Подшипник рыскания

Схематическое изображение основных компонентов ветряной турбины . Система рыскания расположена между гондолой и башней ветряной турбины.

Подшипник поворота является наиболее важным и дорогостоящим компонентом системы поворота, установленной на современных ветряных турбинах с горизонтальной осью . Подшипник рыскания должен выдерживать огромные статические и динамические нагрузки и моменты во время работы ветряной турбины, а также обеспечивать плавные характеристики вращения для ориентации гондолы при любых погодных условиях. Он также должен быть устойчивым к коррозии и износу и чрезвычайно долговечным. Его должно хватить на весь срок службы ветряной турбины, и при этом он будет экономически эффективным.

История

Ветряные мельницы 18 века начали использовать вращающиеся гондолы для улавливания ветра, дующего с разных направлений. Системы поворота этих «примитивных» ветряных мельниц были удивительно похожи на системы современных ветряных турбин. Гондолы вращались с помощью ветровых приводов рыскания, известных как веерные хвосты, или с помощью энергии животных, и устанавливались на башнях ветряных мельниц с помощью осевого скользящего подшипника.

Схематическое изображение исторической скользящей площадки и конфигурации замка. рядом с...

Схема аналогичной конфигурации найдена на современной ветряной турбине.

Эти скользящие подшипники состояли из нескольких скользящих блоков, закрепленных на конструкции башни ветряной мельницы. Эти блоки поддерживали скользящий контакт с скользящим кольцом гондолы. Скользящие блоки представляли собой деревянные кубообразные детали с выпуклой скользящей поверхностью, покрытой животным жиром или даже облицованной медным (или латунным) листом для уменьшения трения . Эти деревянные бруски закреплялись в деревянных пазах, вырезанных в деревянном несущем основании, с помощью гвоздей или клиньев и тщательно выравнивались, чтобы создать ровную поверхность, по которой могло скользить скользящее кольцо гондолы. Блоки скольжения, несмотря на смазку, довольно часто изнашивались, и их приходилось заменять. Эта операция была относительно простой благодаря клиновому соединению основания и скользящих блоков. Скользящие блоки дополнительно фиксировались с помощью подвижных запирающих устройств. которые в другой форме остаются техническим решением в современных подшипниках рыскания скольжения.

Скользящее кольцо гондолы ветряной мельницы изготавливалось из множества деревянных деталей и, несмотря на старую технологию строительства, обычно было достаточно ровным, что позволяло гондоле плавно вращаться вокруг оси башни.

Гибридная система подшипников отклонения от курса сочетает в себе решения, используемые в старых ветряных мельницах. Эта система состоит из нескольких съемных радиальных скользящих подушек в сочетании с осевым роликовым подшипником.

Схематическое изображение исторического гибридного подшипника отклонения от курса с осевыми роликами и радиальными скользящими подушками.

Типы

Основные категории подшипников рыскания:

• Роликовый подшипник отклонения от курса: подшипник большого диаметра (обычно четырехточечный подшипник).
• Подшипник скольжения относительно рыскания: Сухой или смазанный подшипник скольжения с множеством осевых и радиальных скользящих подушечек, находящихся в фрикционном контакте со стальным диском большого диаметра, обычно объединенным с зубчатым венцом как единый элемент.

Роликовый подшипник рыскания

Схематическое изображение типичной конфигурации роликового подшипника отклонения от курса современной ветряной турбины.

Роликовый подшипник отклонения от курса является распространенным техническим решением для подшипников отклонения от курса, которому следуют многие производители ветряных турбин , поскольку он обеспечивает низкое трение при повороте и плавное вращение гондолы. Низкое трение при повороте позволяет реализовать несколько меньшие приводы рыскания (по сравнению с решением с подшипником скольжения), но, с другой стороны, требует системы торможения рыскания.

Некоторые производители используют несколько меньших по размеру приводов поворота (обычно шесть), чтобы облегчить замену. Такая конфигурация с множеством приводов рыскания часто обеспечивает возможность активного торможения рыскания с использованием дифференциального крутящего момента от приводов рыскания. В этом случае половина приводов рыскания прикладывает небольшой крутящий момент для вращения по часовой стрелке, а другая половина прикладывает крутящий момент в противоположном направлении, а затем активирует внутренние магнитные тормоза электродвигателя. Таким образом устраняется люфт венца шестерни и фиксируется гондола.

Скользящий подшипник рыскания

Схематическое изображение компонентов современного скользящего подшипника рыскания.

Схематическое изображение типичной конфигурации скользящего поворотного подшипника современной ветряной турбины.

Подшипник скользящего отклонения от курса представляет собой комбинированный осевой и радиальный подшипник, который служит вращающимся соединением гондолы ветряной турбины и башни. В отличие от старой концепции ветряной мельницы, современные поворотные подшипники поддерживают гондолу также с таким образом удерживая гондолу от вращения по оси Y из-за моментов, создаваемых верхней половиной подметального диска ротора и осью X из-за крутящего момента трансмиссии (т. е. ротора, вала, генератора и т. д.) .

В принципе, самый простой способ решения задач по стабилизации отклонения от курса с помощью элементов скольжения — это использование двух плоскостей скольжения для осевых нагрузок (сверху и снизу) и радиальной поверхности скольжения для радиальных нагрузок. Следовательно, опора скользящего поворотного кулака содержит три основные поверхности, покрытые множеством скользящих подушек. Эти скользящие подушки входят в скользящий контакт со стальным диском, который обычно снабжен зубьями шестерни , образующими скользящий диск/обод шестерни. Зубья могут располагаться на внутренней или внешней цилиндрической грани диска, при этом расположение скользящих подушек, их точное количество и расположение сильно различаются в существующих конструкциях. Для сборки подшипников скользящего поворотного механизма их клетки разбиваются на несколько сегментов, которые собираются вместе во время установки или изготовления ветряной турбины .

В своей простейшей форме в подшипнике скольжения по рысканью используются подушки (обычно изготовленные из полимеров ), распределенные вокруг трех контактных поверхностей, чтобы обеспечить правильную направляющую систему для радиального и осевого движения с относительно низким коэффициентом трения. Такие системы экономичны и очень надежны , но не позволяют индивидуально регулировать осевые и радиальные элементы скольжения. Эта функция существенно сводит к минимуму осевой и радиальный «люфт» подшипника скольжения из-за производственных допусков, а также из-за износа скользящих подушек в процессе эксплуатации.

Чтобы решить эту проблему, системы рыскания включают в себя предварительно натянутые подшипники скольжения. Эти подшипники имеют скользящие подушки, которые с помощью нажимных элементов прижимаются к скользящему диску для стабилизации гондолы от нежелательного перемещения. Нажимными элементами могут быть простые стальные пружины , пневматические или гидравлические элементы предварительного натяжения и т. д. Использование пневматических или гидравлических элементов предварительного натяжения позволяет активно контролировать предварительное натяжение подшипников поворота, что обеспечивает функцию торможения поворота.

Износ и смазка

Износ всех подшипников скольжения является проблемой, так же как и смазка. Обычные скользящие поворотные подшипники включают элементы скольжения, изготовленные из полимерных пластмасс, таких как полиоксиметиленовый пластик (ПОМ) или полиамид (ПА). Чтобы уменьшить трение, износ и избежать эффекта прерывистого движения (часто присутствующего в таких медленно движущихся системах с высоким коэффициентом трения), часто вводится смазка. Это решение обычно решает проблемы скольжения, но вводит больше компонентов в системы и увеличивает общую сложность (например, сложные процедуры обслуживания для удаления использованной смазки). Некоторые производители ветряных турбин теперь используют самосмазывающиеся скользящие элементы вместо центральной системы смазки. Эти элементы планирования изготавливаются из материалов с низким коэффициентом трения или композитов (например, политетрафторэтилена (тефлона)), которые обеспечивают надежную работу сухих (несмазанных) систем планирующего рыскания.

Техническое обслуживание и ремонт

Несмотря на то, что подшипники рыскания и их компоненты спроектированы и изготовлены так, чтобы прослужить весь срок службы ветряной турбины, должна быть возможность заменить изношенные элементы скольжения подшипников рыскания или другие компоненты системы рыскания. Чтобы обеспечить возможность замены изношенных компонентов, системы рыскания спроектированы сегментами. Обычно одна или несколько плоскостей скольжения состоят из нескольких подэлементов, содержащих ряд элементов скольжения (радиальных, осевых или их комбинации). Эти подэлементы можно снимать и ремонтировать по отдельности, переустанавливать или заменять. Таким образом, подшипник рыскания можно обслуживать без необходимости разборки всего скользящего подшипника рыскания (например, в случае роликового подшипника рыскания, разборки всей ветряной турбины). Возможность ремонта, обеспечиваемая сегментированной конструкцией подшипника скользящего поворота, является одним из наиболее важных преимуществ этой системы по сравнению с роликовым подшипником отклонения от курса.

Единственным оставшимся вопросом является замена скользящих элементов несущей поверхности глиссера, которая не сегментирована. Обычно это верхняя осевая поверхность подшипника скольжения, которая постоянно поддерживает вес всей сборки гондола-ротор. Для замены элементов скольжения этой поверхности скольжения необходимо поднять узел гондола-ротор внешним краном . Альтернативным решением этой проблемы является использование механических или гидравлических домкратов, способных частично или полностью поднять узел гондолы с винтом, при этом скользящий подшипник рыскания все еще находится на месте. Таким образом, обеспечивая небольшой зазор между скользящими элементами и скользящим диском, можно заменять скользящие элементы без демонтажа подшипника скользящего отклонения.

Регулировка подшипника

Подробный вид типичной системы предварительного натяжения подшипника скольжения по азимуту (рысканию) современной ветряной турбины.

Когда гондола ветряной турбины установлена ​​на башне и сборка подшипника отклонения от курса завершена, необходимо отрегулировать давление на отдельные скользящие подушки подшипника. Это необходимо во избежание неравномерного износа скользящих подушек и чрезмерной нагрузки на некоторые участки рулевой опоры. Для этого необходим механизм регулировки, который позволяет техническим специалистам регулировать контактное давление каждого отдельного скользящего элемента контролируемым и безопасным способом. Наиболее распространенным решением является использование нижних несущих пластин с большими отверстиями, в которых размещаются регулируемые системы скользящих подшипников. Эти регулируемые подшипники скольжения состоят из блока скольжения (т.е. скользящей подушки) и регулируемой пластины распределения давления. Между скользящей подушкой и нажимным диском расположены несколько пружинных (преднатяжных) элементов. Вертикальное положение нажимных пластин обычно контролируется регулировочным винтом. Этот регулировочный винт прижимается к нажимной пластине, удерживаяся опорной пластиной противодавления, закрепленной на подшипниковом узле прочными болтами. Таким образом, можно применять различные уровни контактного давления между различными скользящими подушками и, следовательно, гарантировать, что каждый скользящий компонент системы подшипников отклонения от курса работает должным образом.

См. также

• Энергия ветра
• Конструкция ветряной турбины

Дальнейшее чтение

• 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
• Моленбау, А. Сипман, Зютфен, 2002 г., ISBN   90-5730-119-9