Тормоза для ветрогенератора своими руками

Тормоз ветрогенератора: варианты конструкций тормозных систем ветряных турбин

Главная страница » Тормоз ветрогенератора: варианты конструкций тормозных систем ветряных турбин

Наращивание мощности ветряных турбин неизбежно сопровождается наращиванием размеров конструкций. Количество полезной энергии, извлекаемой турбиной из энергии ветра, пропорционально общей площади, обметаемой лопастями рабочего колеса. Однако увеличение размеров ветряных турбин приводит к росту нагрузки на соответствующие компоненты передачи механической энергии в целом и на тормозную систему в частности. Рассмотрим тормоз ветрогенератора как систему, благодаря которой осуществляется надёжная работа установок чистой энергетики.

Особенности работы тормозной системы ветряной турбины

Тормозная система ветряных турбин работает на более высоких циклах, при более высоких нагрузках и требует высокой степени надёжности по сравнению с обычным заводским оборудованием. Тормоза ветрогенераторов должны срабатывать автоматически, учитывая автономную работу турбин.

Как правило, ветряные турбины монтируются и действуют на удалении от сервиса управления, что делает доступ к техническому обслуживанию сложным и дорогостоящим. Соответственно, установки должны надежно работать в самых сложных условиях окружающей среды — часто в условиях экстремальной влажности и температуры.

По сути, ветряные турбины должны обеспечивать абсолютную надёжность, будучи установленными в самых разных местах эксплуатации:

• морские участки,
• химически грязная атмосфера,
• пустыни с пылевыми бурями и т.п.

Значимую роль в достижении высокой степени надёжности ветряных турбин играют тормоза, являясь ключевыми элементами ветрогенераторов. Независимо от размера установки, для конструкции ветровой турбины требуются:

• роторные тормоза,
• тормозное управление рысканием,
• тормоза шага лопастей.

Все эти системы характеризуются конкретными конструктивными соображениями.

Конструктивные соображения по тормозным системам ветрогенераторов

Роторные тормозные системы ветрогенераторов контролируют превышение скорости, обеспечивают парковку и экстренное торможение. Практически все роторные тормоза ветряных турбин имеют отказоустойчивую, пружинную, гидравлическим способом освобождаемую конструкцию.

Так выглядит один из многих вариантов конструкций тормозной системы гидравлического действия, применяемой в составе ветрогенераторных установок

Такого рода тормозные системы содержат мощные пружины, которые непосредственно или через независимо установленное регулирующее устройство прикладывают усилие на прижим каждой тормозной накладки к диску. Приложенный тормоз отпускается путём сжатия пружин гидравликой высокого давления.

Роторные тормозные системы ветряных генераторов допускают установку:

1. На валу тихоходного ротора.
2. На валу высокоскоростного генератора.
3. На обоих валах.

Медленное торможение вала ветряной турбины является относительно простым моментом в техническом смысле, учитывая, что дисковый тормоз, имеющий фрикционную накладку большой площади, легко разместить. Но применение ветряных турбин зачастую требует тормозного момента крайне высокого уровня.

Таким образом, в целом, наиболее рентабельное положение для тормоза следует рассматривать на высокоскоростном валу между коробкой передач и генератором. Это область, где высокое передаточное число редуктора создаёт значительное снижение выходного крутящего момента.

Однако размещение тормоза на высокоскоростном валу приводит к созданию условий работы в более ограниченном пространстве. Энергию необходимо рассеивать равномерно в области действия тормоза, то есть общая площадь соединения должна быть одинаковой. Кроме того, площадь тормозной колодки должна быть достаточной для отвода тепла, выделяющегося при торможении, особенно в моменты аварийных остановок.

Скорость и доступное пространство быстро становятся ограничивающими факторами в отношении максимального диаметра диска ветряной турбины, влияя на выбор тормозной системы.

Фактор повреждения механических элементов ветрогенераторов

Еще одним соображением относительно положения тормоза в конструкции ветряной турбины является возможность повреждения зубьев шестерни. Если на выходном валу редуктора установлены тормоза, а турбина неподвижна, в таком случае порывы ветра способны вызвать движение ротора в зазоре входного и выходного зубчатых колёс.

Так выглядит одна из многих систем торможения механического действия, прототипы которой также используются достаточно часто в составе ветрогенераторов

Без принудительной смазки между сопряженными зубцами этот эффект способен в конечном итоге привести к истиранию и повреждению дорогостоящей системы зубчатой передачи. Уровень тормозного момента для роторных тормозов является критически важным фактором, который необходимо рассчитывать на начальных этапах проектирования тормоза.

Максимально допустимый тормозной момент на валу ротора обычно определяется лопастями или креплением к входному валу редуктора. С другой стороны, высокоскоростное торможение вала обычно связано с максимально допустимой нагрузкой на зубчатое колесо.

Также существует минимальный уровень тормозного момента, ниже которого переменный характер сил трения при различных условиях работы ротора турбины приводит к техническим рискам.

Поэтому важно обеспечить адекватное окно безопасности или фактор обслуживания, чтобы гарантировать, что тормозная система ветряной турбины всегда будет работать эффективно, независимо от любых климатических условий. Факторы, которые влияют на расчеты, включают:

• инерцию ротора,
• аэродинамический крутящий момент,
• скорость вращения ротора,
• состав материала тормозной накладки,
• тепловые свойства диска.

Но есть также и другие факторы, которые следует учитывать:

• загрязнение поверхности торможения,
• образование конденсата,
• наличие масла на элементах торможения,
• скорость трения и давление,
• износ поверхностных накладок.

Поскольку ветряные турбины работают автономно, невозможно контролировать все эти условия. Соответственно, необходимо учитывать эти моменты при расчёте безопасного уровня крутящего момента.

Тормозное устройство для контроля системы рыскания

При нормальных условиях эксплуатации, ветряная турбина с горизонтальной осью останавливается путём перемещения лопастей от направления потока ветра.

Пример тормозной системы, выступающей частью модуля контроля рыскания ветряной турбины

Тормоза рыскания обеспечивают эффективное средство плавного управления гондолой ветряной турбины, когда установка «вращается по ветру» (рыскает). Здесь тормозные башмаки работают путём регулирования противодавления, которое, в свою очередь, контролирует степень силы пружины, следовательно, тормозные моменты.

Процесс начинается, когда анемометр сигнализирует об изменении направления ветра, соответственно, запускается двигатель, приводящий зубчатое кольцо в механику рыскания. Впоследствии двигатель останавливается очередным сигналом, когда механизм рыскания достигает оптимального положения при подъёме ветра и гондола останавливается.

Изменяющаяся сила ветра приводит к изменению нагрузки двигателя и влияет на точность остановки гондолы относительно изменения направления ветра. Нагрузку двигателя допустимо эффективно контролировать независимо от силы ветра. Электромеханическим путём тормоз прикладывается к венцу зубчатого кольца. Сопротивление при этом изменяется сигналом, вызванным ростом или падением тока двигателя.

Как правило, ветряная турбина имеет от четырёх до восьми двигателей рыскания. Тормоза обычно крепятся к задней части приводных двигателей и расположены на нижней стороне зубчатого кольца системы рыскания. Этим обеспечивается точное позиционирование гондолы и эффективность работы. Конструкция исключает потенциальный ущерб от неустойчивости движения на зазорах зубчатой передачи, а тормоз является эффективным элементом фиксации механизма на месте.

Общая схема тормоза механики рыскания ветряной турбины: 1 — опора башни; 2 — тормозной диск системы рыскания; 3 — подшипник механики рыскания; 4 — привод механики рыскания; 5 — гондола; 6 — тормозной суппорт; 7 — тормозной поршень; 8 — зубчатый венец

Большинство инженеров-проектировщиков ветряных турбин согласны с тем, что механический дисковый тормоз является лучшим решением с точки зрения:

• надёжности,
• простоты изготовления,
• простоты обслуживания,
• первоначальных затрат.

Дисковые тормоза известны качеством работы в условиях агрессивных сред и требуют небольшого физического пространства относительно тормозного усилия, которое обеспечивают.

Контроль шага лопастей ветряной турбины

Ветровые турбины с горизонтальной осью создают угол тангажа лопасти ротора для лучшей эффективности. Лопасти ротора также имеют передачу или флюгер для минимизации вращения при сильном ветре и для обслуживания ветряной турбины.

Приводы обеспечения шага могут приводиться в движение электрически или гидравлическим методом. Наиболее распространённым является электрический способ, который обеспечивает более чистый и компактный механизм. Кроме того, электропривод более точен и обеспечивает лёгкое программирование для удовлетворения различных переменных применения.

Наглядный пример устройства (самодельного), которым обеспечивается активный контроль шага лопасти ветряной турбины

В любом случае встроенный в привод стояночный тормоз используется как дополнительная функция безопасности, а также для динамического торможения в условиях аварийного шага.

Общая схема привода обеспечения шага электрическим способом включает:

• электродвигатель (переменный, постоянный или сервомотор),
• датчик положения (датчик положения или резольвер),

Управляющая логика освобождает тормоз, приводит в движение двигатель, определяет положение, останавливает операцию шага и включает тормоз, чтобы удерживать лопасти ветряной турбины в заданном положении. Двигатель приводит в движение большое зубчатое колесо, встроенное в каждую лопасть, обычно с передаточным отношением в диапазоне 1000:1.

Тормоз основного хода ветрогенератора

Существует несколько соображений по выбору правильного тормоза для основного хода. Сам по себе приводной шаг требует компактности, так как пространство для монтажа узла в носовом конусе турбины ограничено.

Поэтому при выборе тормоза для приводного шага необходимо учитывать достаточный крутящий момент в условиях компактного дизайна. Как правило, тормоз по размеру диаметра не должен превышать размер диаметра двигателя и датчика положения.

Проектный срок службы ветряной турбины также должен учитываться при выборе компонентов. Масштабная ветряная турбина может иметь эффективный проектный срок службы двадцать лет, поэтому отдельные компоненты и комплектные системы требуют соответствия этому стандарту.

Количество предполагаемых аварийных остановок по тангажу в течение 20 лет обычно составляет от 500 до 1000. Остановки могут иметь место по причинам значительной инерции, поэтому необходимо учитывать критерии рассеяния тепла и пиковой энергии.

Хорошим примером может служить продукт компании «Warner Electric», которая разработала серию статических тормозов с высоким крутящим моментом, электрическим расцеплением и пружиной, идеально подходящих для турбин. Например, тормоза серии «ERS», как правило, имеют меньший диаметр относительно узла двигателя, добавляют минимальную длину к общему пакету и рассчитаны на 30 000 динамических остановок.

Дополнительным преимуществом электрического тормоза компании является короткое время реакции — 0,20 с и менее, что делает продукт превосходным выбором для систем привода с контролем шага. Надёжная конструкция этого типа тормоза легко рассеивает тепло, выделяемое в большем количестве, чем требуется для нормального рабочего цикла ветряной турбины.

Источник

Ветрогенератор: защита от сильного ветра своими руками

Обновлено: 15 января 2021

Увеличение интереса пользователей к альтернативным источникам электроэнергии вполне объяснимо. Отсутствие возможностей для подключения к централизованным сетям вынуждает использовать другие методы обеспечения жилья или временных пунктов проживания электроэнергией. Доля самодельных устройств постоянно возрастает, так как приобретение промышленного образца — дело весьма затратное и всегда достаточно эффективное.

При создании ветряка следует учитывать возможность шквальных порывов ветра и принимать соответствующие меры предохранения конструкции от них.

Для чего нужна защита от сильного ветра?

Работа ветрогенератора рассчитана на определенную силу ветра. Обычно во внимание принимаются средние показатели, типичные для данного региона. Но при усилении ветрового потока до критических значений, что иногда случается в любой местности, возникает риск выхода устройства из строя, а в некоторых случаях — полного разрушения.

Промышленные образцы ветряков оборудованы защитой от подобных перегрузок либо по току (при превышении допустимого значения напряжения срабатывает электромагнитный тормоз), либо по скорости вращения (механический тормоз). Самодельные конструкции также необходимо снабжать подобными приспособлениями.

Рабочие колеса, особенно снабженные массивными большими лопастями, при больших скоростях вращения начинают действовать по принципу гироскопа и сохраняют плоскость вращения. В таких условиях хвост не может выполнять свою работу и ориентировать устройство по оси потока, что приводит к поломкам. Такое возможно даже если скорость ветра не слишком велика. Поэтому приспособление, замедляющее ход рабочего колеса, является необходимым элементом конструкции.

Возможно ли изготовление приспособления своими руками?

Изготовление приспособления вполне возможно. Мало того, это является абсолютной необходимостью. Тормозное устройство должно быть предусмотрено еще на стадии проектирования ветряка. Параметры работы приспособления необходимо как можно тщательнее рассчитать, чтобы его возможности не оказались слишком низкими по сравнению с реальными потребностями конструкции.

Прежде всего надо выбрать способ реализации тормозного устройства. Обычно для таких конструкций используются простые и безотказные механические приспособления, но могут быть созданы и электромагнитные образцы. Выбор зависит от того, какие ветра преобладают в регионе и какова конструкция самого ветряка.

Самый простой вариант — изменение направления оси ротора, производимое вручную. Для этого потребуется лишь установить шарнир, но необходимость выходить при сильном ветре на улицу — не самое лучшее решение. Кроме того, не всегда имеется возможность ручной остановки, так как в этот момент можно находиться далеко от дома.

Принцип действия

Существует несколько механических способов торможения рабочего колеса. Наиболее распространенными вариантами для горизонтальных конструкций ветряка являются:

• увод ротора от ветра при помощи боковой лопасти (остановка методом складывающегося хвоста);
• торможение ротора с помощью боковой лопасти.

Вертикальные конструкции обычно тормозятся при помощи грузов, навешанных на внешних точках лопастей. При увеличении скорости вращения они под действием центробежной силы начинают давить на лопасти, вынуждая их складываться или разворачиваться боком к ветру, отчего скорость вращения снижается.

Внимание! Такой способ торможения прост и наиболее эффективен, позволяет регулировать скорость вращения рабочего колеса, но применим только для вертикальных конструкций.

Метод защиты складыванием хвоста

Приспособление, осуществляющее увод от ветра складыванием хвоста, позволяет плавно и достаточно гибко регулировать скорость вращения ротора. Принцип действия такой системы заключается в использовании бокового рычага, установленного в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси вращения. Вращающееся рабочее колесо и рычаг соединены жестко, а хвост прикрепляется через подпружиненное шарнирное соединение, действующее в горизонтальной плоскости.

При номинальных значениях силы ветра боковой рычаг не способен уводить ротор в сторону, так как хвост направляет его по ветру. При усилении ветра давление на боковую лопасть увеличивается и превышает усилие пружины. При этом ось ротора отворачивается от ветра, воздействие на лопасти снижается и ротор замедляется.

Другие способы

Второй способ механического торможения близок по конструкции, но боковая лопасть действует иначе — при усилении ветра начинает через специальные колодки давить на ось ротора, замедляя его вращение. При этом, ротор и хвост устанавливаются на одном валу, а шарнирное соединение с пружиной применено на боковом рычаге.

При нормальных скоростях ветра пружина удерживает рычаг перпендикулярно оси, при усилении он начинает отклоняться в сторону хвоста, прижимая к оси тормозные колодки и тормозя вращение. Такой вариант хорош при небольших размерах лопастей, поскольку усилие, прилагаемое к валу для его остановки, должно быть довольно большим. На практике этот вариант используется только при относительно невысоких скоростях ветра, при шквальных порывах метод малоэффективен.

Помимо механических приспособлений широко используются электромагнитные. При возрастании напряжения начинает срабатывать реле, притягивающее к валу тормозные колодки.

Другим вариантом, который может быть использован для защиты, является размыкание контура при возникновении слишком высокого напряжения.

Внимание! Некоторые способы осуществляют лишь защиту электрической части комплекса, не воздействуя на механические элементы конструкции. Такие методы не способны обеспечить целостность ветряка в случае внезапных шквальных ветров и могут использоваться лишь как дополнительные меры, действующие в паре с механическими приспособлениями.

Схема и чертежи защиты

Для более наглядного представления о принципе действия тормозного приспособления рассмотрим кинематическую схему.

На рисунке видно, что пружина в нормальном состоянии удерживает вращающийся узел и хвост на одной оси. Усилие, создаваемое потоком ветра, преодолевает сопротивление пружины при повышении скорости и понемногу начинает изменять направление оси ротора, давление ветра на лопасти снижается, из-за чего скорость вращения падает.

Эта схема является наиболее распространенной и эффективной. Она проста в исполнении, позволяет создать приспособление из подручных материалов. Кроме того, настройка этого тормоза проста и сводится к подбору пружины или настройке ее усилия.

Внимание! Максимальный угол поворота ротора не рекомендуется делать больше 40-45°. Большие углы способствуют полной остановке ветряка, который после этого с трудом запускается при неровных шквалистых ветрах.

Порядок расчета

Расчет тормозного устройства довольно сложен. Для него понадобятся различные данные, найти которые непросто. Неподготовленному человеку произвести такой расчет сложно, велика вероятность ошибок.

Тем не менее, если самостоятельный расчет по каким-либо причинам необходим, можно воспользоваться формулой:

P x S x V 2 = (m x g x h) x sinα, где:

• P — усилие, прилагаемое к винту потоком ветра,
• S — площадь лопастей винта,
• V — скорость ветра,
• m — масса,
• g — ускорение свободного падения (9,8),
• h — расстояние от шарнира до точки крепления пружины,
• sinα — угол наклона хвоста относительно оси вращения.

Следует учитывать, что значения, полученные при самостоятельных расчетах, требуют правильной интерпретации и полного понимания физической сути процесса, происходящего при вращении. В данном случае расчеты не будут достаточно корректными, поскольку не будут учтены тонкие эффекты, сопутствующие функционированию ветряка. Тем не менее, значения, вычисленные таким образом, смогут дать порядок величин, необходимый для изготовления устройства.

Процесс создания ветрогенератора сопровождается массой расходов и требует множества разнообразных действий, что само по себе вынуждает максимально защищать конструкцию от возможности разрушения. Если появляется заранее предвидимая опасность разрушения или выхода из строя комплекса, то пренебрегать созданием и применением защитных устройств не следует ни в коем случае.

Источник