Привод поворота ветротурбины: от истории к современным технологиям.
Yaw drive
Поворотный механизм ветряной турбины: ключевой компонент для максимальной выработки энергии. Обеспечивает ориентацию ротора по ветру, минимизируя ошибки ява.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Двигатель поворота — важный компонент системы ориентации ветротурбин с горизонтальной осью вращения. Для обеспечения максимальной выработки электроэнергии ветротурбиной в любое время, двигатель поворота используется для поддержания направления ротора навстречу ветру при изменении его направления. Это применимо только к ветротурбинам с горизонтальной осью ротора. Считается, что ветротурбина имеет ошибку ориентации, если ротор не выровнен по направлению ветра. Ошибка ориентации означает, что меньшая доля энергии ветра проходит через площадь ротора. (Вырабатываемая энергия приблизительно пропорциональна косинусу угла ошибки ориентации).
The yaw drive is an important component of the horizontal axis wind turbines' yaw system. To ensure the wind turbine is producing the maximal amount of electric energy at all times, the yaw drive is used to keep the rotor facing into the wind as the wind direction changes. This only applies for wind turbines with a horizontal axis rotor. The wind turbine is said to have a yaw error if the rotor is not aligned to the wind. A yaw error implies that a lower share of the energy in the wind will be running through the rotor area. (The generated energy will be approximately proportional to the cosine of the yaw error).
История
Когда в ветряных мельницах XVIII века появилась возможность ориентировать ротор путем вращения гондолы, потребовался приводной механизм, способный создавать необходимый вращающий момент. Изначально в ветряных мельницах использовались веревки или цепи, идущие от гондолы к земле, чтобы обеспечить вращение гондолы с помощью мускульной силы человека или животного. Другим историческим нововведением был флюгер. Это устройство представляло собой вспомогательный ротор, оснащенный множеством лопастей и расположенный за гондолой, с подветренной стороны от основного ротора, примерно под углом 90° к плоскости вращения основного ротора. При изменении направления ветра флюгер начинал вращаться, передавая свою механическую мощность через редуктор (и посредством зубчатого венца и шестерни) на башню ветряной мельницы. В результате этой передачи гондола поворачивалась по направлению ветра, при этом флюгер переставал быть обращенным к ветру и останавливался (то есть гондола фиксировалась в новом положении). Современные механизмы поворота, хотя и управляются электроникой и оснащены мощными электродвигателями и планетарными редукторами, сохраняют большое сходство с конструкцией старых ветряных мельниц.
When the windmills of the 18th century included the feature of rotor orientation via the rotation of the nacelle, an actuation mechanism able to provide that turning moment was necessary. Initially the windmills used ropes or chains extending from the nacelle to the ground in order to allow the rotation of the nacelle by means of human or animal power. Another historical innovation was the fantail. This device was actually an auxiliary rotor equipped with plurality of blades and located downwind of the main rotor, behind the nacelle in a 90° (approximately) orientation to the main rotor sweep plane. In the event of change in wind direction the fantail would rotate thus transmitting its mechanical power through a gearbox (and via a gear rim to pinion mesh) to the tower of the windmill. The effect of the aforementioned transmission was the rotation of the nacelle towards the direction of the wind, where the fantail would not face the wind thus stop turning (i. e. the nacelle would stop to its new position). The modern yaw drives, even though electronically controlled and equipped with large electric motors and planetary gearboxes have great similarities to the old windmill concept.
Коробка передач
Коробка передач механизма поворота – критически важный компонент, поскольку она должна выдерживать очень большие моменты при минимальном техническом обслуживании и надежно работать на протяжении всего срока службы ветротурбины (около 20 лет). Большинство коробок передач механизма поворота имеют передаточное число от входного вала к выходному в диапазоне 2000:1 для создания огромных вращающих моментов, необходимых для поворота гондолы ветротурбины.
The gearbox of the yaw drive is a very crucial component since it is required to handle very large moments while requiring the minimal amount of maintenance and perform reliably for the whole life span of the wind turbine (approx. 20 years). Most of the yaw drive gearboxes have input to output ratios in the range of 2000:1 in order to produce the enormous turning moments required for the rotation of the wind turbine nacelle.
Колесные колеса и шестерни
Венец шестерни и шестерни механизмов поворота – это компоненты, которые окончательно передают вращающий момент от механизмов поворота к башне для вращения гондолы ветряной турбины вокруг оси башни (оси z). Основными характеристиками венца шестерни являются его большой диаметр (часто более 2 м) и ориентация зубьев. Венцы шестерен с зубьями на внешней поверхности имеют преимущество в виде более высоких передаточных чисел в сочетании с шестернями, а также сниженные затраты на обработку по сравнению с венцами шестерен с внутренними зубьями.
The gear rim and the pinions of the yaw drives are the components that finally transmit the turning moment from the yaw drives to the tower in order to turn the nacelle of the wind turbine around the tower axis (z axis). The main characteristics of the gear rim are its big diameter (often larger than 2 m) and the orientation of its teeth. The gear rims with teeth on the outer surface have the advantage of higher reduction ratios in combination with the pinions as well as reduced machining costs over the gear rims with inner teeth.