Hönnun og efniviður vindmyllumiðstöðva
Í vindmyllukerfi er miðstöðin lykilþáttur sem oft er gleymdur þar sem mest áhersla er lögð á blöðin, turninn eða rafalinn. Reyndar virkar miðstöðin sem „vélrænt hjarta“ sem tengir túrbínublöðin við aðalásinn, flytur loftfræðilega og þyngdarkraftsálag og þjónar einnig sem samþættingarpunktur fyrir ýmsa kerfi eins og hallakerfið (stilling blaðahorns), legur og skynjara. Þessi grein fjallar um hönnunarreglur vindmyllumiðlunar, álagskröfur sem þær verða að þola og algeng efnisval og atriði sem þarf að hafa í huga.
1. Virkni og staðsetning miðstöðvar í vindmyllum
Miðstöðin er staðsett fremst í túrbínunni og er aðaltengingin milli snúningsássins (blaðanna) og drifrásarinnar (áss, gírkassa - ef hann er til staðar, og rafstöðvar). Í nútíma þriggja blaða túrbínum hefur miðstöðin venjulega þrjá festingarpunkta fyrir blað sem eru með 120° millibili. Í hallastýrðum túrbínum er hvert blað fest við miðstöðina með hallalegu, sem gerir kleift að snúa blöðunum til að stjórna lyftingu, afli og vernda túrbínuna í miklum vindi.
Auk þess að vera aðalbyggingin þjónar miðstöðin einnig sem „ílát“ eða hýsing fyrir íhluti: hallastýringar (vökva- eða rafmagnsstýringar), smurkerfi, þétti og kapal- og skynjaraleiðir. Þar sem hún er á snúningshliðinni verður miðstöðin að vera hönnuð til að vera þétt, sterk og fær um að starfa í fjölbreyttum veðurskilyrðum - allt frá miklum raka, saltþoku (á hafi úti), lágum hita, til álagshringrása sem eiga sér stað þúsundum til milljónum sinnum á líftíma túrbínunnar.
2. Álag sem verkar á miðstöðina
Hönnun hjólnafa snýst ekki bara um „þykkt og sterkt“ heldur krefst hún ítarlegrar skilnings á flóknum álagssamsetningum. Helstu álag eru meðal annars:
1. Loftaflfræðilegt álag á blaðið
Vindur framleiðir lyftikraft og mótstöðukraft sem er sendur til hjólnafsins. Breytingar á vindhraða og ókyrrð valda sveiflum í kraftmiklum álagi.
2. Þyngdarálag
Þegar snúningshlutinn snýst breytir hvert blað um stefnu miðað við þyngdarafl, sem skapar reglubundið álag á liði nöfarinnar og blaðsins.
3. Miðflóttaálag
Snúningur snúningsássins framkallar mikinn miðflóttakraft meðfram rót blaðsins, sem flyst í átt að miðju blaðsins. Þessi álag hefur tilhneigingu til að „draga“ blöðin frá miðjunni.
4. Högg og mikil álag
Þetta felur í sér vindhviður, neyðarstöðvar, rafmagnsleysi eða vindhraðarof. Í slíkum tilfellum getur miðstöðin orðið fyrir verulegum breytingum á togkrafti og beygjuálagi.
5. Þreytuálag
Vindmyllur eru hannaðar til að starfa í 20–25 ár, þannig að miðstöðin verður að þola fjölmargar endurteknar álagslotur. Þreyta er oft ráðandi þáttur í stærðarvali og efnisvali.
Vegna þessarar samsetningar álags eru miðstöðvar venjulega greindar með fjölása spennuaðferð og staðfestar með því að nota endanlega þáttagreiningu (FEA) og hönnunarstaðla eins og IEC 61400.
3. Hönnunarhugmynd miðstöðvarbyggingar
Rúmfræðilega má skipta miðpunktum í nokkrar almennar gerðir:
a. Þriggja arma miði
Þetta er algengasta hönnunin fyrir þriggja blaða túrbínu. Hún líkist miðlægri miðstöð með þremur „örmum“ þar sem legur eru festar. Hver armur verður að standast beygjukraft frá blöðunum og flytja hann samtímis yfir í miðlægu miðstöðina.
b. Samþjappað miðstöð með innri hallahúsi
Í nútíma túrbínum er skurðarkerfið oft staðsett inni í miðstöðinni til að verja hana fyrir umhverfinu og draga úr truflunum á loftaflfræði. Þar af leiðandi verður innra rýmið að vera nógu stórt án þess að það skerði burðarvirkið.
c. Miðstöð fyrir beindrifinn túrbínu
Fyrir túrbínur án gírkassa er hönnun drifrásarinnar önnur, sem gerir samþættingu hjólnafa við aðalleguna og rafalinn enn mikilvægari. Þó að hjólnafa sé áfram á snúningshliðinni er hægt að dreifa álaginu sem flyst á aðalbygginguna á annan hátt.
Í hönnun stefna verkfræðingar yfirleitt að jafnvægi milli styrks, stífleika, massa og auðveldleika í framleiðslu og viðhaldi. Of mikill massi hjólnafa eykur álagið á aðallegur og girðingarkerfið, en of lítill massi veldur hættu á þreytubroti.
4. Mikilvæg svið í hönnun miðstöðva
Sum svæði sem tengjast spennu eru þekkt sem svæði sem krefjast sérstakrar athygli:
– Tengipunktslaga: bolta- og flanssvæðið verður að geta þolað tog-, þjöppunar- og skerálag.
– Umskipti milli handleggs og líkama: breytingar á þversniði valda spennuþéttni. Radíusflettur og staðbundnar styrkingar eru oft notaðar.
– Tenging milli hjólnafs og aðaláss: tengingin (t.d. flans) verður að vera sterk gegn togi og beygjumómentum.
– Holur, kapalleiðir og aðgangur að spjöldum: þessir eiginleikar eru nauðsynlegir fyrir þjónustu en geta veikt mannvirkið ef það er ekki hannað rétt.
Þess vegna treysta nútíma hönnun hjólnafna oft á FEA-byggða lögunarbestun, þar á meðal val á veggþykkt, innri rifjamynstri og staðsetningu styrkingarefna.
5. Efniviður fyrir vindmyllumiðstöð: Val og atriði sem þarf að hafa í huga
Efni í hjólnafla verða að uppfylla eftirfarandi kröfur: mikinn styrk, góða þreytuþol, seiglu til að standast höggálag og stöðuga framleiðsluhæfni.
a. Hnúðlaga steypujárn (sveigjanlegt steypujárn / kúlulaga grafítjárn)
Þetta er algengasta efnið fyrir stórar vindmyllumiðstöðvar.
Yfirburðir:
– Tilvalið fyrir flókin form (steypur) eins og hjólnöf með ermum og innri holum.
– Þreytuþol er gott fyrir stórar byggingarframkvæmdir.
– Framleiðslukostnaður er hagkvæmari en stórt smíðað stál.
– Betri titringsdeyfing en stál, sem hjálpar til við að draga úr sveigjanlegri svörun.
Tantangan:
– Gæðaeftirlit er nauðsynlegt: gegndræpi, innifalin efni og steypugallar geta dregið úr þreytuþoli.
– Krefst strangra skoðunarferla (NDT eins og ómskoðunar, röntgenmyndatöku) og eftirlits með steypuferlinu.
Dæmi um algengan (almennt) efnisflokk er EN-GJS (kúlulaga grafít) fjölskyldan, sem er valin út frá nauðsynlegum togstyrk og teygjanleika.
b. Steypt stál eða smíðað stál
Stál er notað þegar þörf er á meiri styrk og seiglu, sérstaklega fyrir ákveðnar hönnun eða erfiðar aðstæður.
Yfirburðir:
– Miklir vélrænir eiginleikar: styrkur og seigja eru yfirleitt betri.
– „Fyrirgefningar“ meira gagnvart sprungum við sumar aðstæður ef málmvinnslugæðin eru góð.
Tantangan:
– Framleiðsluferlið er dýrara og flóknara, sérstaklega fyrir stóra íhluti.
– Hætta á aflögun og þörf fyrir strangari hitameðferð.
– Stálsteypur eru einnig viðkvæmar fyrir steypugöllum ef ferlið er ekki ákjósanlegt.
Í sumum hönnunum nota ákveðnir hlutar stál (t.d. flansar eða innlegg) ásamt aðalhlutanum til að ná fram jafnvægi á milli afkösta og kostnaðar.
c. Samsett eða blendingsefni (ennþá takmarkað)
Víðtæk notkun samsettra efna fyrir hjólnöf er enn sjaldgæf vegna mikils álags á legur og flókinna vélrænna samþættingarkrafna (legur, boltar, flansar). Hins vegar eru rannsóknir á blendingsbyggingum - til dæmis samsettum efnum með málminnleggjum - að ryðja sér til rúms til að draga úr massa.
Mögulegir kostir:
– Mikilvæg massalækkun.
– Góð tæringarþol (sérstaklega á hafi úti).
Hindrun:
– Áskoranir í vélrænum tengingum og álagsþéttni í boltasvæðinu.
– Langtímaþreytuprófun er flóknari.
– Efniskostnaður og framleiðsluferli.
6. Ryðvörn og yfirborðsfrágangur
Hjólhýsi eru notuð utandyra í áratugi, þannig að tæringarvörn er nauðsynleg. Algeng notkun:
– Lagskipt málningarkerfi (grunnur + millimálning + yfirmálning) samkvæmt umhverfisflokki (á landi/á hafi).
– Þétting á samskeytum og mikilvægum svæðum til að koma í veg fyrir að vatn komist inn.
– Vörn gegn galvanískri tæringu þegar um er að ræða samsetningu mismunandi efna (t.d. boltar úr ryðfríu stáli með steypujárnshlutum).
– Undir sjávarmáli eru kröfur um húðun yfirleitt strangari og hægt er að sameina þær við kaþóðíska vernd á ákveðnum hlutum, jafnvel þótt miðstöðin sjálf sé fyrir ofan sjávarmál.
Auk tæringar hafa yfirborðsgæði og meðferð boltaðra samskeyta mikil áhrif á þreytu. Of hrjúf eða gölluð yfirborð geta verið upphafspunktur sprungna.
7. Framleiðsluferli og gæðaeftirlit
Hjólhýsi eru almennt framleidd með steypu og síðan:
– Hitameðferð til að ná fram þeim vélrænu eiginleikum sem óskað er eftir,
– Nákvæm vinnsla á leguflötum, flansum og boltagötum,
– Jafnvægi til að tryggja að snúningshlutinn valdi ekki miklum titringi,
– NDT (ekki eyðileggjandi prófanir) eins og UT/RT/MT/PT til að greina galla.
Gæðaeftirlit er mikilvægt því bilun í kranamiðstöðvum getur haft alvarlegar afleiðingar: langan niðurtíma, mikinn kostnað við krana og öryggisáhættu.
Niðurstaða
Hönnun vindmyllumiðstöðva er blanda af burðarvirkjun, aflfræði, framleiðslu og langtíma viðhaldsáætlunum. Miðstöðin verður að þola loftaflfræðilegt álag, þyngdarafl, miðflóttaálag og þreytuálag yfir mjög marga hringrásar, en vera nógu létt til að forðast ofhleðslu á restina af kerfinu. Hvað varðar efni er hnúðjárn ríkjandi val vegna hentugleika þess fyrir flókin form og hagkvæmni, en steypt eða smíðað stál er æskilegra þegar meiri vélrænir eiginleikar eru nauðsynlegir. Í framtíðinni munu blönduð efni og hönnunarbestun með aðstoð hermunar líklega verða algengari, sérstaklega fyrir stórar túrbínur og notkun á hafi úti sem krefst meiri afkösta og endingar í öfgafullu umhverfi.
Ef þú vilt get ég bætt við sérstökum kafla um: einfaldar útreikninga á hjólnafaálagi, dæmi um stillingar á skurðarkerfum (rafknúin vs. vökvaknúin) eða samantekt á viðeigandi IEC stöðlum fyrir hönnun hjólnafa.
