Тормоз ветрогенератора: варианты конструкций тормозных систем ветряных турбин

Тормоз ветрогенератора: варианты конструкций тормозных систем ветряных турбин

Наращивание мощности ветряных турбин неизбежно сопровождается наращиванием размеров конструкций. Количество полезной энергии, извлекаемой турбиной из энергии ветра, пропорционально общей площади, обметаемой лопастями рабочего колеса. Однако увеличение размеров ветряных турбин приводит к росту нагрузки на соответствующие компоненты передачи механической энергии в целом и на тормозную систему в частности. Рассмотрим тормоз ветрогенератора как систему, благодаря которой осуществляется надёжная работа установок чистой энергетики.

Особенности работы тормозной системы ветряной турбины

Тормозная система ветряных турбин работает на более высоких циклах, при более высоких нагрузках и требует высокой степени надёжности по сравнению с обычным заводским оборудованием. Тормоза ветрогенераторов должны срабатывать автоматически, учитывая автономную работу турбин.

Как правило, ветряные турбины монтируются и действуют на удалении от сервиса управления, что делает доступ к техническому обслуживанию сложным и дорогостоящим. Соответственно, установки должны надежно работать в самых сложных условиях окружающей среды — часто в условиях экстремальной влажности и температуры.

По сути, ветряные турбины должны обеспечивать абсолютную надёжность, будучи установленными в самых разных местах эксплуатации:

  • морские участки,
  • химически грязная атмосфера,
  • пустыни с пылевыми бурями и т.п.

Значимую роль в достижении высокой степени надёжности ветряных турбин играют тормоза, являясь ключевыми элементами ветрогенераторов. Независимо от размера установки, для конструкции ветровой турбины требуются:

  • роторные тормоза,
  • тормозное управление рысканием,
  • тормоза шага лопастей.

Все эти системы характеризуются конкретными конструктивными соображениями.

Конструктивные соображения по тормозным системам ветрогенераторов

Роторные тормозные системы ветрогенераторов контролируют превышение скорости, обеспечивают парковку и экстренное торможение. Практически все роторные тормоза ветряных турбин имеют отказоустойчивую, пружинную, гидравлическим способом освобождаемую конструкцию.

ДОМАШНЯЯ

Тормоз ветрогенератора - гидравлический модуль тормозной системы
Так выглядит один из многих вариантов конструкций тормозной системы гидравлического действия, применяемой в составе ветрогенераторных установок

Такого рода тормозные системы содержат мощные пружины, которые непосредственно или через независимо установленное регулирующее устройство прикладывают усилие на прижим каждой тормозной накладки к диску. Приложенный тормоз отпускается путём сжатия пружин гидравликой высокого давления.

Роторные тормозные системы ветряных генераторов допускают установку:

  1. На валу тихоходного ротора.
  2. На валу высокоскоростного генератора.
  3. На обоих валах.

Медленное торможение вала ветряной турбины является относительно простым моментом в техническом смысле, учитывая, что дисковый тормоз, имеющий фрикционную накладку большой площади, легко разместить. Но применение ветряных турбин зачастую требует тормозного момента крайне высокого уровня.

Таким образом, в целом, наиболее рентабельное положение для тормоза следует рассматривать на высокоскоростном валу между коробкой передач и генератором. Это область, где высокое передаточное число редуктора создаёт значительное снижение выходного крутящего момента.

Однако размещение тормоза на высокоскоростном валу приводит к созданию условий работы в более ограниченном пространстве. Энергию необходимо рассеивать равномерно в области действия тормоза, то есть общая площадь соединения должна быть одинаковой. Кроме того, площадь тормозной колодки должна быть достаточной для отвода тепла, выделяющегося при торможении, особенно в моменты аварийных остановок.

Скорость и доступное пространство быстро становятся ограничивающими факторами в отношении максимального диаметра диска ветряной турбины, влияя на выбор тормозной системы.

Фактор повреждения механических элементов ветрогенераторов

Еще одним соображением относительно положения тормоза в конструкции ветряной турбины является возможность повреждения зубьев шестерни. Если на выходном валу редуктора установлены тормоза, а турбина неподвижна, в таком случае порывы ветра способны вызвать движение ротора в зазоре входного и выходного зубчатых колёс.

ВЕТРЯНАЯ

Тормоз ветрогенератора - конструкция системы торможения механического действия
Так выглядит одна из многих систем торможения механического действия, прототипы которой также используются достаточно часто в составе ветрогенераторов

Без принудительной смазки между сопряженными зубцами этот эффект способен в конечном итоге привести к истиранию и повреждению дорогостоящей системы зубчатой передачи. Уровень тормозного момента для роторных тормозов является критически важным фактором, который необходимо рассчитывать на начальных этапах проектирования тормоза.

Максимально допустимый тормозной момент на валу ротора обычно определяется лопастями или креплением к входному валу редуктора. С другой стороны, высокоскоростное торможение вала обычно связано с максимально допустимой нагрузкой на зубчатое колесо.

Также существует минимальный уровень тормозного момента, ниже которого переменный характер сил трения при различных условиях работы ротора турбины приводит к техническим рискам.

Поэтому важно обеспечить адекватное окно безопасности или фактор обслуживания, чтобы гарантировать, что тормозная система ветряной турбины всегда будет работать эффективно, независимо от любых климатических условий. Факторы, которые влияют на расчеты, включают:

  • инерцию ротора,
  • аэродинамический крутящий момент,
  • скорость вращения ротора,
  • состав материала тормозной накладки,
  • тепловые свойства диска.

Но есть также и другие факторы, которые следует учитывать:

  • загрязнение поверхности торможения,
  • образование конденсата,
  • наличие масла на элементах торможения,
  • скорость трения и давление,
  • износ поверхностных накладок.

Поскольку ветряные турбины работают автономно, невозможно контролировать все эти условия. Соответственно, необходимо учитывать эти моменты при расчёте безопасного уровня крутящего момента.

Тормозное устройство для контроля системы рыскания

При нормальных условиях эксплуатации, ветряная турбина с горизонтальной осью останавливается путём перемещения лопастей от направления потока ветра.

W-ГЕНЕРАТОР

Тормоза ветрогенератора - пример тормозной системы модуля контроля рыскания
Пример тормозной системы, выступающей частью модуля контроля рыскания ветряной турбины

Тормоза рыскания обеспечивают эффективное средство плавного управления гондолой ветряной турбины, когда установка «вращается по ветру» (рыскает). Здесь тормозные башмаки работают путём регулирования противодавления, которое, в свою очередь, контролирует степень силы пружины, следовательно, тормозные моменты.

Процесс начинается, когда анемометр сигнализирует об изменении направления ветра, соответственно, запускается двигатель, приводящий зубчатое кольцо в механику рыскания. Впоследствии двигатель останавливается очередным сигналом, когда механизм рыскания достигает оптимального положения при подъёме ветра и гондола останавливается.

Изменяющаяся сила ветра приводит к изменению нагрузки двигателя и влияет на точность остановки гондолы относительно изменения направления ветра. Нагрузку двигателя допустимо эффективно контролировать независимо от силы ветра. Электромеханическим путём тормоз прикладывается к венцу зубчатого кольца. Сопротивление при этом изменяется сигналом, вызванным ростом или падением тока двигателя.

Как правило, ветряная турбина имеет от четырёх до восьми двигателей рыскания. Тормоза обычно крепятся к задней части приводных двигателей и расположены на нижней стороне зубчатого кольца системы рыскания. Этим обеспечивается точное позиционирование гондолы и эффективность работы. Конструкция исключает потенциальный ущерб от неустойчивости движения на зазорах зубчатой передачи, а тормоз является эффективным элементом фиксации механизма на месте.

W-ДВИЖИТЕЛЬ

Тормоза ветрогенератора - схема тормозной системы ветряной турбины
Общая схема тормоза механики рыскания ветряной турбины: 1 — опора башни; 2 — тормозной диск системы рыскания; 3 — подшипник механики рыскания; 4 — привод механики рыскания; 5 — гондола; 6 — тормозной суппорт; 7 — тормозной поршень; 8 — зубчатый венец

Большинство инженеров-проектировщиков ветряных турбин согласны с тем, что механический дисковый тормоз является лучшим решением с точки зрения:

  • надёжности,
  • простоты изготовления,
  • простоты обслуживания,
  • первоначальных затрат.

Дисковые тормоза известны качеством работы в условиях агрессивных сред и требуют небольшого физического пространства относительно тормозного усилия, которое обеспечивают.

Контроль шага лопастей ветряной турбины

Ветровые турбины с горизонтальной осью создают угол тангажа лопасти ротора для лучшей эффективности. Лопасти ротора также имеют передачу или флюгер для минимизации вращения при сильном ветре и для обслуживания ветряной турбины.

Приводы обеспечения шага могут приводиться в движение электрически или гидравлическим методом. Наиболее распространённым является электрический способ, который обеспечивает более чистый и компактный механизм. Кроме того, электропривод более точен и обеспечивает лёгкое программирование для удовлетворения различных переменных применения.

ВЕРТИКАЛЬНАЯ

Тормоз ветрогенератора - модуль активного контроля шага лопасти
Наглядный пример устройства (самодельного), которым обеспечивается активный контроль шага лопасти ветряной турбины

В любом случае встроенный в привод стояночный тормоз используется как дополнительная функция безопасности, а также для динамического торможения в условиях аварийного шага.

Общая схема привода обеспечения шага электрическим способом включает:

  • электродвигатель (переменный, постоянный или сервомотор),
  • датчик положения (датчик положения или резольвер),

Управляющая логика освобождает тормоз, приводит в движение двигатель, определяет положение, останавливает операцию шага и включает тормоз, чтобы удерживать лопасти ветряной турбины в заданном положении. Двигатель приводит в движение большое зубчатое колесо, встроенное в каждую лопасть, обычно с передаточным отношением в диапазоне 1000:1.

Тормоз основного хода ветрогенератора 

Существует несколько соображений по выбору правильного тормоза для основного хода. Сам по себе приводной шаг требует компактности, так как пространство для монтажа узла в носовом конусе турбины ограничено.

Поэтому при выборе тормоза для приводного шага необходимо учитывать достаточный крутящий момент в условиях компактного дизайна. Как правило, тормоз по размеру диаметра не должен превышать размер диаметра двигателя и датчика положения.

 

Проектный срок службы ветряной турбины также должен учитываться при выборе компонентов. Масштабная ветряная турбина может иметь эффективный проектный срок службы двадцать лет, поэтому отдельные компоненты и комплектные системы требуют соответствия этому стандарту.

Количество предполагаемых аварийных остановок по тангажу в течение 20 лет обычно составляет от 500 до 1000. Остановки могут иметь место по причинам значительной инерции, поэтому необходимо учитывать критерии рассеяния тепла и пиковой энергии.

Хорошим примером может служить продукт компании «Warner Electric», которая разработала серию статических тормозов с высоким крутящим моментом, электрическим расцеплением и пружиной, идеально подходящих для турбин. Например, тормоза серии «ERS», как правило, имеют меньший диаметр относительно узла двигателя, добавляют минимальную длину к общему пакету и рассчитаны на 30 000 динамических остановок.

Дополнительным преимуществом электрического тормоза компании является короткое время реакции — 0,20 с и менее, что делает продукт превосходным выбором для систем привода с контролем шага. Надёжная конструкция этого типа тормоза легко рассеивает тепло, выделяемое в большем количестве, чем требуется для нормального рабочего цикла ветряной турбины.


При помощи информации: IndustrialTechnology