محركان دواران، مشكلتان هندسيتان مختلفتان تماماً
تستخدم توربينات الرياح نوعين من علبة تروس كوكبية ذات محرك دوار وعلى الرغم من تشابه بنية التروس الأساسية، إلا أنها تحل مشاكل هندسية مختلفة تمامًا. يُعد فهم هذا الاختلاف ضروريًا لتحديد المواصفات، لأن علبة التروس المصممة لتطبيق الانعراج ستفشل في تطبيق الميل (والعكس صحيح) حتى لو بدت قيم عزم الدوران متوافقة.
يدور المحرك بالكامل (المولد، علبة التروس، الدوار - بوزن إجمالي يتراوح بين 150 و400 طن) حول محور البرج الرأسي لمواجهة الرياح. يعمل من 20 إلى 80 مرة يوميًا، ويدور من 5 إلى 180 درجة في كل مرة. يجب أن يحافظ على المحرك في مواجهة عزم الانحراف الناتج عن الرياح والذي يتراوح بين 3 و8 ميغا نيوتن متر بين الحركات. السرعة: من 0.3 إلى 0.6 درجة في الثانية. التكوين النموذجي: من 4 إلى 8 محركات انحراف حول محمل قمة البرج، كل منها متشابك مع ترس حلقي داخلي.
يدور كل شفرة على حدة (من 10 إلى 30 طنًا، ومن 50 إلى 80 مترًا) حول محورها الطولي لتغيير زاوية الهجوم. يعمل باستمرار أثناء إنتاج الطاقة، ويضبط الزاوية من 0.1 إلى 5 درجات في الثانية. يجب أن تُضبط زاوية الشفرة إلى 90 درجة خلال 5 إلى 10 ثوانٍ أثناء الإيقاف الطارئ. ثلاثة محركات مستقلة لتغيير زاوية الشفرة لكل توربين (محرك واحد لكل شفرة). أمر بالغ الأهمية للسلامة: قد يؤدي عدم ضبط زاوية أي شفرة أثناء العاصفة إلى تدمير الدوار.
علبة تروس كوكبية ذات محرك دوران. في توربينات الرياح، تعمل 4 إلى 8 محركات انحراف و3 محركات ميل بشكل مستمر لمدة تصميم تبلغ 25 عامًا - وهي أطول مدة خدمة مطلوبة لأي تطبيق محرك دوران.
هندسة محركات التوجيه - تحمل 200 طن في مواجهة الرياح
يتكون نظام التوجيه في توربينات الرياح الحديثة التي تتراوح قدرتها بين 3 و6 ميغاواط من 4 إلى 8 علب تروس كوكبية دوارة مثبتة حول الحافة العلوية للبرج، حيث تقوم كل علبة بتدوير ترس صغير يتعشق مع ترس حلقي داخلي كبير (محمل التوجيه). عند تغير اتجاه الرياح، يُصدر جهاز التحكم في التوجيه أوامر لبعض أو كل علب التروس لتدوير غلاف التوربين. وعندما يصل غلاف التوربين إلى الزاوية المطلوبة، تتوقف علب التروس ويتم تفعيل مكابح التوجيه لتثبيت الوضع.
| فئة التوربينات | غطاء المحرك (t) | محركات التوجيه | عزم الدوران (مليون نيوتن متر) | عزم الدوران/الدفع |
|---|---|---|---|---|
| 2-3 ميغاواط على اليابسة | 80 – 130 | 4 | 2 – 4 | 8000 – 15000 نيوتن متر |
| 4-6 ميغاواط برية | 150 – 250 | 6 | 4 – 8 | 12000 – 22000 نيوتن متر |
| 8 – 15 ميغاواط بحرية | 300 – 600 | 8 | 6 – 15 | 18000 – 35000 نيوتن متر |
لماذا استخدام عدة أقراص تخزين بدلاً من قرص واحد كبير؟ إن استخدام 4 إلى 8 محركات دوران أصغر بدلاً من محرك واحد كبير يوفر التكرار (لا يزال بإمكان الغلاف الدوران في حالة تعطل أحد المحركات)، ويوزع حمل الترس الصغير حول ترس حلقة الدوران لتآكل متساوٍ للأسنان، ويسمح باستبدال كل محرك على حدة دون إزالة الغلاف - وهي ميزة لوجستية بالغة الأهمية على ارتفاعات المحور التي تزيد عن 100 متر حيث تبلغ تكلفة الوصول إلى الرافعة 50000 دولار أمريكي في اليوم.
آليات تشغيل التروس الكوكبية. تستخدم محركات توجيه توربينات الرياح تخفيضات كوكبية من مرحلتين إلى ثلاث مراحل بنسب تتراوح من 600:1 إلى 1800:1 - وهي أعلى النسب في أي تطبيق لمحركات الدوران.
هندسة محرك تغيير زاوية ميل الشفرات - محرك الدوران ذو الأهمية البالغة للسلامة والذي يمنع تدمير التوربينات
يقوم نظام تغيير زاوية ميل الشفرات بتدوير كل شفرة حول محورها الطولي. أثناء إنتاج الطاقة بشكل طبيعي، يقوم هذا النظام بضبط زاوية الشفرات باستمرار، مُحسّنًا سرعة الدوران للحفاظ على إنتاج الطاقة المُصنّف مع تقلبات سرعة الرياح. أما أثناء الإيقاف الطارئ (نتيجة انقطاع التيار الكهربائي، أو زيادة السرعة، أو هبوب رياح قوية)، فيجب على نظام تغيير زاوية ميل الشفرات أن يُعيد ضبط زاوية الشفرات الثلاث إلى 90 درجة خلال 5 إلى 10 ثوانٍ، وذلك بتدوير كل شفرة، التي يتراوح وزنها بين 10 و30 طنًا، بزاوية 90 درجة في مواجهة قوى الديناميكا الهوائية وقوى الطرد المركزي.
تتيح وظيفة ضبط زاوية ميل الريشة في حالات الطوارئ هذه استخدام محرك الرمية فقط السلامة الحرجة محرك الدوران في توربينات الرياح - وهو أحد صناديق التروس الكوكبية القليلة ذات الأهمية البالغة للسلامة في أي صناعة. إذا لم يتمكن محرك تغيير زاوية ميل الشفرة من ضبطها، يستمر الدوار في التسارع في الرياح العاتية حتى يتم تجاوز الحدود الميكانيكية. وتتراوح العواقب من تلف الشفرة إلى انهيار هيكلي كامل للبرج.
متطلبات التكرار: تتطلب معايير التوربينات الحديثة (IEC 61400) مصدر طاقة مستقل لكل محرك تغيير زاوية الشفرات - عادةً محركات كهربائية مدعومة ببطاريات أو مراكم هيدروليكية - لضمان إمكانية تغيير زاوية الشفرات في حالات الطوارئ حتى في حال انقطاع التيار الكهربائي الرئيسي. يجب أن يكون كل محرك من محركات تغيير زاوية الشفرات الثلاثة قادرًا على تغيير زاوية شفراته بشكل مستقل. كما يجب أن تعمل علبة التروس الكوكبية الخاصة بمحرك الدوران تحت طاقة البطارية (جهد منخفض، سرعة منخفضة) بنفس كفاءة عملها تحت الطاقة الرئيسية.
تطبيق محرك الدوران. يجب أن تعمل محركات تغيير زاوية ميل الشفرات في المحور الدوار - المعرضة للصواعق والاهتزازات ودرجات الحرارة القصوى لمدة 25 عامًا دون استبدال مجدول.
عمر تصميمي يبلغ 25 عامًا - التحدي الهندسي الذي يميز محركات توربينات الرياح عن غيرها
صُممت محركات دوران رافعات البناء لتعمل لمدة تتراوح بين 10000 و20000 ساعة. أما محركات جنزير الحفارات، فتستهدف العمل لمدة تتراوح بين 8000 و12000 ساعة. ويجب أن تعمل محركات توجيه توربينات الرياح بكفاءة عالية. من 150,000 إلى 220,000 ساعة — 25 عامًا مع توفر من 70 إلى 100% — دون الحاجة إلى استبدال علبة التروس بشكل دوري. هذا العمر التصميمي الأطول من 10 إلى 20 مرة مقارنةً بمعدات البناء هو ما يوجه كل قرار هندسي في مواصفات علبة التروس.
العمر الافتراضي القياسي لمحامل L10 في علب تروس الإنشاءات: من 10,000 إلى 20,000 ساعة. أما متطلبات L10 لمحركات توجيه توربينات الرياح فهي: 175,000 ساعة كحد أدنى (25 عامًا عند توفر 80%). هذا يعني أن حجم المحمل ونوعه ومادة التشحيم المستخدمة يجب أن توفر عمرًا افتراضيًا L10 أطول من 9 إلى 17 مرة مقارنةً بنظيراتها في الإنشاءات، وغالبًا ما يتطلب ذلك محامل أكبر بمقاس أو مقاسين مما يقتضيه عزم الدوران وحده.
بمعدل 50,000 حركة انحراف سنويًا على مدى 25 عامًا، يتحمل كل سن من أسنان التروس الكوكبية 1.25 مليون دورة إجهاد تلامس. يجب أن تُخفّض مادة التروس والمعالجة الحرارية إجهاد سطح السن إلى ما دون حد التحمل غير المحدود للفولاذ المُقسّى سطحيًا 20CrMnTi أو 18CrNiMo7-6، وليس فقط إلى ما دون حد الإجهاد البالغ 10,000 ساعة المستخدم في محركات البناء. يتطلب هذا عادةً تروسًا من الفئة DIN 5 ذات جوانب مصقولة بدقة فائقة.
لا يمكن لأي شحم محكم الإغلاق أن يدوم 25 عامًا. تستخدم محركات دوران توربينات الرياح أنظمة إعادة تزييت أوتوماتيكية تُضخ الشحم الجديد إلى علبة التروس على فترات زمنية محددة مسبقًا، عادةً كل 2000 إلى 4000 ساعة. يجب تصميم علبة التروس لإعادة التزييت بالشحم (وليس بالزيت) لأن وضعية التركيب تتغير مع دوران المحرك. يجب أن يتحمل الشحم نطاق تشغيل من -40 إلى +80 درجة مئوية، وأن يقاوم التآكل الناتج عن تكثف الماء عند مستوى محور الدوران.
الظروف البيئية المتطرفة - العمل عند تقاطع كل تحديات المناخ
على ارتفاع يزيد عن 100 متر فوق سطح الأرض، تتعرض حاضنة توربينات الرياح لظروف بيئية لا تواجهها أي آلة أرضية. يجب أن يعمل محرك الدوران في جميع الظروف في آن واحد - يجب أن تتحمل علبة تروس واحدة درجات حرارة تصل إلى -40 درجة مئوية ليلاً و+50 درجة مئوية ظهيرة صيفاً، بالإضافة إلى رذاذ الملح وتراكم الجليد، وضربات البرق والأشعة فوق البنفسجية، كل ذلك في نفس المنشأة لمدة 25 عاماً.
تعمل التوربينات البرية في المناخات الباردة في الدول الاسكندنافية وكندا وشمال الصين حتى درجة حرارة -40 درجة مئوية. أما توربينات الصحراء في الشرق الأوسط وأستراليا فتصل درجة حرارتها المحيطة إلى +50 درجة مئوية، مع درجات حرارة داخلية في غلاف المحرك تتجاوز 80 درجة مئوية. يجب أن يحافظ الشحم على خصائص التشحيم عبر هذا النطاق البالغ 120 درجة.
تعمل التوربينات البحرية في بيئة ذات رذاذ ملحي مستمر. يجب أن تقاوم علبة محرك الدوران، والمثبتات، ووصلات منع التسرب التآكل البحري لمدة 25 عامًا. تُعد الطلاءات البحرية، والمثبتات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، والأنودات التضحية إلزامية للمنشآت البحرية والساحلية التي تقع ضمن مسافة 5 كيلومترات من خط الشاطئ.
يؤدي تراكم الجليد على أسنان ترس حلقة التوجيه إلى زيادة قوة التعشيق، وقد يمنع الدوران تمامًا إذا تجاوزت قوة الجليد عزم الدوران المتاح. وتُعدّ سخانات منع التجمد على ترس حلقة التوجيه وتركيبات الشحوم المقاومة للجليد من المعايير القياسية في المنشآت التي تعمل في المناخات الباردة. علبة تروس كوكبية ذات محرك دوار يجب أن يوفر عزم دوران الانفصال من 1.5 إلى 2.0 ضعف عزم دوران الانعطاف في الحالة المستقرة للتغلب على تماسك الجليد بعد التوقف طوال الليل في ظروف التجمد.
أعلى: وحدة محرك الدوران من سلسلة ZR. أسفل: مركز اختبار إيفر-باور الكوري - يخضع كل محرك توربينات رياح لاختبار كامل لعزم الدوران والتحمل قبل التسليم.
ثلاثة أنماط فشل تؤثر على هندسة محرك دوران توربينات الرياح
يُجري نظام التوجيه آلاف التصحيحات الزاوية الصغيرة يوميًا - حركات تتراوح بين 0.5 و3 درجات - لتتبع التغيرات التدريجية في اتجاه الرياح. تتسبب هذه التذبذبات الدقيقة في تأرجح أسنان الترس الصغير ذهابًا وإيابًا على نفس منطقة التلامس في ترس التوجيه الحلقي دون إكمال دورة كاملة. يؤدي هذا الاحتكاك إلى إزالة طبقة الشحم من شريط ضيق، مما يُسرّع من تآكل سطح كل من الترس الصغير والترس الحلقي. بعد 10 إلى 15 عامًا، قد يؤدي التآكل المتراكم إلى استهلاك شكل أسنان الترس الحلقي في أكثر مواضع التوجيه استخدامًا - والتي عادةً ما تكون قطاعات اتجاه الرياح السائد.
يجب أن يستجيب محرك تغيير زاوية ميل الشفرات لأمر تغيير زاوية ميل الشفرات الطارئ في غضون 200 مللي ثانية. في حال تعطل المحرك، لا يمكن تغيير زاوية ميل الشفرة. في التوربينات ثلاثية الشفرات، قد تنجح الشفرتان المتبقيتان في تغيير زاوية ميلهما، ولكن عدم التوازن الديناميكي الهوائي الناتج عن عدم تغيير زاوية ميل إحدى الشفرات يُولّد أحمالًا شديدة على المحور والعمود الرئيسي والبرج. يجب أن ينقل صندوق التروس الكوكبي الخاص بمحرك الدوران عزم تغيير زاوية ميل الشفرات الطارئ في ظل ظروف جهد البطارية الاحتياطية (من 70 إلى 80% من الجهد الاسمي) بالسرعة المطلوبة، وهو فحص يجب إجراؤه سنويًا.
عند مستوى محور الدوران، يؤدي التناوب الحراري بين الليل والنهار إلى تكثف الرطوبة داخل غلاف محرك التوجيه - وهي نفس الآلية التي تؤثر على محركات الجنزير الزراعية المخزنة، ولكنها تحدث 365 مرة في السنة لمدة 25 عامًا. حتى مع إعادة التشحيم التلقائي، لا يتم استبدال الشحم القديم الملوث بالماء في أسفل الغلاف بالكامل بشحم جديد، بل يتراكم على شكل رواسب مائية تُسبب تآكل أسطح المحامل السفلية. بعد 8 إلى 12 عامًا، قد تصل طبقة الرواسب إلى محامل الكواكب وتبدأ في إحداث حفر تآكل لم تكن موجودة عند الفحص الذي يُجرى كل 5 سنوات.
أعلى: مصنع شركة إيفر-باور الكورية. أسفل: ورشة تجميع مزودة بنظام مراقبة جودة مخصص لمحركات الدوران التي تعمل بطاقة الرياح.
علبة تروس كوكبية دوارة لتوربينات الرياح - الأسئلة الشائعة
تُقدّم شركة إيفر-باور الكورية علب تروس كوكبية لتوربينات الرياح، مُخصصة لضبط زاوية ميل الشفرات وانحرافها، بعمر افتراضي للمحامل يصل إلى 175,000 ساعة (L10)، ومتوافقة مع معيار IEC 61400، بالإضافة إلى خيارات بحرية مُصممة خصيصًا للمنشآت البحرية. يُرجى تزويدنا بمعلومات عن منصة التوربينات وظروف الموقع للحصول على توصية بشأن المواصفات.
المحرر: Cxm
