Δύο περιστρεφόμενοι κινητήρες, δύο εντελώς διαφορετικά μηχανικά προβλήματα
Μια ανεμογεννήτρια χρησιμοποιεί δύο τύπους πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων με περιστρεφόμενη κίνηση — και παρά το γεγονός ότι μοιράζονται την ίδια βασική αρχιτεκτονική γραναζιών, επιλύουν θεμελιωδώς διαφορετικά μηχανικά προβλήματα. Η κατανόηση της διάκρισης είναι απαραίτητη για τις προδιαγραφές, επειδή ένα κιβώτιο ταχυτήτων σχεδιασμένο για εφαρμογή περιστροφής εκτροπής θα αποτύχει στην εφαρμογή βήματος (και αντίστροφα) ακόμη και αν οι ονομαστικές τιμές ροπής φαίνονται συμβατές.
Περιστρέφει ολόκληρη την άτρακτο (γεννήτρια, κιβώτιο ταχυτήτων, ρότορα — συνολικά 150 έως 400 τόνοι) γύρω από τον κατακόρυφο άξονα του πύργου για να είναι στραμμένη προς τον άνεμο. Λειτουργεί 20 έως 80 φορές την ημέρα, περιστρεφόμενος κατά 5 έως 180 μοίρες ανά συμβάν. Πρέπει να συγκρατεί την άτρακτο έναντι ροπών εκτροπής που προκαλούνται από τον άνεμο από 3 έως 8 MN·m μεταξύ των κινήσεων. Ταχύτητα: 0,3 έως 0,6 μοίρες ανά δευτερόλεπτο. Τυπική διαμόρφωση: 4 έως 8 κινητήριες μονάδες εκτροπής γύρω από το ρουλεμάν κορυφής του πύργου, καθεμία από τις οποίες εμπλέκεται με εσωτερικό δακτυλιοειδή γρανάζι.
Περιστρέφει κάθε μεμονωμένη πτέρυγα (10 έως 30 τόνους, μήκους 50 έως 80 μέτρα) γύρω από τον διαμήκη άξονά της για να αλλάξει τη γωνία προσβολής. Λειτουργεί συνεχώς κατά την παραγωγή ενέργειας, ρυθμίζοντας από 0,1 έως 5 μοίρες ανά δευτερόλεπτο. Πρέπει να ρυθμίσει την πτέρυγα στις 90 μοίρες εντός 5 έως 10 δευτερολέπτων κατά τη διάρκεια έκτακτης διακοπής λειτουργίας. Τρεις ανεξάρτητες κινήσεις βήματος ανά τουρμπίνα (μία ανά πτέρυγα). Κρίσιμη για την ασφάλεια: η μη ρύθμιση της πτέρυγας σε μία μόνο πτέρυγα σε περίπτωση καταιγίδας μπορεί να καταστρέψει τον ρότορα.
Πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων με περιστροφική κίνηση. Στις ανεμογεννήτριες, οι κινητήρες 4 έως 8 εκτροπής και 3 βήματος λειτουργούν συνεχώς για 25 χρόνια διάρκεια ζωής — η μεγαλύτερη απαίτηση λειτουργίας από οποιαδήποτε εφαρμογή περιστροφικής κίνησης.
Μηχανική Κινητήρα Εκτροπής — Συγκράτηση 200 Τόνων Κόντρα στον Άνεμο
Το σύστημα εκτροπής σε μια σύγχρονη ανεμογεννήτρια 3 έως 6 MW αποτελείται από 4 έως 8 πλανητικά κιβώτια ταχυτήτων με περιστροφική κίνηση τοποθετημένα γύρω από την άνω φλάντζα του πύργου, καθένα από τα οποία κινεί έναν οδοντωτό τροχό που εμπλέκεται με έναν μεγάλο εσωτερικό δακτύλιο (ρουλεμάν εκτροπής). Όταν αλλάζει η κατεύθυνση του ανέμου, ο ελεγκτής εκτροπής δίνει εντολή σε ορισμένα ή σε όλα τα συστήματα κίνησης να περιστρέψουν την άτρακτο. Όταν η άτρακτος φτάσει στη γωνία-στόχο, τα συστήματα κίνησης σταματούν και τα φρένα εκτροπής ενεργοποιούνται για να διατηρήσουν τη θέση.
| Κλάση Τουρμπίνας | Ατρακτίδιο (t) | Κινητήρες εκτροπής | Ροπή εκτροπής (MN·m) | Ροπή/Κίνηση |
|---|---|---|---|---|
| 2 – 3 MW στην ξηρά | 80 – 130 | 4 | 2 – 4 | 8.000 – 15.000 Nm |
| 4 – 6 MW στην ξηρά | 150 – 250 | 6 | 4 – 8 | 12.000 – 22.000 Nm |
| 8 – 15 MW υπεράκτια | 300 – 600 | 8 | 6 – 15 | 18.000 – 35.000 Nm |
Γιατί πολλαπλοί δίσκοι, όχι ένας μεγάλος: Η χρήση 4 έως 8 μικρότερων περιστρεφόμενων συστημάτων κίνησης αντί για ένα μόνο μεγάλο σύστημα παρέχει πλεονασμό (η άτρακτος μπορεί ακόμα να εκτραπεί εάν χαλάσει ένας μηχανισμός κίνησης), κατανέμει το φορτίο του πινιόν γύρω από τον οδοντωτό δακτύλιο εκτροπής για ομοιόμορφη φθορά των δοντιών και επιτρέπει την αντικατάσταση κάθε συστήματος κίνησης ξεχωριστά χωρίς την αφαίρεση της άτρακτου — ένα κρίσιμο πλεονέκτημα εφοδιαστικής σε ύψη πλήμνης άνω των 100 μέτρων, όπου η πρόσβαση σε γερανό κοστίζει 50.000 δολάρια ΗΠΑ την ημέρα.
Μηχανική λειτουργίας πλανητικών γραναζιών. Οι κινητήρες εκτροπής ανεμογεννητριών χρησιμοποιούν πλανητικές μειώσεις 2 έως 3 σταδίων σε αναλογίες από 600:1 έως 1.800:1 — οι υψηλότερες αναλογίες σε οποιαδήποτε εφαρμογή περιστροφικής κίνησης.
Μηχανική κίνησης κλίσης — Η κρίσιμη για την ασφάλεια περιστροφική κίνηση που αποτρέπει την καταστροφή της τουρμπίνας
Η κίνηση του βήματος περιστρέφει κάθε πτερύγιο γύρω από τον διαμήκη άξονά του. Κατά την κανονική παραγωγή ισχύος, το σύστημα βήματος ρυθμίζει συνεχώς τη γωνία των πτερυγίων — βελτιώνοντας την ταχύτητα του ρότορα για να διατηρήσει την ονομαστική ισχύ εξόδου καθώς η ταχύτητα του ανέμου κυμαίνεται. Κατά τη διάρκεια έκτακτης διακοπής λειτουργίας (που προκαλείται από απώλεια δικτύου, υπερβολική ταχύτητα ή ακραίες ριπές), το σύστημα βήματος πρέπει να περιστρέψει και τα τρία πτερύγια στις 90 μοίρες εντός 5 έως 10 δευτερολέπτων — περιστρέφοντας κάθε πτερύγιο 10 έως 30 τόνων κατά 90 μοίρες έναντι των αεροδυναμικών και φυγοκεντρικών δυνάμεων.
Αυτή η λειτουργία έκτακτης ανάγκης καθιστά την κίνηση του βήματος τη μόνη κρίσιμο για την ασφάλεια περιστροφική κίνηση στην ανεμογεννήτρια — και ένα από τα λίγα πλανητικά κιβώτια ταχυτήτων κρίσιμα για την ασφάλεια σε οποιονδήποτε κλάδο. Εάν η κίνηση του βήματος δεν μπορεί να περιστρέψει την πτέρυγα, ο ρότορας συνεχίζει να επιταχύνει σε ισχυρό άνεμο μέχρι να ξεπεραστούν τα μηχανικά όρια. Οι συνέπειες κυμαίνονται από ζημιά στην πτέρυγα έως πλήρη δομική αστοχία του πύργου.
Απαίτηση πλεονασμού: Τα σύγχρονα πρότυπα για τις τουρμπίνες (IEC 61400) απαιτούν ανεξάρτητη τροφοδοσία ρεύματος για κάθε κίνηση βήματος — συνήθως ηλεκτροκινητήρες που υποστηρίζονται από μπαταρία ή υδραυλικούς συσσωρευτές — έτσι ώστε η επείγουσα ενεργοποίηση να μπορεί να συνεχιστεί ακόμη και σε περίπτωση διακοπής της κύριας ηλεκτρικής τροφοδοσίας. Κάθε μία από τις τρεις κινήσεις βήματος πρέπει να είναι ικανή να ενεργοποιεί ανεξάρτητα το πτερύγιό της. Το πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων με περιστρεφόμενη κίνηση πρέπει να λειτουργεί με τροφοδοσία από μπαταρία (μειωμένη τάση, μειωμένη ταχύτητα) με την ίδια αξιοπιστία όπως και με την κύρια τροφοδοσία.
Εφαρμογή περιστρεφόμενης κίνησης. Οι κινήσεις βήματος πρέπει να λειτουργούν στην περιστρεφόμενη πλήμνη — εκτεθειμένες σε κεραυνούς, κραδασμούς και ακραίες θερμοκρασίες για 25 χρόνια χωρίς προγραμματισμένη αντικατάσταση.
25ετής Διάρκεια Σχεδιασμού — Η Μηχανική Πρόκληση που Διαχωρίζει τα Συστήματα Κίνησης Ανεμογεννητριών από Όλα τα Άλλα
Ένας περιστρεφόμενος μηχανισμός κίνησης γερανού κατασκευών έχει σχεδιαστεί για 10.000 έως 20.000 ώρες. Ένας μηχανισμός κίνησης ερπυστριοφόρου εκσκαφέα στοχεύει σε 8.000 έως 12.000 ώρες. Ένας μηχανισμός κίνησης εκτροπής ανεμογεννήτριας πρέπει να λειτουργεί αξιόπιστα για 150.000 έως 220.000 ώρες — 25 χρόνια με διαθεσιμότητα από 70 έως 100% — χωρίς προγραμματισμένη αντικατάσταση του κιβωτίου ταχυτήτων. Αυτή η 10 έως 20 φορές μεγαλύτερη διάρκεια ζωής σε σύγκριση με τον εξοπλισμό κατασκευών καθορίζει κάθε μηχανική απόφαση στις προδιαγραφές του κιβωτίου ταχυτήτων.
Τυπική διάρκεια ζωής ρουλεμάν L10 για κιβώτια ταχυτήτων κατασκευών: 10.000 έως 20.000 ώρες. Απαίτηση L10 για σύστημα μετάδοσης κίνησης εκτροπής ανεμογεννητριών: τουλάχιστον 175.000 ώρες (25 έτη με διαθεσιμότητα 80%). Αυτό σημαίνει ότι το μέγεθος, η ποιότητα και το λιπαντικό του ρουλεμάν πρέπει να παρέχουν διάρκεια ζωής L10 9 έως 17 φορές μεγαλύτερη από τα αντίστοιχα δομικά στοιχεία — που συχνά απαιτούν ρουλεμάν 1 έως 2 μεγέθη μεγαλύτερα από αυτά που θα υπαγόρευε μόνο η ροπή στρέψης.
Με 50.000 κινήσεις εκτροπής ανά έτος σε διάστημα 25 ετών, κάθε δόντι πλανητικού γραναζιού αντέχει σε 1,25 εκατομμύρια κύκλους τάσης επαφής. Το υλικό του γραναζιού και η θερμική επεξεργασία πρέπει να τοποθετούν την τάση της επιφάνειας του δοντιού κάτω από το όριο αντοχής άπειρης διάρκειας ζωής του σκληρυμένου σε περίβλημα χάλυβα 20CrMnTi ή 18CrNiMo7-6 — όχι απλώς κάτω από το όριο κόπωσης των 10.000 ωρών που χρησιμοποιείται για την κίνηση στους κατασκευαστικούς χώρους. Αυτό συνήθως απαιτεί γρανάζια DIN Κλάσης 5 με υπερ-φινιρισμένες πλευρές.
Κανένα σφραγισμένο γράσο εφ' όρου ζωής δεν μπορεί να διαρκέσει 25 χρόνια. Οι περιστρεφόμενοι κινητήρες ανεμογεννητριών χρησιμοποιούν αυτόματα συστήματα επαναλίπανσης που μετρούν φρέσκο γράσο στο κιβώτιο ταχυτήτων σε προγραμματισμένα διαστήματα — συνήθως κάθε 2.000 έως 4.000 ώρες. Το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να είναι σχεδιασμένο για επαναλίπανση γράσου (όχι σε λουτρό λαδιού) επειδή ο προσανατολισμός τοποθέτησης αλλάζει καθώς η άτρακτος εκτρέπεται. Οι προδιαγραφές γράσου πρέπει να ανέχονται το εύρος λειτουργίας από -40 έως +80 βαθμούς C και να αντιστέκονται στην έκπλυση νερού από συμπύκνωση στο ύψος του κέντρου.
Περιβαλλοντικά Ακραία — Λειτουργώντας στο σημείο τομής κάθε κλιματικής πρόκλησης
Σε ύψος άνω των 100 μέτρων πάνω από το έδαφος, η άτρακτος της ανεμογεννήτριας εκτίθεται σε περιβαλλοντικές συνθήκες που καμία μηχανή στο επίπεδο του εδάφους δεν αντιμετωπίζει. Η περιστροφική κίνηση πρέπει να λειτουργεί ταυτόχρονα σε όλο το εύρος — ένα μόνο κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να επιβιώσει σε θερμοκρασίες -40 βαθμών Κελσίου τις χειμερινές νύχτες και τους +50 βαθμών Κελσίου τα καλοκαιρινά απογεύματα, σε αλμυρά νερά και συσσώρευση πάγου, σε κεραυνούς και σε υπεριώδη ακτινοβολία, όλα στην ίδια εγκατάσταση για 25 χρόνια.
Οι χερσαίες ανεμογεννήτριες ψυχρού κλίματος στη Σκανδιναβία, τον Καναδά και τη βόρεια Κίνα λειτουργούν στους -40 βαθμούς Κελσίου. Οι ερημικές ανεμογεννήτριες στη Μέση Ανατολή και την Αυστραλία φτάνουν τους +50 βαθμούς Κελσίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, με τις εσωτερικές θερμοκρασίες της άτρακτου να υπερβαίνουν τους 80 βαθμούς Κελσίου. Το γράσο πρέπει να διατηρεί τη λιπαντική του ικανότητα σε αυτό το εύρος των 120 μοιρών.
Οι υπεράκτιες ανεμογεννήτριες λειτουργούν με συνεχή ψεκασμό αλατιού. Το περίβλημα του περιστρεφόμενου συστήματος κίνησης, οι σύνδεσμοι και οι διεπαφές στεγανοποίησης πρέπει να αντέχουν στη θαλάσσια διάβρωση για 25 χρόνια. Οι επιστρώσεις θαλάσσιων προδιαγραφών, οι σύνδεσμοι από ανοξείδωτο χάλυβα και οι θυσιαζόμενες άνοδοι είναι υποχρεωτικές για υπεράκτιες και παράκτιες εγκαταστάσεις σε απόσταση 5 χλμ. από την ακτογραμμή.
Η συσσώρευση πάγου στα δόντια του δακτυλίου περιστροφής αυξάνει τη δύναμη εμπλοκής και μπορεί να αποτρέψει εντελώς την περιστροφή εάν η σύνδεση του πάγου υπερβεί τη διαθέσιμη ροπή περιστροφής. Οι αντιπαγωτικοί θερμαντήρες στον δακτύλιο περιστροφής και οι συνθέσεις γράσου ανθεκτικές στον πάγο είναι στάνταρ για εγκαταστάσεις σε ψυχρό κλίμα. πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων με περιστρεφόμενη κίνηση πρέπει να παρέχει ροπή αποκόλλησης 1,5 έως 2,0 φορές τη ροπή εκτροπής σε σταθερή κατάσταση για να ξεπεράσει τη συγκόλληση πάγου μετά από ακινησία όλη τη νύχτα σε συνθήκες παγετού.
Επάνω: Μονάδα περιστρεφόμενης κίνησης σειράς ZR. Κάτω: Κέντρο δοκιμών Korea Ever-Power — κάθε κίνηση ανεμογεννήτριας υποβάλλεται σε πλήρη επαλήθευση ροπής και αντοχής πριν από την παράδοση.
Τρεις τρόποι αστοχίας που καθοδηγούν τη μηχανική κίνησης περιστροφής ανεμογεννητριών
Το σύστημα εκτροπής εκτελεί χιλιάδες μικρές γωνιακές διορθώσεις την ημέρα — κινήσεις 0,5 έως 3 μοιρών για την παρακολούθηση των σταδιακών αλλαγών κατεύθυνσης του ανέμου. Αυτές οι μικροταλαντώσεις προκαλούν τα δόντια του πινιόν να ταλαντεύονται μπρος-πίσω στην ίδια ζώνη επαφής του δακτυλίου περιστροφής χωρίς να ολοκληρώνουν μια πλήρη περιστροφή. Αυτή η τριβή αφαιρεί το φιλμ λίπους από μια στενή ζώνη και προκαλεί επιταχυνόμενη επιφανειακή αυλάκωση τόσο στο πινιόν όσο και στον δακτύλιο. Μετά από 10 έως 15 χρόνια, η συσσωρευμένη φθορά της τριβής μπορεί να καταναλώσει το προφίλ των δοντιών του δακτυλίου στις πιο χρησιμοποιούμενες θέσεις εκτροπής — συνήθως στους επικρατούντες τομείς κατεύθυνσης του ανέμου.
Ο κινητήρας κίνησης pitch πρέπει να ανταποκριθεί σε μια εντολή έκτακτης ανάγκης feathering εντός 200 χιλιοστών του δευτερολέπτου. Εάν ο κινητήρας παρουσιάσει βλάβη, η λεπίδα δεν μπορεί να feathering. Σε μια τουρμπίνα 3 λεπίδων, οι υπόλοιπες δύο λεπίδες μπορεί να feathering με επιτυχία — αλλά η αεροδυναμική ανισορροπία από μία λεπίδα χωρίς feathering δημιουργεί ακραία φορτία στην πλήμνη, τον κύριο άξονα και τον πύργο. Το πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων περιστροφικής κίνησης πρέπει να μεταδίδει τη ροπή έκτακτης ανάγκης feathering υπό συνθήκες τάσης εφεδρικής μπαταρίας (70 έως 80% ονομαστικής) στην απαιτούμενη ταχύτητα — μια επαλήθευση που πρέπει να εκτελείται ετησίως.
Στο ύψος του άξονα, η εναλλαγή θερμοκρασίας ημέρας-νύχτας παράγει συμπύκνωση στο εσωτερικό του περιβλήματος του συστήματος μετάδοσης κίνησης εκτροπής — ο ίδιος μηχανισμός που επηρεάζει τα αποθηκευμένα συστήματα μετάδοσης κίνησης γεωργικών ερπυστριών, αλλά συμβαίνει 365 φορές το χρόνο για 25 χρόνια. Ακόμα και με την αυτόματη επαναλίπανση, το παλιό γράσο που έχει μολυνθεί με νερό στο κάτω μέρος του περιβλήματος δεν εκτοπίζεται πλήρως από φρέσκο γράσο — συσσωρεύεται ως λάσπη φορτωμένη με νερό που διαβρώνει τις χαμηλότερες επιφάνειες των εδράνων. Μετά από 8 έως 12 χρόνια, το στρώμα λάσπης μπορεί να φτάσει στα ρουλεμάν του πλανήτη και να προκαλέσει διάβρωση που δεν υπήρχε κατά την 5ετή επιθεώρηση.
Επάνω: Εγκατάσταση παραγωγής της Korea Ever-Power. Κάτω: Εργαστήριο συναρμολόγησης με ειδικό ποιοτικό έλεγχο για περιστρεφόμενους κινητήρες αιολικής ενέργειας.
Πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων με περιστρεφόμενη κίνηση για ανεμογεννήτριες — Συχνές ερωτήσεις
Η Korea Ever-Power παρέχει πλανητικά κιβώτια ταχυτήτων για ανεμογεννήτριες με κίνηση περιστροφής και κλίσης, με διάρκεια ζωής ρουλεμάν L10 175.000 ωρών, διατάξεις συμμόρφωσης με το πρότυπο IEC 61400 και επιλογές ναυτικής ποιότητας για υπεράκτιες περιοχές. Παρέχετε την πλατφόρμα της ανεμογεννήτριας και τις συνθήκες τοποθεσίας σας για μια σύσταση προδιαγραφών.
Επιμέλεια: Cxm
