DE102010019535B4

DE102010019535B4 - Verfahren und Anordnung zur Druckregelung in einem Gleitlager eines Windkraft-Generators

Info

Publication number: DE102010019535B4
Application number: DE102010019535A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Dr. Mock Randolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: WO2011138094A1; DE102010019535A1

Abstract

Verfahren zur Druckregelung in einem hydraulischen Gleitlager (12) eines Windkraft-Generators (1) aufweisend folgende Schritte:
— Modellbasierte Rekonstruktion der Windkraft an mindestens einem Rotorblatt (2) eines Windkraft-Generators (1) auf der Basis von Signalen, welche von mindestens einem Aktor (13, 14, 15), der einen sensorischen Effekt aufweist, der an dem mindestens einen Rotorblatt (2) angeordnet ist, geliefert werden und wodurch auf den mindestens einen Aktor (13, 14, 15) einwirkende äußere Kräfte ermittelt werden;
— Berechnung von Kraft- und Drehmoment am Ort des Gleitlagers (12) anhand der ermittelten Kräfte;
— positionsabhängige Berechnung der Druckverteilung am Umfang des Gleitlagers (12) anhand der berechneten Werte;
— Ansteuerung mindestens einer Aktoreinheit (7) zur Druckregelung eines Hydraulikfluids im Gleitlager (2) in Abhängigkeit von der Druckverteilung.

Description

Die Erfindung betrifft ein als Gleitlager ausgebildetes Hauptlager eines Windkraft-Generators. Das Gleitlager weist verschiedene Merkmale auf und wird als hydrostatisch/hydrodynamisches Gleitlager bezeichnet. Im Hauptlager wird die Antriebswelle gelagert, die einerseits mit den Rotorblättern und andererseits mit einem Generator verbunden ist.
Windkraft-Generatoren sind in der Regel starken Windlasten ausgesetzt. Die größten Belastungen treten vor allem in Böen auf, die abrupt ihre Stärke und Richtung ändern können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Windkraft-Generatoren in so genannten Offshore-Anlagen eingesetzt werden. Derartig anspruchsvolle Lasten stellen für das den Rotorblättern benachbarte Hauptlager eine wesentliche Belastung dar, wobei an dieser Stelle auftretende Kräfte und Momente derart stark werden können, dass beispielsweise in hydrostatischen Lagern der Ölfilm zusammengedrückt werden kann und es zu Trocken- bzw. Mischreibung im Bereich zwischen Welle und Lagerschale kommt. Die dabei auftretende Trockenreibung führt zu starker Abnutzung des Lagers. Unter Umständen kann dies zum Ausfall desselben und zum Stillstand des Windkraft-Generators führen.
Eine Maßnahme, dieser Erscheinung entgegenzuwirken, besteht in der entsprechenden Auslegung der Oberflächenbeschichtung und weiterhin in der Materialpaarung, einerseits auf der Welle und andererseits auf der Lagerschale. Damit ist jedoch das eigentliche Problem nicht behoben, dass zeitweise ein Kontakt zwischen Welle und Lagerschale nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden kann. Ein Ausfall eines Windkraft-Generators in der Orkan-Saison, etwa im Herbst und im Winter, aufgrund von Überlastung kann somit weiterhin vorkommen, da der gesamte Windkraft-Generator in dieser Zeit hohen Belastungen ausgesetzt ist. Da in dieser Periode, die etwa ein halbes Jahr andauert, keine Reparatur durchgeführt werden kann, muss das Windrad bei Ausfall stillgelegt werden und bleibt in diesem Zustand bis zur nächsten Reparaturmöglichkeit. Dies hat entsprechend negative Auswirkungen auf die Ausbeute des defekten Windrades.
Bisherige Maßnahmen zur Lösung des oben genannten Problems bestehen beispielsweise darin, dass ausreichend kräftig dimensionierte Wälzlager eingesetzt werden. Da derartige Wälzlager jedoch aus einem Stück gefertigt sind, bedeutet der Ausfall eines solchen Lagers die Demontage der Rotorblätter mit Herausheben der Welle und dem vollständigen, defekten Lager aus der Gondel des Windkraft-Generators sowie der anschließende Ersatz der defekten Teile. Da diese Teile jedoch im Bereich von 100 Tonnen angesiedelt sind, ist eine derartige Reparatur vor allem bei Offshore-Anlagen mit extrem hohem Aufwand verbunden. Es müssen beispielsweise schwimmende Kran-Plattformen mit entsprechender Tragkraft bereitgestellt werden, womit sehr hohe Kosten verbunden sind.
Eine andere Verbesserungsmöglichkeit sieht vor, dass die Lager, die in der Gondel positioniert sind, teil-demontiert werden können, sodass nicht das vollständige Lager mit der Welle zu Reparaturzwecken demontiert werden muss. Diese segmentierten Lager sind in der Regel hydrostatische Gleitlager. Dabei existiert ein Spalt zwischen Welle und Lagerschale, in welchem ein unter Druck stehendes Fluid vorhanden ist.
Aus der US 005513917 A ist beispielsweise eine Konstruktion bekannt, in der ein entsprechendes Lager segmentweise druckbeaufschlagt wird. Bei solchen Konstruktionen von Gleitlagern treten die oben genannten Probleme, wie beispielsweise Trockenreibung, genauso auf. Allgemein wird das Lager in radialer Richtung hoch belastet. In axialer Richtung kann man sich in der Regel mit einfachen Lagern behelfen, bei denen die metallische Konstruktion mit beispielsweise einer Kunststoffbeschichtung überzogen ist. Das stark belastete Hauptlager der zentralen Welle wird entsprechend der oben zitierten amerikanischen Patentanmeldung in über den Umfang der Welle unterteilte Segmente aufgegliedert. Die Teillager und die Stützstruktur sind derart ausgebildet, um die rotierende Welle optimal zu stützen. Die genannte Druckschrift offenbart insbesondere ein aktives hydrostatisches/hydrodynamisches Lager, bei dem die in den einzelnen Segmenten herrschenden Fluiddrücke aktiv dynamisch eingestellt werden. Durch die Verwendung von entsprechenden Ventilen in den einzelnen Zuleitungen zu den einzelnen Elementen des Lagers kann ein definierter Druck in jedem Lagersegment eingestellt werden, womit auf die Welle eine insgesamt eine Stütz- oder Lagerkraft aufgebracht werden kann.
Aus der Druckschrift WO 2004/088130 A1 ist bekannt, dass sich durch die Änderung der Flügelform bzw. der Rotorblätter durch schnelle Aktoren, beispielsweise piezoelektrische Aktoren, das dynamische Verhalten eines Rotorblattes erheblich beeinflussen lässt.
Bekannt ist der sensorische Effekt von elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktorsystemen. Diese lassen sich beispielsweise nutzen, um nicht nur elektromechanische Wirkungen zu erzeugen, sondern auch über die Aktoren einwirkende äußere Kräfte elektrisch zu erfassen. Derartig aufgenommene Informationen können systemexterne Größen registrieren und darstellen. So lässt sich beispielsweise die Deformation eines Injektors in Verbindung mit der Deformation eines Aktors mit hoher Genauigkeit als Basis für die eingespritzte Kraftstoffmenge in einem Verbrennungskraftmotor verwenden. Dabei treibt der Aktor einen im Motor befindlichen Injektor an.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, mittels der äußerst nachteilige Trockenlauf-Erscheinungen an Gleitlagern in Windkraft-Generatoren minimierbar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination von unabhängig formulierten Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ausnutzung des sensorischen Effektes von Aktoren in Kombination mit der modellbasierten Rekonstruktion der Windkraft an einem oder mehreren vorzugsweise an allen Rotorblättern eine Regelung der Druckverteilung des Hydraulikfluides im Gleitlager bzw. Hauptlager eines Windkraft-Generators ermöglicht, sodass bei ungleichmäßiger Windbelastung des Windkraft-Generators durch entsprechende Druckregulierung eines Hydraulikfluids im Gleitlager der Kontakt zwischen Welle und Lagerschale minimiert bzw. ausgeschaltet wird. Dazu werden Kraft und Moment am Ort des Gleitlagers berechnet und die Druckverteilung am Umfang des Leitlagers positionsabhängig berechnet. Die Einstellung eines vorgegebenen Druckes zur Lagerdruckregulierung erfolgt über mindestens eine Aktoreinheit zur Druckregulierung.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Gleitlagers in segmentierter Form. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich der segmentweisen Einstellung eines jeweiligen Hydraulikdrucks für jedes Segment und weiterhin vorteilhaft für Reparaturzwecke. Die Segmentierung ermöglicht den Ausbau von einzelnen Segmenten ohne den Austausch der gesamten Gleitlagereinheit. Der je Segment einstellbare Fluiddruck im Gleitlager sorgt für jeweils einen definierten Druck im Lagersegment, womit über alle Lagersegmente aufsummiert ein definierter Kraftvektor auf die Welle konstruiert werden kann. Vorteilhaft ist der Einsatz der modellbasierten Rekonstruktion interner Zustandsgrößen. Dabei wird ausgenutzt, dass sensorische Informationen von Aktoren auf deren elektrischer Anschlussseite abgreifbar sind, wobei die Aktoren selbst zur Regelung beispielsweise der mechanischen Verstellung eines Rotorblattes eingesetzt werden. Aus diesem Zusammenhang resultiert ein wesentlicher Vorteil, der darin besteht, dass aktiv geregelte Aktoren bzw. Rotorblätter bereits ein Aktorsystem mit mindestens einem Aktor pro Rotorblatt aufweisen. Falls die vorhandenen Aktoren über einen sensorischen Effekt verfügen, kann dieser, beispielsweise der direkte piezoelektrische Effekt oder der Gegen-Induktionseffekt von Elektromagneten, ohne den Einbau von Sensor-Hardware, nutzbare Signale zur modellbasierten Rekonstruktion der Windkraft liefern.
Je nach am Rotor angreifenden Windfeldern ist es vorteilhaft, Informationen durch den sensorischen Effekt von Aktoren an der Vorderkante eines Rotorblattes oder von der Abrisskante des Rotorblattes zu erhalten. Das Windfeld entlang beispielsweise der Abrisskante eines jeden Rotorblattes strömt entlang des Rotorblattes und übt eine Kraft darauf aus, welche über eine Verstellmechanik, welche beispielsweise durch einen piezoelektrischen Aktor angetrieben wird, detektierbar ist. Ein über den sensorischen Effekt generiertes elektrisches Signal wird auf der Basis einer modellbasierten Regelstrategie verarbeitet, und als Ergebnis kann die dort herrschende Windgeschwindigkeit ermittelt werden. Insbesondere können die auf das Rotorblatt wirkenden Kräfte und Momente rekonstruiert werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, falls die räumliche Verteilung der Aktoren im Rotorblatt so gegeben ist, dass Informationen aus dem gesamten Bereich des Rotorblattes bzw. des Windfeldes zur Verfügung stehen. Mit dieser Information lässt sich wiederum mit einem modellbasierten Verfahren errechnen, wie aufgrund von Veränderungen in Stärke, Richtung und Verteilung des Windfeldes sich Kräfte und Momente am Ort des Gleitlagers zeitlich verändern. Somit ergeben sich besondere Vorteile für bestehende Anlagen darin, dass die bestehende Aktorik ohne weiteren Umbau der Anlage verwendbar ist und der sensorische Effekt von bereits eingebauten Aktoren ausgenutzt werden kann. Entsprechend der Erfindung wird die modellbasierte Rekonstruktion von durch Wind erzeugte Kräfte oder Drehmomente verfolgt.
Da Gleitlager in der Regel mit einer Leckagerate behaftet sind, ist es vorteilhaft, diese Leckagerate bei der Ansteuerung einer Aktoreinheit zur Druckregelung des Fluides in einem Gleitlager zu berücksichtigen.
Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figur Ausführungsbeispiele beschrieben:
In der einzigen Figur wird ein Windkraft-Generator dargestellt, der auf einem senkrechten Mast angeordnet ist.
Der Windkraft-Generator 1 weist hier drei Rotorblätter 2 auf, welche in einem Gleitlager 12, dem Hauptlager, drehbar auf einer Welle angeordnet sind. Das Gleitlager ist ein übliches hydrostatisch/hydrodynamisches Lager, da es Merkmale von beiden Lagertypen aufweist.
Die an den Rotorblättern 2 angebrachten Aktoren 13, 14, 15 sind an den Vorderseiten der Rotorblätter 2 positioniert. Damit kann über den sensorischen Effekt eines Aktors, beispielsweise die Windkraft an der entsprechenden Position modellbasiert rekonstruiert werden.
Falls ein Aktor auch an die Hinterseite eines Rotorblattes positioniert werden kann und somit an die Abrisskante, lässt sich die Windkraft an dieser Position modellbasiert rekonstruieren. Dabei sollte der mechanische Stellmechanismus des betrachteten Aktors wie bisher funktionieren können. Dargestellt ist in der Figur weiterhin ein Windfeld 3, welches auf ein Rotorblatt 2 wirkt. Dies ist derart zu betrachten, dass auf jedes Rotorblatt ein Windfeld 3 einwirkt, wobei in der Regel kein homogenes Windfeld die Rotoren insgesamt gleichmäßig beaufschlagt.
Entsprechend der Erfindung lässt sich modellbasiert die Rekonstruktion 4 der Windkraft am Rotorblatt betreiben. Im Anschluss daran erfolgt die Berechnung 5 von Kraft und Drehmoment am Ort des Gleitlagers 12. Die danach folgende Berechnung 6 betrifft die Ermittlung der Position am Umfang des Gleitlagers 12 in Zusammenhang mit der Druckverteilung im Hydraulikfluid. Ausgangssignale der Auswerteeinheit 16 gelangen über die Steuerleitung 11 zur Aktoreinheit 7, die die Druckregulierung des Fluides im Gleitlager 12 reguliert.
Die Datenleitungen 8, 9, 10 versorgen die Auswerteeinheit 16 mit Signalen der Aktoren 13, 14, 15, wobei die Signale über den jeweiligen sensorischen Effekt generiert worden sind. Dabei ist anzumerken, dass die Anzahl der pro Rotorblatt 2 vorhandenen Aktoren beliebig sein kann. In der begleitenden Figur ist jeweils nur ein Aktor angegeben.
Zur Ausnutzung des sensorischen Effektes von beispielsweise elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktorsystemen gilt die Betrachtungsweise dass im Betrieb der Aktoren über die auf die Aktoren einwirkenden Kräfte Informationen über systemexterne Größen erhältlich sind. So zeigt z. B. die Deformation eines Fluidinjektors, der einen Aktor enthält, eine Abhängigkeit zur Qualität und Genauigkeit der Fluidinjektion. Dies lässt sich mittels modellbasierter Regelstrategien nachweisen, wobei die Information über die eingespritzte Kraftstoffmenge aus der Deformation des Injektors und damit des darin enthaltenen Aktors mit hoher Qualität und Genauigkeit rekonstruierbar ist.
Das Verfahren der modellbasierten Rekonstruktion externer Größen lässt sich auch auf aktive Rotorblätter anwenden. Das Windfeld, welches entlang beispielsweise der Abrisskante eines jeden Rotorblattes strömt, übt auf diese eine Kraft aus, welche über eine Verstellmechanik, beispielsweise auf einen piezoelektrischen Aktor der zur Einstellung der Rotorform benutzt wird, übertragen wird. Über den sensorischen Effekt wird ein elektrisches Signal erzeugt, aus dem auf der Basis einer modellbasierten Regelstrategie die Information über die an der Rotorblattkante herrschende Windgeschwindigkeit rekonstruierbar ist. Es werden vorteilhaft die auf das jeweilige Rotorblatt wirkenden Kräfte und Momente, insbesondere Drehmomente, rekonstruiert.
Darüber hinaus ist es möglich, über eine räumliche Verteilung der Aktoren im Windfeld 3 bzw. an einem Rotorblatt, Informationen darüber zu erhalten, in welcher Weise sich das Windfeld an einem Rotorblatt entwickelt. Mit dieser Information lässt sich modellbasiert errechnen, wie sich aufgrund von Veränderungen des Windfeldes Kräfte und Momente am Ort des Gleitlagers zeitlich verändern.
An einem bekannten, aktiven hydrostatisch/hydrodynamischen Lager lassen sich aus den sensorischen Informationen von Aktoren Regelgrößen ableiten, mit denen die Druckverteilung innerhalb des Lagers aktiv regelbar ist. Ziel ist dabei, plötzliche Kraft- bzw. Momentenwechsel, insbesondere bei Windböen derart aufzufangen, bzw. ihnen entgegenzusteuern, dass die Häufigkeit des Kontaktes zwischen Welle und Lagerschale minimiert wird, bzw. ausgeschaltet wird.
Ein wesentlicher Vorteil in der Ausnutzung sensorischer Information von Aktoren aktiver Rotorblätter zur Regelung der Druckverteilung im Hauptlager/Gleitlager eines Windkraft-Generators liegt darin begründet, dass zur Auswertung wichtiger dynamischer Informationen über Kräfte- und Momentenverhältnisse am Ort des Gleitlagers keine weiteren Sensoren notwendig sind. Durch eine Erhöhung der Anzahl von Aktoren würde das gesamte System komplexer und gleichzeitig fehleranfälliger werden.

Claims

Verfahren zur Druckregelung in einem hydraulischen Gleitlager (12) eines Windkraft-Generators (1) aufweisend folgende Schritte: – Modellbasierte Rekonstruktion der Windkraft an mindestens einem Rotorblatt (2) eines Windkraft-Generators (1) auf der Basis von Signalen, welche von mindestens einem Aktor (13, 14, 15), der einen sensorischen Effekt aufweist, der an dem mindestens einen Rotorblatt (2) angeordnet ist, geliefert werden und wodurch auf den mindestens einen Aktor (13, 14, 15) einwirkende äußere Kräfte ermittelt werden; – Berechnung von Kraft- und Drehmoment am Ort des Gleitlagers (12) anhand der ermittelten Kräfte; – positionsabhängige Berechnung der Druckverteilung am Umfang des Gleitlagers (12) anhand der berechneten Werte; – Ansteuerung mindestens einer Aktoreinheit (7) zur Druckregelung eines Hydraulikfluids im Gleitlager (2) in Abhängigkeit von der Druckverteilung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (12) segmentiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluiddruck im Gleitlager (12) segmentweise einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Summierung aller Segmentdrücke sich ein resultierender Kraftvektor auf die im Gleitlager gelagerte Welle ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass als sensorischer Effekt der direkte piezoelektrische Effekt von Piezoaktoren oder der Gegen-Induktionseffekt bei Elektromagneten eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter (2) des Windkraft-Generators (1) aktiv durch Aktoren (13, 14, 15) verstellbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktoren an der Vorderkante des mindestens einen Rotorblattes (2) verteilt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Entwicklung von Kraft und Moment an dem mindestens einen Rotorblatt (2) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aufbauend auf der zeitlichen Entwicklung von Kraft und Moment an dem mindestens einen Rotorblatt (2) sich die modellbasierte Berechnung von Kräften und Momenten am Ort des Gleitlagers (12) in Abhängigkeit von der Zeit durchführen lässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung von Aktoren zum Aufbau von hydraulischem Druck im Gleitlager die Leckagerate des Gleitlagers mit berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktoren an der Abrisskante eines Rotorblattes (2) verteilt sind.
Vorrichtung zur Durchführung einer Druckregelung in einem Gleitlager (12) eines Windkraft-Generators (1), aufweisend folgende Bauteile: – eine erste Auswerteeinheit zur Verarbeitung von Signalen von an unterschiedlichen Rotorblättern befindlichen Aktoren zur modellbasierten Rekonstruktion der Windkraft am jeweiligen Rotorblatt, – eine zweite Auswerteeinheit zur Berechnung der Kraft und des Momentes am Ort des Gleitlagers (12) auf Basis der Rekonstruktion der Windkraft am jeweiligen Rotorblatt, – eine dritte Auswerteeinheit zur Berechnung der relativ zum Umfang des Gleitlagers (12) einzustellenden Druckverteilung im Gleitlager (12), – mindestens eine Aktoreinheit zur Druckregelung für ein Hydraulikfluid im Gleitlager (2) zur Minimierung von Betriebszeiten mit Trocken- bzw. Mischreibung.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktoren an der Vorderkante eines Rotorblattes (2) verteilt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur fluidischen Ansteuerung einzelner Segmente des Gleitlagers (2) schnell schaltende Ventile in den Zuleitungen vorhanden sind.