CN101216041A - 有助于部件润滑的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种有助于部件润滑的方法和设备。提供了一种涡轮机(10)。所述涡轮机包括轮毂(20)，叶片(22)，配置成用来将所述叶片相对所述轮毂移动的叶片节距机构(24)，配置用来将所述叶片连接到所述节距机构的轴承(80)，连接到所述叶片节距机构用来控制所述叶片移动的控制系统(44)，所述控制系统被配置成用来在预定时间结束时将所述叶片由第一位置旋转到第二位置。
Description
技术领域
本发明大体上涉及部件的润滑，具体涉及连接到叶片上的轴承的润滑。
背景技术
至少一些已知的风力涡轮机具有连接在叶片和轮毂之间的轴承，轮毂具有用于给连接到所述轴承的叶片定位的节距电动机。当所述叶片在一段较长时间内保持在相同位置时，随着润滑油在微运动的作用下被挤出滚道，所述轴承需要的扭矩将会增大。机构用来推动叶片的扭矩越大，该机构产生的热量也越大。在一些情况下，所述热量可以使所述机构的线圈分层，从而引起机构故障。由于所述轴承内的摩擦增加，轴承可能磨损并无法达到其设计寿命。在一些风力涡轮机中，所述叶片长达60米，但可能被设计成长达100米，因此要拆除并更换磨损的轴承可能代价高昂且耗费时日。其它已知的风力涡轮机位于近海，需要大型设备来拆除叶片及更换轴承。风力涡轮机轮毂高度可超过120米，并处在疾风当中，这使得工人在风力涡轮机上工作非常危险。
磨损的轴承还会导致叶片移出节距设定，使得所述风力涡轮机的叶片不对称地加载在轮毂和转子轴上。如果所述转子由于所述非对称载荷而开始在定子内移动，转子就有可能和定子接触(例如，在涡轮机转子直接连接到发电机的直接驱动应用中)。如果转子和定子接触，会产生电气瞬态(electrical transient)，而所述风力涡轮机可能因而必须被脱机。
发明内容
一方面，本发明提供了一种用于润滑部件的方法。所述方法包括将叶片连接到节距控制机构，使得轴承位于所述叶片和所述节距控制机构之间。所述方法还包括将控制系统连接到所述节距控制机构，并对所述控制系统进行设置，以控制所述用来控制叶片运动的叶片节距机构，且在预设长度的时间过去后使叶片从第一位置转动到第二位置。
另一方面，本发明提供了一种涡轮机。所述涡轮机包括轮毂，叶片，设置用来使叶片相对所述轮毂移动的叶片节距机构，设置用来将所述叶片连接到所述节距机构的轴承，以及连接到所述叶片节距机构用来控制所述叶片运动的控制系统。所述控制系统被设置成在预设长度的时间过去后使叶片从第一位置转动到第二位置。
再一方面，本发明提供了一个用来润滑部件的系统。所述系统包括连接到节距控制机构的叶片，以及连接到所述节距控制机构的控制系统。所述控制系统被设置成控制用来控制叶片的运动的所述叶片节距机构，并在预设长度的时间过去后使叶片从第一位置转动到第二位置。
附图说明
图1是一个示范性风力涡轮机的透视图；
图2是图1所示风力涡轮机的一部分的局部剖视透视图；
图3是图1和图2所示风力涡轮机的原理图；
图4是图1-3所示风力涡轮机转子轮毂一部分的截面图，该图显示了节距系统的一个示范性实施例；且
图5是一个流程图，此流程图显示了用于润滑部件的一种方法的一个示范性实施例。
零部件清单
10 风力涡轮机
12 机体或短舱(nacelle)
14 转子
16 旋转轴线
18 塔架
20 轮毂
22 叶片
24 节距系统
26 发电机
28 转子轴
30 发电机转子轴
32 传动箱
38 变频器
40 偏转系统(yaw system)
42 旋转轴线
44 控制系统
46 风力测定仪
48 转子控制
50 传感器
52 传感器
54 传感器
56 传感器
60 总线
62 处理器
64 RAM
66 装置
68 ROM
70 装置
72 传感器接口
80 轴承
82 内滚道
84 外滚道
86 轴承环形槽
88 材料
90 节距驱动齿轮
92 节距齿环
94 旋转轴线
100 润滑部件的方法
102 启动润滑过程
104 记录叶片和时间相关的运动
106 确定是否发生电气瞬态
110 确定是否发生复位事件
112 复位到零位
114 继续推动叶片
116 确定是否发生扫掠事件
118 继续推动叶片
120 将叶片从第一位置推动到第二位置
122 推动叶片，以使叶片回到所述第一位置
124 记录执行节距扫掠时的时间
126 继续推动叶片
128 记录电气瞬态信息
130 记录发生最近一次节距扫描的时间和发生所述电气瞬态时
间之间过去的时间
具体实施方式
本发明所用用语“叶片”意在代表相对周围流体运动时提供反作用力的任何装置。本发明所用用语“风力涡轮机”意在代表从风能中产生旋转能的任何装置，且更特别地，将风的动能转换成机械能的装置。本发明所用用语“风力发电机”意在代表任何使用由风的动能转换而来的旋转能发电的风力涡轮机，且更特别地，将由风的动能转换而来的机械能转换成电能的风力涡轮机。本发明所用用语“风车”意在代表使用由风能产生的旋转能的任何风力涡轮机，且更特别地，从风的动能转换而来的机械能，是为了发电以外的其它预设目的，例如，但不限于，泵送一种流体及/或研磨一种物质。
图1是示范性风力涡轮机10的一个示范性实施例的透视图。此处描述和图解的风力涡轮机10是一台用于从风能中产生电力的风力发电机。在一些已知的风力涡轮机中，风力涡轮机10是任何类型的风力涡轮机，例如，但不限于，风车(未示出)。此外，此处描述和图解的风力涡轮机10包括横向轴结构。在一些已知的风力涡轮机中，风力涡轮机10包括纵向轴结构(未示出)。风力涡轮机10可连接到电气负载(未示出)，例如，但不限于电力网(未示出)，并可接受从其而来的电力，以驱动风力涡轮机及/或与它相联的部件及/或可向其提供由风力涡轮机10产生的电力。虽然图1-3中只显示了一台风力涡轮机10，在一些实施例中，多台风力涡轮机10被组合在一起，形成一个“风力农场”。
风力涡轮机10包括机体12，有时被称为“短舱”，和连接到机体12的转子(通常由14表示)，它围绕旋转轴线16相对机体12旋转。在所述示范性实施例中，短舱12安装在塔架18上。塔架18的高度是使风力涡轮机10能够发挥本发明所描述功能的任何合适高度。转子14包括轮毂20和多个从轮毂20向外呈放射状延展的叶片22(有时被称为“螺旋桨”)，用于将风能转换成旋转能。虽然此处描述和图解的转子14具有三个叶片22，但转子14可包括任何数量的叶片22。
图2是示范性风力涡轮机10一部分的局部剖视透视图。图3是示范性风力涡轮机的原理图。图4是轮毂20一部分的截面图，显示了节距系统24的一个示范性实施例。风力涡轮机10包括连接到转子14的发电机26，用来从由转子14产生的旋转能产生电能。发电机26是任何适合类型的发电机，例如，但不限于，绕线转子感应发电机。转子14包括连接到转子轮毂20的转子轴28，用于以此进行旋转。发电机26被连接到转子轴28，使得转子轴28的旋转驱动发电机转子的旋转，并进而驱动发电机的工作。在所述示范性实施例中，发电机转子有另外被连接的转子轴30，该转子轴30连接到转子轴28上，使得转子轴28的旋转驱动所述发电机转子的旋转。在所述示范性实施例中，发电机转子轴30通过传动箱32连接到转子轴28，虽然在其它实施例中发电机转子轴30被直接连接到转子轴28。转子14的旋转驱动发电机转子，以进而从转子14的旋转产生可变频率交流(AC)电力。变频器38连接到发电机26，用来将所述可变频交流电转换成固定频率交流电，以便传送到电气负载(未示出)上。
在一些实施例中，风力涡轮机10包括用于制动转子14的转动的刹车系统(未示出)。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10包括用来改变转子14偏转的偏转系统40，该系统可以使短舱12绕轴42旋转。偏转系统40被连接到控制系统44并由该控制系统控制，更多细节如下所述。在一些实施例中，风力涡轮机10包括用于测定风速及/或风向的风力测定仪46。风力测定仪46连接到控制系统44，以便将测量值发送给控制系统44，从而在其中进行处理。
在一些实施例中，风力涡轮机10包括一个或多个连接到风力涡轮机10部件的控制系统44，用于一般性地控制风力涡轮机10及/或其中部件的运行。在所述示范性实施例中，控制系统44连接到转子控制机构48，用于一般性地控制转子14。在所述示范性实施例中，控制系统44被安装在短舱12中。作为备选，一个或多个控制系统44可远离短舱12及/或风力涡轮机10的其他部件。控制系统44可用于，但不限于，整个系统的监视和控制，包括，例如，节距和速度调节，高速轴和偏转刹车应用，偏转和泵电动机应用，及/或故障监测。在一些实施例中可采用备选的分布式或集中式控制结构。
在所述示范性实施例中，风力涡轮机10还包括多个传感器50，每个传感器连接到相应的叶片22。传感器50是任何适合的传感器，在风力涡轮机10内，或远离风力涡轮机10的地方具有任何合适的位置，例如，但不限于，如下更多细节所述的位于节距系统之内的光学编码器。在一些实施例中，传感器50被连接到控制系统44，用于将节距测量值发送到控制系统44，以便在其中处理。在所述示范性实施例中，风力涡轮机10包括一个或多个连接到发电机转子轴30的传感器52，用于测量转子轴30的旋转速度及/或发电机转子轴30的扭矩。传感器52是任何适合的传感器，在风力涡轮机10内，或远离风力涡轮机10的地方具有任何合适的位置，例如，但不限于，光学编码器，数字近程式传感器，应变仪，及/或转速计。在一些实施例中，传感器52被连接到控制系统44，用于将速度测量值发送到控制系统44，以便在其中处理。此外，在所述示范性实施例中，风力涡轮机10包括一个或更多连接到转子轴28的传感器54，用于测量转子轴28的转速及/或转子轴28的扭矩。传感器54是任何适合的传感器，在风力涡轮机10内，或远离风力涡轮机10的地方具有任何合适的位置，例如，但不限于，光学编码器，数字近程式传感器，压电传感器，应变仪，及/或转速计。在一些实施例中，传感器54被连接到控制系统44，用于将测量值发送到控制系统44，以便在其中处理。此外，在所述示范性实施例中，风力涡轮机10包括一个或多个连接到发电机26的传感器，用于测量发电机26的电力输出。在一些实施例中，传感器56被连接到控制系统44，用于将测量值44发送到控制系统44，以便在其中处理。传感器56是任何适合的传感器，在风力涡轮机10内，或远离风力涡轮机10的地方具有任何合适的位置，例如，但不限于，霍尔效应电流传感器(CTs)及/或电容式电压传感器(CVTs)。
在其他实施例中，风力涡轮机10还包括一个或多个连接到风力涡轮机10的一个或多个部件及/或所述电气负载的其他传感器(未示出)。这种其他传感器包括，但不限于，设置用于测量位移，偏转，节距，力矩，应变，应力，扭曲，损伤，故障，转子扭矩，转子速度，电气负载的异常，及/或供应给风力涡轮机10的任何部件的电力异常。这种其他传感器连接到风力涡轮机10的任何部件及/或所述电气负载之上的任何位置，以便测量其上的任何参数。
在一些实施例中，控制系统40包括总线60或其他通信装置，用于交流信息。有一个或多个处理器62连接到总线60，用于处理信息，包括来自风力测定仪46，传感器50，52，54，及/或其他传感器的信息。控制系统44还包括一个或多个随机存储内存(RAM)64及/或其他存储装置66。RAM 64和存储装置66连接到总线60，用于存储和传输信息，以及应由处理器62执行的指令。RAM 64(如果包括的话，及/或存储装置66也)也用于存储临时变量或其他处理器执行指令期间的中间性信息。控制系统44还包括一个或多个只读内存(ROM)68及/或其他连接到总线60的静态存储装置，用于存储并向处理器62提供静态(即，非变化)信息和指令。输入/输出装置70包括任何本技术领域已知的装置，用于向控制系统44提供输入数据及/或提供输出(例如，但不限于，偏转控制及/或节距控制输出)。指令从存储装置(例如，但不限于，磁盘，只读内存(ROM)集成电路，CD-ROM，及/或DVD)提供给内存，通过有线或无线的远程连接，给一个或多个可电子存取的介质等提供了存取接口。在一些实施例中，使用硬接线电路来取代软件指令，或与其组合，从而使得指令序列的执行不限于任何特定的硬件电路和软件指令的组合。控制系统44还包括一个允许控制系统44与风力测定仪46，传感器50，52，54，及/或56，及/或其他传感器进行通信的传感器接口72。传感器接口72可为，或可包括，例如，一个或多个模-数转换器，其将模拟信号转换成处理器62可以使用的数字信号。
风力涡轮机10包括用于可变叶片节距系统24，此系统控制转子叶片22与风向有关的节距角(pitch angle)。节距系统24连接到控制系统44，以便由此进行控制。叶片22和节距系统24都连接到位于轮毂20外壳中的轴承80上。轴承80有内滚道82和同心外滚道84。内滚道82连接到叶片22，而外滚道84连接到节距系统24。在内滚道82和外滚道84之间限定了环形凹槽86，且其中包括至少一种当内滚道82和外滚道84相对运动时可以减少摩擦的材料88。材料88是滚珠(未示出)或润滑剂(未示出)的其中至少一种。作为备选，叶片22被连接到外滚道84，且内滚道82被连接到轮毂20，其中节距系统24驱动外滚道84来控制叶片22的位置。
在一些实施例中，节距系统24包括一个或多个执行机构。所述节距执行机构包括任何适合的结构，构造，排列，机构，及/或部件，例如，但不限于，电动机，液压缸，弹簧，及/或伺服机构。此外，所述节距执行机构通过任何适合的方式驱动，例如，但不限于，液压机液体，电力，电化学能，及/或机械能(例如，但不限于，弹簧力)。在一些实施例中，所述节距执行机构由从至少一个转子14的旋转惯量提取出的能量，及给风力涡轮机10的部件提供能量的存储能量源(未示出)提取出的能量驱动。在所述示范性实施例中，节距系统24包括节距驱动齿轮90和通过轴承80连接到轮毂20和叶片22的节距齿圈92。通过将连接到内滚道82的叶片相对轮毂20和外滚道84转动，节距系统24利用执行机构来改变叶片22的节距角。更特别地，在所述示范性实施例中，所述节距执行机构包括连接到节距齿圈92的节距驱动齿轮58。节距齿圈92连接到叶片22，使得节距驱动齿轮90的转动使叶片22绕旋转轴线94旋转，从而改变叶片22的节距。
图5是显示用于润滑部件的方法100的一个示范性实施例的流程图。更特别地，方法100润滑连接到风力涡轮机(例如，但不限于，风力涡轮机10)叶片节距系统24和叶片22的轴承80。虽然方法100在本发明中将按照与风力涡轮机10的关系进行描述和图解，但方法100可用于任何通过控制系统(例如，但不限于，控制系统44)控制的轴承部件。在所述示范性实施例中，当控制系统44工作时，控制系统44记录下列项中的至少一个：即，时间，电子瞬态，以及叶片22在控制系统44内的一个未显示出的计数器(counter)上的移动，以确定叶片22的节距角是否应该改变，以确保轴承80的正确润滑。
在所述示范性实施例中，控制系统44在步骤102初始启动润滑过程。在步骤104，控制系统44记录叶片22相对时间的移动。更特别地，在所述示范性实施例中，控制系统44记录下列项中的至少一项：叶片运动的瞬间时间，以及两次叶片运动之间过去的时间。控制系统44还在步骤104记录每次叶片移动时叶片22节距角变化的测量值。当控制系统44在步骤104记录时间和叶片移动角时，控制系统还在步骤106确认是否发生电气瞬态(如下更多细节所述)。只要控制系统在步骤106确定未发生电气瞬态，控制系统44继续记录步骤104的叶片运动时间。在所述示范性实施例中，控制系统44还在步骤108确定是否在预定时间内在某个预定的节距角内发生叶片移动。
在所述示范性实施例中，控制系统44在步骤108确定是否发生复位事件。在所述示范性实施例中，通过分析步骤104所记录的时间和角度变化，当叶片22在预定时间内在某个预定的节距角范围内被推动，即发生复位事件。更特别地，在一个示范性实施例中，所述预定角度范围为十到二十度，而所述预定时间是十分钟。所述预定角度范围和预定时间根据在某个时间范围内对轴承80进行均匀润滑所需的叶片移动范围而进行设定。如果控制系统44在步骤108确定发生了复位事件，控制系统44在步骤110被复位到零位，使得控制系统44重新启动对两次叶片运动之间过去时间的测量。所述过去时间测量是对叶片22两次运动之间所过去时间数量的测量。当控制系统44在步骤110被复位到零位后，控制系统44在步骤112继续按照风力涡轮机10正常工作期间的要求推动叶片22，并且控制系统44继续在步骤102启动润滑过程。
如果控制系统44在步骤108确定没有发生复位事件，则控制系统44在步骤114确定是否发生扫掠事件。在所述示范性实施例中，当控制系统44达到预定过去时间时，即发生扫掠事件。在所述示范性实施例中，预定过去时间被测量为两次叶片运动之间过去的时间。更特别地，在一个示范性实施例中，所述预定过去时间在两次叶片运动之间为三小时。所述预定过去时间被设置便于确保叶片以足够高的频率移动，以便于材料88在轴承80内均匀地分布。如果控制系统44在步骤114确定没有发生扫掠事件，控制系统44在步骤116继续按照风力涡轮机10正常工作时的要求推动叶片22，并且控制系统44继续在步骤102启动润滑过程。如果控制系统44在步骤114确定已发生扫掠事件，控制系统44执行一次节距扫掠，包括在步骤118把叶片22从第一位置推到第二位置。所述节距扫掠还包括控制系统44之后在步骤120推动叶片22，使得叶片22返回到第一位置。在一个示范性实施例中，第一位置是控制系统44确定已发生扫掠事件时叶片22所处的位置，而第二位置距离第一位置十到二十度。更特别地，所述第二位置根据以下原则确定，即，便于确保叶片22有足够的移动，从而大体上使轴承80润滑而无需使风力涡轮机10脱机，并无需使产生能量的损失超出必要程度。在所述示范性实施例中，控制系统44在步骤122记录执行节距扫掠时的时间。控制系统44在步骤124继续按风力涡轮机10正常工作时的要求推动叶片22。控制系统44继续在步骤102启动润滑过程。
如果控制系统44在步骤104确定已发生电气瞬态，则控制系统44在步骤126记录电气瞬态信息。在所述示范性实施例中，所述电气瞬态信息包括所述电气瞬态的时间。在一个示范性实施例中，控制系统44在步骤128记录最近一次节距扫描时间和所述电气瞬态发生时间之间过去的时间。其他电气瞬态信息可以是，但不限于，电气瞬态发生时间和复位事件发生时间之间过去的时间，及/或此次电气瞬态发生时间和前次电气瞬态发生时间之间过去的时间。在一个示范性实施例中，控制系统44在步骤104根据从传感器(例如，但不限于，传感器50，52，54，及/或56，及/或其他如上所述的传感器)接收的数据确定是否已发生电气瞬态。当控制系统44在步骤126和128记录电气瞬态信息后，控制系统在步骤130重启风力涡轮机10并继续在步骤102启动润滑过程。
在风力涡轮机10的使用寿命期间，当润滑过程在步骤102被启动后，通过推动连接到轴承80的叶片22，有利于对轴承80进行正确地润滑。推动叶片22有助于轴承环形槽86中至少一种材料88(如润滑剂)的均匀分布。当叶片22已经在所述节距角范围内，但没有在预定时间内被推动时，所述复位事件不会发生，因为轴承80中的材料88还没有在轴承80中被足够地持续移动，以正确地润滑轴承80。步骤114中预定的过去时间有助于防止轴承80的变形，而无需超过必要程度地降低功率，以及降低步骤120中风力涡轮机10所产生的能量。通过在步骤118限制节距扫掠，以推动叶片22从第一位置移动到第二位置，并然后在步骤120将叶片22推回第一位置，有利于维持风力涡轮机10的联机状态并保持其能量生产。控制系统44在步骤126和128记录电气瞬态以确定是否需要调节预定时间，节距角范围，以及预定过去时间等参数。
上述帮助部件润滑的方法和设备有助于减少轴承的变形并减少叶片节距系统推动叶片所需的扭矩。所述轴承的正确润滑有助于防止所述轴承的变形。所述示范性实施例是一种对风力涡轮机中轴承进行正确润滑的具有成本效益的方法。更特别地，所述第一位置和第二位置之间有限的节距保持了所述风力涡轮机的能量生产。此外，不变形的，正确润滑的轴承有助于减少所述叶片节距系统推动叶片所需的扭矩。较小的扭矩有助于防止所述叶片节距系统线圈中的温升，并防止所述线圈的分层。此外，所述润滑的示范性实施例有助于防止所述轴承及/或叶片节距系统被更换，这保持了所述风力涡轮机的能量生产并减少了对涡轮机进行危险而昂贵的维护工作的需要。而且，当所述轴承没有变形时，也有利于减少所述风力涡轮机转子轴上的非对称负载。当所述转子轴负载对称时，所述电气瞬态的可能性也被减小。
以上详细描述了用于帮助提升涡轮机转子效率的方法和设备的示范性实施例。所述设备不限于本发明所描述的特定实施例，而更确切地是，所述方法和设备的部件可以脱离本发明所描述的其他部件而独立并单独地使用。例如，所述润滑过程还可和其他用于控制轴承的控制系统一起使用，并不限于仅应用于本发明所描述的风力涡轮机叶片组件。更确切地是，本发明可与许多其他轴承润滑应用关联执行及使用。
虽然本发明根据多个特定的实施例进行描述，但本领域技术人员应认识到，本发明可在本发明权利要求精神和范围之内进行修改。
Claims (10)
1.一种涡轮机(10)，包括：
轮毂(20)；
叶片(22)；
叶片节距机构(24)，其被配置成用于将所述叶片相对于所述轮毂移动；
轴承(80)，其被配置成用于将所述叶片连接至所述节距机构；及
连接到所述叶片节距机构上的控制系统(44)，其用于控制所述叶片的移动，所述控制系统被配置成用来在预定时间过去时将所述叶片由第一位置旋转到第二位置。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，其特征在于，当所述叶片(22)在预定的节距角范围内在预定的节距角范围内移动时，所述控制系统(44)被复位。
3.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述控制系统(44)配置成用来记录节距扫掠数据集，所述数据集包括下列项中的至少一个：所述叶片(22)的运动之间的时间过去数据，所述叶片的节距角变化，以及所述叶片相对于时间的节距角变化。
4.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述系统(44)包括第三计数器，该第三计数器被配置成用于记录电气瞬态数据集，所述电气瞬态数据包括累积计数器数字以及瞬时计数器数字中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述轴承(80)包括位于所述轴承之内的润滑剂介质。
6.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述控制系统(44)还被配置成具有用于所述第一位置和第二位置的值，使得所述轴承内的一个滚珠旋转过至少一圈。
7.一种用于部件润滑的系统，包括：
连接到节距控制机构(24)上的叶片(22)；及
连接到所述节距控制机构上的控制系统(44)，所述控制系统被配置成用来：
控制所述叶片节距机构以用于控制所述叶片的运动；且
当预定的时间过去时，将所述叶片从第一位置旋转到第二位置。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当所述叶片(22)在预定时间内在预定的节距角范围内移动时，所述控制系统(44)被复位。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制系统(44)被配置成当预定的时间过去时，将所述叶片(22)从第一位置旋转到第二位置，这包括，设定所述第一位置和所述第二位置，使得所述轴承中的一个滚珠旋转过至少一圈。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述预定的节距角范围是在距离所述第一位置的十度至二十度之间。
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