Ako fungujú výkovky prevodovky veternej turbíny

Výkovky prevodovky veternej turbíny fungujú tak, že tvoria štrukturálne a nosné jadro prevodovky, prenášajú a znásobujú rotačný krútiaci moment z pomaly sa otáčajúceho hriadeľa rotora na oveľa rýchlejšie sa otáčajúci hriadeľ generátora, pričom odolávajú konštantnému cyklickému namáhaniu, premenlivému zaťaženiu vetrom a zmenám krútiaceho momentu počas desaťročí prevádzky. Komponenty, ako sú ozubené kolieska, planétové unášače, centrálne hriadele a hlavné hriadele, sa všetky zvyčajne vyrábajú ako výkovky a nie odliatky, pretože ich vnútorná štruktúra zŕn musí byť pevná a smerovo zarovnaná, aby prežila toto opakované mechanické zaťaženie. Správne skonštruovaný diel ako napr Výkovky pre prevodovku veterných turbín je špeciálne navrhnutý tak, aby spoľahlivo zvládal túto dráhu krútiaceho momentu počas celej životnosti turbíny.

Nasledujúce časti vysvetľujú, ako sa krútiaci moment fyzicky pohybuje cez každý kovaný komponent, aké mechanické namáhanie znášajú a prečo je konštrukcia kovania nevyhnutná na to, ako prevodovka funguje v skutočných podmienkach vetra.

Cesta krútiaceho momentu cez prevodovku

Pochopenie toho, ako fungujú výkovky prevodovky, začína sledovaním dráhy krútiaceho momentu, ktorý prechádza od lopatiek rotora nadol ku generátoru.

Od hriadeľa rotora po planetárny stupeň

Vietor narážajúci na lopatky turbíny otáča hriadeľ hlavného rotora relatívne nízkou rýchlosťou, často v rozsahu 10 až 20 otáčok za minútu pre veľké úžitkové turbíny. Táto pomalá rotácia s vysokým krútiacim momentom vstupuje do prevodovky cez prvý planétový stupeň, kde centrálne koleso, planétové kolesá a korunové koleso, všetky typicky kované komponenty, spolupracujú, aby začali zvyšovať rýchlosť otáčania a súčasne rozdeľovali zaťaženie na viacero zubov ozubeného kolesa.

Viacnásobné prevodové stupne Zvyšovanie rýchlosti

Väčšina prevodoviek veterných turbín používa dva alebo tri stupne, ktoré často kombinujú planétové a špirálové súkolesie, aby postupne zvyšovali rýchlosť otáčania z pomalého vstupu rotora na oveľa vyššiu rýchlosť, ktorú vyžaduje generátor, niekedy až nad 1500 ot./min na výstupnom hriadeli v závislosti od konštrukcie generátora. Každý stupeň sa spolieha na kované hriadele a polotovary ozubených kolies, aby zvládli rastúcu rýchlosť otáčania a súvisiace odstredivé napätie.

Ako každý kovaný komponent zvláda zaťaženie

Rôzne kované diely vo vnútri prevodovky sú vystavené rôznym druhom mechanického namáhania v závislosti od ich špecifickej úlohy v dráhe krútiaceho momentu.

Ring Gears

Ozubené koleso obklopuje planétový stupeň a zostáva nehybné alebo sa otáča v závislosti od konfigurácie prevodovky, pričom absorbuje reaktívny krútiaci moment z planétového kolesa, ktoré tlačí von na jeho vnútorné zuby. Pretože tento komponent podlieha nepretržitému cyklickému zaťažovaniu zubov, jeho kovaná štruktúra zrna, zarovnaná po obvode cez proces valcovania krúžku, poskytuje odolnosť proti únave potrebnú na zabránenie praskaniu koreňa zuba počas miliónov zaťažovacích cyklov.

Planétové nosiče

Planétový nosič drží planétové kolesá v polohe, pričom prenáša krútiaci moment z planétového stupňa na ďalší prevodový stupeň. Tento komponent je vystavený zložitým kombinovaným ohybovým a torzným zaťaženiam, a preto sú kované unášače s kontinuálnym tokom zrna cez ich konštrukčné ramená vo všeobecnosti uprednostňované pred odlievanými alternatívami, ktoré nemajú rovnakú smerovú pevnosť.

Hlavný a výstupný hriadeľ

Hriadele spájajúce každý prevodový stupeň musia prenášať krútiaci moment bez nadmerného krútenia alebo vychýlenia, pretože nesúososť spôsobená ohybom hriadeľa môže spôsobiť nerovnomerný kontakt zubov prevodovky a zrýchlené opotrebovanie. Kované hriadele poskytujú torznú tuhosť a odolnosť proti únave, ktoré sú potrebné na udržanie konzistentného zarovnania pri kolísajúcom zaťažení vetrom.

Prečo štruktúra zŕn ovplyvňuje výkon týchto častí pri zaťažení

Mechanický výkon výkovku prevodovky je priamo spojený s tým, ako sa vnútorná štruktúra zŕn vytvorila počas výroby.

Tieto štrukturálne vlastnosti, ktoré kovanie poskytuje dôslednejšie ako odlievanie, priamo ovplyvňujú, ako sa prevodovka správa počas skutočných prevádzkových podmienok, najmä počas náhlych poryvov vetra alebo porúch mriežky, ktoré na chvíľu zvýšia krútiaci moment cez hnacie ústrojenstvo.

Manipulácia s premenlivým a reverzným zaťažením

Na rozdiel od mnohých priemyselných prevodoviek, ktoré pracujú pri relatívne stálom zaťažení, musia prevodovky veterných turbín zvládať neustále sa meniace a niekedy aj reverzné podmienky krútiaceho momentu spôsobené premenlivosťou vetra.

1. Nárazy vetra spôsobujú náhle skoky krútiaceho momentu, ktoré musia kované komponenty absorbovať bez trvalej deformácie
2. Pokles rýchlosti vetra spôsobuje rýchly pokles krútiaceho momentu, čo vedie k cyklickému obráteniu napätia na zuboch ozubeného kolesa
3. Udalosti pripojenia k sieti alebo núdzové brzdenie môžu spôsobiť krátkodobé zaťaženie vysokým krútiacim momentom
4. Tepelná rozťažnosť z prevádzkového tepla pridáva ďalšie zmeny napätia medzi komponentmi prevodovky

Tento neustále sa meniaci profil zaťaženia je hlavným dôvodom, prečo sa komponenty prevodovky spoliehajú na kovanú konštrukciu, pretože odolnosť proti únave získaná zo smerového toku zŕn je práve to, čo umožňuje týmto častiam vydržať opakované zmeny napätia bez predčasného praskania.

Ako kvalita kovania ovplyvňuje dlhodobú spoľahlivosť prevodovky

Pretože sú prevodovky veterných turbín po nainštalovaní na vežu ťažko a draho dostupné na opravu, spoľahlivosť kovaných vnútorných komponentov má priamy vplyv na celkové náklady na údržbu turbíny.

• Vnútorné chyby vo výkovkoch môžu pôsobiť ako body koncentrácie napätia, ktoré časom iniciujú únavové trhliny
• Nekonzistentné tepelné spracovanie môže spôsobiť, že povrch zubov ozubeného kolesa bude mäkší, než je špecifikované, čím sa zrýchli opotrebenie
• Rozmerová nepresnosť v kovaných polotovaroch ozubených kolies môže spôsobiť nerovnomerný kontakt zubov a vibrácie
• Zlé zarovnanie toku zrna znižuje schopnosť komponentu odolávať opakovanému cyklovaniu krútiaceho momentu

Pretože poruchy prevodovky si často vyžadujú prístup žeriavom a predĺžené prestoje na opravu, obstarávanie kovaných komponentov ako napr Výkovky pre prevodovku veterných turbín od dodávateľov s prísnou kontrolou kvality sa vo všeobecnosti považuje za kritické rozhodnutie pri konštrukcii hnacieho ústrojenstva turbíny a nie za jednoduché porovnanie nákladov.

Zhrnutie

Výkovky prevodovky veternej turbíny fungujú tak, že tvoria mechanickú chrbticu hnacieho ústrojenstva, prenášajú krútiaci moment cez ozubené kolieska, planétové unášače a hriadele, pričom odolávajú konštantnému cyklickému zaťaženiu, náhlym skokom krútiaceho momentu vyvolanému nárazmi a obratom napätia počas desaťročí prevádzky. Ich kovaná štruktúra zrna je to, čo dáva týmto komponentom odolnosť proti únave a húževnatosť potrebnú na udržanie spoľahlivého chodu prevodovky, a preto kovanie zostáva štandardnou výrobnou metódou pre kritické nosné komponenty vo vnútri moderných pohonov veterných turbín.