CN104081070A - 控制风力涡轮机的方法和风力涡轮机 - Google Patents

控制风力涡轮机的方法和风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

控制具有平面/滑动轴承（2）和轴承润滑装置（7）的风力涡轮机（1）的方法包括以下步骤：在正常操作下将轴承（2）操作为流体动压轴承（HD）；以及当轴承（2）的摩擦达到阈值时，将轴承（2）操作为流体静压轴承（HS）。

Description

控制风力涡轮机的方法和风力涡轮机
本发明总体涉及具有平面/滑动轴承的风力涡轮机。具体地，本发明涉及控制风力涡轮机的轴承。
由于当前的滚动元件支承系统不能提供足够的寿命和鲁棒性的事实，新一代的多MW规格直接驱动式（DD）风力涡轮机可开始使用平面/滑动轴承。平面/滑动轴承的一个缺点是在达到完整的流体静压（HD）膜并且轴承表面由油膜完全分离之前的操作性包络。在完全膜分离之前的操作区域，将存在导致磨损和摩擦的部分接触。此外，当摩擦接触的元件从静止开始运动时，静摩擦力（静态启动/停止摩擦）高。描述当两个物体在彼此上滑动时可能出现的自发冲击运动的粘滑现象也可能成为问题。
因此，本发明的目的是改进风力涡轮机中平面/滑动轴承的操作。
此目的分别由权利要求1和5的特征达到。从属权利要求给出本发明的进一步细节和优点。
在第一方面，本发明涉及一种控制具有平面/滑动轴承和轴承润滑装置的风力涡轮机的方法，所述方法包括步骤：
在正常操作下将轴承操作为流体动压轴承；以及
当轴承的摩擦达到阈值时，将轴承操作为流体静压轴承。
术语“轴承润滑装置”包括例如油的简单润滑剂以及具有用于润滑剂的管道、泵和/或储器的完整系统。
本发明采用智能和受控的流体静压（HS）顶升。风力涡轮机控制系统可基于实际涡轮机载荷和产量、润滑剂情况、操作和/或维修状态的特征来智能地控制具有HS支撑系统的流体动压（HD）轴承。此外，可监控轴承情况。通过至控制器的反馈回路可避免随后的计划外的维修或维护。
通过在HD轴承中设置传感器和测量装置，可通过至涡轮机控制器的反馈回路来改变情况并改进HD轴承的性能。此情况测量可基于来自轴承的通过开环调整调节的反馈。因此，可监控轴承的性能和情况，以在合适的时间优化并安排滑动表面的维修、更换和/或重新加工。
当涡轮机已经进行了许多次启动和运转/停机操作而具有一定程度的撕裂和磨损时，这将影响表面光洁度、公差、发热、轴承间隙和/或轴承性能。如果磨损超过设计极限，则承载能力将下降并且轴承将失效。利用智能的HS系统，可增加轴承的承载能力，并且由此轴承可操作直到进行维修。
如果在从启动、部分处于完全操作、以及运转/停机的整个操作范围期间利用流体静压支撑来控制和加压具有HD轴承的涡轮机，则还将可以运转具有受损或磨损的轴承的涡轮机。如果利用轴承中不同的压力来控制、监控和调节所述情况，则可实现在故障模式下操作和运转，并可获得由一些故障模式产生的一些额外的优点。
在启动和运转/停机期间，HD轴承需要借助流体静压润滑来加压，以便降低静摩擦并最小化撕裂和磨损。这增加轴承的寿命。
本发明公开一种用于启动、操作、停机和监控具有滑动轴承的风力涡轮机的系统。风力涡轮机的主轴承在静止时具有高载荷。本发明克服了启动时具有相应的高摩擦的高载荷。利用本发明的风力涡轮机主轴承，可以在外部载荷增加或轴承的一些部段受损时增加承载能力。
对于流体静压操作，可加压轴承的润滑剂和/或可控制轴承的温度。在润滑剂的压力增加的情况下，轴承的操作模式可从流体静压（HS）操作切换到流体动压（HD）操作。换言之，轴承可操作作为流体动压轴承以及作为流体静压轴承。润滑剂的黏度也取决于温度。通过直接改变润滑油的温度，或通过单独的系统间接地冷却或加热轴承环，可控制轴承中的间隙并且可通过调整装置来预计进行维修或更换前的剩余使用时间。在润滑剂压力增加的情况下，例如当发生故障时，不仅可以改变和适应操作模式，还可以在操作模式中调节轴承。
可通过测量轴承的压力、温度和/或膜厚度或通过风力涡轮机控制器的参数来确定摩擦。高摩擦通常发生在启动和停机时，因为尚未形成完整的膜。过高的载荷、滑动表面的磨损（轴承性能降低的间接量度）、过高的温度和黏度降低（轴承性能降低的间接量度）、油中存在颗粒（需要更厚的膜）、过低的膜厚度（轴承性能降低的间接量度）和/或指示将有强风（或类似的高载荷天气正在到来）的风力预报，也都可导致高摩擦或预报高摩擦。
可调节涡轮机和/或传动系统部件的刚度和/或阻尼。可通过调节油膜中的压力来改变和优化涡轮机和传动系统部件的刚度和阻尼，并由此改变系统的自然频率和动态响应。由此可以避免不期望的本征频率。
在另一方面，本发明涉及一种具有平面/滑动轴承和轴承润滑剂的风力涡轮机，其包括用于控制润滑剂的压力的压力单元和与压力单元连接的适于控制轴承的作为流体动压轴承和/或作为流体静压轴承的操作的控制器。与上述相同的优点和修改也适用于此。压力单元可以例如是用于使得润滑剂加压和/或循环的泵。控制器可以实现为硬件和/或软件。控制器可以是不同的单元或者它可以集成到现有控制器或计算机（如风力涡轮机控制器）中。
控制器可包括用于实际涡轮机载荷和产量、轴承和润滑剂情况和/或操作和维修状态的输入，并且其中，控制器可适于基于输入产生用于压力单元的输出。控制器的反馈和/或开环调整可使用这些和更多的输入或信号，以产生用于控制压力单元和/或温度单元的输出或信号。
风力涡轮机可包括具有用于润滑剂的压力储器的能量存储装置。流体静压加压系统可由某种能量供应或能量存储装置或受迫驱动系统支持，以即使在涡轮机没有电力连接或电网连接的情况下也可确保加压功能。
风力涡轮机可包括用于控制轴承的温度的温度单元，其中，温度单元连接到控制器。由于磨损，轴承中的润滑膜、环和保持器（由外环和内环构成）的温度改变将改变润滑膜的间隙，所述间隙可由如加热和/或冷却系统的温度单元以相反方式改变。但这也可在维修或维护期间通过调节螺钉来手动完成。温度单元可以是压力单元的一部分。
风力涡轮机可包括用于测量轴承中的润滑剂的压力、温度和/或膜厚度的传感器。这个或这些传感器允许精确且快速地测量轴承和/或润滑剂的情况。因此，控制器可针对变化的情况精确地作出反应。
传感器可被布置在轴承的润滑剂入口的区域中。一个或多个衬垫或凹槽可被布置在内环和/或外环的滑动表面中，以允许润滑剂进入轴承。在衬垫内，传感器可被布置为非常靠近轴承内的润滑剂膜。
附图被包括以提供对实施例的进一步理解。其它实施例和许多预期的优点将更容易明白，因为它们通过参照以下详细描述会变得被更好地理解。附图的元件不必按比例绘制。相似的附图标记表示相应的类似零件。
图1图示根据本发明的风力涡轮机的轴承和润滑系统的示意图。
图2图示根据本发明的轴承的摩擦系数的视图。
图3图示根据本发明的轴承的Stribeck曲线。
图4图示根据本发明的轴承的操作模式的视图。
图5和6图示根据本发明的在其正常操作条件之外操作的轴承的另一Stribeck曲线。
在以下详细描述中，参照构成本发明的一部分的附图，并且在附图中以图示方式示出了可实践本发明的特定实施例。对此，参照所描述的附图的取向来使用方向术语，诸如“顶部”、“底部”等。由于实施例的部件可布置成许多不同取向，因此方向术语被使用以用于图示目的，而绝非用于限制目的。应该理解，可采用其它实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下可作出结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求限定。
图1示出了具有平面/滑动轴承2的风力涡轮机1。轴承2具有外环3，风力涡轮机1的转子轮毂（为了清楚起见，未示出）连接到外环3。内环4被布置在外环3内侧。内环4附接到风力涡轮机1的轴（为了清楚起见，未示出）。在两个环之间，存在润滑剂5以减小或消除两个环之间的摩擦。转子可替代性地连接到内环4。
例如为了稳定性，外壳6包围外环3。在另一种设计中，外壳6可以是外环，并且外环3可以是提供支撑表面的衬套。
轴承润滑装置7提供润滑剂5。轴承润滑装置7具有压力单元8，所述压力单元用于使得润滑剂5增压和或循环。
温度单元9控制轴承2和/或润滑剂5的温度。这可通过直接控制轴承2（即，如所述的，通过加热和/或冷却内环4和/或外环3、或通过加热和/或冷却所述润滑剂5）来实现。
控制器10与压力单元8和温度单元9连接或通信。四个传感器11被布置在轴承2内，用于测量轴承2中的润滑剂5的压力、温度和/或膜厚度。可根据应用和所需的精度来改变传感器11的数量。传感器11也连接到控制器10。为了清楚起见，仅示出在传感器11和控制器10之间的一个连接。但是，所有传感器11都连接到控制器10。
控制器10从传感器11和/或从如风力涡轮机控制器（未示出）的其它单元接收信号。基于信息或输入，控制器10计算润滑剂5和/或轴承2的压力和/或温度的设定点或曲线。产生各个输出，并且所述输出被通信到压力单元8和/或温度单元9。
现在，更详细地解释轴承润滑装置或系统7。储器12用于供应润滑剂5。用于加热或冷却润滑剂5的温度单元9位于储器12处。替代性地，温度单元9可靠近轴承2定位或位于轴承2处。泵13将润滑剂从储器12抽出到管道系统中。
止回阀14位于泵13后面。排放阀15被布置为与泵13和止回阀14并联，以便允许将管道系统的润滑剂5排空到储器12中。
在泵13的更后面，布置有用于润滑剂5的压力储器16，诸如罐。当泵13操作时，压力储器16前方的双向阀17打开，以使得润滑剂5进入压力储器16中，所述润滑剂在所述压力储器中被存储在一定压力下。然后关闭阀17。压力足够高，以允许在不操作泵的情况下通过打开阀17而启动系统。压力储器16的尺寸可足以支持多次启动。
四个类似或相同的管线与轴承2平行地延伸。螺线管操作的控制阀18控制被供给到轴承2的润滑剂5的压力和/或流量。在控制阀18后面，布置有另一个止回阀19。管线终止于外环3、内环4或衬套中的润滑剂入口20。入口20可具有衬垫或凹槽。四个入口20沿周向对称布置。轴承2下方的收集槽21收集润滑剂5并将其传送回储器12。
在入口20内侧，传感器11被布置用于测量轴承2中的润滑剂5的压力、温度和/或膜厚度。传感器11的信号被馈送到控制器10，所述信号在所述控制器处与例如来自风力涡轮机控制器的其它输入一起被分析并被使用，以用于操纵或控制压力单元8、泵13和温度单元9。所述其它输入可考虑/计入实际的涡轮机载荷和产量、轴承和润滑剂情况和/或操作和维修状态。
也可控制双向阀17和控制阀18。控制器10经由控制阀18、泵13和/或压力储器16来控制轴承2内的润滑剂5的压力。术语压力单元8可包括泵13、压力储器16、双向阀17和/或控制阀18。
作为备用或同样在正常操作中，还可机械地控制所述阀。所述阀允许成比例地控制压力和流量。
在下文中，描述系统的操作。简言之，由于启停期间的润滑膜不足，轴承2将受到磨损，尤其是在低rpm、具有低滑动速度并且滑动表面未完全分离的情况下。为了监控和补偿此磨损或为了预测和预报维修前的剩余使用时间，可使用以下的组合：在寿命内的操作期间通过直接测量得到的实际磨损的反馈，通过来自轴承2的压力、温度和膜厚度测量及直接的磨损测量；在另一方面，通过控制轴承2中的润滑剂5和/或环3、4的温度和压力实现的对润滑剂膜的间隙的开环调节。
图2示出轴承的摩擦系数与黏度/速度的关系的视图。启动状态通常包括轴和轴承之间厚度不足的润滑剂膜。在阶段（c）中和部分地在阶段（b）中描绘了此状态。在这些条件下，轴承表面在滑动过程中彼此局部接触。这可发生在启动期间、低速操作期间、或轴承受损或轴承载荷高于预期的载荷时。主要的影响是性能主要取决于边界膜和表面光洁度所在的边界润滑。
在阶段（b），部分润滑（混合）占主导，大量的润滑剂和边界膜都起作用。在已经达到完整的膜之后，轴承的操作从流体静压（HD）改变为流体动压（HD）操作，或者换言之，流体静压轴承变成流体动压轴承。此阶段（a）包括完整的厚流体膜润滑，其中表面由大量润滑剂膜分离。膜情况是润滑所需的。当进入完整膜区域时，在所述表面之间不存在接触，并且基于膜的剪切力获得HD效应，并且建立流体动压升力。
图3示出在与图2中相同的三个阶段（a）、（b）和（c）中的摩擦、磨损、膜厚度和rpm关系的标准Stribeck曲线。
阶段（c）和（b）发生在启动、停止、冲击载荷、方向改变、轴承2或风力涡轮机1减速至中等速度时。阶段（a）发生在正常操作或全速情况下。可见，在阶段（c）期间，当由于速度或黏度不足而未建立起膜时，摩擦和磨损高。可通过EP或AW添加剂来降低摩擦和磨损（虚线）。
当在阶段（b）朝向混合膜润滑发展时，随着膜厚度增加，摩擦和磨损降低。在阶段（a）的流体动压润滑时，磨损最小化。理想操作点可位于阶段（b）至（a）之间过渡处。
图4示出承载能力、膜压力和厚度与rpm的关系。标准HD设计平面/滑动轴承在零rmp下以零膜厚度开始，并且膜厚度随着rpm增加而成比例的增大。由于加压的润滑剂（ΔPsup），HS设计具有恒定的膜厚度、膜压力和承载能力。根据本发明的轴承2是HD和HS操作的结合，被称作动静压轴承。这里，在启动期间、部分地在完整操作中、或仅在需要时、以及在运转/停机期间，润滑剂被加压（ΔPsup）。然后，通过由静压压力（ΔPsup）限定的泵功能来确保和提供最小承载能力。
图5和6示出具有用于动静压轴承的摩擦、磨损、膜厚度和rpm的关系的Stribeck曲线。
在图5中，润滑剂5在启动风力涡轮机1时被加压，从而在以零rpm启动时产生足够的膜厚度。这确保滑动表面分离，从而产生低磨损和摩擦。左侧中间区域（膜厚度）中的下降线（ΔPsup）示出了随rpm增加而降低的必要压力。
图6示出被磨损或以其它方式在其正常操作情况之外操作的HD轴承的操作。因此，所述轴承将具有降低的承载能力。可将HS区域从低速扩展到中速，以与单纯的HD轴承相比增加承载能力。这可与在故障模式操作的性能显著降低的轴承相关。然后，可通过控制在不同速度的加压区域来最小化所述影响。这可从膜厚度的中间区域的线看出。左侧从零开始的线是有缺陷的HD轴承的膜厚度，这导致磨损增加（在下部区域磨损中的上侧线）。通过使润滑剂5加压（HS Psup）（中间区域膜厚度的线），可增加膜厚度（上侧线），从而可显著降低磨损（下部区域磨损中的下侧线）。
可控制动静压轴承2，以克服单纯的HS和HD轴承的缺陷并补偿磨损和/或故障。
故障模式可以例如由以下情况触发，即，过高的载荷、滑动表面磨损（轴承性能降低的间接量度）、过高的温度和黏度降低（轴承性能降低的间接量度）、油中存在颗粒并且需要更厚的膜、过低的膜厚度（轴承性能降低的间接量度）和/或指示强风或类似的高载荷天气正在到来的风力预报。
系统还包括备用系统，以在存在或不存在电网连接的情况下确保润滑剂5的足够的压力和流量。备用系统包括压力单元8。
在存在电网连接并通电时，操作如下：
流体静压系统在开始时：注入加压润滑剂5以抬升轴承2的滑动表面，直到轴承2具有足够的滑动速度（已建立膜）并移动到HD区域中。
同时，压力储器16被加压和加载，并阀关闭。这可支持HS启动，此时加压的润滑剂被存储在储器16中以支持多次启动。
然后可降低HS压力并HD操作将接管。
当涡轮机停机或启动时或者当电网消失时，压力单元或系统8准备好释放压力。
此系统还用于改变刚度和阻尼（动态响应），由此降低轴承2和整个回转系统的振动。通过调节油膜的压力并因此改变系统的自然频率和动态响应以及由此改变涡轮机和传动系统部件的刚度和阻尼，可实现对轴承2的动态响应的调节。
对于周期性的过冲和/或现场具有很高的湍流，可供应额外的压力来支持功率峰值和增加承载能力。
在不存在电网连接时，操作如下：
电池电源（UPS）、压力单元8和/或其它能量存储系统用于执行多次启动。
可采用受迫驱动的泵系统：当转子开始转动时，加压系统转动，然后所述加压系统迫使驱动泵系统。但是，这不允许在启动轴承之前进行HS抬升。

Claims (10)

1. 一种控制具有平面/滑动轴承（2）和轴承润滑装置（7）的风力涡轮机（1）的方法，所述方法包括以下步骤：
在正常操作下将所述轴承（2）操作为流体动压轴承（HD）；以及
当所述轴承（2）的摩擦达到阈值时，将所述轴承（2）操作为流体静压轴承（HS）。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，对于流体静压操作，加压所述轴承（2）的润滑剂和/或控制所述轴承（2）的温度。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过测量所述轴承（2）的压力、温度和/或膜厚度或通过风力涡轮机控制器的参数来确定所述摩擦。
4. 根据权利要求1至3中至少一项所述的方法，其中，调节所述涡轮机和/或传动系统部件的刚度和/或阻尼。
5. 一种具有平面/滑动轴承（2）和轴承润滑剂（5）的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括用于控制所述润滑剂（5）的压力的压力单元（8）和与所述压力单元（8）连接的控制器，所述控制器适于控制所述轴承（2）的作为流体动压轴承和/或流体静压轴承的操作。
6. 根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述控制器（10）包括用于实际涡轮机载荷和产量、轴承和润滑剂情况和/或操作和维修状态的输入，并且其中，所述控制器（10）适于基于所述输入来产生用于所述压力单元（8）的输出。
7. 根据权利要求5或6所述的风力涡轮机，包括具有用于所述润滑剂（5）的压力储器（16）的能量存储装置。
8. 根据权利要求5至7中至少一项所述的风力涡轮机，包括用于控制所述轴承（2）的温度的温度单元（9），其中，所述温度单元（9）连接到所述控制器（10）。
9. 根据权利要求5至8中至少一项所述的风力涡轮机，包括用于测量所述轴承（2）中的润滑剂（5）的压力、温度和/或膜厚度的传感器（11）。
10. 根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述传感器（11）被布置在所述轴承（2）的润滑剂入口（20）的区域中。
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