CN103348134A

CN103348134A - 风轮机和用于操作风轮机的方法

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Publication number: CN103348134A
Application number: CN2011800673472A
Authority: CN
Inventors: T·考瑞思歌德·尼尔森; P·S·弗克杰
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: US9482207B2; US20130343888A1; CN103348134B; EP2652322B1; WO2012079585A3; EP2652322A2; ES2571756T3; WO2012079585A2

Abstract

本发明提供一种风轮机，该风轮机包括可旋转的传动系，所述传动系包括至少一个轴承（3）以及泵（4），所述泵用于向所述轴承（3）供应润滑剂。所述风轮机还包括控制器，所述控制器用于对所述泵（4）执行闭环控制，以提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂。

Description

风轮机和用于操作风轮机的方法

技术领域

本发明涉及风轮机和用于操作风轮机的方法。

背景技术

风轮机的包括齿轮箱和轴承的旋转系统需要由特殊润滑剂来润滑。

通常，以恒速驱动的油泵向旋转系统供应一定量的油，以确保旋转系统的不同元件的润滑和冷却。然而，由于现代风轮机的尺寸增大，例如，具有达至15吨且长度达至60米或更大的叶片，因此油的恒定供应可能导致油和用于驱动泵的能量的严重过量消耗。

发明内容

本发明的优选实施方式的目的是提供一种改进的风轮机和用于操作风轮机的改进的方法。

因此，在第一方面中，本发明提供一种风轮机，该风轮机包括可旋转的传动系，所述传动系包括至少一个轴承以及泵，所述泵用于向所述轴承供应润滑剂，所述风轮机还包括控制器，所述控制器用于对所述泵进行控制，以提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂，其中，所述控制器执行闭环控制。

所述可旋转的传动系包括至少一个轴承，所述至少一个轴承可以例如是主轴轴承、发电机轴承或者齿轮轴承。在所述可旋转的传动系中，在所述风轮机的正常操作期间，至少一个部件相对于另一部件旋转。

所述润滑剂是适于润滑所述传动系的运动部件的物质。所述润滑剂优选地是液体，诸如油。所述润滑剂可以被施加到主轴、至少一个轴承或者传动啮合小齿轮等。

所述泵可以是机械或电驱动泵。所述泵可以有利地具有可变速度，由此便于调节由所述泵供应的润滑剂量。

所述风轮机还包括用于控制泵的控制器，从而能够提供可变化的量的润滑剂。例如，控制器可以负责发送改变泵速并且由此改变所提供的润滑剂量的信号。

所述控制器控制泵，从而所提供的润滑剂量基于实际操作状态而变化，该操作状态例如可以是涡轮机的骤然启动、全负载操作等。通过改变所供应的润滑剂量，可以延长泵的寿命。此外，用于运行泵的电量可以减小。应理解，泵是指整个泵单元，包括电源、功率控制装置、装配件以及泵单元的类似特征。

因为不使用不必要的电力，因此风轮机的总效率也可以增加。另一优点在于可以避免润滑剂的过分循环，由此也避免在润滑剂中形成泡沫。

在风轮机操作中，若干操作参数取决于天气状况，天气状况当然难以预知并且有时甚至难以确定。因而，控制器在风轮机中提供抵消因天气状况改变而出现的负载的机会。

控制器执行闭环控制。即，所选择的控制参数可以被测量和/或感测并且随后被反馈到控制器，从而所供应的润滑剂量可以基于测量/感测的反馈值和控制参数的输入值之间的差而减小或增大。应理解，所选择的用作反馈值的参数不必是单个参数，而可以是一起被使用的一组参数。

因而，被反馈到控制器的参数可以是在描述用于闭环的传递函数时稍后引用的一个或多个参数。即，这些参数可以是以下参数中的一个或两个以上的组合：所述传动系的元件的旋转速度；贮槽中的润滑剂液位；过滤器上的压差；生成功率；一个或多个压力值；一个或多个温度；湿度；风速；以及所述传动系的负载。

由于风轮机还可以包括齿轮箱，所述泵还可以适于向所述齿轮箱供应润滑剂。如上所述，所供应的润滑剂量可以取决于实际操作状态。

所述控制器可以是比例（P）控制器、比例积分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器、或比例积分微分（PID）控制器。所述控制器可以基于例如风轮机的尺寸和/或定位涡轮机所在的位置进行选择，这是因为风轮机的预期负载可以取决于所选择的位置。控制器例如可以使用数学传递函数或者查询表。

所述传动系可以包括用于感测操作状况的至少一个传感器。所述传感器可以与控制器通讯，以便于对泵进行控制。例如，所述通讯可以是无线通讯。

为了保证向轴承和/或齿轮箱提供足够量的润滑剂，实际操作状态可以包括润滑需求和冷却需求中的至少一种。

所述润滑需求可以例如取决于传动系的旋转速度、风轮机的负载、轴承的数量和尺寸、齿轮箱的尺寸等。

在可旋转的传动系的润滑期间，润滑剂的温度通常由于旋转部件发热而升高。润滑剂因此可以一定程度上用于冷却旋转部件。因此，实际操作状态可以包括冷却需求。

风轮机还可至少包括第二泵，所述第二泵适于提供恒定量的润滑剂。因此，第二泵可以例如用于提供基本量的润滑剂，而前述的泵可以用于提供附加量的润滑剂，从而所提供的润滑剂的总量基于实际操作状态而变化。

所述齿轮箱可以包括贮槽，并且润滑剂量可以取决于所述贮槽中的液位。应理解，所述贮槽是指润滑剂的储器。所述贮槽可以被一体形成在齿轮箱中或者可以另选地是外部储器。

例如，所述传动系可以根据“干贮槽方法”被润滑，即，润滑剂可以被引出齿轮系统而存储在储器中。这具有的优点在于，由于润滑处理而使得出现很小的摩擦，由此减小引入齿轮系统中的损失，并且提高齿轮系统的效率。

此外，由于在齿轮系统中存在较少量的润滑剂，从而污染齿轮系统的内部部件的风险降低。最后，齿轮系统的运动部件（明显地是齿轮齿）的温度降低，这是因为运动部件未被浸入相对热的润滑剂中。

在另一实施方式中，传动系可以根据“湿贮槽方法”被润滑，即，在齿轮系统中存在较大量的润滑剂。

在另一另选实施方式中，由此可以在“干贮槽方法”和“湿贮槽方法”之间进行切换。因此，齿轮箱可以以至少两种模式进行操作，一种模式利用干贮槽，一种模式利用湿贮槽。所提供的润滑剂量可以取决于所述贮槽中的液位。

所述风轮机还可以包括用于过滤润滑剂的过滤器。所提供的润滑剂量可以取决于所述过滤器上的压差。例如，可以有利的是，泵在起动期间缓慢地运行以避免过滤被阻塞。此外，低压差可以表明过滤器被部分地阻塞，并且因此可以有利的是使泵缓慢地运行以避免从过滤器释放颗粒物。

所述控制器的传递函数可以是选自包括如下的组的一个或多个控制参数的函数：所述传动系的元件的旋转速度；贮槽中的润滑剂液位；过滤器上的压差；生成功率；一个或多个压力值；一个或多个温度；湿度；风速；以及所述传动系的负载。即，一个或多个控制参数可以被测量和/或感测并且随后被反馈到控制器，从而可以基于所测量和/或感测的反馈值和控制参数的请求值之间的差来减小或增大所供应的润滑剂量。控制参数可以基于实际操作状态来选择，因为在风轮机操作期间可以有利地改变不同控制参数。

压力值例如可以是泵压力、润滑剂压力或者润滑回路中的另一压力值。

在一个实施方式中，这些控制参数被收集在单个控制器中。例如，这可以通过利用一组加权分配因子对控制参数进行加权来进行。加权分配因子可以取决于实际操作状态，从而所述加权分配因子在风轮机的操作期间可以变化。

所述至少一个控制参数可以以时间步长来记录。所述控制器然后可以基于在时间步长中获得的控制参数的多个值来进行控制。这样，可以基于控制参数的平均值或者基于控制参数在时间步长内的最大值或最小值来执行润滑。

若干不同的控制参数能够在时间步长内被监控，并且能够基于监控的结果来提供润滑。在该过程中，其中一个控制参数可以影响其它控制参数的重要性和强度。例如，风况可以与温度一起同时被监控。如果温度高，则可以基于风速等更积极地改变润滑。

在另一示例中，润滑是风速的函数，并且风况以时间步长来监控。如果平均风速和时间步长内的最大或最小风速之间的偏压太大，则润滑作为风速的函数被更积极地控制，这导致针对风速的变化来说润滑的变化更大。

控制器可以根据预定序列来进行控制，即，如果控制参数在预定范围内，则可以提供预定量的润滑剂，并且随后下一序列中可以提供另一预定量的润滑剂。在一个实施方式中，在第一序列中提供的润滑剂量小于在下一序列中提供的润滑剂量。例如，这可以是风轮机在停滞期之后骤然启动的情况。当起动风轮机时，可能有利的是提供较小量的润滑剂，例如，以确保一个或多个过滤器不被堵塞。当风轮机在运行并且起动时段已终止时，所提供的润滑剂量可以增加。

为了保护传动系，控制器可以包括故障安全功能，该故障安全功能在检测到润滑剂不足时可以中断所述传动系的旋转。

在第二方面中，本发明提供一种操作风轮机的方法，所述风轮机包括可旋转的传动系，所述传动系包括至少一个轴承以及泵，所述泵用于向所述轴承供应润滑剂，所述方法包括下列步骤：

提供控制器；

记录所述润滑剂的供应；以及

对所述泵进行控制，以提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂，所述控制为闭环控制。

应理解，本发明的第一方面的上述特征也可以应用于操作根据本发明的第二方面的风轮机的方法中。因此，第二方面可以包括本发明的第一方面的特征和元件的任何组合。

附图说明

现在将参照附图进一步描述本发明的实施方式，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的润滑系统；以及

图2是示出控制系统的实施方式的图。

具体实施方式

应理解，尽管示出了本发明的实施方式，但详细说明和具体实施例仅为了示意而给出，这是因为在本发明的精神和范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员来说通过该详细说明将显而易见。

图1是根据本发明的实施方式的润滑系统1的示意图。风轮机（未示出）包括可旋转的传动系，该传动系包括齿轮箱和轴承装置2。如所示的，该传动系包括轴承3和用于向轴承3供应润滑剂的泵4。

该风轮机还包括控制器（未示出），该控制器用于对泵4进行控制，以提供润滑剂量基于风轮机的实际操作状态而变化的润滑剂。

齿轮箱和轴承装置2包括润滑分配装置5，以确保基于实际操作状态将润滑剂向轴承、齿轮箱和齿轮箱中的不同消耗件适当分配。由于所供应的润滑剂量能够基于一种或多种温度而变化，因此齿轮箱和轴承装置2还包括润滑剂温度传感器6和两个轴承温度传感器7。

齿轮箱和轴承装置2还包括：贮槽8，即润滑剂的储器；以及用于测量贮槽8中的润滑剂量的液位测量单元9，由此便于基于贮槽8中的液位来供应润滑剂。

所述风轮机还包括过滤单元10，该过滤单元具有用于过滤润滑剂的过滤器。在所示的实施方式中，过滤单元10包括两个压力传感器11，这两个压力传感器可以用于提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂，这是因为所供应的量可能取决于过滤器上的压差。

此外，风轮机包括旁通阀12，该旁通阀与压力传感器13一起可以用于在系统中过压的情况下旁通一定量的润滑剂。

提供热交换器14，以在润滑剂的温度过高的情况下冷却该润滑剂。温度传感器15设置在热阀16的两侧。所述热阀16用于允许一部分润滑剂流动通过热交换器14，而其余润滑剂与热交换器14并行地流动。在一些操作状态下，全部的润滑剂将流过热交换器14以确保润滑剂的足够的冷却。

齿轮箱和轴承装置2包括加热装置17，在润滑剂的温度过低的情况下，例如，在风轮机在冬季时骤然启动期间，该加热装置能够用于加热润滑剂。

控制器（未示出）的传递函数是一个或多个控制参数的函数，所述一个或多个控制参数例如是：传动系的元件的旋转速度；贮槽8中的润滑剂液位；过滤单元10中的过滤器上的压差；生成功率；一个或多个压力值P；一个或多个温度T；湿度；风速；以及传动系的负载。即，一个或多个控制参数可以由不同的传感器6、7、9、11、13、15测量和/或感测，并且随后被反馈到控制器，使得所供应的润滑剂量可以基于控制参数的测量/感测的反馈值与控制参数的请求值之间的差而减小或增大。

本发明已参照包括具有齿轮系统的可旋转的传动系的风轮机进行了说明，这是因为齿轮系统与齿轮箱润滑目的高度相关。然而，应理解，本发明也可以用于无齿轮的风轮机的润滑系统，即，用于润滑可旋转的传动系的至少一个轴承的润滑系统。

图2示意性地示出控制器18的实施方式，所述控制器用于执行泵（参见图1）的控制以提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂。

控制器18的传递函数是不同参数x₁、x₂、…、x_n的函数。控制参数x可以是下列中的一个或多个：传动系的元件的旋转速度；贮槽中的润滑剂液位；过滤器上的压差；生成功率；一个或多个压力值；一个或多个温度；湿度；风速；以及传动系的负载。输出X是用于泵的控制参数，诸如用于控制泵的频率或者控制电压，以提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂。

一个或多个控制参数x₁、x₂、…、x_n被测量和/或感测并且测量/感测值y随后被反馈到控制器，使得所供应的润滑剂量可以基于控制参数的测量/感测的反馈值y与控制参数x₁、x₂、…、x_n的输入值之间的差而减小或增大。

在本实施方式中，测量/感测值y是常见控制参数，其通过由一组加权分配因子来加权控制参数x而计算出。加权分配因子取决于实际操作状态，从而所述加权分配因子在风轮机的操作期间可以变化。

在另选实施方式中，每个控制参数均被测量/感测并反馈到控制器。

控制参数x₁、x₂、…、x_n能够基于实际操作状态来选择，这是因为在风轮机的操作期间改变不同控制参数是有利的。

Claims

1.一种风轮机，该风轮机包括可旋转的传动系，所述传动系包括至少一个轴承并包括泵，所述泵用于向所述轴承供应润滑剂，所述风轮机还包括控制器，所述控制器用于对所述泵执行控制以提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂，其中，所述控制器执行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的风轮机，所述风轮机还包括齿轮箱，其中，所述泵适于向所述齿轮箱供应润滑剂。

3.根据权利要求1或2所述的风轮机，其中，所述控制器是P、PI、PD、或PID控制器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述实际操作状态包括润滑需求和冷却需求中的至少一种。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，所述风轮机还包括至少一个第二泵，所述第二泵适于提供恒定量的润滑剂。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的风轮机，其中，所述齿轮箱包括贮槽，并且所述润滑剂量取决于所述贮槽中的液位。

7.根据权利要求6所述的风轮机，其中，所述齿轮箱能够以至少两种模式操作，一种模式利用干贮槽，一种模式利用湿贮槽，并且其中所述润滑剂量取决于所述贮槽中的液位。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，所述风轮机还包括用于过滤润滑剂的过滤器，并且其中所述润滑剂量取决于所述过滤器上的压差。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述控制器的传递函数是选自包括如下的组的一个或多个控制参数的函数：所述传动系的元件的旋转速度；贮槽中的润滑剂液位；过滤器上的压差；生成功率；一个或多个压力值；一个或多个温度；湿度；风速；以及所述传动系的负载。

10.根据权利要求9所述的风轮机，其中，所述控制参数被收集在单个控制器中。

11.根据权利要求9或10所述的风轮机，其中，所述至少一个控制参数适于以时间步长来记录，并且所述控制器基于在所述时间步长中获得的控制参数的多个值来执行控制。

12.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述控制器根据预定序列来进行控制，并且其中在第一序列中提供的润滑剂量小于在下一序列中提供的润滑剂量。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述润滑剂被施加到主轴或者施加到至少一个轴承。

14.根据前述权利要求中任一项所述的风轮机，其中，所述控制器包括故障安全功能，从而在检测到润滑剂不足时中断所述传动系的旋转。

15.一种操作风轮机的方法，所述风轮机包括可旋转的传动系，所述传动系包括至少一个轴承并包括泵，所述泵用于向所述轴承供应润滑剂，所述方法包括下列步骤：

提供控制器；

记录所述润滑剂的供应；以及

对所述泵执行控制以提供润滑剂量基于实际操作状态变化的润滑剂，所述控制为闭环控制。