Система рыскания

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

Система поворота вокруг вертикальной оси от ветровых турбин является компонент , отвечающий за ориентации ветровой турбины ротора в направлении ветра .

История [ править ]

Ориентация ротора по ветру была сложной задачей уже для исторических ветряных мельниц . Первые ветряные мельницы, способные вращаться, чтобы «встречать» ветер, появились в середине 18 века. ^[1] Их вращающиеся гондолы были установлены на основной конструкции ветряной мельницы с использованием примитивных деревянных подшипников скольжения, смазанных животным жиром . Необходимый крутящий момент рыскания создавался с помощью энергии животных , человека или даже энергии ветра (реализация вспомогательного ротора, известного как веерный хвост).

Ветряные турбины с вертикальной осью ( VAWT ) не нуждаются в системе рыскания, поскольку их вертикальные роторы могут быть обращены к ветру с любого направления, и только их самовращение дает лопастям четкое направление воздушного потока. ^[1] Горизонтально-осевые ветряные турбины, однако, должны ориентировать свои роторы в направлении ветра и наружу, и они достигают этого с помощью пассивных или активных систем рыскания.

Ветровые турбины с горизонтальной осью используют какую-то систему рыскания, которая может быть пассивной или активной. Как пассивные, так и активные системы имеют преимущества и недостатки, и в настоящее время 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 [ править ]

a) Ветровая турбина против ветра, оснащенная системой активного рыскания, b) Ветровая турбина против ветра, оснащенная системой пассивного рыскания, c) Ветряная турбина против ветра, оснащенная системой пассивного рыскания.

Системы активного рыскания [ править ]

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 срабатывания (блокировка системы управления). Системы активного рыскания считаются самыми современными для всех современных средних и больших ветряных турбин, за некоторыми исключениями, подтверждающими правило (например, Vergnet ). Различные компоненты современных систем активного рыскания различаются в зависимости от конструктивных характеристик, но все системы активного рыскания включают в себя средство поворотного соединения между гондолой и башней ( подшипник рыскания ), средство активного изменения ориентации ротора (т. Е. Привод рыскания.), средства ограничения вращения гондолы (тормоз рыскания) и системы управления, которая обрабатывает сигналы от датчиков направления ветра (например, флюгера ) и подает соответствующие команды исполнительным механизмам.

Наиболее распространенные типы активных систем рыскания:

• Роликовый подшипник рыскания - Электрический привод рыскания - Тормоз: гондола установлена ​​на роликоподшипнике, а азимутальное вращение достигается за счет множества мощных электроприводов . Гидравлический или электрический тормоз фиксирует положение гондолы после завершения переориентации, чтобы избежать 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 азимутальное вращение достигается с помощью множества мощных гидравлических двигателей или гидроцилиндров с храповым механизмом . Преимущество системы поворота вокруг вертикальной оси с гидравлическими приводами связано с присущими гидравлическим системам преимуществами, такими как высокое отношение мощности к весу и высокая надежность . С другой стороны, гидравлические системы всегда страдают утечками гидравлической жидкости и засорением их гидравлических клапанов высокого давления.. Гидравлические системы рыскания часто (в зависимости от конструкции системы) также позволяют исключить тормозной механизм рыскания и заменить их запорными клапанами .
• Скользящий подшипник рыскания - Электрический привод рыскания : гондола установлена ​​на скользящем подшипнике на основе трения , а азимутальное вращение достигается с помощью множества мощных электроприводов . Отсутствует необходимость в тормозе рысканья, и в зависимости от размера системы рыскания (т. Е. Размера ветряной турбины ) концепция скользящего подшипника может привести к значительной экономии затрат.
• Скользящий подшипник рыскания - Гидравлический привод рыскания : гондола установлена ​​на скользящем подшипнике на основе трения , а азимутальное вращение достигается с помощью множества мощных гидравлических двигателей или гидроцилиндров с храповым механизмом . Эта система сочетает в себе характеристики вышеупомянутых систем подшипников скольжения и гидравлических двигателей .

Пассивные системы рыскания [ править ]

Пассивные системы рыскания используют силу ветра для регулировки ориентации ротора ветряной турбины против ветра. В своей простейшей форме эта система включает в себя простое соединение на роликовых подшипниках между башней и гондолой и хвостовой стабилизатор, установленный на гондоле и сконструированный таким образом, что он поворачивает ротор ветряной турбины против ветра путем приложения «корректирующего» крутящего момента к гондола. Следовательно, сила ветра отвечает за вращение ротора и ориентацию гондолы. В качестве альтернативы, в случае турбин по ветру, хвостовой стабилизатор не требуется, поскольку сам ротор может отклоняться от курса.гондола против ветра. В случае косых ветров «давление ветра» на скользящую области вызывает рыскания момента вокруг оси башни (Z-ось) , который ориентирует ротор. ^[1]

Хвостовой стабилизатор (или флюгер) обычно используется для небольших ветряных турбин, поскольку он предлагает дешевое и надежное решение. Однако он не может справиться с высокими моментами, необходимыми для рыскания гондолы большой ветряной турбины. Самоориентация роторов турбин по ветру, однако, является концепцией, которая может работать даже для более крупных ветряных турбин. Французский производитель ветряных турбин Vergnet имеет в производстве несколько средних и больших самоориентирующихся ветряных турбин с подветренной стороны .

Пассивные системы рыскания должны быть спроектированы таким образом, чтобы гондола не следовала резким изменениям направления ветра со слишком быстрым рысканием, чтобы избежать высоких гироскопических нагрузок. Кроме того, системы пассивного рыскания с низким трением по рысканию подвергаются сильным динамическим нагрузкам из-за периодического рыскания с малой амплитудой, вызванного изменением момента инерции во время вращения ротора. Этот эффект становится более серьезным при уменьшении количества лопастей.

Наиболее распространенные системы пассивного рыскания:

• Роликовый подшипник (свободная система): гондола установлена ​​на роликовом подшипнике и может свободно вращаться в любом направлении. Необходимый момент исходит от хвостового стабилизатора или ротора ( ветряные турбины с подветренной стороны ).
• Роликовый подшипник - тормоз (полуактивная система): гондола установлена ​​на роликовом подшипнике и может свободно вращаться в любом направлении, но при достижении необходимой ориентации 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. Присуще трение от скольжения подшипника достигает квази-активный способ работы.

Компоненты [ править ]

Пеленг [ править ]

Одним из основных компонентов системы рыскания является подшипник рыскания . Это может быть роликовым или скользящим типа , и он служит в качестве поворотного соединения между башней и гондолой частью ветровой турбины . Поворота вокруг вертикальной оси подшипника должны быть в состоянии обрабатывать очень высокие нагрузки, которые помимо веса гондолы и ротора (вес которого находится в диапазоне от нескольких десятых тонн ) включают также изгибающие моменты , вызванные ротора во время экстракции кинетическая энергия ветра.

Рыскание [ править ]

В рыскания диски существуют только на активных системах рыскания и являются средством активного вращения ветровой турбины гондолы . Каждый привод рыскания состоит из мощного электродвигателя (обычно переменного тока ) с его электроприводом и большого редуктора , увеличивающего крутящий момент . Максимальный статический крутящий момент самых больших приводов рыскания находится в диапазоне 200000 Нм с передаточными числами коробки передач в диапазоне 2000: 1. ^[2] Следовательно, большие современные турбины вращаются относительно медленно, а поворот на 360 ° длится несколько минут.

Тормоз по рысканью [ править ]

Для стабилизации подшипника рыскания от вращения необходимы средства торможения. Один из простейших способов реализовать эту задачу - приложить постоянный небольшой противодействующий момент к приводам рыскания , чтобы устранить люфт между зубчатым венцом и ведущими шестернями рыскания и предотвратить колебания гондолы из- за вращения ротора. Однако эта операция значительно снижает надежность электрических приводов рыскания , поэтому наиболее распространенным решением является использование дискового тормоза с гидравлическим приводом .

Дисковый тормоз требует плоского кругового тормозного диска и множества тормозных суппортов с гидравлическими поршнями и тормозными колодками [1] . Гидравлические тормоза рыскания могут фиксировать гондолу в нужном положении, освобождая таким образом приводы рыскания от этой задачи. Однако стоимость тормоза рыскания в сочетании с необходимостью гидравлической установки ( насос , клапаны , поршни ) и его установка вблизи тормозных колодок, чувствительных к загрязнению смазочного материала, часто является проблемой.

Компромисс, который дает несколько преимуществ, - это использование электрических тормозов рыскания. Они заменяют гидравлический механизм обычных тормозов и тормозные суппорты с электромеханическим приводом. Использование электрических тормозов рыскания устраняет сложность гидравлических утечек и последующих проблем, которые они вызывают при работе тормоза рыскания. ^[3]

Несколько компаний-разработчиков и производителей ветряных турбин экспериментируют с альтернативными методами предотвращения рыскания, чтобы устранить недостатки существующих систем и снизить стоимость системы. Одна из этих альтернатив включает использование давления воздуха для достижения необходимого тормозного момента рыскания. В этом случае часть поверхности скольжения (обычно осевая из-за большей доступной поверхности) используется для размещения тормозных колодок рыскания и пневматического тормозного механизма. Пневматический привод может быть обычным пневматическим цилиндром или даже гибкой воздушной камерой, которая надувается при подаче сжатого воздуха. Такое устройство способно проявлять очень высокие тормозные усилия из-за большой активной поверхности. Это достигается с помощью простой промышленной системы сжатия воздуха под давлением (6–10 бар или 600–1 бар). 000 кПа или 87–145 фунтов на кв. Дюйм), что является надежным и недорогим решением. Кроме того, в случае утечки воздействие на окружающую среду практически равно нулю по сравнению с утечкой гидравлического масла. Наконец, тормозные приводы можно производить по очень низкой цене из легких пластиковых материалов, что значительно снижает общую стоимость системы.

Флюгер рыскания (пассивные системы) [ править ]

Лопасть рыскания (или хвостовой стабилизатор) является компонентом системы рыскания, используемой только на небольших ветряных турбинах с пассивными механизмами рыскания. Это не что иное, как плоская поверхность, закрепленная на гондоле с помощью длинной балки . Сочетание большой площади поверхности киля и увеличенной длины балки создает значительный крутящий момент, который способен вращать гондолу, несмотря на стабилизирующие гироскопические эффекты ротора. Однако необходимая площадь поверхности для того, чтобы хвостовой стабилизатор мог поворачивать большую ветряную турбину , огромна, что делает использование такого устройства неэкономичным.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Ветряные электростанции, Р. Гаш и Дж. Твеле, Solarpraxis, ISBN 3-934595-23-5 
• Справочник по ветроэнергетике, T. Burton [и др.], John Wiley & Sons, Ltd, ISBN 0-471-48997-2 
• Как построить ветряную турбину - планы ветряной мельницы с осевым потоком, Х. Пигготт Scoraigwind