操作风力涡轮机偏转组件的方法与流程

本发明描述了一种操作风力涡轮机偏转组件的方法。本发明进一步描述了一种风力涡轮机偏转组件、风力涡轮机以及计算机程序产品。

背景技术：

用于产生馈送至电网中的电力的风力涡轮机通常包括安装在塔的顶部上的机舱。在机舱的“前部”通常发现具有安装到毂上的叶片的空气动力转子，并且发电机本身容纳在机舱内。为了使能够从风中提取的能量的量最大化，必须能够使机舱转动，从而使空气动力转子总是能够直接面向风。为此，通常借助于偏转组件将机舱安装至塔。偏转组件能够包括安装到塔的顶部上的带齿的偏转环。该偏转环能够被构造为使得偏转环齿面向外（面向塔的外部）或者面向内（面向塔的内部）。偏转组件包括多个偏转马达，该多个偏转马达具有与偏转环接合的小齿轮。通过适当地控制偏转马达，能够使整个机舱在期望的方向上旋转期望的量。偏转环的齿受到磨损和损伤。破裂的偏转环齿变弱并且甚至可能完全断裂。当偏转环失去齿时，偏转小齿轮无法再与偏转环正确地啮合。这样一来，偏转小齿轮可能受到损坏并且还可能对偏转环造成进一步的损坏。对偏转环造成损坏的另一可能源能够是无意中进入偏转环与偏转驱动小齿轮之间的外来物。

虽然能够修复损坏的或者断裂的偏转环齿，例如，通过将新的齿焊接就位，或者通过将形状合适的板添加至偏转环以模拟齿，但是修复的齿或者替代板是相对弱的元件并且将永远不会有与未受损的齿相同的强度性质。然而，本设计没有提供避免这种弱元件的负载的任何方式。如果修复的偏转环齿再次失效，则需要替换偏转环。这是非常昂贵的操作，因为必须分离并且向上提升整个机舱（例如，使用自升式起重机）以允许通过塔与升起的机舱之间的空间来移除受损的偏转环并且允许安装替换偏转环。这个过程非常昂贵、危险且耗时。减少这种过程的成本的一种方式是使用分段的偏转环代替一体式的偏转环。然而，这种分段的偏转环的缺点在于其通常比常规的一体式的偏转环更复杂，并且因此制造成本更高。对于分段的偏转环没有公认的设计标准。此外，难以评估从一段到另一段的过渡的影响。分段的偏转环的另一缺点是需要更多空间。在任何情况下，分段的偏转环的齿随着时间的推移也会受到损坏，并且偏转环段的替换也与成本、安全危险和工作量相关联。

技术实现要素：

因此，本发明的目标是提供一种处理受损偏转环齿的改进方式。

该目标通过权利要求1的操作风力涡轮机偏转组件的方法、通过权利要求9的风力涡轮机偏转组件、通过权利要求12的风力涡轮机以及通过权利要求13的计算机程序产品来实现。

风力涡轮机偏转组件通常包括偏转环和多个偏转驱动单元。偏转驱动单元通常具有设置为与偏转环接合以便实现机舱相对于风力涡轮机的塔的旋转的小齿轮。根据本发明，操作风力涡轮机偏转组件的方法包括如下步骤：识别偏转环上的受损齿；将损坏描述符参数提供至偏转驱动控制器；以及在损坏描述符参数的基础上控制偏转驱动单元以减小由其小齿轮施加在受损齿上的力。

本发明的方法的优点在于，可以继续使用有缺陷的偏转环（即，具有一个或多个受损齿或者断裂齿的偏转环）无限长的时间。本发明的方法因此能够使昂贵的偏转环替换过程延期，同时允许继续操作风力涡轮机。这样一来，具有受损偏转环的风力涡轮机还能够继续产生收益。这与之前的现有技术方法形成了鲜明的对比，该现有技术方法包括使风力涡轮机中断操作直到能够替换其受损偏转环为止。本发明的方法有意减少或者消除受损齿上的负载，即，任何受损的或者变弱的偏转环齿将不会由经过的小齿轮加载（或者仅部分地加载），例如，在主动偏转过程期间或者在被动偏转制动器被接合的滑动情况期间。偏转驱动单元的小齿轮将以通常的方式与受损齿啮合，但是将最多仅传递非常少的负载至受损齿。

如上所述，现有技术的处理受损偏转环齿的方法可以包括修复受损齿，但是即使是修复齿也无法以正常的方式被加载，从而使得这种修复工作只能在必须替换偏转环之前获得相对短的暂缓。本发明的方法采用了不同的方案。不同于修复受损齿并且仅将替换过程推迟相对短的时间，偏转组件被驱动以便避免过度加载任何受损齿。这种方案造成的唯一妥协可以是稍微降低偏转组件的偏转或者制动能力。然而，因为在偏转期间没有主动地使用（即，加载）一个或多个受损齿，所以受损齿的存在不再是问题，并且风力涡轮机能够在最终替换其偏转环之前保持使用无限长的时间。甚至可以使偏转环的替换延期直到偏转能力或者制动能力达到（用受损偏转齿继续操作的）经济效益超过成本的时刻。各种参数有助于这样的决定，例如，风力涡轮机的年龄和其期望寿命、由于在大偏转力矩或者过度滑动下的偏转不足而产生的风力涡轮机的功率输出减少等。

根据本发明，风力涡轮机偏转组件被设置在机舱与塔之间的接口处，并且包括：具有环形设置的齿；多个偏转驱动单元，其中，偏转驱动单元包括马达和被设置为与偏转环的齿接合的小齿轮；以及偏转驱动控制器，该偏转驱动控制器适于控制偏转驱动单元的马达以实现机舱相对于塔的旋转。本发明的偏转组件进一步包括用于将一个或者多个损坏描述符参数提供至偏转驱动控制器的损坏描述符输入，并且偏转驱动控制器进一步适于在损坏描述符参数的基础上减少由偏转驱动单元的小齿轮施加在受损齿上的力。

根据本发明，风力涡轮机包括本发明的偏转组件的实施例，并且即使其偏转环遭受一个或多个受损齿或者断裂齿，也能够有利地保持操作。因此，即使在存在这种损坏的情况下，本发明的风力涡轮机也能够有利地继续产生收益。

根据本发明，计算机程序产品包括计算机程序，该计算机程序能够被直接加载到风力涡轮机偏转组件的偏转驱动控制器的存储器中，并且包括在计算机程序被偏转驱动控制器执行时用于实施本发明的方法的步骤的程序元素。本发明的计算机程序产品的优点在于，其能够用于通过少量工作即可使现有偏转驱动控制器升级。这里只需要向控制器提供准确地识别受损偏转环齿的一些方式，从而使得控制器因此能够向每个偏转驱动单元发出适当的信号。

如以下描述所揭示的，本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出。不同权利要求类别的特征可以被适当地组合以给出在本文中未被描述的另外的实施例。

偏转环能够是内部环（其齿面向涡轮风力机塔的内侧）或外部环（其齿面向风力涡轮机塔的外侧）。在支持以下讨论的图中，示例性偏转环被设置为其齿面向风力涡轮机塔的外部，但是本发明的方法和本发明的偏转驱动组件同样适用于内部偏转环。偏转环可以是分段偏转环或者是一体式偏转环。

在本发明的方法中，可以假设减小由小齿轮施加在受损齿上的力的步骤是在偏转环的旋转期间执行的。然而，当偏转驱动马达被致动以将机舱保持在相对于塔的特定位置时，减小由小齿轮施加在受损齿上的力的步骤在“制动”期间同样适用。在高风载荷期间可能需要这种制动过程，例如该高风载荷在紊流或者阵风风况下会导致高偏转力矩，这可能导致机舱发生不需要的偏转（被称为“滑动”）。在本发明的优选实施例中，每个偏转驱动单元都包括被动制动组件。这种制动组件在将电力供应给偏转驱动单元时被释放并且因此在失效的情况下用作安全制动器。本发明的方法有意减少或消除了受损齿上的负载，即，在这种滑动情况期间任何受损的或者变弱的偏转环将不会被经过的小齿轮加载（或者仅被部分地加载）。例如，在滑动情况期间，当小齿轮经过受损齿时，相应偏转驱动器上的制动器能够短时间被释放。

偏转组件可以包括单个偏转驱动单元，该单个偏转驱动单元包括具有足够动力以便使机舱相对于塔转动的马达。然而，偏转组件通常包括多个偏转驱动单元，该多个偏转驱动单元共同施加必要转矩，从而使马达相对小。优选地，偏转驱动组件包括偏转驱动单元的冗余设置，例如，被设置在偏转环的相对侧的两组两个或者更多个偏转驱动单元。在下文中，可以假设偏转组件包括这种冗余设置，但其不以任何方式限制本发明，。

如上所述，在偏转过程期间，偏转驱动单元被控制以使得偏转驱动马达使小齿轮以一定旋转速度在期望方向上（顺时针或者逆时针）转动，并且在小齿轮与偏转环齿啮合时施加一定力。在本发明的优选实施例中，控制特定偏转驱动单元以减小由其小齿轮施加在受损齿上的力的步骤包括：当该偏转驱动单元的小齿轮经过齿时，减小该偏转驱动单元的马达的转速。其它偏转驱动马达可以继续像往常一样操作，同时将以减少的电力驱动其小齿轮正经过受损齿的偏转驱动马达对应一短段时间。其小齿轮正经过受损齿的偏转驱动马达可以被暂时给予减小的转矩限制（例如，1%），但是可以继续以相同的速度操作。在小齿轮正经过受损齿的一短段时间内，偏转组件的总体偏转能力可能会稍微降低，这可能导致降低的偏转速度。

在本发明的另外的优选实施例中，控制偏转驱动单元以减小由其小齿轮施加在受损齿上的力的步骤包括：减小该偏转驱动单元的马达的转矩。该转矩被减小的程度可以取决于损坏的性质。例如，处理焊接替换齿的方式可以与处理替换断裂齿的引导板的方式不同。

损坏描述符参数能够以任何合适的方式来识别受损齿。在本发明的优选实施例中，控制器通过建立受损齿相对于偏转组件的控制器已知的参考点的位置来识别受损齿。例如，偏转驱动控制器可能“知道”每个偏转驱动单元在偏转基架中的位置，并且可能“知道”偏转基架相对于初始位置的位置。参考点能够包括偏转环的北参考（northreference），并且偏转基架的位置可以关于该北参考被准确地限定。在该示例性实施例中，也将多个偏转环齿通知给控制器。偏转驱动控制器优选地被配置为跟踪受损齿相对于每个偏转驱动单元的每个小齿轮的位置。例如，在人、机器人或者摄像头进行的目视检查期间，能够通过从参考标记开始对偏转环齿进行计数来识别受损齿的位置。这能够是例如已经存在于偏转环和/或偏转基架上的参考标记。通常，在风力涡轮机设计中，同意这种参考标记并且在合适的位置中做出这种参考标记以确保偏转环的正确对准。

在维护技术员进行目视检查期间，例如，在通过摄像头系统或者通过任何合适的检测机构进行日常维护检查期间，能够识别断裂的或者受损的偏转环。技术人员能够借助于合适的用户界面将受损齿的位置通知给偏转驱动控制器。技术人员还能够估计损坏的严重性，并且也能够输入该信息。

替代地或者此外，能够通过监测偏转驱动器的适当信号来识别断裂的或者受损的偏转环齿。例如，由于受损齿变弱，所以其在由小齿轮齿加载时将在某种程度上“给出”。当小齿轮试图与受损齿啮合时，这能够导致转矩增加。例如，偏转驱动控制器能够通过监测偏转驱动器的电流、转速或者任何其它相关信号来检测受损齿。替代地，控制器能够监测变频器或者合适传感器（诸如，定位在偏转环附近的一个或多个声学传感器）的合适信号。利用这种信息，偏转驱动控制器可以适于确定受损齿的存在，并且使用已知参考信息识别其在偏转环上的位置。

因此，在任何瞬间，偏转驱动控制器知道哪个小齿轮与偏转环的特定齿或者特定组的齿啮合。偏转驱动控制器可以通过受损齿在偏转环上的位置来识别受损齿。例如，在具有120个齿的偏转环的情况下，从北参考开始可以从1到120对它们进行计数。如果第30个齿被损坏，则其可以被偏转驱动控制器识别为“齿30”、“齿30/120”等。

虽然偏转驱动单元的小齿轮经过受损齿，但是该偏转驱动单元的转矩能够如上所述被减小。其余的偏转驱动单元可以传递稍微更高的转矩以进行补偿。通常，在冗余系统中，其余的偏转驱动单元将仅在没有对转矩进行任何更改的情况下操作。这能够避免其余的偏转驱动马达的任何不需要的过载。

如上所述，偏转马达制动器是被动制动器，这意味着其无动力或者通常是“打开”状态（即，被应用），并且制动器在将电力供应至偏转驱动单元时被释放。在不存在偏转驱动单元的动力时，制动器“打开”作为安全措施。偏转驱动制动器用于防止机舱发生非故意的偏转，即，防止在偏转过程未被实际执行时的偏转运动。制动载荷通常被所有偏转驱动单元共享。在本发明的优选实施例中，偏转驱动单元被控制以使得其小齿轮齿在制动期间不会在有缺陷的偏转环齿上施加任何负荷，或者仅施加大大减小的负荷。

在本发明的优选实施例中，计算机程序包括被实现为执行以下内容的程序元素：识别包含受损齿的偏转环区域并且在偏转驱动单元经过偏转环的该区域时调整偏转驱动单元的控制信号。在单个受损齿的情况下，偏转环区域可能仅覆盖该一个受损齿。例如，在包括120个齿的偏转环的情况下，具有受损齿的偏转环区域可以覆盖跨越3°的角度区域。偏转驱动马达被控制以使得其小齿轮在经过该区域时仅将减小的力施加在受损齿上（或者根本没有施加力）。当然，具有受损齿的偏转环区域可以覆盖更大的跨度，并且例如可以包括在任一侧的受损齿。通过使用上述示例，具有受损齿的偏转环区域可以覆盖跨越9°的角度区域。

本发明甚至能够覆盖一系列的两个或者更多个连续齿被损坏的情况。例如，连续齿的损坏可能由有缺陷的或者损坏的小齿轮引起。足够大的偏转环区域可以如上所述被限定，并且偏转驱动马达被控制以使得其小齿轮在经过该区域时施加减小的力或者不施加力。

附图说明

通过结合附图考虑的以下详细描述，本发明的其它目标和特征将变得明显。然而，要理解的是，附图仅是为了图示的目的而设计并且不是本发明的限制的定义。

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了直驱风力涡轮机中的偏转组件的侧视图；

图3示出了本发明的风力涡轮机偏转组件的实施例的示意图；

图4示出了本发明的操作风力涡轮机偏转组件的方法的效果；

图5图示了在本发明的方法的实施例中由经过受损齿的小齿轮施加的力；

图6示出了现有技术的操作风力涡轮机偏转组件的方法的效果。

在附图中，相同的数字始终指示相同的物体。附图中的物体不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了直驱风力涡轮机5的机舱中的剖视图。该图示出了安装在塔50上的机舱51。位于机舱的前部的空气动力转子55、56包括安装至毂56的转子叶片55，该毂56使发电机的转子转动。发电机（在图中不可见）安装至支撑结构54。为了能够使机舱51转动以使得空气动力转子面向风，带齿的偏转环被安装至塔，并且多个偏转驱动单元3被设置为使得其小齿轮与偏转环的齿接合。偏转驱动单元3通过偏转基架52牢固地保持就位，偏转基架52能够是支撑结构54的一部分。通过偏转组件的适当设计（偏转环和小齿轮的尺寸、偏转驱动单元的数量、偏转驱动马达的电力等），可以使整个机舱相对于塔非常精确地旋转。

图2示出了图1中描述的类型的偏转组件的侧视图，其更详细地示出了偏转驱动单元3的设置。该图还示出了偏转环2，偏转环2被安装为在外侧接近塔的顶部。每个马达3具有安装在延伸通过偏转基架52的轴上的小齿轮30，并且偏转驱动单元3的主体被固定至基架52。偏转基架52被牢固地安装至基架54。每个偏转驱动单元3进一步包括马达31、齿轮箱32和制动器33。偏转驱动马达31是电动的。为了清楚起见，未示出电源，但是技术人员将熟悉这方面的内容。控制器（同样未示出）致动偏转驱动马达以取决于机舱待旋转的方向顺时针或者逆时针转动小齿轮。控制器还确定小齿轮30的旋转速度和小齿轮转矩。取决于风况、转动过程的速度、程度和频率等，由小齿轮齿施加到偏转环齿上的力能够相当大。偏转环2的齿和小齿轮30的齿因此在风力涡轮机的操作期间受到磨损和损伤。齿能够断裂、破裂或者甚至在一些点处完全折断。断裂或者破碎的齿可以在对偏转组件进行目视检查期间被检测，或者可以由偏转驱动单元的控制器检测。虽然能够用相对少的工作量来替换偏转驱动单元3，但是偏转环2的替换是非常昂贵的操作。

图3示出了本发明的风力涡轮机组件1的实施例的示意图。该图示出了安装至塔50的外偏转环2、以及两组四个偏转驱动单元3的设置。偏转驱动单元3通过偏转基架52保持就位，偏转基架52作为整体与机舱（未示出）一起旋转，并且可以假设具有与上面的图1和图2所示相同的设计。偏转环2是静止的，并且整个机舱（以及偏转基架和偏转组件）相对于静止的偏转环2旋转。偏转环上的齿数在某种程度上取决于偏转环的直径。控制器10保持跟踪偏转驱动单元3的位置。在本发明的风力涡轮机偏转组件1的该示例性实施例中，控制器10被配置为跟踪每个偏转驱动单元3相对于参考的位置。例如，当偏转环2的参考点r2与基架52的参考点r52对准时，可以给出特定的初始配置。本发明采用合适的算法来跟踪偏转驱动单元3，从而使得控制器10能够一直“知道”每个偏转驱动单元3相对于偏转环2上的参考点r2的位置。在本发明的方法中，控制器10也设置有用于任何受损齿、特别是用于偏转环2的任何受损齿的损坏描述符。该图示出了两个这样的受损齿20f、20x：破裂的齿20f和破碎的齿20x（在偏转环2的环绕区域中）。受损齿20f、20x可能在对偏转组件进行目视检查期间已经被检测到，或者在被配置为解释来自偏转驱动单元3的反馈时已经被控制器10检测到。每个受损齿的位置都相对于偏转环2的参考点r2进行表示。

由于偏转驱动单元3的小齿轮是以明确的方式（例如，使用异步马达作为偏转驱动马达）致动的，所以本发明的方法甚至允许控制器10“知道”小齿轮的哪个齿与偏转环2的特定齿接合。利用这种精确的跟踪信息，控制器10能够按照需要向每个单独的偏转驱动单元3发出适当的控制信号以使得其小齿轮施加至受损的偏转环齿上的力最小化。

例如，受损齿20f、20x可以由其相对于参考点r2的角度位置θ20f、θ20x限定。替代地，受损齿20f、20x的位置可以是其相对于基架52的参考点r52的计数。例如，如果在参考点r52处的齿被赋予数字0，则受损齿20f的位置在该示例性实施例中是数字10。在一个实施例中，用于受损齿的损坏描述符d20f、d20x仅包括受损齿的位置，并且控制器10能够别配置为控制偏转驱动单元3，从而使得在偏转环的旋转期间或者在偏转驱动单元被用于将机舱“停放”在特定位置时没有偏转驱动单元在受损齿上施加任何力。

也可以借助于合适的用户界面11将损坏的程度或者严重性输入至控制器10。例如，1与5之间的数字可以限定损坏的严重性，其中，“1”表示轻微破裂并且“5”表示消失的齿或者破碎的齿。在另一实施例中，因此，受损齿的损坏描述符d20f、d20x包括受损齿的位置以及表示损坏的严重性的数字。控制器10能够被配置为控制偏转驱动单元3，以使得在受损齿经过偏转驱动单元的任何时刻，相关的偏转驱动单元仅施加受损齿能够安全承受的力。例如，当1与5之间的数字定义损坏的程度时，控制器10可以适当地控制偏转驱动单元3在损坏被分类为“3”或者更小时在损坏齿上仅施加完整转矩的一部分，并且在损坏被分类为“4”或者更大时不向该齿施加任何力。

图4示出了本发明的操作风力涡轮机偏转组件的方法的效果。该图示出了（大大简化的）偏转环2、两个偏转驱动单元的小齿轮30、以及控制器10。控制器10已经接收到破裂的偏转环齿20f的损坏描述符d20f。控制器10跟踪每个偏转驱动单元和小齿轮相对于偏转环2的每个齿的位置。只要小齿轮不经过受损齿，控制器10将以执行期望旋转所需的速度和转矩控制（多个）相关的偏转驱动单元。这在图中由表示小齿轮施加在健康的偏转环齿20上的完整力f的箭头表示。然而，当小齿轮经过受损齿时，控制器10将降低相关偏转驱动单元的速度和/或转矩，从而使得受损齿20f不受任何进一步的应力。这在图中由表示小齿轮施加在受损偏转环齿20f上的减小的力fmin的箭头表示。

图5示出了在本发明的方法的实施例中在小齿轮经过受损齿时由偏转驱动单元的小齿轮施加到偏转环的齿上的力的示例。之前已经将受损齿的存在通知给了偏转驱动控制器，并且偏转驱动控制器“知道”受损齿在偏转环的区域r中。偏转过程是为了使机舱转动一定度数，该度数由沿x轴跨越的α1至α2表示。偏转驱动控制器向偏转驱动马达发出适当的控制信号，从而使得在小齿轮经过健康齿时，小齿轮将完整力fmax施加至健康齿，但是在小齿轮经过受损齿时，仅将可忽略的力fmin施加至受损齿。

图6示出了现有技术的操作风力涡轮机偏转组件的方法的效果。该图示出了（大大简化的）偏转环2和三个偏转驱动单元的小齿轮30。控制器（未示出）正以执行期望旋转（由旋转箭头表示）所需的速度和转矩操作（多个）偏转驱动单元。当小齿轮经过破裂齿20f时，由小齿轮施加的完整力f甚至进一步将向破裂齿20f施加应力，如在右上侧放大视图中所示的。这样一来，破裂齿20f最终可能完全折断并且变成破碎齿20x，如在右下侧放大视图中所示的。如上所述，可以通过焊接来修复破裂齿，并且可以通过将替换齿焊接到偏转环上或者通过将形状合适的板在偏转环上固定就位来修复破碎齿。然而，这种修复齿是弱元件，并且以通常的方式操作偏转驱动组件的现有技术方法指的是，小齿轮施加的负荷最终将导致修复齿再次失效，从而使偏转环的替换变得不可避免。

尽管已经以优选实施例及其变型例的形式公开了本发明，但是要理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行许多附加改进和改变。例如，本发明的想法可以发现用在转子叶片变距系统中，该转子叶片变距系统使用带齿的变距环和马达驱动的小齿轮来使转子叶片变距。在另一个认识中，可以通过使用步进马达来构造偏转驱动马达。在破裂齿的情况下，偏转驱动单元将被控制为使得其小齿轮在正常速度下旋转，从而使得不良的啮合不会变成问题。

为了清楚起见，要理解的是，在本申请中使用的“一个（a）”或者“一个（an）”不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或者元件。