Трансмиссии, коробки передач и генераторы

Редуктор ветряной турбины


Редуктор в ветряной турбине обеспечивает скорость вращения ротора, соответствующую требуемой генератором. Обычные генераторы для выработки электроэнергии обычно представляют собой двухполюсные и четырехполюсные машины, вращающиеся со скоростью 3000°С.

     


Очень маленькие ветряные турбины могут вращаться со скоростями, совместимыми со скоростями этих обычных типов генераторов, и поэтому могут быть подключены непосредственно к генератору. Однако более крупные машины мегаваттного класса вращаются слишком медленно, чтобы соответствовать скорости любого обычного генератора. Поэтому традиционным решением было размещение в трансмиссии редуктора, который увеличил бы скорость вращения примерно в 100 раз для типичной ветряной турбины мегаваттного класса. Точное соотношение будет зависеть от конструкции турбины.


Для ветряных турбин  мощностью примерно до 1,5 МВт установка редуктора в трансмиссию предлагает наиболее экономичное решение проблемы согласования скоростей ротора и генератора. Однако для более крупных ветряных турбин  мощностью более 3 МВт существует альтернатива — использование генератора с прямым приводом без коробки передач в трансмиссии. Эти генераторы более дорогие, но становятся обычным явлением в крупных энергетических турбинах. Однако до сих пор существуют аргументы в пользу использования коробки передач, и некоторые производители изучают способы повышения надежности коробки передач.


Можно построить генераторы, которые могут работать на гораздо низких скоростях, чем обычный генератор, но все же быстрее, чем скорость ротора. У них больше полюсов, и для их вращения требуется более высокий крутящий момент, поэтому они также дороже. Однако купить коробку передач Гранта, необходимо для повышения скорости, возможно, до 750  или 375  об/мин, будет проще, с меньшим количеством элементов и потенциально будет более надежной. Большинство редукторов в крупных ветряных турбинах мощностью примерно до 1,5  МВт основаны на планетарных или эпициклических системах зубчатых передач. Часто они чрезвычайно сложны. Однако комбинация низкоскоростного генератора и более простой коробки передач с более низким передаточным отношением может конкурировать с генератором с прямым приводом как по надежности, так и по стоимости. Трехступенчатый редуктор для среднескоростной трансмиссии.

 

Трехступенчатый редуктор ветряной турбины для среднескоростной трансмиссии


Источник: Редуктор генератора GPC840D, дифференциальная конструкция, Bosch Rexroth AG. Группа компаний Рексрот Бош. Изображение было взято из этой брошюры.
Основная трудность при проектировании редуктора заключается в том, что редукторы ветряных турбин должны выдерживать ряд ударов и нагрузок, которые не встречаются в большинстве случаев применения коробок передач. Помимо изгибающих сил на валу, которые передаются в коробку передач, происходят резкие изменения крутящего момента, вызванные порывами, и даже обратные крутящие моменты в тяжелых условиях. Следовательно, конструкция трансмиссии должна либо изолировать коробку передач от этих ударов, либо коробка передач должна быть сконструирована так, чтобы выдерживать их.


Одним из частичных решений по снижению нагрузки и износа является отделение средств поддержки ротора и вала турбины от передачи крутящего момента турбины. Это помогает изолировать коробку передач от некоторых сил, испытываемых ротором. Между тем, одной из основных причин выхода из строя коробки передач является несоосность вала в результате воздействия на него сил. Использование более прочной конструкции шасси для трансмиссии может уменьшить масштаб проблемы. Регулярная регулировка трансмиссии поможет минимизировать нагрузку и износ коробки передач.


Разные производители выбирают разные решения для приводов ветряных турбин, но многие по-прежнему предпочитают использовать ту или иную форму коробки передач. По мере развития отрасли были выявлены основные проблемные места в коробках передач, но устранить эти проблемы по-прежнему сложно. Вместо этого редукторы проектируются так, чтобы выдерживать определенные нагрузки, удары и износ, которым они подвергаются. Кроме того,Режим постоянного мониторинга и технического обслуживания может помочь продлить срок службы коробки передач, выявляя проблемы до того, как они станут серьезными.


Поскольку многие из проблем, связанных с износом и выходом из строя коробки передач, связаны с величиной сил, которым они подвергаются, было рассмотрено еще одно решение — уменьшить крутящий момент путем разделения трансмиссии на несколько мелких частей, каждая из которых имеет собственный редуктор и генератор. Роторы, приводящие в движение 8 или 16 отдельных редукторов и генераторов, испытывались с переменным успехом.