Жел турбиналарының хабтарының құрылысы және қызметі
Қазіргі заманғы жел турбиналық жүйелерде көпшіліктің назары көбінесе биік мұнараға, ұзын қалақтарға немесе электр энергиясын өндіретін генераторға аударылады. Дегенмен, рөлі маңызды, бірақ көбінесе назардан тыс қалатын бір компонент бар: жел турбиналық торап. Торап - турбина қалақтары мен гондола ішіндегі жетек жүйесі арасындағы негізгі «көпір». Ол қалақтардан үлкен аэродинамикалық жүктемелерді қабылдайды, оларды білікке береді және қадамды басқару, сенсорлар және қауіпсіздік құрылғылары сияқты әртүрлі жүйелер үшін интеграция нүктесі ретінде қызмет етеді. Бұл мақалада тораптың құрылысы, функциясы, материалдары және жобалау қиындықтары жан-жақты талқыланады.
1. Жел турбиналарының орталықтарын түсіну
Төлке - жел турбинасы роторының ортасында орналасқан құрылымдық компонент, онда қалақшалар бекітіліп, айналады. Қарапайым тілмен айтқанда, төлкені ротордың «басы» деп санауға болады. Ең жиі қолданылатын көлденең осьті жел турбиналарында (HAWT) төлке гондола алдында орналасқан және тікелей негізгі білікке қосылған. Жел қалақшаларда көтеру күшін тудырған кезде, бұл күш қалақ түбірі арқылы төлкеге, содан кейін білікке және беріліс/генератор жүйесіне беріледі.
Ротор конфигурацияларының бірнеше түрі бар — мысалы, екі қалақшалы немесе үш қалақшалы — бірақ коммерциялық турбиналардың көпшілігі динамикалық тепе-теңдіктің, тиімділігінің және шу деңгейінің жақсаруына байланысты үш қалақшаны пайдаланады. Бұл конфигурация хабтың пішіні мен дизайнына әсер етеді.
2. Жел турбинасының негізгі функциясы
Хабтың қызметі тек пышақ бекіткішінен де көп. Оның кем дегенде бес негізгі функциясы бар:
1. Пышақты айналмалы жүйемен қосу
Төлке қалақшалар мен негізгі біліктің арасында берік механикалық байланыс орнатады. Бұл байланыс турбинаның қызмет ету мерзімі ішінде (20-25 жыл) жоғары айналу моментіне және қайталанатын жүктемелерге төтеп бере алуы керек.
2. Аэродинамикалық жүктемелерді және гравитациялық жүктемелерді беру
Қалақтар айналған кезде тарту күшін, тангенциалды күштерді (айнату моментін тудыратын) және гравитациялық жүктемелерді сезінеді. Көпір осы жүктемелердің барлығын қозғалтқыш жүйесіне және гондола құрылымына береді.
3. Ағын жүйесіне арналған басты бет
Қазіргі заманғы турбиналарда қалақшаның шабуыл бұрышы қадам жүйесімен басқарылады. Көптеген конструкциялар үлкен қадам мойынтірегін, қадам қозғалтқышын/жетек механизмін, қадам беріліс қорабын және басқару элементтерін көпір аймағына орналастырады.
4. Ротордың динамикалық тұрақтылығын сақтау
Көпір тұрақты айналуды қамтамасыз етуі, теңгерімсіздіктің алдын алуы, дірілді азайтуы және әртүрлі жел жағдайларында (жедел екпін, турбуленттілік) ротордың динамикалық әрекетін қолдауы керек.
5. Қауіпсіздік және бақылау мүмкіндіктерін қолдайды
Хабтар көбінесе сенсорлармен (мысалы, мойынтірек температурасы, еңкейту орны, діріл), сондай-ақ бұзылу жағдайында апаттық қауырсынмен өңдеу (пышақтарды қауіпсіз күйге айналдыру) сияқты қорғаныс жүйелерімен біріктірілген.
3. Хабтың құрылысы: маңызды бөлшектер мен компоненттер
Құрылымдық тұрғыдан алғанда, хаб күрделі геометриясы бар үлкен құрылымдық компонент болып табылады. Міне, кейбір кең таралған бөлшектер:
а) Төменгі корпус
Негізгі компонент - қалақшаларды бекіту нүктелері ретінде бірнеше «иінтіректері» немесе фланецтері бар құйылған немесе жасалған құрылым. Үш қалақшалы ротордың бір-бірінен 120 градус қашықтықта орналасқан үш қалақша интерфейсі бар. Олардың пішіні өндірушінің дизайнына байланысты сфералық немесе көпбұрышты болуы мүмкін.
b) Қалақ интерфейсі
Бұл жерде пышақ түбірі дөңгелек үлгідегі жоғары беріктіктегі болттармен бекітіледі. Бұл интерфейс жүктеменің біркелкі таралуын қамтамасыз ету және кернеудің шоғырлануын болдырмау үшін дәл болуы керек.
c) Тірек қадамы
Қалақшалардың бұрылыс биіктігін басқару үшін өз осьтері бойынша айналуына мүмкіндік беретін үлкен, сақина тәрізді компонент (бұралмалы мойынтірек). Бұл мойынтірек аралас жүктемелермен (осьтік, радиалды және моменттік момент) жұмыс істейді, сондықтан майлау сапасы мен коррозиядан қорғау өте маңызды.
d) Қадам жүйесі (жетек және басқару)
Олар әдетте беріліс қорабы бар электр қозғалтқышын (электрлік қадам) немесе гидравликалық жүйені (гидравликалық қадам) пайдаланады. Электр қадамдары көбінесе электр қуаты өшкен кезде пышақты сенімді түрде орналастыру үшін батареямен/суперконденсатормен жабдықталған.
e) Көпір қақпағы (мұрын конусы/айналдыру құрылғысы)
Ішкі компоненттерді жаңбырдан, шаңнан немесе мұздан қорғау және кедергіні азайту үшін хабтың алдыңғы жағын жабатын аэродинамикалық компонент. Бұл жабын негізгі құрылым болмаса да, аэродинамикалық өнімділік пен қорғанысқа әсер етеді.
f) Кіру және қауіпсіздік (кіру люктері, ішкі платформа)
Үлкен турбиналарда техниктер бұрғылау жүйесіне техникалық қызмет көрсету үшін хабтың ішіне кіре алады. Бұл аймақ тар және айналатындықтан, қатаң қауіпсіздік шаралары қажет.
4. Материалдар және өндірістік процестер
Жел турбиналарының көптеген орталықтары EN-GJS немесе оған ұқсас иілгіш шойыннан жасалған құймаларды пайдаланып жасалады. Иілгіш шойды таңдау себептеріне мыналар жатады:
– Динамикалық жүктемелерге жақсы беріктік пен төзімділік
– Күрделі және қалың пішіндерді құю мүмкіндігі
– Болатпен салыстырғанда салыстырмалы түрде жақсы діріл демпфері
– Үлкен өлшемдер үшін бәсекеге қабілетті өндіріс шығындары
Дегенмен, кейбір конструкцияларда құйылған болат немесе дәнекерленген болат пластиналы көпіршіктер қолданылады, әсіресе белгілі бір механикалық қасиеттер немесе басқа өндіріс стратегиясы қажет болса. Құйғаннан кейін көпіршік әдетте келесідей жұмыс істейді:
– Мақсатты механикалық қасиеттерге жету үшін термиялық өңдеу
– Маңызды беттерде (фланец, мойынтірек орындығы, болт тесіктері) өңдеу
– Ішкі ақауларды анықтау үшін ультрадыбыстық тексеру, магниттік бөлшектерді тексеру немесе радиография сияқты бұзбайтын тексеру (NDT)
– Коррозиядан қорғау үшін, әсіресе теңіз турбиналары үшін жабын/бояу
5. Жұмыс жүктемесі және дизайндағы қиындықтар
Хабтар өте қиын жағдайларда жұмыс істейді. Дизайнерлер мыналарды ескеруі керек:
1. Шаршау (материалдық шаршау)
Турбиналар жұмыс кезінде миллиондаған жүктеме циклдарын бастан кешіреді. Шаршау қабырға қалыңдығын, филе радиусын және қосылым бөлшектерін анықтайтын негізгі фактор болып табылады.
2. Қалақша буыны аймағындағы кернеу концентрациясы
Болт тесіктері, өткір бұрыштар және қалыңдықтың өзгеруі жарықшақтардың пайда болу көздері болуы мүмкін. Сондықтан, дәл геометриялық дизайн және жоғары өндіріс сапасын бақылау қажет.
3. Коррозия және қоршаған орта
Теңізде тұзды тұманның әсері коррозияны жеделдетеді. Жабу және тығыздау жүйелерін, соның ішінде болтпен бекітілген қосылыстар мен мойынтіректердің көлбеуін қорғауды мұқият жобалау қажет.
4. Салмақ пен сенімділік
Тым ауыр хаб мұнара мен фреза жүйесіне түсетін жүктемені арттырады. Керісінше, тым жеңіл хаб деформация мен шаршау қаупін арттыруы мүмкін. Оңтайландыру ақырлы элементтерді модельдеу (FEA) және тестілеу арқылы жүзеге асырылады.
5. Дауыс жүйесімен интеграция
Айналмалы мойынтіректер, қозғалтқыштар, кабельдер және басқару элементтері күтіп ұстауға оңай, қорғалған және ротордың тепе-теңдігін бұзбайтын етіп орналастырылуы керек.
6. Турбинадағы жұмыс жүйесі: энергия ағыны және басқару
Жел соққанда, қалақшалар роторда айналу моментін тудырады. Көпір бұл айналу моментін қабылдап, оны негізгі білікпен бірге айналдырады. Беріліс қорабы бар турбиналарда негізгі білік генератордың айналу жылдамдығын арттыру үшін беріліс қорабын басқарады. Тікелей жетекті турбиналарда көпір беріліс қорабы жоқ үлкен диаметрлі генераторға қосылған.
Басқару тұрғысынан, хаб қадам жүйесі арқылы рөл атқарады. Жел жылдамдығы номиналды жылдамдықтан асып кеткенде, қадамды басқару қалақтарды айналдырып, көтеру күшін азайтады, бұл тұрақты қуат шығысын қамтамасыз етеді және компоненттердің шамадан тыс жүктелуіне жол бермейді. Жел тым күшті болғанда немесе турбина ақаулыққа ұшырағанда, қалақтар роторды қауіпсіз тоқтату үшін «қауырсынды» (күшті азайту үшін бұрыш жасайды) болады.
7. Жиі кездесетін техникалық қызмет көрсету және ақаулар
Алдыңғы ротордағы орналасуына байланысты, көпір және оның компоненттері үнемі тексеруді қажет етеді. Кейбір жиі кездесетін мәселелерге мыналар жатады:
– Майлаудың жеткіліксіздігіне немесе ластануына байланысты мойынтіректердің тозуы
– Діріл немесе дұрыс емес қатайту процедураларынан болуы мүмкін қалақша-орталық болттарының босатылуы.
– Стресс шоғырланған аймақтардағы шаршау жарықтары (сирек, бірақ маңызды)
– Судың енуіне және коррозияны жеделдетуге әкелетін тығыздағыш зақымдары
– Доп қозғалтқышындағы, доп беріліс қорабындағы немесе резервтік жүйедегі (батареядағы) ақаулар
Тексерулерге әдетте өндіруші ұсынғандай, болт моментін тексеру, діріл талдауы, майлауды тексеру және белгілі бір аймақтарда NDT кіреді.
8. Қорытынды
Жел турбинасы торабы - жел энергиясын электр энергиясына түрлендірудің бүкіл жүйесінде орталық рөл атқаратын құрылымдық компонент. Ол тек қалақтарды бекіту нүктесі ғана емес, сонымен қатар негізгі жүк көтеру нүктесі, қадам жүйесін орналастыру және турбина қауіпсіздігі мен басқаруындағы маңызды элемент ретінде де қызмет етеді. Оның құрылысы берік материалдарды, дәл өндірістік процестерді және ұзақ мерзімді циклдік жүктемелерге төтеп бере алатын дизайнды қажет етеді. Хабтың құрылысы мен функциясын түсіну бізге сәтті жел турбинасы тек қалақтар мен генераторға ғана емес, сонымен қатар ротордың орталығындағы - хабтағы - берік және сенімді механикалық интеграцияға да байланысты екенін көруге көмектеседі.
Қаласаңыз, мен қарапайым схемалық сызбаны, хаб компоненттерінің егжей-тегжейлі тізімін немесе құрлықтағы және теңіздегі турбиналарға арналған хабтарды салыстырмалы талқылауды қоса аламын.
