6. Устройство и технические характеристики современных крупных ветроэнергетических установок большой мощности.
ВЭУ предназначены для преобразования энергии ветра в электрическую промышленной частоты 50 Гц и напряжением 380 В с непосредственным подключением в сеть через трансформаторы.
Типовая конструкция современных ВЭУ следующая:
- башня установки монтируется на фундаменте, обеспечивающим его устойчивость положения при изменяющихся и больших скоростях ветра (рис.12);
- поворот модуля на ветер осуществляется с помощью электропривода и зубчатого венца, расположенного на башни- это осуществляется на ВЭУ диаметром венца 112 м, а на рассматриваемой ВЭУ USW-56-100 ориентация на ветер осуществляется подветренным расположением ветроколеса- пассивная ориентация. Возможность поворота модуля на башне обеспечивается использованием крупногабаритного упорного шарикоподшипника, на который опирается поворотный модуль ветроколеса со всеми механизмами расположенными внутри модуля.
- модуль ветротурбины имеет раму, на которой закреплены все механизмы: главный вал с ветроколесом, механизм передачи вращения, генератор электроэнергии, механизм Питча, поворачивающий лопасти ветроколеса, муфты сцепления и тормоза, удерживающие лопасти ветроколеса, и весь модуль в заданном положении. Модуль закрыт кожухом, препятствующим проникновению влаги в механизмы и в электрооборудования.( рис. 13)
6.1. Технические характеристики некоторых современных ВЭУ.
6.1.1. Техническая характеристика ветростанции строящейся в Бахчисарайском районе в 2011-2012 гг.
Мощность ВЭС 200 Мвт.
Количество установок- 66 установок.
Мощность установки- 3МВт.
Высота установки- 94 м.
Диаметр ветроколеса- 112 м.
Средняя скорость ветра- 6,5 м/с.
Номинальная мощность (200 МВт) обеспечивается при скорости ветра от 12 до 25 м/с.
6.1.2. Более подробно рассмотрим техническую характеристику и конструкцию ветроустановки USW 56-100, которая используется в Крыму более 10 лет.
Техническая характеристика:
- номинальная мощность 107,5 кВт
- генератор электроэнергии – асинхронный 3-х фазный переменного тока частотой 50 Гц
- количество лопастей ветротурбины-3
- расположение - подветренное
- материал лопастей - стеклопластик
- диаметр ротора ветроколеса 17 м.
- частота вращения ветроколеса (постоянная) 72 об/мин
Увеличение частоты вращения до заданной для электрогенератора - мультипликатором с передаточным числом 20.
- частота вращения генератора 1440 об/мин
- требуемая скорость ветра для выхода на номинальную мощность 13 м/с
- минимальная, стартовая скорость ветра- 5 м/с
- максимальная- эксплуатационная скорость ветра 22 м/с
- максимальная не разрушающая скорость ветра 56 м/с, при скорости ветра больше указанной необходимо принимать особые меры безопасности.
- высота башни при возможных двух вариантах исполнения ВЭУ 18 м и 24 м.
- башня решетчатая из стального цинкового уголкового профиля.
- масса модуля с расположенными в нем механизмами и ветроколесом 3700 кг.
- лопасти ветроколеса по 160 кг.
6.2. Устройство основных узлов ветроустановки.
6.2.1. Узел ступицы ветроколеса. (рис.14)
Узел ступицы ветроколеса предназначен для шарнирного закрепления в ней на подшипниках лопастей ветроколеса. Для преобразования набегающего потока воздуха во вращательное движение всего ветроколеса и главного вала.
Ступицы изготовлены литьем из высокопрочного чугуна. Она имеет ребра жесткости, которые воспринимают значительные нагрузки, действующие на лопасти. Ступица имеет три выступа (бобышки) внутренняя поверхность которых расточена соблюдением требуемых размеров точности для размещения стаканов с подшипниками качения и прикрепленных к стаканам лопастей.
Поскольку, ветроколесо и их цапфы, которые располагаются в подшипниках, относятся к деталям особой ответственности, то их изготавливают из стали высокой прочности марки 40 ХН, содержащей 0,40% углерода, 1% хрома (значительно повышающего прочность), 1% никеля (повышающего прочность и вязкость стали). Исходя из высокой ответственности конструкции, при их прочностном расчете назначается коэффициент запаса прочности, равный четырем.
Лопасть ветроколеса испытывает напряжения изгиба, кручения и сравнительно небольшие растяжения.
Высокую нагрузку испытывает цапфа лопасти. Её точный прочностной расчет должен осуществляться на совместное действие изгиба с кручением. Большую нагрузку испытывают шарикоподшипники, в которых закреплена цапфа с возможностью поворота при изменении угла атаки (рис.15)
Шарикоподшипники подбирают по коэффициенту работоспособности:
,
где Q- радиальная нагрузка;
n- частота вращения цапфы в подшипниках;
h- долговечность подшипника задаваемая в часах.
Поскольку, изменения угла поворота лопастей осуществляется сравнительно редко, т.е. менее 10 об/мин , то коэффициент работоспособности для выбора подшипника принимается как для статической нагрузки, допускаемая величина которой для каждого подшипника указана в технической характеристике на подшипнике, что приводится в справочнике конструктора- машиностроителя.
6.2.2. Узел главного вала.(рис.16)
Он предназначен для размещения (закрепления) на нем ступицы ветроколеса с лопастями, удерживание ветроколеса в нужном горизонтальном расположении оси вращения и для передачи вращения от ветроколеса к трансмиссии- мультипликатору.
Вал изготовлен из стали высокой прочности марки 40 ХН2 МА (углерода 0,40 %, хрома 1%, никеля 2%, молибдена 1%, А- указывает, что сталь высококачественная).
Вал опирается на шарикоподшипники, размещенные в корпусе, который отлит из высококачественного чугуна.
Имеет 4 лапы с ребрами жесткости, в каждой лапе по 2 отверстия, которыми с помощью болтов (М16) крепится к раме модуля.
6.3. Трансмиссия (рис.17)
Она представляет собой двухступенчатую закрытую зубчатую передачу - мультипликатор, повышающий частоту вращения каждого ведомого вала по отношению к ведущему валу, который муфтой соединен с главным валом ветроколеса. Передаточное число мультипликатора 20,632. Максимальный крутящий момент испытывает первый ведущий вал, соединенный с главным валом, последующие валы вращаются быстрее и испытывают меньшие по величине крутящие моменты - во сколько раз меньше каждый из ведомых валов вращается быстрее тихоходного ведущего.
В данной курсовой работе в последующем разделе выполняется прочностной расчет ведомого быстроходного вала, который соединяется муфтой с валом генератора.
Передача смонтирована в корпусе модуля трансмиссии, который отлит из высококачественного чугуна В4-60-4 (предел прочности при растяжении 60 кг/мм2, относительное удлинение - пластичность 4%- маленькое). Крышка отлита из того же чугуна, внутри корпуса на подшипниках (32) размешается трубчатый тихоходный вал (34), на нем закреплено большое зубчатое колесо (33). Промежуточный вал (15) центрируется на подшипниках (13), на нем находится два зубчатых колеса - шестерня, заодно с валом и большое зубчатое колесо (14). Быстроходный вал (17) центрируется на подшипниках (35) и с ним заодно изготовлено зубчатое колесо. Ниже представлен прочностной расчет этого вала с определением его диаметра рядом с шестерней (испытывает напряжения изгиба и кручения) и определяется концевой участок вала (испытывающий напряжение кручения) этот участок вала, с помощью муфты соединен с валом электрогенератора.
Расчет вала
Исходные данные для расчета вала трансмиссии:
- частота вращения вала n= 1400 об/мин
- номинальная мощность электроэнергии, вырабатываемой генератором N= 107,5 кВт
- вал изготовлен из стали 40ХН
Окружное усилие:
,
где
Радиальное усилие:
Проверка:
Из эпюры изгибающего момента видно, что опасное сечение (I-I) на изгиб, поскольку, вал испытывает кручение от муфты до колеса, то покажем эпюру крутящего момента.
Но, поскольку, вал между левой опорой RА и радиальной силой Т испытывает одновременно и изгиб, момент и крутящий момент, то для определения диаметра вала, именно на этом участке необходимо учесть его сложное напряженное состояние (кручение с изгибом) и построить эпюру приведенного момента.
Величина приведенного момента:
Таким образом, из анализа эпюр видно, что первый вал на участке (II) между муфтой и опорой RА работает на кручение, на участке между опорой RА и усилием Т на сложное состояние, и его диаметр в опасном сечении (III-III) должен определяться по величине приведенного момента, в котором коэффициент к равен 4 т.е. соотношение между напряжениями кручения и изгиба при разных циклах нагружения пульсирующим и знакопеременным.
Таким образом, диаметр вала в сечении II-II испытывающий напряжение кручения определяется по зависимости:
Округляем до ближайшего стандартного dII =42 мм
Вал в сечении I-I в право от усилия Т испытывает только изгиб и его диаметр:
Округляем до ближайшего стандартного dI =35мм
Диаметр вала в опасном сечении III-III:
Округляем до ближайшего стандартного dIII =45мм
Поскольку, подшипники качения выбираются по расчетному коэффициенту работоспособности и внутренний диаметр подшипника 50 мм, то диаметральные размеры вала спроектированы (увеличены) исходя из указанного диаметра подшипника. Поэтому шейки вала под подшипники назначены больше расчетных значений, а именно 50 мм, а участок вала граничащий с посадочными местами для подшипника конструктивно увеличен до 60 мм, для этого создан бортик для упора во внутреннее кольцо подшипника (для достаточного запаса прочности вала).
При реальном проектировании конструкции вала учитывается, что его диаметры на разных участках должны быть не меньше расчетных.
Поскольку, выбор подшипников качения осуществляется в зависимости от нагрузки (реакция RA и RB ), в зависимости от необходимости размещения на валу одного или нескольких зубчатых колес, то вал проектируется ступенчатым с возможностью сборки и разборки с размещениями на нем колес и с учетом внутреннего диаметра подшипников. Но обязательное условие, диаметры в указанных сечениях I-II-III должны быть не меньше расчетных.
Вал центрируется на шарикоподшипниках (35). Расчет их на долговечность выполняется по коэффициенту работоспособности
где Q- условная нагрузка, которая может быть только радиальной, сочетанием радиальной и осевой, или только осевой.
Направление и значение радиальных и осевых нагрузок определяются из анализа особенностей конструкций передачи закрепленной на валу, например:
натяжение ременной передачи или цепной передачи - только радиальная нагрузка, зависящая от типа ремня, типа цепи передаваемой мощности.
если это косозубая передача - только радиальная нагрузка определяется передаваемым крутящим моментом.
если это зубчатая передача шевронная передача - только радиальная нагрузка.
В косозубой, червячной передачи два усилия: окружное и осевое.
n- число оборотов вращающегося кольца, (об/мин)
h- долговечность работы подшипника, т.е. желаемый срок службы подшипника в часах.
В зависимости от особенностей эксплуатации машин этот срок службы задается в пределах от 500 часов до 200 000 часов.
Если проектировщик «замахивается» на слишком большой срок службы – 15-20 лет, то в результате расчета может оказаться необходимым огромный подшипник и под него нужно увеличивать диаметр вала, следовательно, размер всей машины, что не рационально. Гораздо рациональнее «согласиться» с необходимостью замены подшипников, например каждые 2 года, задать это в расчет в виде требуемого числа часов и расчетом получить показатель работоспособности С, которому соответствует подшипник приемлемых размеров.
Для радиальных:
Для радиально - упорных:
Для упорных:
где R- радиальная нагрузка;
А - осевая нагрузка;
Кг - учитывает какое кольцо вращения (как ведущее, быстрее выйдет из строя при ведущем наружном кольце, так как тела качения будут нагружены большее число раз);
Кб- учитывает вероятность ударов и перегрузки;
Кт- учитывает температуру среды, когда выйдет из строя;
β- угол контакта тел качения с дорожкой качения;
Если n (число оборотов) меньше 10 об/мин, то считается, действует статическая нагрузка.
По значению С из справочника выбирается тип подшипника с его размерами.
6.4.Механизм изменения угла атаки лопастей ветроколеса.
Этот механизм осуществляет поворот лопастей ветроколеса при продолжающемся ветроколеса вращении, в случаи изменения скорости ветра.
Механизм достаточно сложен по своему устройству, поскольку, лопасти необходимо развернуть на нужный угол атаки при вращении колеса, вместе с тем сохранить заданное положение лопасти.
Скорость ветра определяется датчиком, который выдает сигнал для включения электродвигателя. Для уменьшения частоты вращения, по заданному сигналу используется червячный редуктор, от которого медленное вращение ( от вала колеса) передается на передачу «винт- гайка», ведущее звено- гайка и при её вращении винт перемещается поступательно в одном или другом заданном направлении. Этот винт соединен с тягой и рычажным механизмом, который поворачивает лопасти на требуемый угол в соответствии со скорость ветра и сигналом датчика. После этого вращение электродвигателя прекращается и включается электромагнитный тормоз, удерживающий лопасти в заданном положении с нужным углом атаки.
Для сохранения заданного угла атаки лопастей при вращении центрального трубчатого вала необходимо, чтобы и гайка Питча и находящийся внутри неё винт вращались с одинаковой частотой в одном направлении (тогда перемещение винта не будет) для этого используется электромагнитная муфта, на которую постоянно подается напряжение и тормоз. А как только подается управляющий сигнал, от датчика напряжения с муфты снимается и гайка, приводимая во вращение электродвигателем, через редуктор начинает вращаться быстрее или медленнее винта, заставляя его перемещаться в нужном направлении.
Положение лопастей определяется двумя углами:
углом атаки- между продольной осью поперечного сечения и направлением ветрового потока;
углом Питча- это угол, дополняющий до 90˚ угол атаки α. При медленном вращении ветроколеса угол атаки 10˚. Во флюгерном положении, когда остановить ветроколесо при очень сильном ветре устанавливается равным нулю, при разгоне ветрогенератора и его работе угол α изменяют от 56˚ до 86˚.(рис. 17)
Рассматриваемый механизм Питча является одним из самых сложных механизмов расположенных в модуле ВЭУ. Он сложен по конструктивному исполнению ( электродвигатель, редуктор, винтовая передача, рычаг и эксцентрик, электромагнитная муфта и электромагнитный тормоз) и сложен кинематически, поскольку, его функции определяются двумя движениями- движением ветроколеса и движением винтовой передачи. От него требуется точное исключение заданной команды, так как своевременным расположением лопастей, поворотом их на строго определенный угол определяется и качество вырабатываемой электроэнергии и КПД всей установки и целостность (не разрушаемость) установки в критических ситуациях, когда скорость ветра увеличивается до 50 м/с или при изменении направления ветра модуль может оказаться повернутым не вдоль, а поперек этого направления. В этих ситуациях лопасти должны быть быстро установлены во флюгерное положение. Исходя из выше указанного к текущему обслуживанию механизма Питча и его регулировании и степени износа необходимо подходить очень внимательно.
6.5. Группа рамы.
Главная рама предназначена для сборки на ней всех узлов модуля ветротурбины и электрического генератора в единый агрегат, а также для крепления этого агрегата к главной опоре с упорными шарикоподшипниками. К прочности и жесткости рамы изготовленной сваркой из листовых и профильных стальных заготовок, предъявляются особо высокие требования, поскольку и рама и главная опора должны выдерживать не только статическую нагрузку веса поворотного модуля с ветроколесом 3700 кг, но и динамические нагрузки вызываемые изменением скорости и направления ветрового потока.
6.6. Группа гондолы.
Гондола предназначена для защиты всех механизмов модуля ветротурбины от внешних механических и атмосферных воздействий.
Конструкция этого защитного устройства должна быть достаточно прочной, жесткой, обеспечивать требуемую герметичность и позволять осуществлять периодические осмотры всех механизмов находящихся внутри него, регулировки и выполнять текущий ремонт.