风力涡轮机和方法与流程

本发明涉及一种风力涡轮机，并且涉及一种用于防止该风力涡轮机的转子叶片的变桨轴承（pitchbearing）的故障的方法。

背景技术：

现代风力涡轮机的转子叶片由纤维增强塑料构建。转子叶片通常包括具有圆形的前缘和尖锐的后缘的翼型。转子叶片利用其叶片根部连接到风力涡轮机的轮毂。轮毂被支撑在机舱中，并且机舱被附接到风力涡轮机的塔架的端部。转子叶片借助于变桨轴承来支撑在轮毂处或轮毂中。借助于这些变桨轴承，可改变转子叶片的桨距角。

在长期操作期间，无需通过使转子叶片变桨距（pitch）来调整功率。这意味着变桨轴承将是静态的。在此期间，转子叶片上的载荷将是高度动态的，这可能会在变桨轴承的滚道上造成摩擦腐蚀（falsebrinelling）和微动腐蚀（frettingcorrosion），除非变桨轴承被移动到允许润滑剂到达接触表面上的新位置。因此，在给定时间段之后可能会出现停滞痕迹（standstillmark）。该时间段将取决于许多因素，如载荷水平、温度、润滑条件、含水量等。

为了避免该问题，变桨轴承能够以一定模式变桨距，该模式已证明在所有状况和/或运行条件下完全消除该风险。该模式是基于经验和测试。然而，当转子叶片远离最佳功率位置变桨距时，将会存在能量损失。必须避免这种情况。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种改进的风力涡轮机。

因此，提供了一种风力涡轮机。所述风力涡轮机包括：轮毂；转子叶片，其中，每个转子叶片借助于变桨轴承可旋转地支撑在所述轮毂处或所述轮毂中；用于改变所述转子叶片的桨距角的桨距控制装置；以及测量系统，其用于捕获所述变桨轴承中或所述变桨轴承处的传感器信号，并且用于借助于所述桨距控制装置根据所述传感器信号来改变所述桨距角，以防止由于缺乏润滑引起的所述变桨轴承的故障，其中，所述传感器信号表示所述变桨轴承中或所述变桨轴承处的振动、噪声和/或温度的变化。

由于桨距角可根据传感器信号而改变的事实，因此在变桨轴承的整个使用寿命中确保了对变桨轴承的润滑。可防止不必要的变桨距运动。这减少了能量损失。此外，还可防止由于缺乏润滑而损伤变桨轴承。

特别地，所述轮毂被可旋转地支撑在风力涡轮机的机舱处。转子叶片的数量是任意的。例如，设置了三个转子叶片。所述变桨轴承是风力涡轮机的一部分。每个转子叶片都具有变桨轴承。所述桨距角是当转子叶片围绕变桨轴承的中轴线旋转时改变的角度。转子叶片的桨距角可独立地改变。所述变桨轴承可以是滚动轴承、滚珠轴承或滑动轴承。可使用任何轴承。

所述桨距控制装置可包括致动器，以使转子叶片变桨距。每个转子叶片可具有其自己的致动器。该致动器可以是电动马达或液压马达。在此背景下，“捕获”传感器信号意味着所述测量系统能够借助于一个传感器或多个传感器来生成传感器信号。在此背景下，“根据”传感器信号来改变桨距角意味着当传感器信号改变时，特别是当传感器信号指示变桨轴承中或变桨轴承处的振动、噪声、温度和/或另一合适的参数改变、特别是增加时，桨距角被改变。“振动”包括振荡和振动。“噪声”或“声音”也可包括振荡和振动，特别是可听见的振荡和振动。

特别地，所述传感器信号优选地是间接传感器信号。在此背景下，“间接”意味着不测量润滑本身，而是测量润滑不足的后果，即振动、噪声和/或温度的变化。与此相反，可看到直接传感器信号。在此背景下，“直接”意味着润滑本身是合格的。例如，这可借助于测量变桨轴承的电容和/或电阻来完成。相应地，也可使用任何其他间接传感器信号来评估变桨轴承的状态。优选地，使用间接传感器信号。然而，不排除并且也可使用直接传感器信号，但其是次优选的。特别地，没有测量方法被排除。

在此背景下，“故障”包括停滞痕迹、变桨轴承的滚道上的摩擦腐蚀和微动腐蚀和/或变桨轴承的可能由润滑不足引起的任何其他潜在损伤。特别地，“故障”包括停滞故障。

根据一个实施例，所述测量系统包括控制器以及耦接到所述控制器的至少一个传感器。

传感器的数量是任意的。例如，每个转子叶片和/或每个变桨轴承包括一个或多个传感器。所述传感器可包括温度传感器、声音换能器等。

根据另一实施例，所述传感器被布置在所述轮毂中或所述轮毂处和/或所述传感器被布置在所述叶片中或所述叶片处。

所述传感器也可被布置在变桨轴承中或变桨轴承处。所述轮毂可具有多个传感器。此外，每个叶片也可具有一个传感器或多于一个传感器。

根据另一实施例，所述风力涡轮机还包括耦接到所述控制器的存储器，其中，所述传感器信号被存储在所述存储器中。

阈值可被存储在所述存储器中。所述传感器信号可与所述阈值比较。例如，当所述传感器信号显著偏离所述阈值时，可改变桨距角。

根据另一实施例，所述测量系统将所述传感器信号与所述传感器信号的初始水平和/或初始模式比较，其中，当所述传感器信号的最终水平和/或最终模式偏离所述初始水平和/或所述初始模式时，所述桨距控制装置受到控制以改变所述桨距角。

在此背景下，“初始”意指在正常操作状态下捕获的传感器信号。这意指当不需要变桨距运动时。在此背景下，“最终”意指在临界操作状态下捕获的传感器信号。这意指当需要变桨距运动以防止由于润滑不足而损伤变桨轴承时。在此背景下，“模式”意指传感器信号在预定时隙内的进展。因此，所述“模式”可以是展示出随时间变化的传感器信号的曲线。

此外，还提供了一种用于防止由于缺乏润滑引起的风力涡轮机的转子叶片的变桨轴承的故障的方法。所述方法包括以下步骤：a）借助于测量系统来捕获所述变桨轴承中或所述变桨轴承处的传感器信号，其中，所述传感器信号表示所述变桨轴承中或所述变桨轴承处的振动、噪声和/或温度的变化；以及b）借助于桨距控制装置根据所述传感器信号来改变桨距角，以防止由于缺乏润滑引起的所述变桨轴承的故障。

在步骤b）中，当传感器信号指示润滑不足时改变桨距角。这可能会导致振动、噪声和/或温度的增加。

根据一个实施例，在步骤b）中或之前，所述传感器信号与所述传感器信号的初始水平和/或初始模式进行比较，其中，当最终水平和/或最终模式偏离所述初始水平和/或所述初始模式时，所述桨距角借助于所述桨距控制装置来改变。

在此背景下，“偏离”特别是意味着最终水平和/或最终模式具有与初始水平和/或初始模式显著不同的值。在此背景下，“显著不同”可意味着最终水平和/或最终模式的值以区别性的因子不同于初始水平和/或初始模式。例如，该因子可为0.5至5等。该因子可根据需要来选择。在此背景下，“初始”意指在正常操作状态下捕获的传感器信号。这意指当不需要变桨距运动时。在此背景下，“最终”意指在临界操作状态下捕获的传感器信号。这意指当需要变桨距运动以防止由于润滑不足而损伤变桨轴承时。在此背景下，“模式”意指传感器信号在预定时隙内的进展。因此，所述“模式”可以是展示出随时间变化的传感器信号的曲线。

根据另一实施例，当与初始水平和/或初始模式相比最终水平和/或最终模式更高时，改变桨距角。

在此背景下，“更高”意味着与初始水平相比，最终水平具有更高的值。也可当与初始水平和/或初始模式相比最终水平和/或最终模式更低时，改变桨距角。在此背景下，“更低”意味着与初始水平相比，最终水平具有更小的值。

根据另一实施例，所述水平和/或所述模式在所述风力涡轮机的整个操作中测量。

以这种方式，在其使用寿命期间持续地控制变桨轴承是可能的。

根据另一实施例，所述模式是所述传感器信号随时间变化的函数。

例如，所述模式为以赫兹为单位的振荡随着以毫秒为单位的时间变化的函数。然而，所述模式也可以是以摄氏度为单位的温度随着以毫秒为单位的时间变化的函数。

本发明的其他可能的实施方式或替代方案还涵盖上文所述或下文关于实施例所述的特征的本文未明确提及的组合。本领域技术人员还可向本发明的最基本形式添加个别或孤立的方面和特征。

附图说明

结合附图，通过后续的描述和从属权利要求，本发明的其他实施例、特征和优点将变得显而易见，附图中：

图1示出了根据一个实施例的风力涡轮机的透视图；

图2示出了根据一个实施例的风力涡轮机转子叶片的透视图；

图3示出了根据图1的风力涡轮机的剖视图；

图4示出了显示随时间变化的传感器信号的示图；以及

图5示出了用于防止根据图2的转子叶片的变桨轴承的故障的方法的一个实施例的框图。

在附图中，除非另有指示，否则相同的附图标记标示相同或功能上等同的元件。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例的风力涡轮机1。

风力涡轮机1包括转子2，其连接到布置在机舱3内的发电机（未示出）。机舱3被布置在风力涡轮机1的塔架4的上端处。塔架4具有布置在彼此顶部上的多个塔架部段。塔架4可被称为风力涡轮机塔架。

转子2包括三个转子叶片5。转子叶片5被连接到风力涡轮机1的轮毂6。这种类型的转子2可具有例如范围从30米至160米或甚至更大的直径。转子叶片5经受高的风载荷。同时，转子叶片5需要重量轻。由于这些原因，现代风力涡轮机1中的转子叶片5由纤维增强复合材料制成。其中，由于成本原因，玻璃纤维一般优于碳纤维是优选的。常常使用单向纤维垫（unidirectionalfibermat）形式的玻璃纤维。

图2示出了根据一个实施例的转子叶片5。

转子叶片5包括：气动设计部分7，其被成形为用于最佳地利用风能；以及叶片根部8，其用于将转子叶片5连接到轮毂6。

图3示出了风力涡轮机1的剖视图。

如从图3可以看到的，机舱3包围发电机9，该发电机9被耦接到转子2，以将风能转换成电能。机舱3还包围控制器10和存储器11。控制器10被耦接到发电机9。对风力涡轮机1的功率输出的控制需要使转子叶片5旋转的可能性。因此，每个转子叶片5都通过将转子叶片5的叶片根部8连接到轮毂6的叶片轴承或变桨轴承12来支撑。在下文中将仅参考一个转子叶片5。

转子叶片5的变桨距借助于桨距控制装置13来完成。该桨距控制装置13可以是轮毂6的一部分和/或可被布置在轮毂6内。桨距控制装置13可具有电动马达或液压马达，以使转子叶片5变桨距。桨距控制装置13被耦接到控制器10。

在长期操作期间，无需通过使转子叶片5变桨距来调整功率。这意味着变桨轴承12将是静态的。在此期间，转子叶片5上的载荷将是高度动态的，这可能会在变桨轴承12的滚道上造成摩擦腐蚀和微动腐蚀，除非变桨轴承12被移动到允许润滑剂到达接触表面上的新位置。因此，在给定时间段之后可能会出现停滞痕迹。该时间段将取决于许多因素，如载荷水平、温度、润滑条件、含水量等。

为了避免该问题，变桨轴承12能够以一定模式变桨距，该模式已证明在所有状况和/或运行条件下完全消除该风险。该模式是基于经验和测试。然而，当转子叶片5远离最佳功率位置变桨距时，将会存在能量损失。必须避免这种情况。

因此，风力涡轮机1具有一个或多个传感器14、15，其感测来自一个或多个变桨轴承12的振动和/或噪声（声音）。例如，传感器14被布置在变桨轴承12处或变桨轴承12内，或者布置在转子叶片5处或转子叶片5内。传感器15可被放置在轮毂6内。传感器14、15的数量是任意的。每个转子叶片5和/或每个变桨轴承12可包括若干个传感器14、15。传感器14、15与控制器10和桨距控制装置13通信。控制器10所接收到的数据被存储在存储器11中。如图3中所示，控制器10还可与发电机9通信。

控制器10与传感器14、15一起形成测量系统16，该测量系统16适于确定何时需要转子叶片5或变桨轴承12的变桨距运动，以避免停滞问题。以这种方式，变桨距循环策略（pitchcyclestrategy）可达到极限，并且由此，可使能量损失最小化。换句话说，可减小变桨距的量。测量系统16基于来自传感器14、15的传感器信号来发起变桨距运动。避免了不必要的变桨距。

这例如可通过如下方式来完成，即：在风力涡轮机1的操作期间，通过一个或多个传感器14、15来测量变桨轴承12的特定的振动和/或声音和/或噪声的曲线和/或模式和/或水平（例如，均值或类似者）。因此，当变桨轴承12的振动和/或声音和/或噪声的曲线和/或模式和/或水平达到一个或多个特定的曲线和/或模式和/或水平时，变桨轴承12被桨距控制装置13激活并且移动到选定的桨距角，由此变桨轴承12得到润滑。

来自带有转子叶片5的旋转轮毂6的任何运动和/或振动和/或声音和/或噪声，和/或塔架4的相关运动和/或振动，和/或其他机械引发运动的声音和/或噪声，和/或来自风力涡轮机1、例如来自齿轮或发电机9的振动和/或声音和/或噪声可被反映在变桨轴承12中。取决于变桨轴承12内的润滑水平和/或当摩擦腐蚀或微动腐蚀已发生或正要发生时，变桨轴承12可按照一种或多种特定的曲线和/或模式和/或在具有特定水平的情况下振动和/或发出声音和/或噪声。

在风力涡轮机1的实施例的另一示例中，除了运动和/或振动和/或声音和/或噪声的传感器测量之外，传感器测量还可包括变桨轴承12的温度测量。优选地，测量和/或监测接近变桨轴承12的滚道的局部温度变化。当接触区域不再得到润滑并且因此更多的摩擦能作为热沉积到接触区域中时，可能会发生这些温度变化。这可通过放置在滚道中或附近的一个或多个传感器14、15和/或通过变桨轴承12的滚珠或滚柱中的传感器来完成。

可替代地，除了测量水平和/或曲线和/或模式之外，还可测量特定测量信号的峰值，特别是局部最大值，以给出停滞痕迹是否即将发生或已发生的指示，并且由此，控制器10可激活桨距控制装置13，以使转子叶片5变桨距或移动到特定角度，来确保变桨轴承12中的润滑。

图4示出了一示图，其中，随着以毫秒[ms]为单位的时间t的变化显示了传感器信号f，特别是以赫兹[hz]为单位的频率。

如从图4可以看到的，不同的水平l1、l2和/或不同的模式p1、p2借助于测量系统16来测量和评估，从而指示变桨轴承12内的特定润滑水平和/或在变桨轴承12中已发生或正要发生摩擦腐蚀或微动腐蚀。在此背景下，“模式”意指传感器信号f在预定时隙内的进展。因此，所述“模式”为曲线。

例如，当传感器信号f从水平l1增加到水平l2时和/或当传感器信号f的模式p1转换到传感器信号f的模式p2时，变桨距运动可能是必要的。l1和p1指示正常操作状态，而l2和p2指示需要变桨距运动。水平l1和/或模式p1的任何重大变化都可能需要变桨距运动。

在图4中，传感器信号f意指测得的频率和/或振动的水平l1、l2和/或模式p1、p2或曲线。然而，传感器信号f也可以是声音和/或噪声和/或温度的水平和模式或曲线。当特定的水平l2或模式p2或曲线被控制器10评估为临界时，这意味着低润滑和/或摩擦腐蚀或微动腐蚀指示或类似者，变桨轴承12可借助于桨距控制装置13来激活并且向特定的桨距角移动。该桨距角可为1°或者更大或更小。

需要一定程度的变桨距活动以避免停滞问题。因此，将无法实现全部的节省潜力。然而，该变桨距可被减小到最低限度，这将释放一些额外的能量产生。

图5示出了用于防止变桨轴承12的故障的方法的一个实施例的框图。

在此背景下，“故障”包括停滞痕迹、变桨轴承12的滚道上的摩擦腐蚀和微动腐蚀和/或变桨轴承12的可能由润滑不足引起的任何其他潜在损伤。特别地，“故障”包括停滞故障。

在初始步骤s1中，借助于测量系统16在变桨轴承12中或变桨轴承12处捕获传感器信号f。传感器信号f表示变桨轴承12中或变桨轴承12处的振动、噪声和/或温度的变化。在步骤s2中，借助于桨距控制装置13根据传感器信号f来改变桨距角，以防止由于缺乏润滑引起的变桨轴承12的故障。

在步骤s2中或之前，将传感器信号f与传感器信号f的初始水平l1和/或初始模式p1比较，其中，当最终水平l2和/或最终模式p2偏离初始水平l1和/或初始模式l1时，借助于桨距控制装置13来改变桨距角。在此背景下，“初始”意指在正常操作状态下捕获的传感器信号f。这意指当不需要变桨距运动时。在此背景下，“最终”意指在临界操作状态下捕获的传感器信号f。这意指当需要变桨距运动以防止变桨轴承12损伤时。

特别地，当与初始水平l1和/或初始模式p1相比最终水平l2和/或最终模式p2更高时，改变桨距角。在此背景下，“更高”意味着与初始水平l1相比，最终水平l2具有更高的值。

尽管已根据优选实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，在所有实施例中修改都是可能的。