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1、(10)申请公布号 CN 103998774 A (43)申请公布日 2014.08.20 C N 1 0 3 9 9 8 7 7 4 A (21)申请号 201280063433.0 (22)申请日 2012.10.24 11195347.7 2011.12.22 EP F03D 11/00(2006.01) F03D 7/02(2006.01) (71)申请人西门子公司 地址德国慕尼黑 (72)发明人 B.佩德森 K.汤姆森 (74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人李涛 傅永霄 (54) 发明名称 用于操作风力涡轮机的方法 (57) 摘要 用于操作风力涡轮机(。
2、1)的方法，所述风力 涡轮机(1)包括至少一个发电机(4)和借助于至 少一个滑动轴承(7)相对于彼此被可旋转地支承 的至少两个部件，由此使得指示所述风力涡轮机 (1)的操作状态的所述风力涡轮机(1)的至少一 个操作状态信息(I)被确定，其中如果所述至少 一个操作状态信息(I)指示所述风力涡轮机(1) 的起动或停机，则所述发电机(4)作为用于驱动 所述风力涡轮机(1)的电动机被操作。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.06.20 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2012/071041 2012.10.24 (87)PCT国际申请的公布数据 WO20。
3、13/091950 EN 2013.06.27 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103998774 A CN 103998774 A 1/1页 2 1. 用于操作风力涡轮机(1)的方法，所述风力涡轮机(1)包括至少一个发电机(4)和 借助于至少一个滑动轴承(7)相对于彼此被可旋转地支承的至少两个部件，由此使得指示 所述风力涡轮机(1)的操作状态的所述风力涡轮机(1)的至少一个操作状态信息(I)被确 定，其中如果所述至少一个操作状态信息(I)指。
4、示所述风力涡轮机(1)的起动或停机，则所 述发电机(4)作为用于驱动所述风力涡轮机(1)的电动机被操作。 2. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过考虑所述风力涡轮机(1)的至少一个操作 参数来确定所述操作状态信息(I)。 3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述风力涡轮机(1)的所使用操作参数是或指 示在所述风力涡轮机(1)的所述或其它可旋转部件上的扭矩、和/或所述风力涡轮机(1) 的所述或其它可旋转部件的旋转速度、和/或所述至少一个滑动轴承(7)的润滑状态特别 是所述润滑剂的膜厚、和/或风速。 4. 根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述操作状态信息(I)通过考虑所述风力 涡轮机(1)。
5、的至少一个可旋转部件特别是所述风力涡轮机(1)的中心轴(6)的旋转速度， 来指示所述风力涡轮机(1)的起动，由此在所述部件的旋转速度处于从0rpm到给定阈值 rpm(n crit )范围的给定区间中时指示启动。 5. 根据权利要求4所述的方法，其中，当所述可旋转部件的旋转速度高于所述给定阈 值rpm(n crit )时，在所述风力涡轮机(1)的起动期间，转子叶片俯仰角控制器件(14)调节所 述风力涡轮机(1)的转子叶片的俯仰角，以便增加风在所述转子叶片上的冲角。 6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述操作状态信息(I)通过考虑所 述风力涡轮机(1)的至少一个可旋转部件特别是所述风。
6、力涡轮机(1)的中心轴(6)的旋 转速度，来指示所述风力涡轮机(1)的停机，由此在所述部件的旋转速度处于从给定阈值 rpm(n crit )到0rpm范围的给定区间中时指示停机。 7. 根据权利要求6所述的方法，其中，当所述可旋转部件的旋转速度低于所述给定阈 值rpm(n crit )时，在所述风力涡轮机(1)的停机期间，转子叶片俯仰角控制器件(14)调节所 述风力涡轮机的转子叶片的俯仰角，以便降低风在所述转子叶片上的冲角。 8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，风速被确定，由此使得当所述风力 涡轮机(1)将要开始其操作且风速低于给定风速阈值时，延迟所述风力涡轮机(1)的起动， 直到。
7、风速高于阈值风速。 9. 风力涡轮机(1)，特别是直接驱动型风力涡轮机，包括至少一个发电机(4)、借助于 至少一个滑动轴承(7)相对于彼此被可旋转地支承的至少两个部件、和适于执行根据前述 权利要求中任一项所述的方法的控制单元(13)。 权 利 要 求 书CN 103998774 A 1/5页 3 用于操作风力涡轮机的方法 0001 本发明涉及一种用于操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括至少一个发电 机和借助于至少一个滑动轴承相对于彼此被可旋转地支承的至少两个部件，由此使得指示 所述风力涡轮机的操作状态的所述风力涡轮机的至少一个操作状态信息被确定。 0002 公知的是为相对于彼此被可旋转地支。
8、承的风力涡轮机的部件提供滑动或普通轴 承，而不是常规的滚动轴承。滑动轴承比起滚动轴承显示出优点，特别是在机械行为和寿命 方面。 0003 然而，相应滑动轴承显示出相对较高的静摩擦或所谓的静态摩擦，即用以在静止 的相应滑动轴承中发起运动所需的作用力相对较高。具体地，当在风力涡轮机中使用相应 滑动轴承作为主轴承时，必须施加高作用力或高扭矩来开始风力涡轮机的操作，即特别是 开始传动系的旋转，以便迫使相应滑动轴承处于流体动力润滑的所需状态。 0004 传统上，风能被利用来在风力涡轮机的起动期间克服高静摩擦。然而，在以下时候 的情况中可能发生问题：风能不足和/或甚至不足以迫使风力涡轮机的转子叶片旋转，即。
9、 迫使相应滑动轴承处于流体动力润滑的所需状态时。甚至是在具有转子叶片的叶片俯仰角 的支持控制的情况下，在无风或无力不均、阵风情况中可能难以起动风力涡轮机。 0005 本发明的目的是在考虑滑动轴承的高静摩擦的情况下提供一种用于操作风力涡 轮机的改善方法。 0006 该目的通过最初给出的方法得以创造性地实现，其中如果至少一个操作状态信息 指示风力涡轮机的起动或停机，则发电机作为用于驱动风力涡轮机的电动机被操作。 0007 本创造性原理提出在风力涡轮机的起动和停机期间将发电机用作电动机。在考虑 风力涡轮机的(当前或预期)操作状态的情况下，通过相应操作状态信息来确定风力涡轮 机的起动和停机。 0008。
10、 操作状态信息本质上代表风力涡轮机的所有类型的可能操作状态，其可以基本上 分类为起动状态、操作状态和停机状态。由此，起动状态通常涉及这样一种状态，其中风力 涡轮机的转子毂开始运动，从静止即0rpm(每分钟转数)或仅数rpm到阈值rpm。风力涡轮 机的操作状态通常覆盖高于前述阈值rpm的大范围的rpm。风力涡轮机的停机状态通常与 起动状态相反地开始，从阈值rpm到仅数rpm或风力涡轮机的静止，即0rpm。 0009 因此，需要一定量的电力来在风力涡轮机的起动和停机期间将发电机用作电动 机。发电机是一种电机，其可用于通过应用一定的运动来生成电力，或者通过应用电力来生 成一定的运动。发电机在风力涡轮。
11、机的所有其它操作状态期间被用作用于产生电力的常规 发电机，风力涡轮机的起动或停机期间除外。 0010 通过协调地使用发电机作为电动机，风力涡轮机的柔和、平稳起动和停机是可行 的。逆转操作的发电机即电动机的适当控制克服滑动轴承的静态摩擦影响，进一步避免在 风力涡轮机的结构内生成和传播振动和/或振荡，其通常发生于风力涡轮机的起动或停机 期间。 0011 操作状态信息通常由就中心风力涡轮机控制器或类似物而言的控制单元确定。由 此，相应的起动信号或停止信号可以被输入至控制单元，以便发起或执行风力涡轮机的起 说 明 书CN 103998774 A 2/5页 4 动或停机。 0012 借助于相应滑动轴承相。
12、对于彼此被可旋转地支承的可能部件可以是可旋转的轴 特别是主轴、发电机的转子的转子支承件、相对于它们的纵向轴线可旋转的转子叶片、转子 毂的部件等。 0013 优选的是：通过考虑所述风力涡轮机的至少一个操作参数来确定所述操作状态 信息。由此，所述风力涡轮机的所使用操作参数可以是或可以指示在所述风力涡轮机的所 述或其它可旋转部件上的扭矩、和/或所述风力涡轮机的所述或其它可旋转部件的旋转速 度、和/或所述至少一个滑动轴承的润滑状态特别是所述润滑剂的膜厚、和/或风速。因此， 所提及的参数允许广泛且确切地确定操作状态信息，其是用于控制和/或监测风力涡轮机 的起动和停机的基础。 0014 由此，风力涡轮机的。
13、相应部件比如轴等的运动所涉及的扭矩、旋转速度或任何其 它参数被视为用于风力涡轮机的相应操作状态的指标。在此背景中，与相应基准值相比，零 或很少的扭矩或旋转速度可以指示风力涡轮机的静止状态或没有恰当的操作，即风力涡轮 机基本已准备好起动。因此，相应的很少的扭矩或旋转速度可以被用作用于执行风力涡轮 机的起动的初始信号。 0015 此外，相应的可旋转部件的旋转速度关联于或者可以关联于就润滑剂比如油、油 脂或类似物的膜厚的指标而言的支承相应部件的相应滑动轴承的润滑状态。基本上，高的 旋转速度指示良好的流体动力润滑，其高润滑剂膜厚完全分离相对于彼此移动的可旋转部 件的相应表面，比如特别是相应(滑动)支承。
14、表面，而相对较低的旋转速度指示相对较低的 润滑膜厚，以及相对于彼此移动的可旋转部件的相应表面比如特别是相应(滑动)支承表 面之间的可能接触。 0016 此外，了解风速和/或风向是用于指示风力涡轮机的操作状态的恰当手段，其中 相应的高特别是均匀的风速可以指示用于起动风力涡轮机的良好状况，而低风速可以指示 用于停止风力涡轮机的良好状况。 0017 所有举出的参数可以由围绕风力涡轮机分布的适当传感器器件确定，所述传感器 器件优选地与风力涡轮机的中央控制单元通信。 0018 可能的是：所述操作状态信息通过考虑所述风力涡轮机的至少一个可旋转部件特 别是所述风力涡轮机的中心轴的旋转速度来指示所述风力涡轮机。
15、的起动，所述中心轴通常 即为直接连接附接有相应转子叶片的转子毂与发电机的转子的轴，由此在所述部件的旋转 速度处于从0rpm到给定阈值rpm范围的给定区间中时指示启动。因此，风力涡轮机的起动 是指旋转速度的一定区间，该区间包含0rpm到相应的给定阈值rpm，其必须对于每种类型 的风力涡轮机单独地定义。 0019 由此，以下时候是有利的：当所述可旋转部件的旋转速度高于所述给定阈值rpm 时，在所述风力涡轮机的起动期间，转子叶片俯仰角控制器件调节所述风力涡轮机的相应 转子叶片的俯仰角，以便增加风在所述转子叶片上的冲角。这样，风能在风力涡轮机的起动 期间或紧接之后可以被充分利用，以便支持风力涡轮机的转。
16、子叶片的旋转，其俯仰角被动 态地调节以借助于转子叶片俯仰角控制器件使来自风的扭矩最大化。因此，风能在该情况 下支持风力涡轮机的驱动。通过协调地增加风在转子叶片上的冲角，风能对转子毂的旋转 速度的影响得到增加，从而允许从风力涡轮机的静止状态向风力涡轮机的操作即向风力涡 说 明 书CN 103998774 A 3/5页 5 轮机的平稳起动的平稳过渡。 0020 转子叶片的俯仰角是用以指示风力涡轮机的转子叶片的冲角的手段，即主要限定 出直接暴露于风的转子叶片的区域的大小。 0021 同样地，所述操作状态信息可以通过考虑所述风力涡轮机的至少一个可旋转部件 特别是所述风力涡轮机的中心轴的旋转速度，来指示。
17、所述风力涡轮机的停机，由此在所述 部件的旋转速度处于从给定阈值rpm到0rpm范围的给定区间中时指示停机。因此，类似于 风力涡轮机的起动，风力涡轮机的停机也是指旋转速度的一定区间，该区间包含必须对于 每种类型的风力涡轮机单独地定义的相应给定阈值rpm到0rpm。 0022 与风力涡轮机的起动类似，可能的是：当所述可旋转部件的旋转速度低于所述给 定阈值rpm时，在所述风力涡轮机的停机期间，转子叶片俯仰角控制器件调节所述风力涡 轮机的转子叶片的俯仰角，以便降低所述转子叶片的风的冲角。通过协调地降低风在转子 叶片上的冲角，风能对转子毂的旋转速度的影响得到降低，从而允许从风力涡轮机的操作 向风力涡轮机。
18、的停机的平稳过渡。 0023 在任一情况下，风力涡轮机的中央控制单元和/或转子叶片俯仰角控制器件优选 地与相应的风传感器通信，所述风传感器指示多个风参数，比如风速和/或风向等。风力涡 轮机的中央控制单元和/或转子叶片俯仰角控制器件也可以与提供关于天气和/或风预报 或者天气和/或风预后(prognoses)的信息的装置通信。相应信息可以被传输至风力涡轮 机的发电机。 0024 根据本发明的再一实施例，风速被确定，由此使得当所述风力涡轮机将要开始其 操作且风速低于给定风速阈值时，延迟所述风力涡轮机的起动，直到风速高于阈值风速值。 发源于风力涡轮机的静止状态，风力涡轮机的起动被设定为这样的风况，其具。
19、有适当的风 速条件，允许风能支持风力涡轮机的驱动。这样，风力涡轮机的起动性能可以得到改善，特 别是在克服相应滑动轴承的静摩擦方面。由此，对相应滑动轴承的降低的磨损影响是积极 的副作用。 0025 适当的风速条件可以被存储在存储介质中，并且可以被考虑来用于风力涡轮机的 预期起动。这样，可以确保的是：风力涡轮机的预期起动将被成功地执行。 0026 此外，本发明涉及一种风力涡轮机，特别是直接驱动型风力涡轮机，其包括至少一 个发电机、借助于至少一个滑动轴承相对于彼此被可旋转地支承的至少两个部件、和适于 执行前述方法的控制单元。关于所述创造性方法的所有注解也适用于本创造性风力涡轮 机。 0027 下面，。
20、将详细描述本发明，其中将参考原理性附图。其中， 图1示出了根据本发明一示例性实施例的风力涡轮机的原理图； 图2示出了根据本发明一示例性实施例的关于风力涡轮机的起动的创造性方法的方 案； 图3示出了曲线图，其根据一示例性实施例对于风力涡轮机的起动示出了转子毂的 rpm对风速； 图4示出了根据一示例性实施例的关于风力涡轮机的停机的创造性方法的方案；并且 图5示出了曲线图，其根据一示例性实施例对于风力涡轮机的停机示出了转子毂的 rpm对风速。 说 明 书CN 103998774 A 4/5页 6 0028 图1示出了根据本发明一示例性实施例的风力涡轮机1的原理图。风力涡轮机1 包括机舱2，其设置在塔。
21、构造3上。机舱2容纳发电机4，其直接连接至转子毂5，借助的是 中心轴、直接轴或主轴6，其借助于滑动轴承7(普通轴承)相对于发电机4的非旋转部件比 如定子被可旋转地支承。转子毂5包括附接于此的多个转子叶片6。如箭头8指示的，转子 叶片6可以围绕它们的纵向轴线借助于转子叶片俯仰控制器件14旋转。风力涡轮机1设 置或锚定于地面或海面。 0029 风力涡轮机1设置有数个传感器9-12。其中，传感器9能够确定转子毂5的旋转 速度，传感器10能够确定轴6上的扭矩，传感器11能够确定滑动轴承7的润滑剂的膜厚， 即滑动轴承7的润滑状态，而传感器12能够确定风速和/或风向。 0030 传感器9-12以及发电机4。
22、和转子叶片俯仰控制器件14与就中心风力涡轮机控制 器而言的控制单元13通信。控制单元13能够确定操作状态信息I，其基于传感器9-12的 信号指示风力涡轮机1的操作状态。 0031 图2示出了根据一示例性实施例与风力涡轮机1起动期间的创造性方法相关的方 案。在该情况下，风力涡轮机1首先不进行操作，即转子毂5不旋转，因此发电机4不产生 电力。在步骤S1中，向控制单元13输入或在控制单元13中生成指示风力涡轮机1的起动 的操作状态信息I。操作状态信息I通常考虑风力涡轮机1的当前操作参数，比如主轴6和 /或转子毂5的旋转速度等。此外，操作状态信息I可以考虑天气条件，即适当的风速等，其 适于风力涡轮机1。
23、的起动。 0032 如从对于风力涡轮机1的起动示出了转子毂5的单位为rpm的旋转速度(y轴)对 时间(x轴)的曲线图的图3可辨识出的，操作状态信息I可以指示风力涡轮机1的起动， 方法是通过考虑风力涡轮机1的至少一个可旋转部件特别是风力涡轮机1的主轴6的单位 为rpm的旋转速度。由此，当部件即主轴6的旋转速度处于从0rpm到给定阈值rpm n crit 范 围的给定区间中时，指示风力涡轮机1的起动。主轴6的最大许容旋转速度被表示为n max 。 主轴6的给定阈值rpm n crit 和最大许容旋转速度即主轴6的最大许容rpm n max 对于风力涡 轮机1的个体类型被单独地定义。 0033 基于。
24、指示风力涡轮机1的起动的操作状态信息I，控制单元13控制发电机4，以便 作为电动机进行操作，来驱动风力涡轮机1，即主轴6(参照步骤S2)。即，发电机4将不产 生电力而是消耗电力来提供风力涡轮机1的协调且平稳的起动，其特别有利于克服滑动轴 承7的高静摩擦(静态摩擦)，以便引起静置滑动轴承7的旋转运动。因此，避免了或者至 少降低了在滑动轴承7的旋转开始期间可能在风力涡轮机1的结构中引入振动和/或振荡 的相应粘滑运动影响或其它可能影响。 0034 参考图3，由在风力涡轮机1的起动期间作为电动机操作的发电机4输入的电力被 表示为-E。在t=t 0 时，风力涡轮机1由逆转操作的发电机4驱动，直到阈值rp。
25、m n crit 被 达到。这时，即当主轴6的旋转速度高于给定阈值rpm n crit 时，控制单元13致动转子叶片 俯仰控制器件14，来调节转子叶片的俯仰角，以便增加风在转子叶片上的冲角(参照步骤 S3)。因此，风能被充分利用，以进一步驱动风力涡轮机1。如果风能足够高以驱动风力涡轮 机1高于给定阈值rpm n crit ，即风速高于临界值v crit ，比如在t=t 1 时，控制单元致动发电机 4，以产生电力(表示为+E)，因为风力涡轮机1的起动已完成，并且风力涡轮机1的恰当 操作是可能的(参照步骤S4)。 说 明 书CN 103998774 A 5/5页 7 0035 一般来说，可能的是：。
26、当风力涡轮机1将要开始其操作且风速低于给定风速阈值 时，风力涡轮机1的起动可能被延迟，直到风速高于风速阈值。相应的阈值风速可以是v crit ， 如前面提及的。这样，得到确保的是：风力条件允许驱动风力涡轮机1高于阈值rpm n crit ， 即风强到足以驱动风力涡轮机1高于阈值rpm n crit 。 0036 相反原理可适用于风力涡轮机1的停机(参照图4、5)。在步骤S5中，向控制单元 13输入或在控制单元13中生成操作状态信息I。操作状态信息I可以考虑例如风速，使得 风力涡轮机1的停机可以旨在用于例如相对较低的风速。首先，控制单元13致动转子叶片 俯仰控制器件14，以便旋转转子叶片，来降低。
27、风在转子叶片上的冲角，这是在发电机4仍然 生成电力(+E)的同时降低转子毂5的旋转速度(参照步骤S6)的一种措施。这可能发 生在时间t=t 2 时。 0037 在主轴6的下降rpm(参照图5)接近阈值rpm n crit 的情况下，发电机4的电力输 出(+E)也降低。一旦中心轴6的旋转速度低于阈值rpm n crit ，即图5中时间t=t 3 ，控制单 元13停止由发电机4产生电力，并致动发电机4以作为电动机操作(参照步骤S7)。电动 机进一步以协调且平稳的方式降低主轴6的旋转速度，以便提供从主轴6和转子毂5的旋 转运动到静止的平稳过渡，而不发生相应的振动和/或振荡(参照步骤S8)。因此，逆转。
28、操 作的发电机4用于以“驻停模式”使风力涡轮机1的转子毂5“驻停”。在该情况下，逆转操 作的发电机4消耗电力，其被表示为-E。 0038 创造性原理允许风力涡轮机1的受控起动和停机，而没有或至少减少结构振动和 /或振荡，特别是在风速相对较低时的起动和停机情况期间。这样，相应滑动轴承7的磨损 被降低，特别是在相应滑动轴承7的慢速旋转速度期间。这基于以下事实：流体动力润滑状 态通过协调地支持相应滑动轴承7的旋转而达成，借助的是就电动机而言的被逆转操作的 发电机4。总而言之，通过本创造性原理可以改善风力涡轮机1的操作和寿命。 0039 尽管已经参考优选实施例详细描述了本发明，但是本发明并不受限于所公开的示 例，从这些示例，本领域的技术人员能够推导出其它变型，而不背离本发明的范围。 说 明 书CN 103998774 A 1/5页 8 图 1 说 明 书 附 图CN 103998774 A 2/5页 9 图 2 说 明 书 附 图CN 103998774 A 3/5页 10 图 3 说 明 书 附 图CN 103998774 A 10 4/5页 11 图 4 说 明 书 附 图CN 103998774 A 11 5/5页 12 图 5 说 明 书 附 图CN 103998774 A 12 。