Основание и рама ветрогенератора: Руководство по проектированию

Каждый мегаватт, вырабатываемый ветряной турбиной, проходит через одно важнейшее соединение: интерфейс между генератором и остальной частью трансмиссии. На этом стыке находится основание генератора — сборная стальная конструкция, которая в большинстве спецификаций турбин указана как поддерживающий компонент, но которая в инженерной реальности управляет выравниванием генератора, передачей нагрузки и долгосрочной надежностью трансмиссии. Для инженеров, определяющих компоненты гондолы, и групп по закупкам сварные коробчатые рамы и корпуса генераторов для ветряных турбин Понимание того, что на самом деле делает этот компонент — и что происходит, когда он недостаточно спроектирован — необходимо для принятия правильных решений.

Генераторная база: место, где сходятся структурные и механические требования

Внутри гондолы конструктивная схема делится на две зоны. Передняя часть, построенная вокруг основной рамы или станины, несет в себе систему поворота, подшипник главного вала и коробку передач. Сразу за ним, соединенная с основной рамой спереди и поддерживающая полный статический вес генератора сзади, находится основание генератора, также называемое в конструкторской документации рамой генератора, задней рамой или опорной конструкцией генератора.

Эта позиция не случайна. Основание генератора соединяет механическую трансмиссию и конструкционный корпус гондолы. Он должен одновременно удовлетворять трем требованиям, которые редко сосуществуют комфортно: он должен быть достаточно жестким, чтобы сохранять стабильность размеров при разнонаправленной динамической нагрузке; его монтажные поверхности должны быть достаточно точными, чтобы обеспечить соосность генератора и коробки передач в пределах допуска, измеряемого в долях миллиметра; и он должен быть достаточно легким и достаточно компактным, чтобы соответствовать геометрии гондолы, которая уже плотно ограничена основной рамой, крышкой и вспомогательными системами.

В зубчатых турбинах база генератора соединяет генератор с быстроходным выходным валом коробки передач. В турбинах с прямым приводом, где ротор соединяется с генератором без промежуточной передачи, он поддерживает генератор непосредственно на главном валу, перенося значительно более высокий крутящий момент и радиальные нагрузки без коробки передач для их распределения. Одно и то же название компонента, два совершенно разных структурных описания.

Три пути нагрузки, которые должен выдерживать каждый корпус генератора

Определение рамы генератора без четкого представления о его нагрузке приводит либо к чрезмерному проектированию, которое увеличивает ненужный вес и стоимость, либо к недостаточному проектированию, которое приводит к усталостным отказам в эксплуатации. Во время работы через раму одновременно проходят три различных пути нагрузки.

Статическая гравитационная нагрузка является самым простым. Генератор ветряной турбины общего назначения обычно весит от 15 до 80 тонн в зависимости от класса мощности и типа трансмиссии. Этот вес передается через опорные ножки генератора, через конструкцию рамы и на точки соединения основной рамы в передней части. Рама должна поддерживать эту нагрузку постоянно, в том числе во время динамических изменений наклона, которые происходят, когда гондола отклоняется от курса, чтобы отслеживать направление ветра.

Реакция рабочего крутящего момента более требовательна. Когда генератор вырабатывает электричество, реактивный момент статора — крутящий момент, который заставил бы корпус статора вращаться, если бы он не был ограничен, — должен поглощаться рамой и передаваться на землю. В турбине с редуктором мощностью 3 МВт этот реактивный момент может достигать нескольких сотен килоньютон-метров. В генераторе с постоянными магнитами с прямым приводом эквивалентной мощности, где диаметр генератора большой, а моментный рычаг соответственно длинный, требования к конструкции рамы значительно возрастают. Рама должна противостоять этому крутящему моменту, не деформируясь таким образом, чтобы изменить воздушный зазор между ротором и статором, поскольку даже небольшие изменения воздушного зазора вызывают электромагнитный дисбаланс и вибрацию.

Динамическая нагрузка от порывов ветра, дисбаланса лопастей и вибрации башни передается через трансмиссию и на раму в виде циклических сил с частотами, которые изменяются в зависимости от скорости ротора и условий ветра. Рама генератора, которая достаточно жесткая в статических условиях, все равно может выйти из строя из-за усталости, если ее резонансные частоты не отделены должным образом от частот возбуждения трансмиссии. Конструкция сварных соединений, расположение ребер жесткости и общая геометрия рамы — все это влияет на динамическое поведение, поэтому анализ методом конечных элементов является стандартной практикой при разработке рамы, а не дополнительным вариантом.

Литая сталь против сварной стали: выбор правильного метода строительства

В производстве корпусов генераторов доминируют два производственных маршрута, и выбор между ними предполагает компромисс между стоимостью, временем выполнения заказа, весом и гибкостью конструкции, которые стоит тщательно изучить.

Чугунные опорные плиты исторически доминировали в турбинах мощностью 1,5–5 МВт, где объемы производства оправдывали инвестиции в оснастку, а встроенная отливка могла включать монтажные площадки для редуктора, главного подшипника и генератора в виде одной детали. Поскольку мощность турбин выросла до 8 МВт и превысила их, а гондолы стали слишком большими для автомобильного транспорта как единое целое, сварные стальные конструкции становятся все более конкурентоспособными. Возможность производить модульные сварные секции, транспортировать их по отдельности и собирать на месте с помощью болтов является благоприятным фактором для следующего поколения крупных береговых и морских турбин.

Для нестандартных компоновок трансмиссии, прототипов турбин и сменных рам, где более не существует точной модели отливки, промышленная сварная моторная база коробчатого типа для тяжелых условий эксплуатации предлагает практическую альтернативу ожиданию новой оснастки для литья с дополнительным преимуществом оптимизации веса за счет выбора толщины пластины и размещения ребер жесткости.

Точность центровки: почему несколько миллиметров определяют срок службы генератора

Из трех функциональных требований к корпусу генератора поддержание центровки наиболее непосредственно связано с расходами на последующее техническое обслуживание и незапланированными простоями. Связь между точностью рамы генератора и надежностью трансмиссии хорошо документирована в записях по техническому обслуживанию ветряных турбин, однако она по-прежнему не учитывается при принятии многих решений о закупках компонентов.

В турбине с зубчатой ​​передачей входной вал генератора должен быть совмещен с выходным валом редуктора в пределах угловых и параллельных допусков, которые обычно указаны в руководстве по вводу в эксплуатацию турбины. Углового смещения в диапазоне 0,1–0,3 мм/м и параллельного смещения более 0,05–0,1 мм достаточно, чтобы создать схемы нагрузки на подшипники, которые значительно отклоняются от проектных замыслов. Выходной подшипник коробки передач и входной подшипник генератора являются компонентами, которые подвергаются наибольшему воздействию: оба испытывают комбинированные радиальные и осевые нагрузки, которые ускоряют их износ при наличии смещения.

Рама генератора является основным структурным фактором, определяющим достижимость и возможность обслуживания заданного выравнивания. Рама, плоскостность монтажной поверхности которой отклоняется от спецификации, вынуждает монтажную бригаду использовать наборы прокладок для компенсации, что создает собственный риск неравномерного контакта и концентрации нагрузки. Рама, которая была правильно плоской при установке, но деформировалась под воздействием температурных циклов или динамической нагрузки, приведет к смещению центровки во время эксплуатации, что приведет к износу подшипников, который будет выглядеть как эксплуатационная проблема, а не как конструктивная проблема.

Торцевое фрезерование опорных площадок генератора до плоскостности с точностью до 0,030 дюйма (приблизительно 0,75 мм) по всей опорной поверхности является отраслевым стандартом обработки станины гондолы и задней рамы. Для высокоточных приложений и генераторов с прямым приводом, где контроль воздушного зазора имеет решающее значение, обычно устанавливаются более жесткие допуски. Вот почему обработка сварных узлов рамы на станке с ЧПУ, а не просто изготовление, является непреложным шагом в производстве качественной рамы генератора.

Турбины с прямым приводом и турбины с редуктором: разные рамы для разных требований

Устойчивый сдвиг мирового ветроэнергетического рынка в сторону генераторов с прямым приводом и постоянными магнитами, которые в настоящее время используются примерно в 30% установок и продолжают расти, изменил структурное описание корпусов генераторов способами, которые не всегда отражаются в спецификациях, написанных на основе допущений о турбинах с редуктором.

В зубчатой ​​турбине генератор представляет собой сравнительно компактную быстроходную машину. Его масса скромна, выходной вал соединен с гибкой муфтой, которая компенсирует незначительные перекосы, а коробка передач действует как структурный посредник, распределяющий часть нагрузок ротора до того, как они достигнут рамы генератора. Задача проектирования рамы сложна, но относительно хорошо ограничена.

В турбине с прямым приводом генератор большого диаметра, тихоходный и тяжелый — часто весит в два-три раза больше генератора с редуктором эквивалентной мощности. Редуктор, который был бы посредником между ротором и генератором, отсутствует, поэтому полная осевая нагрузка ротора, изгибающий момент и гироскопический крутящий момент из-за асимметрии веса лопастей передаются непосредственно на конструкцию генератора и его опорную раму. Функция поддержки крутящего момента — предотвращение вращения корпуса статора под действием реактивного крутящего момента — становится конструктивно более требовательной, поскольку моментный рычаг (радиус генератора) велик, а доступная конструктивная глубина рамы ограничена геометрией гондолы. цилиндрическая рама двигателя с квадратным основанием, предназначенная для крупных ветроэнергетических установок Эта проблема решается за счет сочетания жесткой цилиндрической внешней оболочки с основанием квадратного сечения, которое эффективно распределяет реактивные нагрузки по месту соединения основной рамы.

Управление воздушным зазором является еще одной сложностью, характерной для конструкций с прямым приводом. Радиальный зазор между ротором с постоянным магнитом и обмоткой статора в большом генераторе с прямым приводом обычно составляет 5–10 мм — это мало по сравнению с диаметром генератора. Любое отклонение рамы, которое позволяет оси генератора смещаться эксцентрично, создает силы магнитного притяжения, которые самоусиливаются: ротор отклоняется в сторону статора, магнитное притяжение увеличивается, и отклонение увеличивается еще больше. Поэтому рамы генераторов для турбин с прямым приводом должны проектироваться с учетом целевых показателей жесткости, выходящих за пределы допустимой статической нагрузки, чтобы включать пределы прогиба при комбинированном варианте эксплуатационной нагрузки.

Стандарты производства и качества корпусов ветряных генераторов

Описанные выше инженерные требования переходят в конкретные производственные требования, которые отличают квалифицированных поставщиков компонентов ветряных турбин от обычных производителей.

Качество сварки имеет основополагающее значение. Структурные сварные швы корпусов генераторов подвергаются циклическим нагрузкам в течение расчетного срока службы 20–25 лет, что ставит их в категорию критических по усталости. Стыковые сварные швы с полным проваром на основных несущих соединениях в сочетании с послесварочным визуальным контролем и ультразвуковым контролем (УЗИ) всех ответственных сварных швов являются стандартными требованиями к качеству. Аттестация процедуры сварки по стандарту ISO 15614 или его эквиваленту, а также сертифицированная квалификация сварщика по стандарту ISO 9606 обеспечивают документированную гарантию того, что сам процесс сварки находится под контролем.

Обработка монтажных поверхностей на станке с ЧПУ — это этап, который превращает изготовленную конструкцию в прецизионный компонент. Для крупногабаритных генераторов требуются обрабатывающие центры большого формата, работающие с рабочими зонами размером 8×4×2 метра или больше. Торцевое фрезерование монтажных площадок генератора, стыковочных фланцев коробки передач и соединительных поверхностей основной рамы должно обеспечивать заданные допуски на плоскостность и перпендикулярность относительно общей базы. Проверка готовых обработанных поверхностей на координатно-измерительной машине (КИМ) обеспечивает запись размеров, которая становится частью пакета документации по качеству компонента.

Сертификация системы менеджмента качества — ISO 9001 в качестве базового уровня, IATF 16949 для производителей, чьи производственные процессы связаны с автомобилестроением, — обеспечивает структуру управления процессами, в рамках которой эти производственные этапы выполняются последовательно, а не с максимальной эффективностью. Для компонентов ветряных турбин, которые будут работать на высоте без присмотра в течение двух десятилетий, согласованность процесса не является коммерческим отличием; это техническое условие. Основание для установки двигателя для установки гондолы ветряных турбин производится в рамках этой системы управления качеством, при этом SPC (статистический контроль процессов) и проверка CMM интегрированы в производственный процесс, чтобы гарантировать, что соответствие размеров проверено, а не предполагается.

Поскольку мощность турбин продолжает расти, а архитектуры с прямым приводом занимают все большую долю новых установок, инженерные требования к корпусам генераторов будут только возрастать. Поставщики, которые сочетают в себе возможности структурного проектирования, прецизионную сварку, крупноформатную обработку с ЧПУ и документированные системы качества, способны удовлетворить эти требования - не только для сегодняшних наземных машин мощностью 5 МВт, но и для морских платформ, на которых завтра будут работать турбины мощностью 15 МВт.