Virkni gírkassa í vindmyllum og hvernig hann virkar
Vindmyllur eru ein mest notaða endurnýjanlega orkutæknin og umbreyta hreyfiorku vindsins í raforku. Hins vegar, á bak við stóru, hægsnúandi blöðin og sýnilega einfalda útlitið, leynist röð vélrænna og rafmagnsíhluta sem vinna af mikilli nákvæmni. Einn lykilþáttur í mörgum gerðum vindmyllna er gírkassinn. Þessi íhlutur gegnir lykilhlutverki í að aðlaga hæga snúningshreyfingu snúningshjólsins í hraðari hreyfingu, sem gerir rafstöðinni kleift að framleiða rafmagn sem best. Þessi grein fjallar um virkni gírkassans í vindmyllum og hvernig hann virkar.
Hlutverk gírkassa í vindmyllukerfi
Almennt snúast snúningshraðar vindmyllublaða (blað og miðstöðvar) við tiltölulega lágan hraða. Fyrir vindmyllur í stórum stíl (t.d. 1–5 MW) er snúningshraði venjulega á bilinu 5–20 snúninga á mínútu, allt eftir hönnun, stærð snúningshraða og vindhraða. Á sama tíma starfa flestir hefðbundnir rafalar skilvirkari við mun hærri snúningshraða, oft hundruð til þúsunda snúninga á mínútu.
Þetta er þar sem gírkassinn verður vélræn brú milli þessara tveggja ólíku þarfa. Gírkassinn virkar þannig að hann eykur snúningshraða ássins sem tengist snúningshlutanum (lághraðaás) til að passa við þarfir rafalássins (hraðhraðaás). Án gírkassa - nema í ákveðnum gerðum - verða rafalar að vera sérstaklega hannaðir til að framleiða mikið afl við lágan hraða, sem gerir rafalinn venjulega stærri, þyngri og dýrari.
Helsta hlutverk gírkassa í vindmyllum
1. Auka snúningshraðann (SpeedUp)
Helsta hlutverk gírkassa er að auka snúningshraða. Til dæmis, ef snúningshlutinn snýst við 15 snúninga á mínútu og rafallinn þarfnast 1500 snúninga á mínútu til að framleiða ákveðna tíðni rafmagns, þá þarf gírkassahlutfall upp á um það bil 1:100. Þetta þýðir að fyrir hverja snúning á hæga ásnum verða hundrað snúningar á þeim hraða.
2. Stilling togs
Þegar hraðinn eykst minnkar togkrafturinn (að teknu tilliti til taps). Snúningsásinn myndar gríðarlegt togkraft vegna langra snúningsarma og vindkraftsins. Gírkassinn „hraðar“ ekki aðeins snúningnum heldur hjálpar hann einnig til við að breyta togkraftinum til að passa við rekstrarmörk og eiginleika rafstöðvarinnar og annarra drifhluta.
3. Dreifa orku á skilvirkan hátt
Gírkassar eru hannaðir til að flytja mikið afl með lágmarks tapi. Þótt þeir séu aldrei 100% skilvirkir geta nútíma vindmyllugírkassar náð mikilli skilvirkni með nákvæmri gírhönnun, góðri smurningu og sterkum efnum.
4. Minnkaðu kraftmikið álag á rafall
Vindskilyrði eru ekki stöðug. Skyndilegir vindhviður, ókyrrð og stefnubreytingar eru til staðar. Gírkassinn, þar á meðal gírkassinn (ásamt kúplingu og öðrum stuðningsþáttum), hjálpar til við að dempa sumar breytingar á álagi svo að rafallinn verði ekki fyrir beinu vélrænu höggi.
5. Styður hagnýta hönnun á nacelle
Nasellan er „húsið“ ofan á túrbínuturninum sem hýsir helstu íhlutina. Gírkassi gerir rafstöðina minni og léttari en lághraða rafstöð. Þetta gerir naselluhönnunina skilvirkari hvað varðar burðarvirkni og kostnað, þó að gírkassinn sjálfur bæti við viðhaldsíhlutum.
Grunnþættir vindmyllu gírkassa
Gírkassa vindmyllu samanstendur almennt af:
– Lághraðaás: tekur við snúningi frá snúningshlutanum.
– Gírstig: nokkur gírstig til að auka snúninginn smám saman.
– Háhraðaás: tengdur við rafalinn.
– Legur og hús: Halda ásnum og viðhalda stöðugleika og stillingu.
– Smurkerfi: olíudæla, sía, kælir og olíuleiðslur til að draga úr núningi og hita.
– Eftirlitskerfi: hitaskynjarar, málmögnun í olíu, titringur og olíuþrýstingur.
Margar gírkassar í vindmyllum nota blöndu af reikistjörnugírum fyrir upphafsstigið og skrúfgírum fyrir síðari stig. Reikistjörnugírar eru vinsælir vegna þess að þeir geta flutt mikið magn af togkrafti í þéttara rými.
Hvernig gírkassinn virkar í vindmyllu
1. Vindur snýr snúningshlutanum
Þegar vindur fer yfir skrúfuna veldur hreyfifræðileg lögun blaðanna lyftikrafti sem veldur því að snúningshlutinn snýst. Snúningshraðinn er tiltölulega lágur en togið er mikið.
2. Snúningshjólið snýst hægt inn í ásinn.
Snúningur snúningsássins er fluttur til hæga ásins. Þessi ás er hannaður til að vera sterkur því hann verður að þola bæði mikið tog og vélrænt álag frá snúningshlutanum.
3. Gírkassastig eykur hraðann smám saman
Inni í gírkassanum er snúningurinn frá hæga ásnum leiddur inn í nokkur gírstig. Í stjörnustiginu vinna sólgír, stjörnugír og hringgír saman að því að auka hraðann. Síðan eykur helix-stigið snúningshraðann þar til markhraðanum er náð.
Hraðaaukningin er stigvaxandi vegna þess að:
– Minnkar mikla spennu og álag á gírpar.
– Auka áreiðanleika og endingartíma.
– Gerir hönnunina auðveldari til að vera þéttari.
4. Rafall með hraðskreiðum skafti
Eftir að hafa farið í gegnum gírstigin snýst ásinn hratt á mun meiri hraða og knýr þannig rafallsrotorinn. Rafallinn breytir síðan vélrænni orku í raforku með rafsegulfræðilegri örvun.
5. Stjórnkerfi viðheldur stöðugri notkun
Þótt gírkassinn sé vélrænn er virkni hans tengd stjórnkerfi túrbínunnar. Hallastýring (stilling á blaðhorni) og sveigjustýring (að snúa túrbínunni að vindinum) hjálpa til við að halda snúningshraðanum innan öruggs marks og koma í veg fyrir að gírkassinn og rafallinn gangi umfram mörk sín.
Af hverju nota ekki allar vindmyllur gírkassa?
Sumar nútíma túrbínur nota beinan drifbúnað (án gírkassa). Í þessari hönnun er snúningshlutinn tengdur beint við stóran rafal sem getur starfað við lágan snúningshraða. Þetta hefur þann kost að fækka vélrænum íhlutum sem eru viðkvæmir fyrir sliti og einfalda þannig viðhald. Hins vegar krefst beinan drifbúnaður yfirleitt stærri rafal og notkunar dýrra varanlegra segulefna, sem og hærri þyngdar fyrir nacelle.
Þess vegna fer valið á milli gírkassa eða beins drifs eftir hönnunarþáttum: kostnaði, viðhaldi, þyngd, skilvirkni og rekstrarskilyrðum.
Áskoranir og viðhald gírkassa
Gírkassinn er einn af mest krefjandi íhlutum vindmyllu vegna þess að:
– Að upplifa breytilegt álag vegna vindsveiflna.
– Langtímavinna, oft í öfgafullu umhverfi (rakt, kalt, salt á strandsvæðum).
– Viðkvæm fyrir smurningu og mengun.
Þess vegna felur mikilvæg umönnun í sér:
– Gæðaeftirlit með olíu (seigja, málmmengun, vatnsinnihald).
– Titringsvöktun til að greina slit á gírum/legum.
- Stjórnaðu hitastigi til að koma í veg fyrir ofhitnun.
– Skiptið reglulega um síur og olíu samkvæmt leiðbeiningum framleiðanda.
Niðurstaða
Gírkassinn í vindmyllu gegnir mikilvægu hlutverki og tengir hæga, togmikinn snúningshluta við hraðari snúningsrafstöð. Með því að auka snúningshraða, stilla tog og stöðuga aflflutning gerir gírkassinn vindmyllunni kleift að framleiða rafmagn á skilvirkan hátt. Rekstri hans byggir á mörgum gírstigum - oft samsetningu af plánetu- og skíralgír - og er studdur af smurningar- og ástandseftirlitskerfum. Þó að bein drif séu til í valkostum, eru gírkassar enn mikið notaðir vegna þess að þeir bjóða upp á gott jafnvægi milli stærðar rafstöðvar, kostnaðar og afkösts.
Ef þú vilt get ég bætt við einföldum myndskreytingum (orkuflæðisrit frá snúningshluta → gírkassa → rafall) eða dæmi um gírkassahlutföll á tiltekinni túrbínu til að gera greinina tæknilegri.
