Гандола ветравой турбіны і яе кампаненты
У сучасных ветраных турбінных сістэмах гандола — гэта «корпус рухавіка», размешчаны ўверсе вежы, непасрэдна за ротарам (лопасцю). У той час як вежа служыць апорнай канструкцыяй, а ротар захоплівае энергію ветру, гандола з'яўляецца цэнтрам пераўтварэння энергіі: менавіта тут механічная энергія ад кручэння ротара пераўтвараецца ў электрычную энергію, кантралюецца, адсочваецца і падтрымліваецца для забеспячэння бяспечнай працы ў любых умовах надвор'я. З-за сваёй жыццёва важнай ролі гандола пры канструкцыі павінна ўлічвацца эфектыўнасць, даўгавечнасць, прастата абслугоўвання і бяспека.
Па вонкавым выглядзе гандола нагадвае падоўжаную скрынку або капсулу, якая абараняе ўнутраныя кампаненты ад дажджу, пылу, карозіі і перападаў тэмпературы. У ёй размешчаны шэраг сістэм перадачы, генератары, сістэмы кіравання, астуджэння, змазкі і прылады бяспекі. У гэтым артыкуле абмяркоўваюцца функцыі гандолы і яе ключавыя кампаненты, у тым ліку тое, як кожная частка працуе ў цэлым.
Асноўная функцыя гандолы
Функцыю гандолы можна абагульніць па чатырох асноўных напрамках. Па-першае, яна абараняе кампаненты ад знешняга асяроддзя — моцных вятроў, салёнай вады (на марскіх турбінах) і часціц пылу, якія могуць паскорыць знос, калі іх не лячыць. Па-другое, яна падтрымлівае і выраўноўвае механічныя кампаненты, такія як валы, рэдуктары і генератары, каб забяспечыць правільнае выраўноўванне і мінімізаваць вібрацыю. Па-трэцяе, яна аб'ядноўвае сістэмы кіравання і бяспекі, ад датчыкаў ветру да механізмаў экстранага тармажэння. Па-чацвёртае, яна спрашчае эксплуатацыю і тэхнічнае абслугоўванне, бо ключавыя кампаненты размешчаны ў адной працоўнай прасторы з абмежаваным доступам (сэрвісныя дзверы, унутраныя краны, інспекцыйныя дарожкі).
Канструкцыя вечка гандолы і станіны
Найбольш бачным кампанентам гандолы з'яўляецца вечка (або корпус) гандолы. Звычайна яна выраблена з кампазітных матэрыялаў або лёгкіх металаў, якія з'яўляюцца трывалымі, устойлівымі да карозіі і аэрадынамічнымі. Гэта вечка служыць не толькі эстэтычным мэтам, але і памяншае ўздзеянне надвор'я і дапамагае накіроўваць паветраны паток, каб прадухіліць празмерную турбулентнасць.
Унутры знаходзіцца апорная пліта — рама або «канструкцыйная падлога», якая служыць асновай для мацавання цяжкіх кампанентаў, такіх як рэдуктар і генератар. Апорная пліта павінна быць надзвычай жорсткай, каб паменшыць прагін і падтрымліваць выраўноўванне кампанентаў, бо нават нязначнае няправільнае выраўноўванне можа прывесці да павелічэння вібрацыі, перагрэву і паломкі падшыпнікаў.
Ступіца ротара, галоўны вал і карэнныя падшыпнікі
Энергія ветру захопліваецца лопасцямі і перадаецца на ступіцу ротара. Ступіца злучае лопасці з вярчальнай сістэмай і перадае крутоўны момант на галоўны вал. Затым галоўны вал перадае механічную энергію на рэдуктар або непасрэдна на генератар, у залежнасці ад канструкцыі турбіны.
Галоўны вал падтрымліваецца карэннымі падшыпнікамі. Гэтыя падшыпнікі маюць вырашальнае значэнне, таму што яны вытрымліваюць сумарную нагрузку: восевую нагрузку (уздоўж вала) і радыяльную нагрузку (перпендыкулярна валу), выкліканую сілай ветру і вагой ротара. Якасць падшыпнікаў і іх сістэмы змазкі мае вырашальнае значэнне для тэрміну службы турбіны, бо паломка падшыпнікаў з'яўляецца асноўнай прычынай дарагога прастою.
Каробка перадач (на турбінах з рэдуктарным тыпам)
У многіх ветраных турбінах выкарыстоўваюцца рэдуктары, каб павялічыць адносна павольную хуткасць кручэння ротара да высокіх хуткасцей, неабходных генератару. Напрыклад, ротар можа круціцца з хуткасцю ад дзясяткаў абаротаў у хвіліну, у той час як генератар больш эфектыўны пры сотнях і тысячах абаротаў у хвіліну (у залежнасці ад тыпу).
Рэдуктары — гэта складаныя кампаненты, якія працуюць пад зменнымі і вагальнымі нагрузкамі. Таму рэдуктары патрабуюць:
– Надзейная сістэма змазкі для прадухілення зносу рэдуктараў,
– Сістэма астуджэння для адводу цяпла,
– Фільтрацыя алею для падтрымання чысціні вадкасці,
– Маніторынг вібрацыі для ранняга выяўлення пашкоджанняў (напрыклад, выбівання зубоў).
Некаторыя сучасныя турбіны выкарыстоўваюць канструкцыю з прамым прывадам (без рэдуктара) для памяншэння складанасці, але звычайна для гэтага патрабуецца генератар большага дыяметра і іншая магнітная сістэма.
Генератар: пераўтварае механічную энергію ў электрычную
Генератар — гэта сэрца пераўтварэння электрычнай энергіі. Калі вал (непасрэдна або праз рэдуктар) круціць ротар генератара, магнітнае поле і шпулькі выпрацоўваюць электрычнасць. Ветрагенератары бываюць розных тыпаў, у тым ліку:
– Двайны індукцыйны генератар (DFIG) на многіх турбінах з рэдуктарамі,
– Сінхронны генератар з пастаяннымі магнітамі (СПМГ), часта з прамым прывадам або сучаснымі высокаэфектыўнымі турбінамі.
Генератары выпрацоўваюць цяпло, таму яны патрабуюць астуджэння (паветранага або вадкаснага) і кантролю тэмпературы. Стабільнасць выходнага напружання і частаты залежыць не толькі ад генератара, але і ад электроннай сістэмы пераўтварэння энергіі.
Пераўтваральнік энергіі і трансфармацыя энергіі
Па меры ваганняў хуткасці ветру змяняюцца таксама кручэнне ротара і электрычныя характарыстыкі генератара. Для падачы электраэнергіі ў сетку на належным узроўні якасці турбіна выкарыстоўвае пераўтваральнік магутнасці (інвертар/выпрамнік і сілавая электроніка). Пераўтваральнік рэгулюе:
– напружанне,
– частата,
– каэфіцыент магутнасці,
– і забяспечыць сінхранізацыю з сеткай.
У некаторых канфігурацыях гандола таксама змяшчае трансфарматар (асабліва ў пэўных канструкцыях), хоць у многіх турбінах галоўны трансфарматар размяшчаецца ля падставы вежы або на іншай платформе з меркаванняў вагі і доступу для абслугоўвання.
Сістэма рыскання: супраць ветру
Каб ротар атрымаў максімальную энергію, гандола павінна быць накіравана супраць ветру. Гэтую задачу выконвае сістэма рыскання, якая складаецца з:
– прывад рыскання (рухавік прывада рыскання),
– шасцярня рыскання/венечны вянец (вялікая шасцярня),
– падшыпнік рыскання (падшыпнік рыскання вялікага дыяметра),
– і кіраванне рысканнем на аснове датчыка ветру.
Сістэма кіравання рысканнем працуе шляхам паступовай рэгулявання становішча гандолы. Занадта частыя або агрэсіўныя рухі могуць павялічыць знос. Таму алгарытмы кіравання рысканнем звычайна выбіраюць кампраміс паміж «максімальна дакладнай размяшчэннем супраць ветру» і «зніжэннем механічных нагрузак».
Сістэма нахілу: Устаноўка вугла лопасці
Унутры ступіцы, інтэграваная з элементамі кіравання ў гандоле, знаходзіцца сістэма тангажу, якая рэгулюе вугал нахілу лапатак турбіны. Танг служыць для:
– аптымізаваць збор энергіі пры сярэдніх хуткасцях ветру,
– абмяжоўваць магутнасць пры моцным ветры, каб не перавышаць намінальную магутнасць,
– і выконваць «перакручванне» (паварот лопасцяў для памяншэння сілы ветру) у надзвычайных сітуацыях.
Прывады нахілу могуць быць гідраўлічнымі або электрычнымі. Сістэмы нахілу звычайна маюць рэзервовае харчаванне (напрыклад, акумулятар), каб лопасці былі ў бяспечным становішчы ў выпадку адключэння электраэнергіі.
Тармазы (тармазная сістэма) і бяспека
Ветраным турбінам патрабуецца тармазная сістэма як для эксплуатацыі, так і для аварыйных сітуацый. Звычайна ёсць два ўзроўні:
1. Аэрадынамічнае тармажэнне праз тангаж (паварот лопасцяў, каб рэзка паменшыць сілу ветру).
2. Механічныя тармазы (дыскавыя тармазы) на высакахуткасных восях або некаторых дэталях трансмісіі для спынення кручэння падчас тэхнічнага абслугоўвання або ў надзвычайных сітуацыях.
Акрамя таго, гандола абсталявана рознымі прыладамі бяспекі, такімі як датчыкі перавышэння хуткасці, абарона ад перагрэву, сістэмы пажаратушэння (асабліва на вялікіх турбінах) і сістэмы аўтаматычнага адключэння.
Сістэмы астуджэння і вентыляцыі
Такія кампаненты, як генератар, пераўтваральнік і рэдуктар, выпрацоўваюць цяпло. Таму гандола мае сістэму астуджэння, якая складаецца з:
– цеплаабменнік,
– вентылятар,
– алейны радыятар каробкі перадач,
– або сістэма вадкаснага астуджэння для кампанентаў сілавой электронікі.
Кантроль вільготнасці таксама важны для прадухілення кандэнсацыі, якая можа пашкодзіць электроніку і паскорыць карозію.
Змазка, гідраўліка і фільтрацыя
Каб забяспечыць працяглы тэрмін службы механічных сістэм, гандола абсталявана цэнтралізаванай сістэмай змазкі — у першую чаргу для рэдуктара, падшыпнікаў і іншых месцаў трэння. Некаторыя канструкцыі таксама ўключаюць гідраўлічныя сістэмы для тангажу, тармазоў або іншых прывадаў. Фільтрацыя алею мае вырашальнае значэнне, бо забруджванне дробнымі часціцамі можа паскорыць знос шасцярні і падшыпнікаў.
Датчыкі, SCADA і маніторынг стану
Сучасныя турбіны амаль заўсёды абсталяваны SCADA (сістэмамі дыспетчарскага кіравання і збору дадзеных) для маніторынгу прадукцыйнасці і дыстанцыйнага кіравання аперацыямі. Гандола змяшчае розныя датчыкі, такія як:
– анемометр (хуткасць ветру) і флюгер (кірунак ветру),
– датчыкі вібрацыі на каробцы перадач і генератары,
– датчыкі тэмпературы і ціску алею,
– датчык электрычнага току/напружання,
– а таксама сістэма ранняга выяўлення няспраўнасцей (маніторынг стану).
Дадзеныя з датчыкаў дапамагаюць аператарам выконваць прагнастычнае тэхнічнае абслугоўванне: рамонт выконваецца да таго, як адбудуцца сур'ёзныя пашкоджанні, што скарачае час прастою і выдаткі.
Доступ для тэхнічнага абслугоўвання: унутраны кран і інспекцыйная дарожка
З-за вышыні доступ для тэхнічнага абслугоўвання абцяжараны. Гандолы часта абсталяваны ўнутранымі кранамі або пад'ёмнымі кропкамі для перамяшчэння пэўных кампанентаў. Сцежкі агляду, асвятленне, панэлі бяспекі, а таксама размяшчэнне кабеляў і труб распрацаваны такім чынам, каб тэхнікі маглі працаваць бяспечна і эфектыўна.
Выснова
Гандола ветравой турбіны — гэта аперацыйны цэнтр, які аб'ядноўвае механічныя, электрычныя, кіруючыя і бяспечныя сістэмы ў адзіны абаронены блок. Ён уключае ў сябе канструктыўную апорную пліту, галоўны вал і падшыпнікі, каробку перадач (у рэдуктарных турбінах), генератар, пераўтваральнік магутнасці, сістэмы рыскання і тангажу, тармазы, астуджэнне, змазку і шэраг датчыкаў, падлучаных да SCADA. Прадукцыйнасць турбіны ў значнай ступені вызначаецца надзейнасцю кампанентаў гандолы і якасцю іх інтэграцыі. Чым лепш спраектавана, кантралюецца і абслугоўваецца гандола, тым вышэй энергаэфектыўнасць, бяспека эксплуатацыі і тэрмін службы ветравой турбіны.
Калі жадаеце, я магу зрабіць версію гэтага артыкула з больш тэхнічнымі падзагалоўкамі, дапоўніць яе дыяграмамі патокаў энергіі (вецер → ротар → трансмісія → генератар → пераўтваральнік → сетка) або засяродзіцца на параўнанні прамога прывада і каробкі перадач.
