ES2411279A2 - Wind turbinet that comprises a system of estimation of accumulated damage to fatigue in components of the power train and estimation method (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Aerogenerador que comprende un sistema de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes del tren de potencia y método de estimación Wind turbine comprising a system for estimating accumulated damage to fatigue in power train components and estimation method
La presente invención se refiere a un aerogenerador que comprende un sistema que permite estimar el daño acumulado a fatiga en componentes del tren de potencia y al método de estimación asociado a dicho sistema. The present invention relates to a wind turbine comprising a system that allows estimating accumulated fatigue damage in power train components and the estimation method associated with said system.
El objeto de la invención es un sistema de estimación del daño acumulado a fatiga que permite evaluar si procede llevar a cabo una modificación de diversos parámetros de control del aerogenerador con objeto de mejorar la explotación de la turbina en función de las condiciones de emplazamiento observadas. The object of the invention is a system for estimating the accumulated damage to fatigue that allows to evaluate whether it is necessary to carry out a modification of various control parameters of the wind turbine in order to improve the operation of the turbine according to the observed site conditions.
Como bien se conoce del estado de la técnica, en un aerogenerador, la entrega de potencia extraída del viento se transfiere al generador mediante lo que se denomina tren de potencia, cuya finalidad es facilitar ese flujo de potencia con la máxima eficacia, es decir, con alto rendimiento y la máxima robustez, o lo que es lo mismo, con una alta fiabilidad a bajo coste. Además, en el tren de potencia se transforman las condiciones de par-velocidad para una operación óptima del generador. As the state of the art is well known, in a wind turbine, the delivery of power extracted from the wind is transferred to the generator by means of what is called a power train, whose purpose is to facilitate that power flow with maximum efficiency, that is, with high performance and maximum robustness, or what is the same, with high reliability at low cost. In addition, torque conditions are transformed in the power train for optimal generator operation.
En el estado de la técnica el cálculo teórico de las condiciones de par-velocidad angular (potencia) en cada componente del tren de potencia se lleva a cabo tomando como datos de partida el rendimiento teórico y la potencia nominal teórica, ambos obtenidos del pliego de condiciones suministrado por el fabricante, la velocidad angular del generador que viene condicionada por el sistema de control del aerogenerador y la relación de multiplicación en cada etapa que viene dada por el diseño de la multiplicadora. A partir de estos valores de las condiciones par-velocidad angular en cada componente se dimensionan de manera óptima los ejes, rodamientos y engranes del tren de potencia del aerogenerador. In the state of the art, the theoretical calculation of the angular torque-power conditions (power) in each component of the power train is carried out taking as theoretical data the theoretical performance and the theoretical nominal power, both obtained from the specifications conditions supplied by the manufacturer, the angular speed of the generator that is conditioned by the wind turbine control system and the multiplication ratio at each stage that is given by the design of the multiplier. From these values of the angular torque-speed conditions in each component, the axes, bearings and gears of the wind turbine's power train are optimally sized.
Pero la variabilidad de las condiciones de viento a las que se ve sometido un aerogenerador y las distintas condiciones de funcionamiento (fallo de red, parada de emergencia, etc.) en las que opera implican una dinámica en el flujo de energía intercambiado entre los distintos componentes del tren de potencia comprendidos entre buje y eje de generador que no son tenidas en cuenta a través del cálculo teórico de las condiciones de par-velocidad angular. But the variability of the wind conditions to which a wind turbine is subjected and the different operating conditions (grid failure, emergency stop, etc.) in which it operates imply a dynamic in the flow of energy exchanged between the different Power train components between hub and generator shaft that are not taken into account through the theoretical calculation of angular torque conditions.
Más aún, entre los componentes del tren de potencia sobre los que se debe llevar a cabo un seguimiento continuo para determinar su durabilidad están los elementos mecánicos móviles, como engranajes y rodamientos, y sobre el daño a fatiga de los mismos en un determinado emplazamiento. Moreover, among the components of the power train on which continuous monitoring must be carried out to determine their durability are the mobile mechanical elements, such as gears and bearings, and the fatigue damage thereof at a given location.
Las condiciones de velocidad y par de un tren de potencia dictan los distintos modos de fallo a evaluar de esos elementos mecánicos móviles, modos de fallo que suelen aparecer muchas veces de forma combinada, por lo que es difícil identificar cual es la causa raíz primigenia. The speed and torque conditions of a power train dictate the different failure modes to be evaluated for these mobile mechanical elements, failure modes that often appear in combination, so it is difficult to identify which is the root cause.
En la normativa vigente se suelen especificar unos factores de seguridad mínimos y estos varían dependiendo del emplazamiento, de manera que un mismo tren de potencia puede ser empleado en distintos emplazamientos con distintos márgenes de seguridad. In the current regulations, minimum safety factors are usually specified and these vary depending on the location, so that the same power train can be used in different locations with different safety margins.
Las condiciones de viento para distintos emplazamientos, caracterizados por las velocidades medidas y la intensidad de turbulencia, son simuladas en la primera fase de diseño de los componentes del tren de potencia. Como consecuencia puede haber cierta divergencia entre las condiciones de viento reales del emplazamiento y las simuladas. La normativa IEC 61400-1 relativa a los requerimientos de diseño de los aerogeneradores intenta ser conservadora a este respecto por lo que el sobredimensionado de los componentes del tren es claro desde un punto de vista conceptual, donde dicho sobredimensionado viene dado por el emplazamiento. Wind conditions for different locations, characterized by measured speeds and turbulence intensity, are simulated in the first design phase of the power train components. As a consequence there may be some divergence between the actual wind conditions of the site and the simulated ones. The IEC 61400-1 regulation regarding the design requirements of wind turbines tries to be conservative in this respect, so the oversizing of the train components is clear from a conceptual point of view, where said oversizing is given by the location.
En los últimos años la potencia nominal de los aerogeneradores ha ido aumentando gradualmente gracias al aumento del diámetro del rotor de los mismos, que a su vez hace indispensable el empleo de componentes de mayores dimensiones, por lo que resulta de gran interés emplear métodos y técnicas que aumenten la eficacia del material empleado en los diferentes componentes del tren de potencia. In recent years the nominal power of the wind turbines has been gradually increasing thanks to the increase in the rotor diameter of the same, which in turn makes the use of larger components indispensable, so it is of great interest to use methods and techniques that increase the efficiency of the material used in the different components of the power train.
Como se ha comentado, se conocen en el estado de la técnica los métodos para la determinación del par y la velocidad de los diferentes componentes de un tren de potencia de un aerogenerador donde la estimación de la durabilidad de los diferentes componentes se realiza con modelos simples que únicamente simulan el comportamiento dinámico de dichos componentes amplificando los resultados estáticos obtenidos para las variables par-velocidad en cada eje de la multiplicadora que se considera como una caja negra. As mentioned, the methods for determining the torque and speed of the different components of a power train of a wind turbine are known in the state of the art where the estimation of the durability of the different components is made with simple models that only simulate the dynamic behavior of these components by amplifying the static results obtained for the torque-speed variables in each axis of the multiplier that is considered as a black box.
En estas simulaciones, para la determinación de la carga en cada eje se tienen en cuenta únicamente las relaciones geométricas de transmisión, número de dientes en engrane impulsor y engrane impulsado, a través de coeficientes de mayoración, por lo que se tiene un diseño con un sobredimensionado que depende del emplazamiento. Este sobredimensionado no se mide ni se evalúa normalmente por lo que se desaprovecha la capacidad de explotación de un parque determinado. In these simulations, for the determination of the load on each axis, only the geometric transmission ratios, number of teeth in drive gear and driven gear are taken into account, through coefficients of majority, so that a design with a oversized depending on location. This oversize is not measured or evaluated normally, so the operating capacity of a given park is wasted.
A menudo se incorpora un sistema de monitorización con medidas de vibración en distintos puntos del tren de potencia y temperaturas que tienen como objetivo detectar anomalías en las condiciones de trabajo del tren. Estos sistemas comparan las medidas obtenidas en campo con las medidas obtenidas en banco de ensayos para determinar un patrón de funcionamiento normal mediante el empleo de una serie de estadísticas. Pero estos sistemas de monitorización únicamente proporcionan disparos de alarma cuando se detectan anomalías, sin establecer la vida residual de los componentes para la realización de una verdadera labor de prognosis. A monitoring system is often incorporated with vibration measurements at different points of the power train and temperatures that aim to detect anomalies in the train's working conditions. These systems compare the measurements obtained in the field with the measurements obtained in a test bench to determine a normal operating pattern by using a series of statistics. But these monitoring systems only provide alarm triggers when anomalies are detected, without establishing the residual life of the components for the realization of true prognosis work.
Como consecuencia, estos sistemas actuales implican una limitación en lo referente a los siguientes aspectos: As a consequence, these current systems imply a limitation in relation to the following aspects:
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- Conocimiento de las condiciones de entrega de potencia en cada eje de la máquina. Knowledge of the power delivery conditions in each axis of the machine.
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- Conocimiento del estado de degradación en un determinado emplazamiento. Knowledge of the state of degradation in a given location.
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- Limitación de la explotación de un emplazamiento. Limitation of the exploitation of a site.
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- Sobredimensionado de los componentes según emplazamiento con el subsiguiente incremento de pesos y de costes de dicho emplazamiento. Oversized components according to location with the subsequent increase in weights and costs of said location.
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- Incremento de los costes de operación y mantenimiento. Increase in operation and maintenance costs.
Entre los sistemas anteriores se encuentran los recogidos en la patente EP2053241 relativa a un método para determinar los pares en los distintos componentes del tren de potencia, un método de evaluación a fatiga basado en las series temporales “exclusivas” de par frente a tiempo. El método basa sus estimaciones de durabilidad en la velocidad de giro de generador en las relaciones de multiplicación y en la inercia de generador y rotor mediante una simple relación de multiplicación determinada por el número de dientes entre cada etapa, siendo este valor estático independiente de los parámetros dinámicos asociados a la inercia, amortiguación y rigidez de distintos componentes. Among the previous systems are those set out in EP2053241 relative to a method for determining the pairs in the different components of the power train, a fatigue evaluation method based on the “exclusive” time series of torque versus time. The method bases its estimates of durability on the speed of rotation of the generator on the multiplication ratios and on the inertia of the generator and rotor by means of a simple multiplication ratio determined by the number of teeth between each stage, this static value being independent of the Dynamic parameters associated with the inertia, damping and stiffness of different components.
Se conoce igualmente la patente EP1760311 que recoge un método consistente en detectar el movimiento y deformación del eje principal, carcasa de multiplicadora y buje con un conjunto de sensores que además proporcionan medida azimutal en pala y medida de velocidad en eje. Estas señales son enviadas a una unidad de control donde se estima la degradación de cualquier componente del tren mecánico, incluidas las palas, y con este diagnóstico se genera una señal de salida. Patent EP1760311 is also known, which includes a method consisting of detecting the movement and deformation of the main shaft, multiplier housing and bushing with a set of sensors that also provide azimuthal blade measurement and shaft speed measurement. These signals are sent to a control unit where the degradation of any component of the mechanical train, including the blades, is estimated and with this diagnosis an output signal is generated.
De igual manera este método no contempla la estimación del factor de amplificación dinámica. En dicho método, una medida de la deflexión de un componente únicamente permite considerar los efectos dinámicos en ese componente, no siendo posible estimar los efectos dinámicos en el resto de componentes. Similarly, this method does not include the estimation of the dynamic amplification factor. In this method, a measure of the deflection of a component only allows considering the dynamic effects in that component, it being not possible to estimate the dynamic effects in the rest of the components.
El sistema y procedimiento de la presente invención permite llevar a cabo la estimación del daño acumulado a fatiga de rodamientos y engranes del tren de potencia de un aerogenerador teniendo en cuenta la dinámica de todos los componentes del tren mecánico, es decir, sin considerar la multiplicadora como una caja negra. Hay que indicar que el daño acumulado a fatiga es una señal normalizada entre 0 y 1 que caracteriza la capacidad de carga del componente analizado (cuando esta señal vale 1 significa fallo inminente del componente), entendida la capacidad de carga de un componente como la habilidad de dicho componente para mantener su integridad estructural cuando dicho componente se ve solicitado a una serie de esfuerzos durante un determinado tiempo de servicio. Así la durabilidad o vida a fatiga remanente del componente es una medida que puede ser inferida a través de la señal de daño acumulado. The system and method of the present invention allows the estimation of the accumulated fatigue fatigue of bearings and gears of the power train of a wind turbine taking into account the dynamics of all the components of the mechanical train, that is, without considering the multiplier Like a black box It should be noted that the accumulated fatigue damage is a normalized signal between 0 and 1 that characterizes the load capacity of the analyzed component (when this signal is worth 1 means imminent failure of the component), understood as the load capacity of a component as the ability of said component to maintain its structural integrity when said component is requested to a series of efforts during a certain time of service. Thus the remaining durability or fatigue life of the component is a measure that can be inferred through the accumulated damage signal.
La presente invención se refiere a un aerogenerador que comprende un sistema de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes del tren de potencia que comprende una unidad de procesamiento y unos subsistemas de medición que permiten llevar a cabo la estimación de dicho daño a partir de unas señales obtenidas de los subsistemas de medición, donde los subsistemas de medición comprenden: The present invention relates to a wind turbine comprising a system for estimating cumulative damage to fatigue in components of the power train comprising a processing unit and measuring subsystems that allow the estimation of said damage from some signals obtained from the measurement subsystems, where the measurement subsystems comprise:
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- un primer subsistema de medición de al menos dos señales indicativas de velocidad o dos señales indicativas de par o potencia, o una señal indicativa de velocidad y una señal indicativa de par o potencia en el tren de potencia, y a first measuring subsystem of at least two indicative signals of speed or two indicative signals of torque or power, or an indicative signal of speed and an indicative signal of torque or power in the power train, and
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- un segundo subsistema de medición de al menos una señal indicativa de una temperatura en el tren de potencia, a second measuring subsystem of at least one signal indicative of a temperature in the power train,
La invención se refiere también a un aerogenerador que comprende el sistema de estimación del daño a fatiga descrito anteriormente además de un tren de potencia que comprende a su vez un eje principal sustentado por al menos un rodamiento principal, un generador que comprende un eje de entrada al generador y una multiplicadora intercalada entre el eje de entrada al generador y el eje principal del tren de potencia, donde la multiplicadora comprende una pluralidad de ejes intermedios, rodamientos y pares cinemáticos de engrane, un sistema de lubricación y un aceite de lubricación. The invention also relates to a wind turbine comprising the fatigue damage estimation system described above in addition to a power train which in turn comprises a main shaft supported by at least one main bearing, a generator comprising an input shaft to the generator and a multiplier interspersed between the input shaft to the generator and the main shaft of the power train, where the multiplier comprises a plurality of intermediate shafts, bearings and kinematic gear pairs, a lubrication system and a lubrication oil.
Además, la invención se refiere a un método de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes de un tren de potencia de un aerogenerador que comprende las siguientes etapas: In addition, the invention relates to a method of estimating accumulated fatigue damage in components of a power train of a wind turbine comprising the following steps:
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- una primera etapa de obtención de al menos dos señales indicativas de velocidad, o dos señales indicativas de par o potencia, o una señal indicativa de velocidad y una señal indicativa de par o potencia en el tren de potencia y de obtención de una señal indicativa de una temperatura en el tren de potencia, a first stage of obtaining at least two indicative signals of speed, or two indicative signals of torque or power, or an indicative signal of speed and an indicative signal of torque or power in the power train and obtaining an indicative signal of a temperature in the power train,
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- una segunda etapa de cálculo de una señal indicativa de un espesor de película de aceite en una superficie móvil del tren de potencia a partir de las señales obtenidas en la primera etapa, y a second step of calculating a signal indicative of an oil film thickness on a moving surface of the power train from the signals obtained in the first stage, and
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- una tercera etapa de cálculo del daño acumulado a fatiga en un componente del tren de potencia a partir de las señales obtenidas en las etapas anteriores. a third stage of calculation of the accumulated fatigue damage in a power train component from the signals obtained in the previous stages.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical implementation thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de los componentes de un tren de potencia de un aerogenerador. Figure 1.- Shows a perspective view of the components of a power train of a wind turbine.
Figura 2.- Muestra un esquema de los componentes del tren de potencia que se utilizan en el sistema de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes del tren de potencia del aerogenerador de la presente invención. Figure 2.- It shows a scheme of the components of the power train that are used in the system of estimation of the accumulated damage to fatigue in components of the power train of the wind turbine of the present invention.
Figura 3.- Muestra un diagrama de bloques de un primer ejemplo de realización preferente del sistema del daño acumulado a fatiga de la presente invención. Figure 3.- Shows a block diagram of a first preferred embodiment of the fatigue accumulated damage system of the present invention.
Figura 4.- Muestra un diagrama de bloques de un segundo ejemplo de realización preferente del sistema de estimación del daño acumulado a fatiga de la presente invención. Figure 4.- Shows a block diagram of a second preferred embodiment of the fatigue accumulated damage estimation system of the present invention.
Figura 5.- Muestra un diagrama de bloques de un tercer ejemplo de realización preferente del sistema de estimación del daño acumulado a fatiga de la presente invención. Figure 5.- Shows a block diagram of a third preferred embodiment of the fatigue accumulated damage estimation system of the present invention.
A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del aerogenerador que comprende un sistema de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes del tren de potencia de la presente invención, aerogenerador que a su vez comprende un tren de potencia (6) que comprende a su vez un eje principal (7) sustentado por al menos un rodamiento principal (8), un generador (10) que comprende un eje de entrada (11) al generador y una multiplicadora (12) intercalada entre el eje de entrada (11) al generador y el eje principal (7) del tren de potencia (6), comprendiendo a su vez la multiplicadora (12) una pluralidad de ejes intermedios (16, 17), rodamientos (9) y pares cinemáticos de engrane (21), un cárter, un sistema de lubricación y un aceite de lubricación. In view of the figures, a preferred embodiment of the wind turbine is described below which comprises a system for estimating accumulated fatigue damage in components of the power train of the present invention, wind turbine which in turn comprises a power train ( 6) which in turn comprises a main shaft (7) supported by at least one main bearing (8), a generator (10) comprising an input shaft (11) to the generator and a multiplier (12) interspersed between the shaft input (11) to the generator and the main shaft (7) of the power train (6), the multiplier (12) comprising a plurality of intermediate shafts (16, 17), bearings (9) and kinematic pairs of gear (21), a crankcase, a lubrication system and a lubrication oil.
El sistema de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes del tren de potencia del aerogenerador, en este modo de realización preferente comprende una unidad de procesamiento (1) y unos subsistemas de medición (2, 3, 4, 5, 14, 18, 19) de los que se obtienen un conjunto de señales estimadas (22). The system for estimating accumulated fatigue damage in components of the wind turbine's power train, in this preferred embodiment comprises a processing unit (1) and measuring subsystems (2, 3, 4, 5, 14, 18, 19) from which a set of estimated signals is obtained (22).
Estos subsistemas de medición (2, 3, 4, 5, 14, 18 ,19) comprenden preferentemente: These measuring subsystems (2, 3, 4, 5, 14, 18, 19) preferably comprise:
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- un primer subsistema de medición de al menos dos señales indicativas de velocidad (2, 14, 18) o dos señales indicativas de par o potencia (3, 19), o una señal indicativa de velocidad (2, 14, 18) y una señal indicativa de par o potencia (3, 19) en un eje (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6), y a first measuring subsystem of at least two signals indicative of speed (2, 14, 18) or two signals indicative of torque or power (3, 19), or a signal indicative of speed (2, 14, 18) and a signal indicative of torque or power (3, 19) on an axis (7, 11, 16, 17) of the power train (6), and
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- un segundo subsistema de medición de al menos una señal indicativa de una temperatura (4) en la multiplicadora (12) del tren de potencia (6). a second measuring subsystem of at least one signal indicative of a temperature (4) in the power train multiplier (12) (6).
En un primer ejemplo de realización preferente mostrado en la Figura 3, el primer subsistema de medición comprende un subsistema de medición de una señal indicativa de velocidad (2) en el eje de entrada (11) al generador In a first preferred embodiment shown in Figure 3, the first measurement subsystem comprises a measurement subsystem of a speed indicative signal (2) on the input shaft (11) to the generator
(10) y una señal indicativa de par o potencia (3) en el eje de entrada (11) al generador (10). (10) and an indicative signal of torque or power (3) on the input shaft (11) to the generator (10).
En este primer ejemplo de realización preferente, el primer subsistema de medición puede comprender, en lugar del subsistema descrito en el párrafo anterior, un subsistema de medición de una señal indicativa de velocidad (14) en el eje principal (7) y una señal indicativa de par o potencia en el eje principal (7), o bien un subsistema de medición de una señal indicativa de velocidad en un eje intermedio (16, 17) de la multiplicadora (12) y una señal indicativa de par o potencia en un eje intermedio (16, 17) de la multiplicadora (12), o bien un subsistema de medición que combina una señal indicativa de velocidad (2, 14, 18) en un eje (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6) y una señal indicativa de par o potencia (3, 19) en otro eje (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6). In this first preferred embodiment, the first measurement subsystem may comprise, instead of the subsystem described in the previous paragraph, a measurement subsystem of a speed indicative signal (14) on the main axis (7) and an indicative signal of torque or power on the main axis (7), or a measuring subsystem of an indicative speed signal on an intermediate axis (16, 17) of the multiplier (12) and an indicative signal of torque or power on an axis intermediate (16, 17) of the multiplier (12), or a measuring subsystem that combines an indicative speed signal (2, 14, 18) on an axis (7, 11, 16, 17) of the power train ( 6) and an indicative signal of torque or power (3, 19) on another axis (7, 11, 16, 17) of the power train (6).
El sistema de estimación comprende además un modelo dinámico (13) del que se obtiene un conjunto de señales estimadas (22) de la velocidad y el par o potencia en cada uno de los ejes (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6). The estimation system further comprises a dynamic model (13) from which a set of estimated signals (22) of the speed and torque or power in each of the axes (7, 11, 16, 17) of the train is obtained. power (6).
En este primer ejemplo de realización, el modelo dinámico (13) es un modelo dinámico de sólido rígido. In this first embodiment, the dynamic model (13) is a dynamic rigid solid model.
Por otra parte, el segundo subsistema de medición de al menos una señal indicativa de una temperatura (4) en la multiplicadora (12) del tren de potencia (6) comprende un subsistema de medición de una señal indicativa de la temperatura (4) del aceite de lubricación en la multiplicadora (12) o un subsistema de medición de una pluralidad de señales indicativas de la distribución de temperatura del aceite en el sistema de lubricación de la multiplicadora (12). On the other hand, the second measurement subsystem of at least one signal indicative of a temperature (4) in the power train multiplier (12) (6) comprises a measurement subsystem of a signal indicative of the temperature (4) of the lubrication oil in the multiplier (12) or a measuring subsystem of a plurality of signals indicative of the temperature distribution of the oil in the lubrication system of the multiplier (12).
Preferentemente, el subsistema de medición de una señal indicativa de la temperatura (4) de aceite de lubricación en la multiplicadora toma la señal del aceite del cárter (no mostrado) de la multiplicadora (12), utilizando un sensor de tipo termo-par, dispositivos termográficos o similares (no mostrados), ya que este es un valor representativo del aceite del sistema de lubricación. Preferably, the measuring subsystem of a signal indicative of the temperature (4) of lubrication oil in the multiplier takes the signal of the oil from the crankcase (not shown) of the multiplier (12), using a thermo-torque type sensor, thermographic devices or the like (not shown), since this is a representative value of the lubrication system oil.
En el caso de emplear dispositivos termográficos, se obtiene una medida real de la distribución de temperatura de aceite en todos los puntos donde se inyecta el aceite a las superficies móviles como rodamientos (8, 9) y engranes (21), siendo posible de esta forma determinar de una forma más precisa el espesor de la película de lubricante en los distintos puntos donde se evalúa la acumulación de daño asociado a los distintos procesos de fatiga. In the case of using thermographic devices, a real measurement of the oil temperature distribution is obtained at all points where the oil is injected into the moving surfaces such as bearings (8, 9) and gears (21), being possible from this In a more precise way, determine the thickness of the lubricant film at the different points where the accumulation of damage associated with the different fatigue processes is evaluated.
En un segundo ejemplo de realización preferente, mostrado en la Figura 4, el primer subsistema de medición comprende además de los subsistemas y descritos en el primer ejemplo de realización preferente, un subsistema de medición adicional de una señal cualquiera de las que puede medir el primer subsistema de medición en el primer ejemplo de realización preferente. In a second preferred embodiment, shown in Figure 4, the first measurement subsystem comprises, in addition to the subsystems and described in the first preferred embodiment, an additional measurement subsystem of any signal that can be measured by the first measurement subsystem in the first preferred embodiment.
En este segundo ejemplo de realización preferente, el modelo dinámico (13) que lleva a cabo una estimación de la velocidad y el par o potencia en cada uno de los ejes (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6) es un modelo dinámico In this second preferred embodiment, the dynamic model (13) that carries out an estimation of the speed and torque or power in each of the axes (7, 11, 16, 17) of the power train (6) It is a dynamic model
(13) de espacio de estados lineal que se rige por las siguientes ecuaciones: (13) of linear state space that is governed by the following equations:
X = A·x + B·u X = A · x + B · u
Y = C·x Y = C · x
siendo x el vector de estados, u las acciones externas e Y las salidas del modelo dinámico (13) con las que se estiman la velocidad y el par o potencia en cada uno de los ejes (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6). where x is the vector of states, or the external actions and Y the outputs of the dynamic model (13) with which the speed and torque or power are estimated in each of the axes (7, 11, 16, 17) of the train of power (6).
En un tercer ejemplo de realización preferente, mostrado en la Figura 5, el sistema de estimación comprende un subsistema de realimentación de al menos una señal estimada de la velocidad o una señal estimada del par o potencia obtenida del modelo dinámico (13) de cualquiera de los ejemplos de realización primero o segundo. In a third preferred embodiment, shown in Figure 5, the estimation system comprises a feedback subsystem of at least one estimated speed signal or an estimated signal of the torque or power obtained from the dynamic model (13) of any of the first or second embodiment examples.
En este tercer ejemplo de realización preferente, la estimación de la velocidad y el par o potencia en cada uno de los ejes (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6) se lleva a cabo preferentemente mediante un filtro de Kalman que comprende un modelo dinámico de espacio de estados no lineal (13) y una ganancia de ajuste (15) que corrige tanto la estimación de todos los estados del modelo dinámico (13) como los parámetros que definen dicho modelo dinámico (13) (como por ejemplo relación de amortiguamiento, etc…) a partir de las señales indicativas de velocidad (2, 14, 18) y el par o potencia (3, 19) en cada uno de los ejes (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6). In this third preferred embodiment, the estimation of the speed and torque or power in each of the axes (7, 11, 16, 17) of the power train (6) is preferably carried out by means of a Kalman filter comprising a dynamic model of nonlinear state space (13) and an adjustment gain (15) that corrects both the estimation of all states of the dynamic model (13) and the parameters that define said dynamic model (13) (such as for example damping ratio, etc ...) from the indicative signals of speed (2, 14, 18) and torque or power (3, 19) in each of the axes (7, 11, 16, 17) of the power train (6).
El sistema de estimación descrito en cualquiera de los ejemplos anteriores puede presentar además un tercer subsistema de medición de una señal indicativa de la velocidad del viento (5). The estimation system described in any of the previous examples can also present a third measurement subsystem of a signal indicative of wind speed (5).
El aerogenerador que comprende el sistema de estimación de cualquiera de los ejemplos de realización preferentes anteriores comprende además una unidad de control (20) que genera una o más señales de control para operar el aerogenerador en función del daño acumulado a fatiga estimado en los componentes del tren de potencia (6), como por ejemplo una señal de cambio de orientación para un sistema de paso de pala, una señal de potencia demandada en el generador, una o varias señales de control para operar en el aerogenerador una consigna de velocidad o una o varias señales de control para operar en el generador una consigna de par. The wind turbine comprising the estimation system of any of the previous preferred embodiments also comprises a control unit (20) that generates one or more control signals to operate the wind turbine based on the estimated accumulated fatigue damage in the components of the power train (6), such as an orientation change signal for a blade pitch system, a power signal demanded in the generator, one or several control signals to operate a speed setpoint or a wind turbine or several control signals to operate a torque setpoint in the generator.
Por otra parte, con la señal indicativa de la velocidad del viento (5) del tercer subsistema de medición, la unidad de control (20) genera una o más señales de control para operar el aerogenerador en función del daño acumulado a fatiga clasificado en función de la velocidad de viento promedio. On the other hand, with the signal indicative of the wind speed (5) of the third measurement subsystem, the control unit (20) generates one or more control signals to operate the wind turbine according to the accumulated fatigue damage classified according to of the average wind speed.
Además, la invención se refiere a un método de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes de un tren de potencia que comprende las siguientes etapas: In addition, the invention relates to a method of estimating accumulated fatigue damage in components of a power train comprising the following steps:
- --
- una primera etapa de obtención de al menos dos señales indicativas de velocidad (2, 14, 18), o dos señales indicativas de par o potencia (3, 19), o una señal indicativa de velocidad (2, 14, 18) y una señal indicativa de par o potencia (3, 19) en un eje (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6) y de obtención de una señal indicativa de una temperatura (4) en el tren de potencia (6), a first stage of obtaining at least two signals indicative of speed (2, 14, 18), or two signals indicative of torque or power (3, 19), or a signal indicative of speed (2, 14, 18) and a signal indicative of torque or power (3, 19) on an axis (7, 11, 16, 17) of the power train (6) and obtaining a signal indicative of a temperature (4) in the power train (6 ),
- --
- una segunda etapa de cálculo de una señal indicativa de un espesor de película de aceite en un engrane (21) de una multiplicadora (12) del tren de potencia (6) a partir de las señales obtenidas en la primera etapa, y a second step of calculating a signal indicative of an oil film thickness in a gear (21) of a power train multiplier (12) (6) from the signals obtained in the first stage, and
- --
- una tercera etapa de cálculo del daño acumulado a fatiga en un engrane (21) del tren de potencia (6) a partir de las señales obtenidas en las etapas anteriores. a third stage of calculation of the accumulated fatigue damage in a gear (21) of the power train (6) from the signals obtained in the previous stages.
Preferentemente, la señal indicativa de temperatura (4) en el tren de potencia corresponde a una señal indicativa de temperatura de aceite de un engrane (21), y las señales indicativas de par o potencia (3, 19) y velocidad (2, 4, 18) en un eje (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6) corresponden a un eje acoplado al engrane (21) y en la segunda etapa, el cálculo se lleva a cabo en función de las propiedades hidrodinámicas del aceite a partir de las señales indicativas de temperatura de aceite del engrane (21), par o potencia y velocidad del engrane (21), donde la señal indicativa del espesor de película de aceite en el engrane (21) se emplea para calcular la eliminación de material del perfil de engrane Preferably, the signal indicative of temperature (4) in the power train corresponds to an indicative signal of oil temperature of a gear (21), and signals indicative of torque or power (3, 19) and speed (2, 4 , 18) on an axis (7, 11, 16, 17) of the power train (6) correspond to an axis coupled to the gear (21) and in the second stage, the calculation is carried out based on the hydrodynamic properties of the oil from the indicative signals of gear oil temperature (21), torque or power and gear speed (21), where the signal indicative of the oil film thickness in the gear (21) is used to calculate the removal of gear profile material
(21) en régimen de lubricación mixta, actualizando de esta forma la calidad de dicho engrane (21) durante su servicio (hay que indicar que la calidad del engrane se caracteriza entre otros parámetros por su geometría y rugosidad, siendo ambos dependientes de la eliminación de material en el mismo) (21) in a mixed lubrication regime, thus updating the quality of said gear (21) during its service (it should be noted that the quality of the gear is characterized among other parameters by its geometry and roughness, both being dependent on the elimination of material in it)
De acuerdo a la anterior segunda etapa, la tercera etapa de cálculo del daño acumulado a fatiga en raíz y flanco de un engrane (21) del tren de potencia (6) se obtiene combinando por un parte las curvas Wöhler del material del engrane (21) y por otra parte las tensiones en raíz y flanco (dependientes de la calidad del engrane y por tanto de la eliminación de material en el mismo durante los periodos de lubricación mixta) calculadas éstas últimas, con las señales indicativas de velocidad y de par o potencia y espesor de película de aceite del engrane (21) According to the previous second stage, the third stage of calculation of accumulated fatigue damage at the root and flank of a gear (21) of the power train (6) is obtained by combining the Wöhler curves of the gear material (21) ) and on the other hand the tensions in root and flank (depending on the quality of the gear and therefore of the elimination of material in the same during the periods of mixed lubrication) calculated the latter, with the indicative signals of speed and torque or power and thickness of gear oil film (21)
Preferentemente el daño calculado en un periodo de servicio del componente se suma al obtenido en las fases previas mediante la regla de acumulación lineal de daño de MINER generando de esta forma una medida del daño acumulado en todo el periodo de servicio del componente. Preferably, the damage calculated in a component service period is added to that obtained in the previous phases by the MINER damage linear accumulation rule, thus generating a measure of the damage accumulated in the entire component service period.
La obtención en la primera etapa de al menos dos señales indicativas de velocidad (2, 14, 18), o dos señales indicativas de par o potencia (3, 19), o una señal indicativa de velocidad (2, 14, 18) y una señal indicativa de par o potencia (3, 19) en un eje (7, 11, 16, 17) del tren de potencia (6) se calcula mediante un modelo dinámico (13) como cualquiera de los descritos más arriba e incluidos en la realización preferente de la invención. Obtaining at least two signals indicative of speed (2, 14, 18), or two signals indicating torque or power (3, 19), or one signal indicating speed (2, 14, 18) and an indicative signal of torque or power (3, 19) on an axis (7, 11, 16, 17) of the power train (6) is calculated using a dynamic model (13) as any of those described above and included in the preferred embodiment of the invention.
Un modelo de espacio de estados para un aerogenerador completo se describía en detalle en el documento “Load transient analysis of wind turbine under grid disturbances. EWEC 2010 (20-23 April). J. Sanz-Corretge. A. García-Barace. Igor Egaña. En este ejemplo de realización el modelo dinámico (13) únicamente utiliza las medidas de velocidad y par o potencia en eje principal (7) o eje de entrada (11) al generador (10) del tren de potencia (6), y adicionalmente en un eje intermedio (16, 17) de la multiplicadora (12) para el cálculo de las señales indicativas de velocidad y par en todos los ejes de la multiplicadora (12). A state space model for a complete wind turbine was described in detail in the document “Load transient analysis of wind turbine under grid disturbances. EWEC 2010 (April 20-23). J. Sanz-Corretge. A. García-Barace. Igor Egaña. In this exemplary embodiment, the dynamic model (13) only uses the speed and torque or power measurements on the main shaft (7) or input shaft (11) to the generator (10) of the power train (6), and additionally in an intermediate axis (16, 17) of the multiplier (12) for the calculation of the indicative signals of speed and torque in all axes of the multiplier (12).
Adicionalmente a lo descrito anteriormente, la primera etapa del método de estimación del daño acumulado a fatiga en componentes de un tren de potencia puede comprender la obtención de una señal indicativa de la velocidad del viento (5) para clasificar el daño a fatiga por velocidad promedio del viento. In addition to that described above, the first stage of the method of estimating accumulated damage to fatigue in components of a power train may comprise obtaining a signal indicative of wind speed (5) to classify fatigue damage by average speed of the wind.
Claims (22)
- --
- un primer subsistema de medición de al menos dos señales indicativas de velocidad (2, 14, 18) o dos señales indicativas de par o potencia (3, 19), o una señal indicativa de velocidad (2, 14, 18) y una señal indicativa de par o potencia (3, 19) en el tren de potencia (6), y a first measuring subsystem of at least two signals indicative of speed (2, 14, 18) or two signals indicative of torque or power (3, 19), or a signal indicative of speed (2, 14, 18) and a signal indicative of torque or power (3, 19) in the power train (6), and
- --
- un segundo subsistema de medición de al menos una señal indicativa de una temperatura (4) en el tren de potencia (6). a second measuring subsystem of at least one signal indicative of a temperature (4) in the power train (6).
- --
- una primera etapa de obtención de al menos dos señales indicativas de velocidad, o dos señales indicativas de par o potencia, o una señal indicativa de velocidad y una señal indicativa de par o potencia en el tren de potencia (6) y de obtención de una señal indicativa de una temperatura en el tren de potencia (6), a first stage of obtaining at least two indicative signals of speed, or two indicative signals of torque or power, or an indicative signal of speed and an indicative signal of torque or power in the power train (6) and obtaining a signal indicative of a temperature in the power train (6),
- --
- una segunda etapa de cálculo de una señal indicativa de un espesor de película de aceite en una superficie móvil del tren de potencia (6) a partir de las señales obtenidas en la primera etapa, y a second step of calculating a signal indicative of an oil film thickness on a moving surface of the power train (6) from the signals obtained in the first stage, and
- --
- una tercera etapa cálculo del daño acumulado a fatiga en un componente del tren de potencia (6) a partir de las señales obtenidas en las etapas anteriores. a third stage calculation of the accumulated fatigue damage in a power train component (6) from the signals obtained in the previous stages.
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