风力发电用风车的冲击载荷监视系统及冲击载荷监视方法

摘要

本发明涉及一种风力发电用风车的冲击载荷监视系统及冲击载荷监视方法，冲击载荷监视系统具有：加速度传感器（28），安装于与主轴（20）连结的增速器（18）；频率滤波器（30），从由加速度传感器（28）得到的表示加速度的振幅的时间变化的振动数据，提取监视对象的频率范围所包含的监视对象成分；以及判定装置（32），将监视对象成分的加速度的振幅与预先设定的基准值比较，判定加速度的振幅是否超过基准值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电用风车的冲击载荷监视系统及冲击载荷 监视方法。

背景技术

风力发电用风车例如具有立于地面的塔架、设置于塔架之上的机 舱、相对于机舱可旋转地设置的旋翼毂、以及放射状地安装于旋翼毂 的多个叶片。旋翼毂与主轴的一端连结，主轴的另一端侧在机舱内延 伸。主轴由设置于机舱内的主轴承可旋转地支撑。并且，在主轴的另 一端连结有设置于机舱内的增速器，增速器与发电机连结。因此，若 叶片承受风而旋翼毂旋转，则旋转力经由主轴及增速器输入到发电机， 从而发电机发电。

在主轴承及增速器中，有时会因滑动面的磨损而发生异常。因此， 专利文献1公开了轴承的异常检测装置，该异常检测装置具有振动传 感器、频率分析部、存储部以及异常检测部。频率分析部分析由振动 传感器检测出的振动信号的频率而检测固有振动频率，存储部存储检 测出的固有振动频率。具体而言，频率分析部通过高速傅立叶变换从 振动信号求出傅立叶频谱，基于傅立叶频谱检测固有振动频率。异常 检测部基于检测出的固有振动频率的变化来检测轴承的异常。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011－185632号公报

发明内容

例如在被称为北美大陆的大平原的地区，有被称为LLJ（低空急 流）的强风流动于100~150m的低空。LLJ流动时，水平方向的风速在 铅垂方向产生非常大的梯度。即，LLJ流动时，在风力发电用风车的高 度范围内，水平方向的风速产生差（风切变），距地表越远风速越快。

通常，由于旋翼毂的自重，以主轴承为支点，向下的力矩（自重 力矩）作用于风力发电用风车的主轴。通过该自重力矩，主轴一边朝 向下方对主轴承推压，一边稳定地旋转。

然而，由于LLJ引起的风切变的发生，因而碰撞风车的上方的叶 片的风的能量比碰撞风车的下方的叶片的风的能量更大，朝向上方的 力矩（风力矩）作用于主轴的旋翼毂侧。

风力矩对抗自重力矩而以使主轴的旋翼毂侧浮起的方式使主轴瞬 间地倾斜。之后，主轴的旋翼毂侧因风力矩的减少而下落到原来的位 置。

在主轴的旋翼毂侧落下时，冲击载荷施加于主轴的周边装置即支 承主轴的主轴承或与主轴连结的增速器。若冲击载荷反复施加，则主 轴承或增速器的齿轮有可能产生损伤。因此，对施加于主轴的周边装 置的冲击载荷进行监视是重要的。

然而，以往，人们并不知道冲击载荷会因风切变而施加于主轴的 周边装置，从而没有确立冲击载荷的有效的监视方法。例如，即便将 上述现有技术的异常检测装置应用于冲击载荷的监视，也不能够监视 冲击载荷这样的过渡现象。这是因为，冲击载荷在时间轴上以δ函数 的方式表现，另一方面，冲击载荷在频率轴上仅表现为包含所有的频 率成分的常数，并未产生周边装置的固有振动频率的变化。

本发明是鉴于上述的情况而作出的，其目的在于提供一种风力发 电用风车的冲击载荷监视系统以及冲击载荷监视方法，能够监视施加 于风力发电用风车的主轴的周边装置的冲击载荷。

为了达到上述目的，本发明采用如下的方法。

本发明提供一种风力发电用风车的冲击载荷监视系统，其特征在 于，具备：加速度传感器，安装于风力发电用风车的主轴的周边机构； 频率滤波器，从由所述加速度传感器得到的表示加速度的振幅的时间 变化的振动数据，提取监视对象的频率范围所包含的监视对象成分； 以及判定装置，将所述监视对象成分的加速度的振幅与预先设定的基 准值比较，判定所述加速度的振幅是否超过所述基准值。

根据该风车的冲击载荷监视系统，通过频率滤波器从振动数据提 取监视对象成分，通过判定装置比较监视对象成分的加速度的振幅与 基准值。

由于冲击载荷包含频率轴上所有的频率成分，所以周边装置的固 有振动因冲击载荷而被暂时地强烈激发。因此，固有振动的加速度的 振幅瞬间变大。

因此，本发明的风力发电用风车的冲击载荷监视系统通过频率滤 波器从振动数据提取固有振动的监视对象成分，在除去噪声成分之后， 对监视对象成分的加速度的振幅进行监视，从而监视固有振动的加速 度的振幅。根据该风力发电用风车的冲击载荷监视系统，能够在监视 对象成分的加速度的振幅超过基准值的情况下判定为冲击载荷施加于 周边装置。

这样一来，根据该风力发电用风车的冲击载荷监视系统，能够判 定冲击载荷是否施加于主轴的周边装置，能够根据判定结果采取适当 的对策。

作为优选的方式，所述监视对象的频率范围为200Hz以下。

主要的周边装置的固有振动频率处于200Hz以下的范围内。因此， 根据该结构，能够判定冲击载荷是否施加于主要的周边装置，能够根 据判定结果采取适当的对策。

作为优选的结构，在与所述主轴连结的增速器安装有所述加速度 传感器。

根据该结构，能够判定冲击载荷是否施加于增速器，能够根据判 定结果采取适当的对策。

作为优选的结构，在支承所述主轴的主轴承安装有所述加速度传 感器。

根据该结构，能够判定冲击载荷是否施加于主轴承，能够根据判 定结果采取适当的对策。

作为优选的结构，所述判定装置累计所述加速度的振幅超过所述 基准值的次数而计算累积次数，并输出该累积次数。

根据该结构，能够根据累积次数采取适当的对策。

并且，本发明提供一种风力发电用风车的冲击载荷监视方法，其 特征在于，具备：安装工序，将加速度传感器安装于风力发电用风车 的主轴的周边机构；提取工序，从由所述加速度传感器得到的表示加 速度的振幅的时间变化的振动数据，提取监视对象的频率范围所包含 的监视对象成分；以及判定工序，将所述监视对象成分的加速度的振 幅与预先设定的基准值比较，判定所述加速度的振幅是否超过所述基 准值。

根据该风车的冲击载荷监视方法，从振动数据提取监视对象成分， 比较监视对象成分的加速度的振幅与基准值。

由于冲击载荷包含频率轴上所有的频率成分，所以周边装置的固 有振动因冲击载荷而被暂时地强烈激发。因此，固有振动的加速度的 振幅瞬间变大。

因此，本发明的风力发电用风车的冲击载荷监视方法从振动数据 提取固有振动的监视对象成分，在除去噪声成分之后，对监视对象成 分的加速度的振幅进行监视，从而监视固有振动的加速度的振幅。根 据该风力发电用风车的冲击载荷监视方法，能够在监视对象成分的加 速度的振幅超过基准值的情况下判定为冲击载荷施加于周边装置。

这样一来，根据该风力发电用风车的冲击载荷监视方法，能够通 过简单的结构，判定冲击载荷是否施加于主轴的周边装置，能够根据 判定结果采取适当的对策。

根据本发明，提供一种风力发电用风车的冲击载荷监视系统以及 冲击载荷监视方法，能够监视施加于风力发电用风车的主轴的周边装 置的冲击载荷。

附图说明

图1是概略性地表示本发明的第一实施方式的冲击载荷监视系统 适用的风力发电用风车的结构的图。

图2是概略性地表示图1的风力发电用风车所适用的第一实施方 式的冲击载荷监视系统的结构的图。

图3是用于说明冲击载荷的发生机理的图，（a）是表示在没有吹 LLJ时作用于主轴的旋翼毂侧的力矩的图，（c）是表示在吹LLJ时作 用于主轴的旋翼毂侧的力矩的图，（b）是表示在吹LLJ的情况下和在 没有吹LLJ的情况下的水平方向的风速沿铅垂方向的分布的曲线图。

图4是用于说明冲击载荷的发生机理的图，（a）是概略性地表示 在没有吹LLJ时作用于主轴的旋翼毂侧的力矩的时间变化的曲线图， （b）是概略性地表示在吹LLJ时作用于主轴的旋翼毂侧的力矩的时间 变化的图。

图5是用于说明冲击载荷的发生机理的图，（a）是表示主轴的旋 翼毂侧因风力矩而浮起的状态的图，（b）是表示主轴的旋翼毂侧从（a） 的状态落下的状态的图。

图6是概略性地表示发生了冲击载荷时的力的时间变化的曲线 图。

图7（a）是概略性地表示加速度传感器仅检测出图6的冲击载荷 时的信号（δ函数）的图，（b）是概略性地表示与δ函数对应的傅立 叶频谱的图。

图8（a）是概略性地表示加速度传感器输出的振动数据的曲线图， （b）是概略性地表示频率滤波器输出的监视对象成分的曲线图。

图9是表示计算每一年监视对象成分的加速度的振幅超过基准值 的次数而得到的结果的曲线图。

图10是概略性地表示第二实施方式的冲击载荷监视系统的结构 的图。

图11是表示判定装置的输出的变形例的曲线图，（a）是表示每 天或每月加速度超过基准值的次数的曲线图，（b）是表示每天或每月 监视对象成分的最大加速度的曲线图。

附图标记说明

10    风力发电用风车

12    塔架

14    机舱

16    发电机

18    增速器

20    主轴

22    主轴承

24    旋翼毂

26    叶片

28    加速度传感器

30    频率滤波器

32    判定装置

具体实施方式

以下，使用图示的实施方式对本发明进行详细说明。但是，实施 方式所记载的构成元件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有 特别特定性的记载，就并不旨在将该发明的范围仅限定于此。

〔第一实施方式〕

图1是表示风力发电用风车10的概略性的结构的图。

风力发电用风车10例如具备立于地面的塔架12。在塔架12之上 设置有机舱14。在机舱14的内部设置有经由轴15相互连结的发电机 16以及增速器18，主轴20的一端与增速器18连结。增速器18例如 由行星齿轮机构构成。

并且，在机舱14的内部设置有旋转自如地支承主轴20的主轴承 22。主轴20大致水平地延伸，主轴20的前端侧从机舱14突出。

在主轴20的前端固定有旋翼毂24，在旋翼毂24上放射状地安装 有例如3个叶片（翼）26。即，该风力发电用风车10是升力水平轴型 的螺旋桨风车。

若风力发电用风车10的叶片26受到水平方向的风，则旋翼毂24 旋转。旋翼毂24的旋转力经由主轴20、增速器18以及轴15输入到发 电机16，由此发电机16发电。

〔风力发电用风车的冲击载荷监视系统〕

如图2所示，适用于风力发电用风车10的第一实施方式的载荷监 视系统具有配置于机舱14内的加速度传感器（加速度传感元件）28、 频率滤波器30以及判定装置32。但是，频率滤波器30以及判定装置 32也可以配置于机舱14的外部。

增速器18具有壳体34，壳体34通过转矩臂座36被固定为相对 于机舱14不可旋转。加速度传感器28安装于增速器18的壳体34，测 定并输出增速器18的壳体34的振动数据。振动数据是表示加速度的 振幅的时间变化的时序数据，加速度传感器28连续地测定加速度而输 出。例如，加速度传感器28的采样频率为2kHz。

频率滤波器30的输入端子与加速度传感器28的输出端子电连接， 从加速度传感器28向频率滤波器30输入振动数据。频率滤波器30仅 允许被输入的振动数据中包含于监视对象的频率范围的成分（监视对 象成分）通过并输出。即，通过频率滤波器30，除去监视对象的频率 范围外的低频成分以及高频成分。

此外，监视对象的频率范围优选为大于0Hz且在200Hz以下的范 围，更优选为50Hz以上100Hz以下的范围。在作为频率范围仅规定上 限的情况下，能够使用低通滤波器作为频率滤波器30，在规定上限以 及下限的情况下，能够使用带通滤波器作为频率滤波器30。

频率滤波器30的输出端子与判定装置32的输入端子电连接。判 定装置32例如由具有运算装置、存储装置、以及输入输出装置的计算 机构成。从频率滤波器30向判定装置32输入振动数据的监视对象成 分。此外，判定装置32也可以与频率滤波器30构成为一体。

判定装置32将监视对象成分的加速度的振幅与预先设定的基准 值进行比较，判定振幅是否超过基准值。基准值例如设定为0.5G（m/s²）。

而且，优选地，判定装置32例如以年为单位计算加速度的振幅超 过基准值的次数，将算出的次数作为冲击载荷每年的累积次数输出。 判定装置32的输出例如通过通信线路向风力发电用风车10的管理中 心发送。

以下，对第一实施方式的冲击载荷监视系统的功能进行说明。

图3是用于说明风力发电用风车10中由风切变产生的冲击载荷的 发生机理的图。图3（a）表示没有吹LLJ的状态的自重力矩（W·L） 的方向，图3（c）表示吹LLJ的状态下的自重力矩以及风力矩Mw（=F·L） 的方向，图3（b）表示吹LLJ的情况和没有吹LLJ的情况的水平方向 的风速沿铅垂方向的分布。

如图3（b）所示，与没有吹LLJ的情况相比，吹LLJ的情况下水 平方向的风速沿铅垂方向的梯度更大。即，水平方向的风速产生差， 发生风切变。风切变的发生一直以来不能够用安装于风力发电用风车 10的简易型的风速计检测。

在发生了风切变的情况下，与碰撞下方的叶片26的风的能量相 比，碰撞上方的叶片26的风的能量更大。作为该结果，对主轴20产 生将主轴20的旋翼毂24侧向上方抬起的朝上的力F，并瞬间地作用有 朝上的风力矩Mw。

此外，L为旋翼毂24的重心与主轴承22之间的距离，如下式（1） 所示，风力矩Mw与将密度ρ、风速v（z）的平方和高度方向位置z 的乘积在高度方向积分所得到的值成比例。

[式1]

$\mathrm{Mw}\propto {\int }_0^h\rho ·v{\left(z\right)}^2·z·\mathrm{dz}···\left(1\right)$

图4（a）是表示在没有吹LLJ的情况下作用于主轴20的旋翼毂 24侧的力矩M的时间变化的曲线图，图4（b）是表示在吹LLJ的情 况下作用于主轴20的旋翼毂24侧的力矩M的时间变化的曲线图。如 图4（a）所示，在没有吹LLJ而没有发生风切变的情况下，力矩M以 因自重W而产生的自重力矩WL为中心变动，始终为0以下且朝下。 相对于此，如图4（b）所示，在吹LLJ而发生了风切变的情况下，力 矩M将变大与风力矩Mw相应的量而暂时地超过0，且变为朝上。

图5（a）示意性地表示主轴20的旋翼毂24侧因朝上的力矩M而 浮起的状态，图5（b）示意性地表示主轴20的旋翼毂24侧从图5（a） 的状态落下的状态。若如图5（a）所示主轴20的旋翼毂24侧浮起， 则主轴20在主轴承22内在尺寸公差的范围内浮起。并且，增速器18 的主轴20侧的行星齿轮架38以及由行星齿轮架38支承的行星齿轮在 齿圈内在尺寸公差的范围内浮起。

然后，若如图5（b）所示主轴20的前端侧落下，则主轴20与主 轴承22碰撞而施加冲击载荷，并且，在增速器中行星齿轮与齿圈碰撞 而施加冲击载荷。

如图6所示，根据冲击载荷，力瞬间地施加于主轴承22或增速器 18。如果通过加速度传感器28单独检测出这种冲击载荷的情况下，如 图7（a）所示，加速度传感器28的输出信号变为δ函数。而且，在对 δ函数进行了傅立叶变换的情况下，所得到的傅立叶频谱如图7（b） 所示变为在所有的频率成分中为恒定的常数。

因此，在施加了冲击载荷的情况下，主轴20的周边装置的固有振 动频率没有变化，但固有振动被瞬间地激发。

因此，第一实施方式的冲击载荷监视系统通过监视固有振动的激 发来判定冲击载荷是否施加于周边装置。

图8（a）表示加速度传感器28输出的振动数据。频率滤波器30 仅提取并输出振动数据中监视对象的固有振动被包含在内的频率范围 的成分（监视对象成分）。图8（b）是表示频率滤波器30输出的监视 对象成分的内容的曲线图，横轴表示时间且纵轴表示加速度的振幅。

判定装置32将监视对象成分的加速度的振幅与基准值进行比较。 而且，在本实施方式中，如图9所示，判定装置32计算一年间加速度 的振幅超过基准值的次数，将算出的结果作为每年累积次数输出。

这样一来，根据上述的第一实施方式的冲击载荷监视系统以及该 冲击载荷监视系统所执行的冲击载荷监视方法，能够通过简单的结构， 在监视对象成分的加速度的振幅超过基准值的情况下，判定为冲击载 荷施加于增速器18。即，能够在因风切变等风的扰动而风力矩Mw作 用于主轴20，冲击载荷施加于增速器18的情况下，检测出冲击载荷。

而且，风力发电用风车10的管理者能够根据判定结果采取适当的 对策。例如，如图9所示，在一年间的冲击载荷的累积次数超过规定 值的情况下，管理者能够预测增速器18中的损伤发生。而且，管理者 能够抑制风力发电用风车10的输出并降低增速器18的负荷以防止损 伤发生。

〔第二实施方式〕

以下，参照附图对第二实施方式的冲击载荷监视系统进行说明。 此外，对于与第一实施方式相同或类似的结构，附上相同的附图标记 并省略详细的说明。

如图10所示，第二实施方式的冲击载荷监视系统与第一实施方式 的冲击载荷监视系统不同点仅在于加速度传感器28安装于主轴承22。

根据第二实施方式的冲击载荷监视系统，能够判定冲击载荷是否 施加于主轴承22，能够根据判定结果采取适当的对策。

本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的宗旨 的范围内适当变更。

例如，在上述的第一实施方式以及第二实施方式中，加速度传感 器28安装于增速器18以及主轴承22中的一方，但也可以安装于两者。 即，加速度传感器28的数量并不限定于一个。

并且，关于安装加速度传感器28的对象，只要是主轴20的周边 装置即支承主轴20的装置或与主轴20连结的装置即可，并不限定于 主轴承22以及增速器18。例如，在主轴20与发电机16直接连结的情 况下，也可以将加速度传感器28安装于发电机16。或者，在主轴20 与液压泵连结的情况下，也可以将加速度传感器28安装于液压泵。而 且，增速器18并不限定于行星齿轮机构，也可以是液压传动装置。

而且，上述的第一实施方式以及第二实施方式的冲击载荷监视系 统也可以与现有利用了傅立叶变换的异常检测装置并用。即，也可以 同时地监视固有频率的变化。

并且，上述的第一实施方式以及第二实施方式中，判定装置32也 可以如图11所示每天或每月地计算加速度的振幅超过基准值的次数， 将算出的结果作为每天或每月的累积次数输出。即，并不特别限定计 算加速度的振幅超过基准值的次数的期间。并且，在不限定期间地计 算加速度的振幅超过基准值的次数，算出的结果（总计累积次数）超 过预先设定的基准值时，也可以输出报告总计累积次数超过基准值这 一情况的信号（警报）。

另一方面，判定装置32也可以如图11（b）所示例如每天或每月 地测定该期间中的加速度的最大的振幅（最大加速度），输出测定到 的最大加速度的时序数据。而且，判定装置32也可以例如每十分钟地 测定该期间中的加速度的最大的振幅（最大加速度），在加速度超过 1G的情况下输出振动数据的监视对象成分的频谱。