CN102052260A - 用于操作风力涡轮的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于操作风力涡轮的方法和系统。提供用于风力涡轮(100)的润滑系统(200)。该润滑系统包括构造成用于收集润滑流体的储槽(204)，以及构造成用于基于至少一个预测条件来加热润滑流体的至少一个加热单元(228)。

Description

用于操作风力涡轮的方法和系统
技术领域
本文所述的主题大体涉及风力涡轮，并且更具体地涉及用于操作风力涡轮的方法和系统。
背景技术
风力涡轮通常包括转子，转子具有附接到可旋转轮毂上的多个叶片。转子将风能转变成旋转转矩，旋转转矩驱动一个或多个轴。通常，轴可旋转地联接到齿轮箱上，齿轮箱逐级升高转子固有的较低旋转速度。齿轮箱使高速轴旋转，高速轴驱动发电机来产生电功率，电功率供给公用电网或另一目的地。
至少一些公知的齿轮箱需要润滑来有效地运行。通常，泵将润滑油输送给齿轮箱，储槽在齿轮箱已经润滑之后收集润滑油。在较冷的环境中，润滑油可变为粘性的，并且阻止流动。在这种环境中，一个或多个加热器可用于加热润滑油，以在操作期间保持润滑油的足够粘度。
如果风力涡轮空转达延长的时间段，则润滑油就可能需要在风力涡轮恢复操作之前进行加热。在一些公知的风力涡轮中，润滑油的加热可耗费6至8小时之间或更长。在这种情形下，风力涡轮在加热润滑油时不可用于产生功率，并且可损失大量的收入。
发明内容
在一个实施例中，提供用于包括控制系统的风力涡轮的润滑系统，其包括构造成用于收集润滑流体的储槽，以及构造成用于基于至少一个预测条件来加热润滑流体的至少一个加热单元。
在另一实施例中，提供风力涡轮，其包括控制系统，该控制系统构造成用于获得至少一个预测条件，以及基于预测条件准备风力涡轮来产生功率。
在另一实施例中，提供用于操作风力涡轮的方法，其包括将润滑流体输送至风力涡轮内的至少一个构件，利用至少一个加热单元来加热润滑流体，以及基于至少一个预测条件来控制加热单元。
附图说明
图1为示例性风力涡轮的简图。
图2为适于与图1所示的风力涡轮一起使用的示例性机舱的局部截面图。
图3为适于与图2所示的机舱一起使用的示例性齿轮箱和示例性润滑系统的等距视图。
图4为图3所示的齿轮箱和润滑系统的框图。
图5为示出用于操作适于与图3和图4所示的齿轮箱和润滑系统一起使用的风力涡轮的示例性方法的流程图。
部件列表
100 风力涡轮
102 塔架
104 支承表面
106 机舱
108 转子
110 轮毂
112 转子叶片
114 风
116 偏航轴线
118 转子根部
120 负载传递区域
122 叶片尖部
124 旋转轴线
126 叶片表面区域
128 变桨轴线
130 变桨组件
131 一个变桨驱动马达
132 发电机
134 转子轴
136 齿轮箱
138 高速轴
140 联接件
142 支承件
144 支承件
145 传动系
146 偏航驱动机构
148 气象杆
150 控制系统
152 前支承轴承
154 后支承轴承
200 润滑系统
202 循环泵
204 储槽
206 循环泵进入导管
208 循环泵排出导管
210 热交换器
212 过滤器
214 减压阀
216 温度控制系统
218 温度传感器
220 加热系统
222 热交换进入导管
224 热交换排出导管
226 加热系统泵
228 加热单元
230 加热系统进入导管
232 加热系统排出导管
234 风预测系统
236 控制线
300 示例性方法
302 获得至少一个气象条件的预测
304 确定预测的气象条件是否满足至少一个要求
306 确定润滑流体是否等于或超过预定温度
308 加热润滑流体至预定温度或预定温度以上
310 开始或恢复风力涡轮的功率产生
具体实施方式
本文所述的实施例提供了用于风力涡轮的润滑系统。该润滑系统从风力预测系统获得一个或多个预测条件。润滑系统将预测条件与一个或多个要求相比较，以便确定风力涡轮是否可开始或恢复产生功率。润滑系统还测量风力涡轮内的润滑流体的温度。润滑流体在使风力涡轮能够产生功率的气象条件到来之前预热至最低操作温度。因此，润滑系统便于使风力涡轮能够为可用风力的到来做准备。
图1为示例性风力涡轮发电机100的简图。在示例性实施例中，风力涡轮100为横轴式风力涡轮。可选地，风力涡轮100可为竖轴式风力涡轮。在示例性实施例中，风力涡轮100包括从支承表面104延伸并联接到该支承表面104的塔架102。塔架102例如可利用锚定螺栓或通过基座安装件(两者均未示出)联接到表面104上。机舱106联接到塔架102，转子108联接到机舱106。转子108包括可旋转轮毂110和联接到轮毂110的多个转子叶片112。在示例性实施例中，转子108包括三个转子叶片112。可选地，转子108可具有使风力涡轮100能够如本文所述地运行的任何适合数目的转子叶片112。塔架102可具有使风力涡轮100能够如本文所述地运行的任何适合的高度和/或构造。
转子叶片112围绕轮毂110间隔开，以便于使转子108旋转，从而将风114中的动能转化成可用的机械能，而随后转化成电能。转子108和机舱106围绕塔架102在偏航轴线116上旋转，以控制转子叶片112相对于风向114的投影(perspective)。转子叶片112通过在多个负载传递区域120处将叶片根部118联接到轮毂110而配合至轮毂110。负载传递区域120各具有轮毂负载传递区域和叶片负载传递区域(两者均未在图1中示出)。转子叶片112上引起的负载经由负载传递区域120传递至轮毂110。各转子叶片112还包括叶片尖部122。
在示例性实施例中，转子叶片112具有在大约30米(m)(99英尺(ft))至大约120m(394ft)之间的长度。可选地，转子叶片112可具有使风力涡轮发电机能够如本文所述地运行的任何适合的长度。例如，转子叶片112可具有小于30m或大于120m的适合的长度。当风114接触转子叶片112时，叶片升力引起至转子叶片112，当叶片尖部122加速时，引起转子108围绕旋转轴线124旋转。
转子叶片112的桨距角(未示出)，即，确定转子叶片112相对于风向114的投影的角，可通过变桨组件(图1中未示出)来改变。具体而言，增大转子叶片112的桨距角会减小暴露于风114的叶片表面区域126的量，相反，减小转子叶片112的桨距角会增大叶片表面区域126暴露于风114的量。转子叶片112的桨距角在各转子叶片112处围绕变桨轴线128调整。在示例性实施例中，转子叶片112的桨距角单独地受到控制。可选地，转子叶片112的桨距角作为整体受到控制。
图2为示例性风力涡轮100(图1所示)的机舱106的局部截面图。风力涡轮100的各种构件容纳在机舱106中。在示例性实施例中，机舱106包括三个变桨组件130。各变桨组件130联接到相关的转子叶片112(图1所示)，并且围绕变桨轴线128调节相关转子叶片112的桨距。图2中仅示出了三个变桨组件130中的一个。在示例性实施例中，各变桨组件130包括至少一个变桨驱动马达131。
如图2所示，转子108经由转子轴134(有时称为主轴或低速轴)、齿轮箱136、高速轴138和联接件140可旋转地联接到定位在机舱106内的发电机132。转子轴134的旋转会可旋转地驱动齿轮箱136，齿轮箱136随后驱动高速轴138。高速轴138经由联接件140可旋转地驱动发电机132，高速轴138的旋转便于由发电机132产生电功率。齿轮箱136由支承件142支承，发电机132由支承件144支承。在示例性实施例中，齿轮箱136利用双路径几何形状来驱动高速轴138。可选地，转子轴134经由联接件140直接地联接到发电机132。
机舱106还包括偏航驱动机构146，其使机舱106和转子108围绕偏航轴线116(图1中所示)旋转，以控制转子叶片112相对于风向114的投影。机舱106还包括至少一个气象杆148，其包括风向标和风速计(两者均未在图2中示出)。在一个实施例中，杆148将包括风向和/或风速的信息提供给控制系统150。控制系统150包括一个或多个控制器或构造成用于执行控制算法的其它处理器。如本文中所使用的，用语″处理器″包括任何可编程系统，包括系统和微控制器、简化指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)，以及能够执行本文所述的功能的任何其它电路。上述实例仅为示例性的，因此不意图以任何方式限制用语处理器的定义和/或意义。然而，控制系统150可执行SCADA(监测、控制和数据采集)程序。
变桨组件130操作地联接到控制系统150。在示例性实施例中，机舱106还包括主支承轴承或前支承轴承152，以及后支承轴承154。前支承轴承152和后支承轴承154便于转子轴134的径向支承和对准。前支承轴承152联接到轮毂110附近的转子轴134。后支承轴承154位于齿轮箱136和/或发电机132附近的转子轴134上。可选地，机舱106包括使风力涡轮100能够如本文所述地运行的任意数目的支承轴承。转子轴134、发电机132、齿轮箱136、高速轴138、联接件140和任何相关紧固、支承和/或固定装置(包括但不限于支承件142、支承件144，前支承轴承152和后支承轴承154)有时称为传动系145。
图3为示例性齿轮箱136和便于润滑齿轮箱136的一个或多个构件和/或风力涡轮100(图1中所示)的一个或多个构件的示例性润滑系统200的等距视图。图4为齿轮箱136和润滑系统200的简图。在示例性实施例中，循环泵202例如通过润滑系统200来输送润滑流体，诸如具有适合的流动特性的油。循环泵202经由循环泵进入导管206来从齿轮箱136的储槽204中抽取润滑流体。循环泵202包括内部阀(未示出)，用于经由循环泵排出导管208选择性地使润滑流体返回齿轮箱136，或用于将润滑流体引导至热交换器210。循环泵进入导管206和/或循环泵202包括过滤器212，用于从润滑流体中除去杂质。循环泵排出导管208包括减压阀214，用于便于使润滑流体以期望压力返回齿轮箱136。在一个实施例中，一个或多个雾化喷嘴(未示出)大致以细雾或喷雾的形式将润滑流体从循环泵排出导管208和/或从减压阀214传送至齿轮箱136和/或储槽204。在示例性实施例中，润滑系统200包括温度控制系统216，其控制润滑系统200的一个或多个构件的操作。与温度控制系统216通讯的一个或多个温度传感器218测量润滑流体的温度，并且产生和传递代表测得的温度的一个或多个信号。润滑系统200还包括加热润滑流体的加热系统220。
如图4所示，一个温度传感器218联接到储槽204，并且测量储槽204内的润滑流体的温度。尽管图4中未示出，但在一个实施例中，附加的温度传感器218操作地联接到润滑系统200内的其它构件，诸如操作地联接到循环泵进入导管206、加热系统220、热交换器210和/或润滑系统200的任何适合的构件。在示例性实施例中，温度传感器218操作地联接到温度控制系统216，温度传感器218将测得的润滑流体温度传输至温度控制系统216。温度控制系统216接收测得的润滑流体温度，并且将润滑流体温度与诸如预定的第一最低阈值温度的第一温度相比较。在示例性实施例中，第一最低阈值温度为使润滑流体能够以足够的粘度流动以便防止或最小化对润滑系统200的一个或多个构件(诸如循环泵202)和/或风力涡轮100的一个或多个构件的破坏的最低温度。在一个实施例中，第一最低阈值温度为大约30℃。可选地，第一最低阈值温度为使润滑系统200和风力涡轮100能够如本文所述地操作的任何适合的温度。如果测得的润滑流体温度低于第一最低阈值温度，则温度控制系统216可停用循环泵202或降低循环泵202的速度。
温度控制系统216还将测得的润滑流体温度与预定的最高阈值温度相比较。在示例性实施例中，最高阈值温度为防止或最小化对润滑系统200的一个或多个构件和/或风力涡轮100的一个或多个构件的破坏的润滑流体的最高温度。在一个实施例中，最高阈值温度为大约70℃。可选地，最高阈值温度为使润滑系统200和风力涡轮100能够如本文所述地操作的任何适合的温度。如果测得的润滑流体温度高于最高阈值温度，则循环泵202将润滑流体经由热交换进入导管222输送到热交换器210。热交换器210从润滑流体中除去热量，并且使冷却的润滑流体经由具有减压阀214的热交换排出导管224返回至齿轮箱136。在一个实施例中，一个或多个雾化喷嘴(未示出)大致以细雾或喷雾的形式将冷却的润滑流体从热交换排出导管224通过减压阀214传送到齿轮箱136和/或储槽204。润滑流体喷雾便于润滑齿轮箱136的一个或多个构件，并且润滑流体重力供给至储槽204。润滑流体收集在储槽204内，并且如果必要的话由循环泵202再次输送通过润滑系统200，以便于润滑齿轮箱136和/或风力涡轮100的一个或多个构件。
在示例性实施例中，加热系统220包括加热系统泵226和一个或多个加热单元228。尽管图4中示出了两个加热单元228，但润滑系统200可包括任何适合数目的加热单元228。可选地，润滑系统200包括单个加热单元228。加热单元228将润滑流体加热至等于预定的第二最低阈值温度的温度，以使润滑流体能够变为足够粘性的，以防止或最小化对循环泵202和/或加热系统泵226的破坏。在示例性实施例中，第二最低阈值温度等于润滑流体的第一最低阈值温度。可选地，第二最低阈值温度大于第一最低阈值温度，或小于第一最低阈值温度。加热系统泵226通过加热系统进入导管230从齿轮箱136和/或储槽204中抽取润滑流体，并且将加热的润滑流体通过加热系统排出导管232返回至齿轮箱136和/或储槽204。一旦润滑流体温度达到或超过第二最低阈值温度，则温度控制系统216可启动循环泵202或增大循环泵202的速度。
在示例性实施例中，温度控制系统216包括控制系统150和风预测系统234。温度控制系统216经由一条或多条控制线236操作地联接到温度传感器218、加热系统220和循环泵202。可选地或另外地，温度控制系统216操作地联接到润滑系统200的任何适合的构件。在示例性实施例中，风预测系统234提供在风力涡轮100处或附近的一个或多个预测条件。风预测系统234包括由一个或多个控制器(未示出)执行的一个或多个软件成分。在示例性实施例中，风预测系统234由风场控制系统(两者均未示出)内的一个或多个控制器执行。因此，风场控制系统可控制风场内的多个风力涡轮，并且可使用如本文所述的风预测系统234来预热各风力涡轮内的润滑流体。在可选实施例中，风预测系统234由控制系统150内的控制器(未示出)执行。在一个实施例中，风预测系统234使用大致类似于美国专利No.7,523,001中描述的一种或多种方法的预测方法。可选地，风预测系统234使用任何适合的预测方法。
在示例性实施例中，润滑系统200以″湿储槽″构造进行构造，其中，润滑流体在储槽204内收集和加热(即，加热系统220加热润滑流体，并且使加热的润滑流体回到储槽204)。在可选实施例中，润滑系统200以″干储槽″构造进行构造，其中，润滑流体储存在与储槽204分开的储存罐(未示出)中。在可选实施例中，润滑流体由加热系统220以类似于上文关于储槽204描述的方式在储存罐内加热。润滑流体由循环泵202或另一适合泵从储存罐输送至齿轮箱136和/或风力涡轮100的其它构件，以润滑齿轮箱136和/或风力涡轮100的其它构件。
图5为示出用于操作风力涡轮100(图1所示)的示例性方法300的流程图。在示例性实施例中，风预测系统234(图4所示)获得302至少一个条件的预测，诸如气象条件，包括而不限于，风力涡轮100(图1所示)附近的风速、风向、风力涡轮100附近的环境温度、大气压力、空气密度和/或任何适合的气象条件。可选地，风预测系统234、控制系统150和/或另一适合的控制系统获得302预测条件或触发条件，诸如风力涡轮100的计划起动、周期性起动或加热事件、计划的维护事件或任何适合的预测事件。在示例性实施例中，预测还包括时间成分，诸如气象条件将出现的预计时间。例如，风预测系统234可确定预计在大约8小时内在风力涡轮100处或附近出现的5米每秒(m/s)的风速。在一个实施例中，风预测系统234将预测的气象条件传输给控制系统150(图4所示)，控制系统150基于预测的气象条件来执行一个或多个比较或其它操作。
温度控制系统216(图4所示)确定304预测的气象条件是否满足至少一个要求。在示例性实施例中，温度控制系统216确定304预测的风速是否等于或超过风力涡轮100的最低风速，以在预定时间内开始操作。最低风速可为风力涡轮100的额定接入速度、额定接入速度加上附加的偏差、或任何适合的风速。预定时间可为使加热系统220(图4所示)能够将润滑流体预热至期望温度的最少时间量，或任何适合的时间段。在可选实施例中，使温度控制系统216能够如本文所述地操作的任何适合的要求可用于控制风力涡轮100的操作。如果预测的风速确定304为不足的(即，在预定的时间段内预测的风速不等于或超过最小风速)，则风预测系统234获得302至少一个气象条件的另一预测。可选地或另外地，如果预测的风速确定304为不足的，则风力涡轮100可停机，或可以以减少的功率操作。如果风力涡轮100已经以减少的功率状态操作，则风力涡轮100可保持在减少的功率状态，直到预测的风速确定304为足以使风力涡轮100操作。
如果预测的风速确定304为足以使风力涡轮100操作，则温度控制系统216确定306润滑流体的温度是否等于或超过预定温度。在示例性实施例中，温度传感器218测量润滑流体的温度，并且将测得的温度传输至温度控制系统216。温度控制系统216将测得的润滑流体温度与诸如参照图4描述的润滑流体的第一最低阈值温度的预定温度相比较，并且确定306测得的温度是否等于或超过预定温度。如果测得的润滑流体温度不等于或超过润滑流体的预定温度，则温度控制系统216将润滑流体加热308至预定温度，如本文更为完整地描述。相反，如果测得的润滑流体温度等于或超过润滑流体的预定温度，则风力涡轮100开始或恢复310操作，如本文更为完整地描述。
温度控制系统216将润滑流体加热308至预定温度或高于预定温度的温度。在一个实施例中，温度控制系统216将润滑流体加热308至参照图4描述的第二最低阈值温度。在示例性实施例中，温度控制系统216启动加热系统泵226来将润滑流体抽至加热系统220中，并且启动加热单元228来加热308润滑流体。温度传感器218连续地、间断地或周期性地测量润滑流体的温度，并且将测得的润滑流体温度传输至温度控制系统216。一旦润滑流体加热308至期望温度，则温度控制系统216停用加热系统泵226和加热单元228。
一旦润滑流体加热308至期望温度，则风力涡轮100可开始或恢复310操作，诸如，通过启动循环泵202(图4所示)和/或通过产生功率。在一个实施例中，风力涡轮100等待预测风速的实现，并且如果润滑流体冷却至预定温度以下，则如果必要的话加热308润滑流体。
尽管风预测系统234和温度控制系统216用于在可用风力到来之前预热润滑流体，但风预测系统234和/或温度控制系统216不限于预热润滑流体。相反，风预测系统234和/或温度控制系统216可用于为可用风力或任何适合条件的到来准备其它构件和/或系统。例如，风力涡轮100的一个或多个构件和/或系统可在可用风之前加压至预定的压力。作为另外的实例，风预测系统234和/或温度控制系统216可接合一个或多个加热单元(未示出)和/或其它系统，以在可用风或另一适合的条件之前的除冰操作中加热转子106和/或风力涡轮100的一个或多个构件，诸如叶片108。可选地，风预测系统234和/或温度控制系统216可通过在期望时间内将任何适合的操作条件增大或减小到期望水平来为可用风力的到来准备风力涡轮100的一个或多个构件和/或系统。因此，在一个实施例中，诸如控制系统150的控制系统、风预测系统234和/或温度控制系统216构造成用于获得至少一个预测条件并且基于预测条件来准备风力涡轮100用于产生功率。
在一个实施例中，操作风力涡轮的方法包括利用至少一个加热单元来加热润滑流体，将润滑流体输送至风力涡轮内的至少一个构件，以及基于至少一个预测条件来控制加热单元。泵用于将润滑流体输送至构件，并且使润滑流体从构件返回至储槽，并且泵构造成用于在润滑流体的温度下降到第一预定温度以下时停止操作。泵构造成用于在润滑流体的温度达到第二预定温度时操作。预测风速、预测风向、预测温度、预测大气压力和预测空气密度中的至少一个用于控制加热单元。当预测条件高于阈值时，加热单元操作。
本文所述的系统和方法的技术效果包括以下中的至少一个：(a)利用至少一个加热单元来加热润滑流体；(b)将润滑流体输送至风力涡轮内的至少一个构件；以及(c)基于至少一个预测条件来控制至少一个加热单元。
上述实施例便于为风力涡轮提供有效且节约成本的润滑系统。润滑系统在足够的风速变为可用的之前将润滑流体预热至最低温度。风力涡轮可大致在可用风力可获得时开始产生功率，而不是被迫在停机时段之后等待润滑流体被预热。因此，润滑系统便于使风力涡轮能够捕获更多的功率，并且比至少一些公知的风力涡轮更为高效地操作。此外，润滑系统使风力涡轮能够逐渐地预热润滑流体。因此，使用本文所述的润滑系统便于减小可用于加热润滑流体的加热单元的尺寸、数目和/或成本。
上文详细地描述了用于操作风力涡轮的方法、系统和设备的示例性实施例。该方法、系统和设备不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统和/或设备的构件和/或方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地且分开地使用。例如，润滑系统还可结合其它功率系统和方法来使用，并且不限于仅与本文所述的风力涡轮一起来实施。相反，示例性实施例可结合许多其它机械应用来执行和使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征在一些附图中示出而在另一些附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，可结合任何其它附图中的任何特征来参考和/或要求保护附图中的任何特征。
本说明书使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮(100)的润滑系统(200)，所述润滑系统包括：
构造成用于收集润滑流体的储槽(204)；以及
构造成用于基于至少一个预测条件来加热所述润滑流体的至少一个加热元件(228)。
2.根据权利要求1所述的润滑系统(200)，其特征在于，所述润滑系统(200)还包括泵(202)，所述泵(202)构造成用于将所述润滑流体从所述储槽(204)输送通过所述风力涡轮(100)的至少一部分，并且使所述润滑流体返回至所述储槽。
3.根据权利要求2所述的润滑系统(200)，其特征在于，所述泵(202)构造成用于在所述润滑流体的温度下降至第一预定温度以下时停止操作。
4.根据权利要求3所述的润滑系统(200)，其特征在于，所述加热单元(228)构造成用于将所述储槽(204)内的所述润滑流体加热至第二预定温度。
5.根据权利要求4所述的润滑系统(200)，其特征在于，所述泵(202)构造成用于在所述润滑流体的温度达到所述第二预定温度时操作。
6.根据权利要求1所述的润滑系统(200)，其特征在于，所述预测条件包括预测风速、预测风向、预测温度、预测大气压力和预测空气密度中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的润滑系统(200)，其特征在于，所述加热单元(228)构造成用于在所述预测风速高于阈值时操作。
8.根据权利要求1所述的润滑系统(200)，其特征在于，所述润滑系统(200)还包括构造成用于将信号传输至所述加热单元的控制系统(150)。
9.一种风力涡轮(100)，包括：
控制系统(150)，其构造成用于：
获得至少一个预测条件；
基于所述预测条件准备所述风力涡轮用于产生功率。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮(100)，其特征在于，所述风力涡轮(100)还包括：
齿轮箱(136)；以及
构造成用于润滑所述齿轮箱的润滑系统(200)，所述润滑系统包括：
构造成用于收集润滑流体的储槽(204)；以及
构造成用于加热所述润滑流体的至少一个加热单元(228)；
其中，所述控制系统(150)还构造成用于基于所述至少一个预测条件来操作所述加热单元。
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