳感器11被布置在軸承2內(nèi)，用于測量軸承2中的潤滑劑5的壓力、溫度和/或膜厚度?？筛鶕?jù)應用和所需的精度來改變傳感器11的數(shù)量。傳感器11也連接到控制器10。為了清楚起見，僅示出在傳感器11和控制器10之間的一個連接。但是，所有傳感器11都連接到控制器10。
[0034]控制器10從傳感器11和/或從如風力渦輪機控制器(未示出)的其它單元接收信號。基于信息或輸入，控制器10計算潤滑劑5和/或軸承2的壓力和/或溫度的設定點或曲線。產(chǎn)生各個輸出，并且所述輸出被通信到壓力單元8和/或溫度單元9。
[0035]現(xiàn)在，更詳細地解釋軸承潤滑裝置或系統(tǒng)7。儲器12用于供應潤滑劑5。用于加熱或冷卻潤滑劑5的溫度單元9位于儲器12處。替代性地，溫度單元9可靠近軸承2定位或位于軸承2處。泵13將潤滑劑從儲器12抽出到管道系統(tǒng)中。
[0036]止回閥14位于泵13后面。排放閥15被布置為與泵13和止回閥14并聯(lián)，以便允許將管道系統(tǒng)的潤滑劑5排空到儲器12中。
[0037]在泵13的更后面，布置有用于潤滑劑5的壓力儲器16，諸如罐。當泵13操作時，壓力儲器16前方的雙向閥17打開，以使得潤滑劑5進入壓力儲器16中，所述潤滑劑在所述壓力儲器中被存儲在一定壓力下。然后關閉閥17。壓力足夠高，以允許在不操作泵的情況下通過打開閥17而啟動系統(tǒng)。壓力儲器16的尺寸可足以支持多次啟動。
[0038]四個類似或相同的管線與軸承2平行地延伸。螺線管操作的控制閥18控制被供給到軸承2的潤滑劑5的壓力和/或流量。在控制閥18后面，布置有另一個止回閥19。管線終止于外環(huán)3、內(nèi)環(huán)4或襯套中的潤滑劑入口 20。入口 20可具有襯墊或凹槽。四個入口20沿周向對稱布置。軸承2下方的收集槽21收集潤滑劑5并將其傳送回儲器12。
[0039]在入口 20內(nèi)側，傳感器11被布置用于測量軸承2中的潤滑劑5的壓力、溫度和/或膜厚度。傳感器11的信號被饋送到控制器10，所述信號在所述控制器處與例如來自風力渦輪機控制器的其它輸入一起被分析并被使用，以用于操縱或控制壓力單元8、泵13和溫度單元9。所述其它輸入可考慮/計入實際的渦輪機載荷和產(chǎn)量、軸承和潤滑劑情況和/或操作和維修狀態(tài)。
[0040]也可控制雙向閥17和控制閥18。控制器10經(jīng)由控制閥18、泵13和/或壓力儲器16來控制軸承2內(nèi)的潤滑劑5的壓力。術語壓力單元8可包括泵13、壓力儲器16、雙向閥17和/或控制閥18。
[0041]作為備用或同樣在正常操作中，還可機械地控制所述閥。所述閥允許成比例地控制壓力和流量。
[0042]在下文中，描述系統(tǒng)的操作。簡言之，由于啟停期間的潤滑膜不足，軸承2將受到磨損，尤其是在低rpm、具有低滑動速度并且滑動表面未完全分離的情況下。為了監(jiān)控和補償此磨損或為了預測和預報維修前的剩余使用時間，可使用以下的組合:在壽命內(nèi)的操作期間通過直接測量得到的實際磨損的反饋，通過來自軸承2的壓力、溫度和膜厚度測量及直接的磨損測量；在另一方面，通過控制軸承2中的潤滑劑5和/或環(huán)3、4的溫度和壓力實現(xiàn)的對潤滑劑膜的間隙的開環(huán)調(diào)節(jié)。
[0043]圖2示出軸承的摩擦系數(shù)與黏度/速度的關系的視圖。啟動狀態(tài)通常包括軸和軸承之間厚度不足的潤滑劑膜。在階段(C)中和部分地在階段(b)中描繪了此狀態(tài)。在這些條件下，軸承表面在滑動過程中彼此局部接觸。這可發(fā)生在啟動期間、低速操作期間、或軸承受損或軸承載荷高于預期的載荷時。主要的影響是性能主要取決于邊界膜和表面光潔度所在的邊界潤滑。
[0044]在階段(b)，部分潤滑(混合)占主導，大量的潤滑劑和邊界膜都起作用。在已經(jīng)達到完整的膜之后，軸承的操作從流體靜壓(HD)改變?yōu)榱黧w動壓(HD)操作，或者換言之，流體靜壓軸承變成流體動壓軸承。此階段(a)包括完整的厚流體膜潤滑，其中表面由大量潤滑劑膜分離。膜情況是潤滑所需的。當進入完整膜區(qū)域時，在所述表面之間不存在接觸，并且基于膜的剪切力獲得HD效應，并且建立流體動壓升力。
[0045]圖3示出在與圖2中相同的三個階段(a)、(b)和(C)中的摩擦、磨損、膜厚度和rpm關系的標準Stribeck曲線。
[0046]階段(C)和(b)發(fā)生在啟動、停止、沖擊載荷、方向改變、軸承2或風力渦輪機I減速至中等速度時。階段(a)發(fā)生在正常操作或全速情況下?？梢?，在階段(C)期間，當由于速度或黏度不足而未建立起膜時，摩擦和磨損高。可通過EP或AW添加劑來降低摩擦和磨損(虛線)。
[0047]當在階段(b)朝向混合膜潤滑發(fā)展時，隨著膜厚度增加，摩擦和磨損降低。在階段Ca)的流體動壓潤滑時，磨損最小化。理想操作點可位于階段(b)至(a)之間過渡處。
[0048]圖4示出承載能力、膜壓力和厚度與rpm的關系。標準HD設計平面/滑動軸承在零rmp下以零膜厚度開始，并且膜厚度隨著rpm增加而成比例的增大。由于加壓的潤滑劑(Δ Psup), HS設計具有恒定的膜厚度、膜壓力和承載能力。根據(jù)本發(fā)明的軸承2是HD和HS操作的結合，被稱作動靜壓軸承。這里，在啟動期間、部分地在完整操作中、或僅在需要時、以及在運轉/停機期間，潤滑劑被加壓(APsup)。然后，通過由靜壓壓力(APsup)限定的泵功能來確保和提供最小承載能力。
[0049]圖5和6示出具有用于動靜壓軸承的摩擦、磨損、膜厚度和rpm的關系的Stribeck曲線。
[0050]在圖5中，潤滑劑5在啟動風力渦輪機I時被加壓，從而在以零rpm啟動時產(chǎn)生足夠的膜厚度。這確保滑動表面分離，從而產(chǎn)生低磨損和摩擦。左側中間區(qū)域(膜厚度)中的下降線(APsup)示出了隨rpm增加而降低的必要壓力。
[0051]圖6示出被磨損或以其它方式在其正常操作情況之外操作的HD軸承的操作。因此，所述軸承將具有降低的承載能力?？蓪S區(qū)域從低速擴展到中速，以與單純的HD軸承相比增加承載能力。這可與在故障模式操作的性能顯著降低的軸承相關。然后，可通過控制在不同速度的加壓區(qū)域來最小化所述影響。這可從膜厚度的中間區(qū)域的線看出。左側從零開始的線是有缺陷的HD軸承的膜厚度，這導致磨損增加(在下部區(qū)域磨損中的上側線)。通過使?jié)櫥瑒?加壓(HS Psup)(中間區(qū)域膜厚度的線)，可增加膜厚度(上側線)，從而可顯著降低磨損(下部區(qū)域磨損中的下側線)。
[0052]可控制動靜壓軸承2，以克服單純的HS和HD軸承的缺陷并補償磨損和/或故障。
[0053]故障模式可以例如由以下情況觸發(fā)，即，過高的載荷、滑動表面磨損(軸承性能降低的間接量度)、過高的溫度和黏度降低(軸承性能降低的間接量度)、油中存在顆粒并且需要更厚的膜、過低的膜厚度(軸承性能降低的間接量度)和/或指示強風或類似的高載荷天氣正在到來的風力預報。
[0054]系統(tǒng)還包括備用系統(tǒng)，以在存在或不存在電網(wǎng)連接的情況下確保潤滑劑5的足夠的壓力和流量。備用系統(tǒng)包括壓力單元8。
[0055]在存在電網(wǎng)連接并通電時，操作如下:
流體靜壓系統(tǒng)在開始時:注入加壓潤滑劑5以抬升軸承2的滑動表面，直到軸承2具有足夠的滑動速度(已建立膜)并移動到HD區(qū)域中。
[0056]同時，壓力儲器16被加壓和加載，并閥關閉。這可支持HS啟動，此時加壓的潤滑劑被存儲在儲器16中以支持多次啟動。
[0057]然后可降低HS壓力并HD操作將接管。
[0058]當渦輪機停機或啟動時或者當電網(wǎng)消失時，壓力單元或系統(tǒng)8準備好釋放壓力。
[0059]此系統(tǒng)還用于改變剛度和阻尼(動態(tài)響應)，由此降低軸承2和整個回轉系統(tǒng)的振動。通過調(diào)節(jié)油膜的壓力并因此改變系統(tǒng)的自然頻率和動態(tài)響應以及由此改變渦輪機和傳動系統(tǒng)部件的剛度和阻尼，可實現(xiàn)對軸承2的動態(tài)響應的調(diào)節(jié)。
[0060]對于周期性的過沖和/或現(xiàn)場具有很高的湍流，可供應額外的壓力來支持功率峰值和增加承載能力。
[0061]在不存在電網(wǎng)連接時，操作如下:
電池電源(UPS)、壓力單元8和/或其它能量存儲系統(tǒng)用于執(zhí)行多次啟動。
[0062]可采用受迫驅動的泵系統(tǒng):當轉子開始轉動時，加壓系統(tǒng)轉動，然后所述加壓系統(tǒng)迫使驅動泵系統(tǒng)。但是，這不允許在啟動軸承之前進行HS抬升。
【權利要求】
1.一種控制具有平面/滑動軸承(2)和軸承潤滑裝置(7)的風力渦輪機(I)的方法，所述方法包括以下步驟: 在正常操作下將所述軸承(2)操作為流體動壓軸承(HD);以及 當所述軸承(2)的摩擦達到閾值時，將所述軸承(2)操作為流體靜壓軸承(HS)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，對于流體靜壓操作，加壓所述軸承(2)的潤滑劑和/或控制所述軸承(2)的溫度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，通過測量所述軸承(2)的壓力、溫度和/或膜厚度或通過風力渦輪機控制器的參數(shù)來確定所述摩擦。
4.根據(jù)權利要求1至3中至少一項所述的方法，其中，調(diào)節(jié)所述渦輪機和/或傳動系統(tǒng)部件的剛度和/或阻尼。
5.一種具有平面/滑動軸承(2)和軸承潤滑劑(5)的風力渦輪機，所述風力渦輪機包括用于控制所述潤滑劑(5)的壓力的壓力單元(8)和與所述壓力單元(8)連接的控制器，所述控制器適于控制所述軸承(2)的作為流體動壓軸承和/或流體靜壓軸承的操作。
6.根據(jù)權利要求5所述的風力渦輪機，其中，所述控制器(10)包括用于實際渦輪機載荷和產(chǎn)量、軸承和潤滑劑情況和/或操作和維修狀態(tài)的輸入，并且其中，所述控制器(10)適于基于所述輸入來產(chǎn)生用于所述壓力單元(8)的輸出。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的風力渦輪機，包括具有用于所述潤滑劑(5)的壓力儲器(16)的能量存儲裝置。
8.根據(jù)權利要求5至7中至少一項所述的風力渦輪機，包括用于控制所述軸承(2)的溫度的溫度單元(9 )，其中，所述溫度單元(9 )連接到所述控制器(10 )。
9.根據(jù)權利要求5至8中至少一項所述的風力渦輪機，包括用于測量所述軸承(2)中的潤滑劑(5)的壓力、溫度和/或膜厚度的傳感器(11)。
10.根據(jù)權利要求9所述的風力渦輪機，其中，所述傳感器(11)被布置在所述軸承(2)的潤滑劑入口(20)的區(qū)域中。
【文檔編號】F03D11/00GK104081070SQ201280069411
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年11月22日 優(yōu)先權日:2012年2月10日
【發(fā)明者】B.佩德森, K.湯姆森 申請人:西門子公司