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(loaddependentdeactivationstrategies)，和在wo2015/051801中所描述的转子负荷控制3.0激活策略(rotorloadcontrol3.0activationstrategies)。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
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
在步骤s5处，通过主轴承负荷传感器150测量主轴承上的负荷mxmbf。接着，在步骤s6处，基于当前转子速度ω、主轴承上的测量出的负荷mxmbf和韦勒系数k1来估计主轴承上的当前磨损率。换句话说，在步骤s2和s5处收集的参数被用于在步骤s6处进行的当前主轴承磨损的估计中。
主轴承上的磨损率的估计值可基于以下表达式得出：
其中ω是以hz为单位的测量出的转子速度，
在步骤s7处，主轴承磨损率和叶片轴承磨损率的估计值以及主轴承的寿命设计磨损能量(lrdpb,设计)和叶片轴承的寿命设计磨损能力(lrdmb,设计)被用来计算主轴承与叶片轴承之间的磨损比值。
可如下获得叶片轴承的寿命降低率pbr：
类似地，可如下获得主轴承的寿命降低率mbr：
两种类型的轴承的寿命降低率pbr、mbr之间的比值接着确定通过它们的寿命设计磨损能力进行加权的轴承的相对磨损率。
这得到比值r，该比值可被调整以控制哪种轴承类型经历大部分磨损。通过步骤s1至s7获得的这个(当前)磨损比值是主轴承上的磨损与叶片轴承上的磨损之间的当前平衡的指示。应理解的是，为了使叶片轴承和主轴承经历相同的磨损量(按照它们各自寿命磨损能力的比例)，会希望磨损比值为1。为了使主轴承经历叶片轴承的两倍的磨损(同样按照它们各自寿命磨损能力的比例)，会希望磨损比值为2。为了使叶片轴承经历主轴承的两倍的磨损(同样按照它们各自寿命磨损能力的比例)，会希望磨损比值为0.5。应理解的是，公式(7)确定瞬时磨损比值，而不是寿命磨损比值。然而，瞬时磨损比值可基于历史相对磨损加以调整以抵消比过去在主轴承或叶片轴承上的预计磨损更高的磨损。
图3的剩余步骤涉及适合的桨距调整值的选择，以达到预期磨损比值(与在步骤s7处获得的实际磨损比值相比)。在步骤s8处，通过风速传感器170测量当前风速v。在步骤s9处，从叶素模型144获得针对变桨的叶片襟翼负荷灵敏度
原始主轴承负荷mxmbf,原始被定义为除通过倾斜-偏航控制执行的估计出的负荷降低之外测量出的主轴承负荷(直接在主轴/轴承上或来自叶片中的负荷传感器)。
应理解的是，|θ|act(在公式3和8中使用)是实际的当前周期性桨距振幅，而使用在随后将给出的公式中的值|θ|是必须确定的未来的最大周期性桨距振幅。应理解的是，原始负荷的估计值可作为转子负荷控制算法的一部分来计算。
在步骤s11处，选择未来的最大周期性桨距振幅|θ|。如以下将进一步论述的，步骤s11可被执行若干次，以便评估多个不同的桨距振幅对比值r的冲击。在步骤s12处，基于bem模型来计算在最大周期性桨距振幅将被调整至值|θ|的情况下将在叶片轴承处经历的叶片轴承负荷。在步骤s13处，使用当前转子速度ω、叶片轴承上的负荷mx和韦勒系数k2确定在选定的未来的最大周期性桨距振幅|θ|处叶片轴承上的估计出的磨损率。换句话说，在步骤s2和s3处收集的参数再次被使用在基于选定的周期性桨距振幅|θ|的未来的叶片轴承磨损的估计中。应注意的是，值
在步骤s14处，从叶素模型144获得在选定的最大周期性桨距振幅|θ|处的叶片襟翼灵敏度
具体地，根据以下表达式计算取决于周期性桨距角的主轴承磨损的近似值：
应理解的是，步骤s9和s10在没有叶片桨距贡献的情况下(通过移除在实际的周期性桨距振幅|θ|act)处的叶片桨距贡献)有效地确定主轴承负荷mxmbf，并且接着步骤s14和s15有效地再引入叶片桨距贡献，但是在选定的(未来的)周期性桨距振幅|θ|处。
在步骤s16处，基于在步骤s15处计算的主轴承负荷mxmbf、当前转子速度ω和韦勒系数k1，使用公式(4)估计在选定的周期性桨距振幅|θ|处的主轴承上的磨损率。应理解的是，虽然公式(4)被用在步骤s6和s16两者处，但是在前者的情况下，该公式基于测量出的主轴承负荷mxmbf，而在后者的情况下，该公式基于在选定的叶片桨距处的估计出的未来负荷mxmbf。在步骤s17处，在选定的(未来的)周期性桨距振幅|θ|处的主轴承磨损率和叶片轴承磨损率的估计值，以及主轴承和叶片轴承的寿命设计磨损能力(寿命设计磨损能力是与在步骤s7中使用的相同的值)被用来计算在选定的周期性桨距振幅处的主轴承与叶片轴承之间的磨损比值。该计算使用在步骤s7中所利用的公式(7)。如果叶片桨距根据选定的周期性桨距振幅|θ|加以修改，则这个(未来的)磨损比值是主轴承上的磨损与叶片轴承上的磨损之间可能的未来平衡的指示。
针对若干不同的最大周期性桨距振幅重复步骤s11至s17(图3的虚线区域内的那些步骤)，以便获得对应的磨损比值。在步骤s18处，将预测磨损比值中的每一个与涡轮机的预期磨损比值进行比较，并且选择与最接近于预期磨损比值的预测磨损比值对应的最大桨距振幅。在步骤s18处选定的最大桨距振幅接着在设定涡轮机叶片18的桨距中由桨距控制器100使用。
可使用替代性技术，诸如使用牛顿-拉夫森(newton-raphson)方法的优化，如在erwinkreyzig，advancedengineeringmathematics，第9版，wileyinternationaledition,isbn-13:978-0-471-72897，第19章中所描述的。在这种情况下，牛顿-拉夫森方法也在公式上迭代若干次。
总之，本技术提供桨距轴承和主轴承上的当前磨损的实时估计值，该估计值与多大的主轴承磨损降低和桨距轴承磨损将从具体的单独桨距振幅被引入的估计值相结合。利用该信息可设计转子升举策略，该转子升举策略根据在当前操作点(即，风速和转子速度)处转子升举是多么有效来平衡轴承上的磨损。在低风速时需要较大的单独桨距振幅(较高的桨距轴承磨损)来产生与在较高风速中相同的转子升举。轴承上的瞬时磨损率可如以上公式(5)和(6)中所示地进行计算，而以上公式(10)将主轴承负荷(和磨损)与桨距振幅相关联。
对于这些公式，需要以下输入：
·主轴承倾斜负荷：如已在tyc中进行的，从叶片负荷传感器计算。
·原始主轴承倾斜负荷：在没有转子升举贡献的情况下的主轴承倾斜负荷。这使用通过bem模型计算的倾斜灵敏度来计算。
·叶片襟翼力矩：来自叶片负荷传感器和/或使用通过bem计算的叶片襟翼力矩估计值。
·转子速度：发电机或转子速度传感器。
通过根据公式(10)限定主轴承与桨距轴承之间的磨损比值和插入以上三个公式，可以计算实现这个磨损比值的转子升举桨距振幅。结果是轴承磨损控制器平衡桨距轴承和主轴承磨损，使得无论场地的风的分布如何，轴承的寿命是可控制的。应理解的是，预期磨损比值可能并非总是为1的值(这将导致或起因于主轴承上的磨损率与叶片轴承的磨损率相同(按照其寿命磨损能力的比例))。以下描述可使用不同磨损比值的一些情况。
本技术可以是完全基于软件的，而不需要对涡轮机的硬件修改，并且因此可对已运行的现有涡轮机进行改造。有利地，本技术可用来增加涡轮机维护的可预测性。
风场具体调谐
作为放置风力涡轮机的一部分，准备维护策略，该维护策略包括主轴承和/或桨距轴承的更换计划。利用以上所述的轴承磨损控制器100，可以其中针对风力条件不允许主轴承和桨距轴承持续具有标准配置的涡轮机的完整寿命的具体场地做出权衡。一个示例是低切变/低湍流场地。这将通常产生高的主轴承磨损，但是低的叶片轴承磨损。现在可朝向较低的叶片轴承负荷调整比值r，从而牺牲由于低湍流而可用的桨距轴承裕度中的一些。在另一示例中，场地具有高湍流和低切变，并且在标准配置中，叶片轴承和主轴承两者将需要在涡轮机寿命期间更换。现在可例如朝向降低主轴承上的磨损来偏置比值r，使得主轴承将持续涡轮机的完整寿命，但是具有一次计划的叶片轴承更换。换句话说，可根据风力涡轮机运行的环境条件来设定磨损比值，以针对主轴承和叶片轴承中的每一个实现预期寿命(相对的或绝对的)。
预测性维护
通过累加由磨损控制器在以上所述的步骤s4和s6处计算的估计值，可做出每个涡轮机的磨损分布。有效地指示轴承中的每一个上至今经历的实际磨损的该磨损分布可被用来推断轴承的寿命并且随后针对每个具体的涡轮机计划检查/维修方案。以这种方式，如果涡轮机经历大于主轴承和叶片轴承中的任一者或两者上的预计磨损，则可比计划更早进行那个涡轮机的检查和/或维修。进一步延伸是通过使叶片故障与估计的叶片磨损相关联来调整轴承寿命设计的估计值，并且使用该值来修改其他类似涡轮机的维护安排。在这种情况下，如果随着时间推移，所收集的数据表明断裂之前的叶片磨损限值小于预计的，则可在具有相同叶片轴承的其他涡轮机上调整比值r以降低叶片轴承负荷，使得叶片轴承将以主轴承磨损为代价持续预计时间。
轴承寿命管理
通过容许轴承磨损比值r能在涡轮机外部控制，可形成轴承寿命管理系统。轴承寿命管理系统将使用累加的磨损估计值来推断轴承磨损并且调整磨损比值r，以便(例如)：
·避免使轴承中的一个过载；
·确保全部轴承可被同时更换(避免二次起重机花费)；
·在不需要轴承更换的情况下增加涡轮机的总寿命。
参考图4，示出示例性的轴承寿命管理算法。在步骤v1处，通过对在图3的步骤s4和s6处的所计算出的磨损率进行积分来确定直到现在的主轴承和桨距轴承的寿命磨损。在步骤v2处基于至今的寿命磨损以及主轴承和叶片轴承的寿命设计磨损能力，计算叶片轴承的预计故障时间tofpb和主轴承的预计故障时间tofmb。在步骤v3处，将主轴承和叶片轴承中的每一个的预计故障时间与涡轮机的维修计划进行比较。如果叶片轴承故障时间比计划更换时间更迟并且主轴承故障时间比计划更换时间更早(即，tofpb>t，tofmb<t)，则在步骤v4处，减小比值r。如果叶片轴承故障时间比计划更换时间更早并且主轴承故障时间比计划更换时间更迟(即，tofpb<t，tofmb<t)，则在步骤v5处，增大比值r。如果叶片轴承故障时间比计划更换时间更迟并且主轴承故障时间比计划更换时间更迟(即，tofpb>t，tofmb>t)，或如果叶片轴承故障时间比计划更换时间更早并且主轴承故障时间比计划更换时间更早(即，tofpb<t，tofmb<t)，则在步骤v6处，调整比值r，使得主轴承和叶片轴承的故障时间是相同的，即，tofmb＝tofpb。
虽然已示出并且描述了本发明的实施方案，但是应理解，这些实施方案仅以示例的方式加以描述，并且将理解，不同实施方案的特征可以彼此组合。在不脱离如由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到许多变型、改变和置换。因此，意图在于，以下权利要求涵盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变型或等同方案。