涉及控制轴承磨损的改进的制作方法

文档序号:15574020发布日期:2018-09-29 05:08

本发明涉及控制轴承磨损。更具体地说,本发明涉及控制风力涡轮机的方法以及风力涡轮机,其中叶片桨距被控制以平衡涡轮机转子的主轴承和叶片轴承上的磨损。



背景技术:

风力涡轮机包括立在地面或海床上的固定塔,和放置在塔的顶部上并且承载涡轮轴、齿轮箱、制动器、发电机、控制涡轮机叶片的角度的叶片桨距控制器以及控制风力涡轮机相对于风的位置的偏航驱动器的机舱。涡轮机叶片在机舱外部被安装至涡轮轴。涡轮机叶片在风的影响下使轴旋转,这继而驱动发电机产生电力。叶片的桨距通过叶片桨距控制器来控制。叶片的桨距通过使每个叶片绕其轴线旋转来调整,以便改变叶片相对于风的迎角。改变叶片的桨距是用于限制峰值功率、优化转子效率和使转子减速的有用技术。传统的桨距控制方法利用总桨距控制,其中全部叶片的桨距被同时调整。桨距控制的更先进方法包括周期性桨距控制和独立桨距控制。周期性桨距控制利用120°的相移(在3个涡轮机叶片的情况下)改变叶片桨距角,以降低由转子倾斜和偏航误差引起的负荷变化。独立桨距控制独立地调整每个叶片的桨距角。在实践中,两种技术可使用在单组涡轮机叶片上,即总桨距部分可被用来例如将功率保持在预期水平处,而独立桨距部分可用来帮助使涡轮机部件上的负荷最小且不降低功率输出。

利用独立桨距控制的涡轮机的设计驱动之一是叶片轴承与主轴承的负荷和磨损之间的折中。为了降低主轴承的负荷,可增加所允许的变桨活动的量,但是这以增加叶片轴承磨损为代价,在一些情况下导致需要提前对叶片轴承进行更换。这个问题先前已被提出,但是还没有找到令人满意的解决方案。示例是在WO2013/182204中所描述的针对TYC/ETYC(倾斜和偏航控制/增强的倾斜和偏航控制)开发的负荷相关去活策略(Load Dependent Deactivation Strategies),和在WO2015/051801中所描述的转子负荷控制3.0激活策略(Rotor Load Control 3.0activation strategies)。两种技术显著地改进叶片轴承磨损与主轴承/轴负荷降低的平衡,但是两种技术都没有充分地解决空气动力学地升举转子以补偿主轴承的重力负荷与所产生的变桨活动增加之间的折中。

当前TYC激活策略主要对风切变和湍流敏感,结果是通过转子升举实现的主轴承负荷降低的量取决于现场的湍流程度,而确定轴承磨损的是平均负荷和运行小时数。这还意味主轴承的磨损高度地取决于给定风场的风速分布。因此,一些场地将根据风速和切变分布而经历高于预期的叶片或主轴承磨损,这可导致需要提前对轴承进行更换或者涡轮机不能用在某些场地。

正是针对这种背景技术设计出本发明。



技术实现要素:

在第一方面,本发明提供一种控制风力涡轮机的方法,该方法包括:

计算涡轮机转子的主轴承和安装在涡轮机转子上的转子叶片的叶片轴承中的每一个的当前磨损率;以及

根据主轴承和叶片轴承的计算出的当前磨损率来计算转子叶片的叶片桨距调整值以达到主轴承磨损与叶片轴承磨损之间的预期比值。

优选地,叶片桨距调整值的计算取决于叶片桨距对主轴承磨损和叶片轴承磨损中的每一个的影响。

优选地,该方法包括根据主轴承和叶片轴承中的每一个的计算出的当前磨损率、主轴承的寿命设计磨损能力和叶片轴承的寿命设计磨损能力来计算主轴承上的磨损与叶片轴承上的磨损之间的当前磨损比值,和计算叶片桨距的调整值,该调整值将使当前磨损比值转变以匹配预期磨损比值。

优选地,主轴承的当前磨损率是根据主轴承上的当前负荷来计算的。这可通过测量主轴承上的负荷来实现,其中主轴承上的当前负荷基于主轴承上的测量出的负荷。主轴承的当前磨损率可根据当前转子速度来计算。

优选地,该方法包括计算当前叶片桨距对主轴承上的负荷的影响。当前叶片桨距对主轴承上的负荷的影响可取决于从计算机化模型获得的针对变桨的叶片襟翼负荷灵敏度。该方法可包括使用当前叶片桨距的计算出的影响来计算在没有叶片桨距影响的情况下的原始主轴承负荷。该方法可进一步包括在涉及候选叶片桨距的情况下使用该候选叶片桨距来计算估计出的主轴承负荷。该方法可进一步包括估计候选叶片桨距对主轴承上的负荷的影响,并且基于原始主轴承负荷和候选叶片桨距的估计出的影响来估计出主轴承负荷。

优选地,叶片轴承的当前磨损率是根据主轴承上的当前负荷来计算的。这可通过测量叶片轴承上的负荷来实现,其中叶片轴承上的当前负荷基于叶片轴承上的测量出的负荷。叶片轴承上的当前负荷可基于计算机化模型来获得。叶片轴承的当前磨损率可根据当前转子速度来计算。

优选地,叶片桨距调整值是对转子叶片的周期性桨距振幅的修改量。

在一种实现方式中,该方法可包括根据在风力涡轮机的位置处预计的切变量和湍流量中的一者或两者来设定预期磨损比值。预期磨损比值可被设定成使得主轴承和叶片轴承将在大致相同的时间需要更换。替代性地,预期磨损比值可被设定成使得主轴承和叶片轴承中的一个将在持续时间之后需要更换,该持续时间是主轴承和叶片轴承中的另一个的倍数。

在另一种实现方式中,该方法可包括随着时间的推移累加当前磨损率,并且自动地推断主轴承和/或叶片轴承的寿命。这种方法可进一步包括调整预期磨损比值以降低轴承中的一个过载的可能性或容许主轴承和叶片轴承的同时更换或在没有更换轴承的情况下增加涡轮机的总寿命。

在第二方面,本发明提供一种风力涡轮机,该风力涡轮机具有安装在主轴承上的涡轮机转子和使用叶片轴承安装在涡轮机转子上的一组转子叶片,该风力涡轮机包括控制器,该控制器能够操作:

以计算主轴承和叶片轴承中的每一个的当前磨损率;并且

以根据主轴承和叶片轴承的计算出的当前磨损率来计算转子叶片的叶片桨距调整值以达到主轴承磨损与叶片轴承磨损之间的预期比值。

在第三方面,本发明提供一种计算机程序产品,其带有计算机程序,该计算机程序当在数据处理设备上执行时将致使所述数据处理设备根据以上方法来控制风力涡轮机。

附图说明

图1是风力涡轮机系统的示意图;

图2是桨距控制器和相关联的传感器的示意性功能图;

图3是平衡主轴承与叶片轴承之间的磨损的方法的示意性流程图;以及

图4是描述轴承寿命管理过程的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出风力涡轮机10,其包括塔12,该塔支撑机舱14,转子16安装至该机舱。转子16包括从中心毂20径向地延伸的多个风力涡轮机叶片18。在这个示例中,转子16包括三个叶片18。如以上所述,风力涡轮机叶片18的桨距(相对于风的迎角)可通过叶片桨距控制器(未示出)调整,而机舱14的偏航可通过偏航驱动器(未示出)调整以大体上面向风。转子16安装在主轴承(未示出)上,该主轴承容许转子绕其轴线自由地旋转。风力涡轮机叶片18各自通过叶片轴承(未示出)安装至转子,该叶片轴承容许叶片18绕它们的纵向轴线旋转以调整它们的桨距。

图2示出可操作以控制(在这种情况下)三个涡轮机叶片的叶片桨距的叶片桨距控制器100。具体地,桨距控制器100可操作以生成三个单独的桨距控制信号,每个叶片一个控制信号。每个叶片的桨距是响应于来自叶片桨距控制器100的桨距控制信号而通过桨距控制致动器设定的。具体地,第一涡轮机叶片的桨距是响应于第一桨距控制信号θ1而通过桨距控制致动器162设定的,第二涡轮机叶片的桨距是响应于第二桨距控制信号θ2而通过桨距控制致动器164设定的,并且第三涡轮机叶片的桨距是响应于第三桨距控制信号θ3而通过桨距控制致动器166设定的。该组转子叶片(和单独地叶片)的桨距可受到若干算法的影响,本技术仅是其中的一种。其他算法可用来控制转子速度或用来降低湍流的冲击。因此,应理解的是,本技术可被视为影响转子叶片的桨距而不是完全限定桨距。在一些实施方案中,本技术调整通过倾斜/偏航(周期性桨距控制)算法计算出的正弦单独桨距贡献的最大振幅|θ|,这将继而影响单独的控制信号θ1、θ2、θ3。叶片i(i=1,2,3)的实际桨距角通过下式关联:

θi=θ+|θ|sin(ψ+ψi)...(1)

其中θ为总桨距角(应用于该组中的全部转子叶片18)并且|θ|sin(ψ+ψi)是每个叶片相对于其旋转位置的单独桨距角,其中ψ是转子方位角,ψi分别是叶片A、B和C的相移(0、120或240),并且|θ|是在正弦函数取为一的值时所达到的单独桨距贡献的最大振幅。

图2示出了本技术使用以便计算预期叶片桨距调整值的各种参数的来源。具体地,桨距控制器100从联接至转子的速度传感器110或从转子所附接到的发电机120接收以Hz为单位测量的当前转子速度Ω。桨距控制器100还从安装至涡轮机的叶片负荷传感器130或从数据存储器140中的叶素动量(BEM)模型144接收以牛顿米为单位的叶片襟翼力矩Mx。桨距控制器100还从叶素动量模型144接收针对变桨的叶片襟翼负荷灵敏度该灵敏度表示在涡轮机的当前操作点桨距对叶片负荷的影响。桨距控制器100还从存储在数据存储器140中的其它数据142接收分别从主轴承和叶片轴承的材料性质得到的韦勒系数k1、k2(无量纲的)。桨距控制器100还从主轴承负荷传感器150接收同样以牛顿米为单位的主轴承倾斜负荷MxMBf。桨距控制器100还从风速传感器170接收涡轮机处的以m/s为单位的当前风速V。

本技术可使用叶素动量(BEM)模型来计算针对叶片桨距、转子速度和风速的空气动力学灵敏度。在线BEM模型可基于叶片的升举和拖拽系数(cL、cD)曲线和风估计量来描述叶片负荷的计算,该风估计量基于预测的转子功率与实际产生的功率之间的差来计算转子平面风速。

基于计算的操作点(即,当前叶片桨距、风速和转子速度组合),可通过例如0阶估计值来获得灵敏度。例如,可如下获得针对变桨的叶片襟翼负荷灵敏度:

其中θ0、V0、Ω0是计算出的操作点,ΔV、Δθ是进行0阶近似的风速和桨距范围,并且Mx是估计出的叶片根部的平面中力矩。

参考图3,示出以上参数被用来调整叶片桨距以平衡主轴承与叶片轴承之间的磨损的过程。在步骤S1处,确定当前周期性桨距振幅|θ|act。因为这是在设定桨距控制信号θ1、θ2、θ3中当前正由桨距控制器100使用的值,所以这个参数容易获得。在步骤S2处,从传感器110或发电机120获得当前转子速度Ω,如以上所示。在步骤S3处,确定叶片轴承上的当前负荷。这可直接使用传感器130测量,或从呈叶素动量模型144的计算机化模型估计。然后在步骤S4处基于当前(实际)周期性桨距振幅|θ|act、当前转子速度Ω、叶片轴承上的当前负荷Mx和韦勒系数k2来估计叶片轴承上的当前(实际)磨损率。换句话说,在步骤S1、S2和S3处收集的参数被用于在步骤S4处进行的当前叶片轴承磨损的估计中。桨距轴承的磨损率的估计值可基于以下表达式得出:

其中子表达式是取决于周期性桨距振幅的桨距行进速度。每转子旋转的桨距行进距离为2|θ|/360并且Ω是每秒转子旋转的数目。因此,桨距轴承的磨损率是桨距行进距离与测量出的叶片根部襟翼负荷Mx的乘积的k2次方,k2如以上提到的是从桨距轴承的材料性质的韦勒系数得到的。

在步骤S5