Система рыскания
Система поворота ветряных турбин — это компонент, отвечающий за ориентацию ротора ветряной турбины по направлению ветра .
История
[ редактировать ]Задача ориентации ротора по ветру уже была сложной задачей для исторических ветряных мельниц . Первые ветряные мельницы, способные вращаться «лицом» к ветру, появились в середине 18 века. [1] Их вращающиеся гондолы крепились к основной конструкции ветряной мельницы с помощью примитивных деревянных подшипников скольжения, смазанных животным жиром . Необходимый крутящий момент создавался с помощью силы животных , человека или даже энергии ветра (реализация вспомогательного несущего винта, известного как веерный хвост).
Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) не нуждаются в системе отклонения от курса, поскольку их вертикальные роторы могут быть обращены к ветру с любого направления, и только их собственное вращение дает лопастям четкое направление воздушного потока. [1] Однако ветряным турбинам с горизонтальной осью (HAWT) необходимо ориентировать свои роторы и против него по ветру , и они достигают этого с помощью пассивных или активных систем отклонения от курса.
В HAWT используется своего рода система отклонения от курса, которая может быть пассивной или активной. Как пассивные, так и активные системы имеют свои преимущества и недостатки, и испытываются различные конструктивные решения (как активные, так и пассивные), чтобы найти оптимальную конструкцию для каждой ветряной турбины в зависимости от ее размера, стоимости и цели эксплуатации.
Типы
[ редактировать ]
Активные системы рыскания
[ редактировать ]Системы активного рыскания оснащены своего рода устройством, создающим крутящий момент, способным вращать гондолу ветряной турбины относительно неподвижной башни на основе автоматических сигналов от датчиков направления ветра или ручного управления (отключение системы управления). Системы активного отклонения от курса считаются новейшим достижением для всех современных ветряных турбин среднего и большого размера, за некоторыми исключениями, подтверждающими правило (например, Вергнет ). Различные компоненты современных систем активного рыскания различаются в зависимости от конструктивных характеристик, но все активные системы рыскания включают в себя средство вращающегося соединения между гондолой и башней ( подшипник рыскания ), средство активного изменения ориентации несущего винта (т.е. привод рыскания ). , средство ограничения вращения гондолы (тормоз рыскания) и систему управления, которая обрабатывает сигналы от датчиков направления ветра (например, флюгеров ) и выдает надлежащие команды исполнительным механизмам.
Наиболее распространенными типами активных систем рыскания являются:
- Роликовый подшипник рыскания - Электрический привод рыскания - Тормоз: Гондола установлена на роликовом подшипнике , а вращение по азимуту достигается с помощью множества мощных электроприводов . Гидравлический или электрический тормоз фиксирует положение гондолы после завершения переориентации во избежание износа и высоких усталостных нагрузок на компоненты ветряной турбины из- за люфта . Системы такого типа используются большинством производителей ветряных турбин и считаются надежными и эффективными, но при этом довольно громоздкими и дорогими.
- Роликовый подшипник рыскания . Гидравлический привод рыскания : гондола установлена на роликовом подшипнике , а вращение по азимуту достигается с помощью множества мощных гидравлических двигателей или храповых гидроцилиндров . Преимущество системы поворота с гидравлическими приводами связано с такими преимуществами, присущими гидравлическим системам, как высокая удельная мощность и высокая надежность . Однако с другой стороны, гидравлические системы всегда страдают от утечек гидравлической жидкости и засорения гидравлических клапанов высокого давления . Гидравлические системы рыскания часто (в зависимости от конструкции системы) допускают также отмену механизма тормоза рыскания и замену его запорными клапанами .
- Подшипник скольжения по рысканью . Электрический привод рыскания . Гондола установлена на фрикционном подшипнике скольжения , а вращение по азимуту достигается с помощью множества мощных электроприводов . Отпадает необходимость в тормозе рыскания, и в зависимости от размера системы рыскания (т. е. размера ветряной турбины) концепция скользящего подшипника может привести к значительной экономии средств.
- Подшипник скольжения по рысканью - Гидравлический привод рыскания : гондола установлена на фрикционном подшипнике скольжения , а вращение по азимуту достигается с помощью множества мощных гидравлических двигателей или с храповым механизмом гидравлических цилиндров . Эта система сочетает в себе характеристики вышеупомянутых систем подшипников скольжения и гидравлических двигателей .
Пассивные системы рыскания
[ редактировать ]Пассивные системы отклонения от курса используют силу ветра, чтобы регулировать ориентацию ротора ветряной турбины по ветру. В своей простейшей форме эта система включает в себя простое роликоподшипниковое соединение между башней и гондолой и хвостовое оперение, установленное на гондоле и сконструированное таким образом, что оно поворачивает ротор ветряной турбины, создавая «корректирующий» крутящий момент, чтобы гондола. Следовательно, сила ветра отвечает за вращение ротора и ориентацию гондолы. В качестве альтернативы в случае турбин с подветренной стороны хвостовое оперение не требуется, поскольку ротор сам способен поворачивать гондолу против ветра. В случае косого ветра «давление ветра» на омываемую площадь вызывает вращающий момент вокруг оси башни (ось Z), который ориентирует ротор. [1]
Хвостовой плавник (или флюгер) обычно используется для небольших ветряных турбин, поскольку он предлагает недорогое и надежное решение. Однако он не способен справиться с сильными моментами, необходимыми для отклонения гондолы большой ветряной турбины. [ нужна ссылка ] Однако самоориентация роторов турбин с подветренной стороны представляет собой концепцию, которая может работать даже для более крупных ветряных турбин. Французский производитель ветряных турбин Vergnet производит несколько средних и крупных самоориентирующихся ветряных турбин с подветренной стороны.
Пассивные системы рыскания должны быть спроектированы таким образом, чтобы гондола не повторяла резкие изменения направления ветра при слишком быстром рыскании, чтобы избежать высоких гироскопических нагрузок. Кроме того, пассивные системы рыскания с низким коэффициентом рыскания подвергаются сильным динамическим нагрузкам из-за периодического рыскания малой амплитуды , вызванного изменением момента инерции во время вращения несущего винта. Этот эффект становится более серьезным с уменьшением количества лопастей.
Наиболее распространенными пассивными системами рыскания являются:
- Роликовый подшипник (свободная система): Гондола установлена на роликовом подшипнике и может свободно вращаться в любом направлении. Необходимый момент исходит от хвостового оперения или несущего винта (ветряные турбины с подветренной стороны).
- Роликовый подшипник — тормоз (полуактивная система): гондола установлена на роликовом подшипнике и может свободно вращаться в любом направлении, но когда необходимая ориентация достигнута, активный тормоз рыскания останавливает гондолу . Это предотвращает неконтролируемую вибрацию и снижает гироскопические и усталостные нагрузки .
- Подшипник скольжения/тормоз (пассивная система): Гондола установлена на подшипнике скольжения и может свободно вращаться в любом направлении. Внутреннее трение подшипника скольжения обеспечивает квазиактивный режим работы.
Компоненты
[ редактировать ]
Подшипник рыскания
[ редактировать ]Одним из основных компонентов системы рыскания является подшипник рыскания . Он может быть роликового или скользящего типа и служит вращающимся соединением между башней и гондолой ветряной турбины. Подшипник рыскания должен выдерживать очень высокие нагрузки, к которым, помимо веса гондолы и несущего винта (вес которого находится в пределах нескольких десятых тонн ), относятся также изгибающие моменты, создаваемые ротором при извлечении кинетическая энергия ветра.
Отклонение от курса
[ редактировать ]Приводы рыскания существуют только в активных системах рыскания и являются средством активного вращения гондолы ветряной турбины . Каждый привод рыскания состоит из мощного электродвигателя (обычно переменного тока ) со своим электроприводом и большого редуктора , увеличивающего крутящий момент . Максимальный статический крутящий момент самых больших приводов поворота находится в диапазоне 200 000 Нм с передаточными числами редуктора в диапазоне 2000:1. [2] Следовательно, рыскание больших современных турбин происходит относительно медленно: поворот на 360° длится несколько минут.
Тормоз рыскания
[ редактировать ]
Чтобы стабилизировать подшипник рыскания от вращения, необходимо средство торможения. Одним из простейших способов реализации этой задачи является приложение постоянного небольшого противодействующего момента к приводам рыскания , чтобы устранить зазор между зубчатым венцом и привода рыскания шестернями и предотвратить гондолы из колебания -за вращения несущего винта. Однако эта операция значительно снижает надежность электрических приводов рыскания , поэтому наиболее распространенным решением является использование дискового тормоза с гидравлическим приводом .
Для дискового тормоза требуется плоский круглый тормозной диск и множество тормозных суппортов с гидравлическими поршнями и тормозными колодками [1] . Гидравлические тормоза рыскания способны фиксировать гондолу в нужном положении, освобождая приводы рыскания от этой задачи. Однако стоимость тормоза рыскания в сочетании с необходимостью гидравлической установки ( насос , клапаны , поршни ) и его установкой вблизи тормозных колодок, чувствительных к смазочного материала, загрязнению часто является проблемой.
Компромиссом, дающим ряд преимуществ, является использование электрических тормозов рыскания. Они заменяют гидравлический механизм обычных тормозов и тормозные суппорты с электромеханическим приводом. Использование электрических тормозов рыскания устраняет сложности, связанные с утечками гидравлической жидкости и последующими проблемами, которые они вызывают при работе тормозов рыскания. [3]
Несколько компаний-разработчиков и производителей ветряных турбин экспериментируют с альтернативными методами отклонения от курса, чтобы устранить недостатки существующих систем и снизить стоимость системы. Один из этих вариантов предполагает использование давления воздуха для достижения необходимого тормозного момента рыскания. В этом случае часть поверхности скольжения (обычно осевая из-за более высокой доступной поверхности) используется для размещения тормозных колодок рыскания и пневматического тормозного механизма. Пневматический привод может представлять собой обычный пневматический цилиндр или даже гибкую воздушную камеру, которая надувается при подаче воздуха под давлением. Такое устройство способно оказывать очень высокие тормозные силы благодаря высокой активной поверхности. Это достигается с помощью простой промышленной системы сжатия воздуха (6–10 бар или 600–1000 кПа или 87–145 фунтов на квадратный дюйм), которая является надежным и недорогим решением. Кроме того, в случае утечки воздействие на окружающую среду практически равно нулю по сравнению с утечками гидравлического масла. Наконец, тормозные приводы могут быть изготовлены по очень низкой цене из легких пластиковых материалов, что значительно снижает общую стоимость системы.
Рычажная лопасть (пассивные системы)
[ редактировать ]Флюгер рыскания (или хвостовой плавник) является компонентом системы рыскания, используемым только на небольших ветряных турбинах с пассивными механизмами рыскания. Это не что иное, как плоская поверхность, закрепленная на гондоле при помощи длинной балки . Сочетание большой площади поверхности киля и увеличенной длины балки создает значительный крутящий момент , который способен вращать гондолу, несмотря на стабилизирующее гироскопическое воздействие несущего винта. необходимая Однако площадь поверхности, для того, чтобы хвостовое оперение могло поворачивать большую ветряную турбину, огромна, что делает использование такого устройства неэкономичным.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Ветровые электростанции, Р. Гаш и Дж. Твеле, Solarpraxis, ISBN 3-934595-23-5
- ^ Решения Bonfiglioli Power & Control
- ^ Hanning & Kahl GmbH Азимутальные тормоза
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ветровые электростанции, Р. Гаш и Дж. Твеле, Solarpraxis, ISBN 3-934595-23-5
- Справочник по ветроэнергетике, Т. Бертон [и др.], John Wiley & Sons, Ltd, ISBN 0-471-48997-2
- Как построить ветряную турбину - Планы ветряной мельницы с осевым потоком, Х. Пигготт Скорэйгвинд
