Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н. Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет, Украина

Передачи винт-гайка трения качения в составе устройств поворота лопастей ветроколес

Наибольшее распространение в современных ВЭУ получила система регулирования путем поворота лопастей ветроколес [1,2]. Основой всех ниже рассмотренных механизмов поворота лопастей являются передачи винт-гайка трения качения (шариковинтовые передачи) [3-9].

После ознакомления с работой лицензионной ВЭУ USW  56-100 возникло предложение модернизировать электромеханическое устройство поворота лопастей. Модернизация устройства поворота лопастей состоит в замене недостаточно долговечной по износу передачи винт-гайка трения скольжения на шариковинтовую передачу трения качения. Кроме того, вместо оригинальных электромагнитной однодисковой фрикционной муфты сцепления и многодискового фрикционного электромагнитного тормоза используются освоенные в серийном производстве на Украине соответственно электромагнитная фрикционная многодисковая муфта серии ЭТМ с вынесенными дисками и однодисковый электромагнитный безлюфтовый тормоз типа НЗТБ11. В качестве двигателя используется серийный асинхронный электродвигатель серии АИР (или 4А) меньшей мощности [3]. Опытный образец регулятора состоял из трехфазного электродвигателя АИР-71 мощностью 250 Вт (вместо 470 Вт в американском варианте) и частотой вращения 685 об/мин, червячного редуктора с передаточным числом 7,5, шариковинтовой передачи с номинальным диаметром 25 мм, шагом 5 мм и диаметром шариков 3 мм, электромагнитного фрикционного тормоза НЗТБ-11-10А, электромагнитной фрикционной сухой муфты ЭТМ 083С для связи гайки шариковинтовой передачи с валом ветроколеса, электромагнитной фрикционной муфты ЭТМ 053С, устанавливаемой между двигателем и редуктором [4].

Перед установкой на опытный образец регулятора электромагнитный тормоз НЗТБ-11-10А был подвергнут полной разборке с анализом исходного состояния деталей, все фрикционные поверхности были очищены от следов пыли, грязи, ржавчины, обезжирены. При повторной сборке были обеспечены минимально допустимый зазор δ = 0,6 мм между якорем и магнитопроводом, а также равномерность поджатия регулировочных пружин тормоза, что уменьшает вероятность перекоса плоскости фрикционного диска в пределах зазора δ и возможность его затирания в расторможенном состоянии тормоза. При этом тормоз настроен на момент М = 16 кгс·м. Уменьшение зазора δ позволило уменьшить пиковое напряжение страгивания тормоза, что гарантирует срабатывание тормоза от блока питания при минимально допустимом напряжении питающей сети 198 В (220В – 10%).

Сцепная муфта ЭТМ 053С при напряжении питания 24 В постоянного тока начала проскальзывать при моменте 2 кгс·м (по паспорту номинальный передаваемый момент без проскальзывания 1,6 кгс·м), а муфта ЭТМ 083С подтвердила свой номинальный передаваемый момент 6,3 кгс·м.

Момент сопротивления вращению за выходной вал червячного редуктора (при запитанных электрически тормозе и сцепной муфте двигателя) экспериментально получен в пределах 0,14 … 0,15 кгс·м.

После проведения пусконаладочных работ с опытным образцом регулятора на ветротурбину было установлено специальное нагрузочное устройство, имитирующее аэродинамическую нагрузку на лопасти ветроколеса и создающее осевую нагрузку на шариковинтовую передачу в пределах от 0 до 1500 кгс. После отключения двигателя при выключенной муфте сцепления ЭТМ 083С гайка шариковинтовой несамотормозящей передачи под действием осевого усилия начинала вращаться в противоположную сторону, вследствие чего осевая нагрузка уменьшалась до тех пор, пока остаточный движущий момент со стороны шарикового винта не уравнивался моментами трения в кинематических парах длинной кинематической цепи всего устройства поворота лопастей ветроколеса.

При одновременном отключении двигателя и включении муфты ЭТМ 083С достигнутое значение осевого усилия жестко фиксировалось. Угол поворота лопастей также оставался неизменным.

При одновременном отключении двигателя и тормоза достигнутые значения осевого усилия и угла поворота лопастей оставались неизменными, что говорит о достаточности момента, развиваемого тормозом, для осуществления перевода лопастей ветроколеса во флюгерное состояние при аварийном отключении электрического питания.

После отключения тормоза включение двигателя не приводило к изменению угла установки лопастей, так как вместе с тормозом отключалась малая сцепная электромагнитная муфта двигателя, соединяющая его с редуктором. При одновременном включении большой сцепной муфты и двигателя также не происходило изменение ранее достигнутых усилий и угла установки лопастей.

Главному валу ветроколеса задавалось вращение от генератора, работающего в двигательном режиме, с частотой 72 об/мин, при этом фиксировались частотные показания потенциометрического датчика угла поворота лопастей и динамика их изменения при запитанной муфте сцепления и отключенном двигателе регулятора. Наблюдения велись в течение 10 мин. При осевой нагрузке 1225 кгс обнаружено сползание (уменьшение) показаний датчика со скоростью 4 Гц в минуту, что соответствует 0,05 мм линейных перемещений датчика или 0,044º(2,65´) угла установки лопастей ветроколеса. В инструкции по эксплуатации ВЭУ USW  56-100 указывается, что точность замера частотных показаний датчика составляет ± 40Гц, а опрос датчика осуществляется через каждые 3,2 с. Таким образом, при стабильном ветре, когда не требуется изменение угла положения лопастей, корректировка угла вследствие проскальзывания дисков фрикционной муфты потребуется только через 10 минут работы, а не через каждые 3,2с.

В результате лабораторных и цеховых испытаний под нагрузкой было установлено, что составные части и весь регулятор в целом по своим характеристикам соответствуют проектным значениям и обеспечивают работоспособность регулятора во всех эксплуатационных режимах, в том числе аварийных.

В качестве дальнейшего усовершенствования предложен новый альтернативный вариант электромеханического регулятора поворота лопастей ВЭУ USW  56-100 [5], в котором гайка шариковинтовой передачи приводится во вращение одноступенчатым волновым зубчатым редуктором. Лопасти ветроколеса с помощью кривошипно-кулисного механизма соединены с управляющим штоком, который расположен внутри вращающегося вала ветроколеса и соединен с ним подвижным шлицевым соединением. Управляющий шток с помощью разделительной муфты, содержащей два радиально-упорных конических роликовых подшипника, поставленных ,,враспор“, соединяется с другим штоком, в средней части которого расположен винт шариковинтовой передачи, закрывающийся призматической направляющей, перемещающейся внутри неподвижного корпуса устройства. Устройство снабжено фотоэлектрическим реверсивным датчиком линейных перемещений, обеспечивающем суммирование и вычитание импульсов двоичным реверсивным счетчиком в зависимости от направления ротора двигателя (направления линейных перемещений управляющего штока). Информация о текущем значении линейных перемещений штока (угла поворота лопастей ветроколеса) по цепи обратной связи поступает на контроллер, который определяет длительность включения двигателя, а, следовательно, величину и направление изменения угла установки лопастей. По достижении лопастями ветроколеса расчетного значения угла контроллер подает команду на отключение двигателя и включение тормоза. Для включения тормоза необходимо снять с него электрическое питание.

Для замены гидравлических регуляторов поворота лопастей ветроколеса ВЭУ-250С, разработанной конструкторским бюро „Южное“, нами был предложен электромеханический регулятор, состоящий из двух идентичных преобразователей вращательного движения в поступательное и системы управления ими [6, 7]. Каждый преобразователь включает асинхронный электродвигатель, двухступенчатый цилиндрический зубчатый редуктор, шариковинтовую передачу, систему из двух герконовых концевых выключателей, отключающих питание электродвигателя при достижении поступательно перемещающимся штоком своих двух предельных положений. На входном валу редуктора жестко закреплен фрикционный диск нормально замкнутого электромагнитного тормоза и чувствительный элемент фотоэлектрического датчика перемещений. Для увеличения угла поворота лопастей включается электродвигатель, уменьшение же угла поворота лопастей происходит под действием усилия возвратной пружины и аэродинамической нагрузки на лопастях ветроколеса, при этом двигатель работает в подтормаживающем режиме при включенном тормозе. После электрического отключения тормоза он удерживает шток преобразователя в любом промежуточном состоянии без подвода энергии. Отключение тормоза происходит в моменты нулевой частоты вращения (моменты смены частоты вращения) ротора двигателя по показаниям фотоэлектрического датчика перемещений, являющегося одновременно датчиком скорости. При аварийном отключении питания двигателя регулятор автоматически осуществляет перевод ветроколеса во флюгерный режим, для чего осуществляется циклическое включение-отключение тормоза по команде от блока управления, который при этом переходит на питание от аккумулятора напряжения 24 В, имеющегося на ВЭУ.

В отличие от регулятора ВЭУ-250С регулятор для отечественной ВЭУ-500 выполнен многоблочным и соосным. Он частично располагается внутри пустотелого вала зубчатого мультипликатора и, с одной стороны, через подшипниковую разделительную муфту соединен с вращающейся штангой, управляющей через рычаги поворотом лопастей ветроколеса, а, с другой стороны, за пределами мультипликатора, имеет шарнирно-карданное соединение с корпусом головки ВЭУ. Вращение асинхронного электродвигателя через двухступенчатый планетарный редуктор передается на винт шариковинтовой передачи, с помощью которой преобразуется в поступательное перемещение выходного штока, передающееся через подшипниковую разделительную муфту вращающейся вместе с ветроколесом управляющей штанге, поворачивающей лопасти ветроколеса. Регулятор снабжен фотоэлектрическими датчиками концевых положений, подающими команды на отключение питания и остановки электродвигателя. После срабатывания концевых выключателей возможен только реверс электродвигателя. Кроме того, регулятор оснащен фотоэлектрическим датчиком перемещений, представляющим собой реверсивный счетчик импульсов и позволяющий судить о текущем положении выходного штока регулятора. На одном валу с датчиком перемещений установлен электромагнитный безлюфтовый нормально закрытый фрикционный тормоз, который при отсутствии электропитания, что синхронизируется с отключением электродвигателя, позволяет удерживать лопасти ветроколеса в любом положении, определяемом скоростью набегающего потока. По команде от системы управления ВЭУ подается электропитание на тормоз и электродвигатель, что приводит к соответствующему изменению положения лопастей, соответствующему новому значению скорости набегающего потока. Для удобства эксплуатации регулятор снабжен ручным дублером привода [8, 9].

Литература

1. Дудников В.С. Принципиальные схемы регулирования частоты вращения ветроколеса /В.С. Дудников// Materialy VI miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji ,,Aktualne problemy nowoczesnych nauk –2010“. Volume 30. Techniczne nauki: Przemysl. Nauka i studia. – С. 57-64

2. Каталог BWE. Windenergie 2006.

3. Дудников В.С. Модернизированный вариант электромеханического устройства поворота лопастей на лицензионной ветроустановке USW 56-100 /В.С. Дудников// Materialy Х mezinarodni vedecko-prakticka konference ,,Efektivni nastroje modernich ved –2014“. Dil 31. Technicke vedy: Praha. Publishing House ,,Education and Science“. – C.80-82.

4. Дудников В.С. Цеховые испытания модернизированного варианта электромеханического регулятора поворота лопастей ВЭУ USW 56-100 /В.С. Дудников// Матеріали першої міжнародної науково-практичної конференції ,,Науковий потенціал світу 2004“. Том 7. –Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. – С. 25-27.

5. Дудников В.С. Альтернативный вариант электромеханического регулятора поворота лопастей для лицензионной ветроустановки USW 56-100 /В.С. Дудников// Materialy Х mezinarodni vedecko-prakticka konference ,,Efektivni nastroje modernich ved –2014“. Dil 31. Technicke vedy: Praha. Publishing House ,,Education and Science“. – C.83-87.

6. Дудников В.С. Электромеханический регулятор поворота лопастей ветроколеса для ВЭУ –250С /В.С. Дудников// Матеріали третьої міжнародної конференції ,,Наука і освіта 2000“, том 6–Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2000. – С. 14-15.

7. Дудников В.С. Электромеханическое устройство поворота лопастей на отечественной ветроустановке ВЭУ-250С /В.С. Дудников// Materialy Х mezinarodni vedecko-prakticka konference ,,Efektivni nastroje modernich ved –2014“. Dil 31. Technicke vedy: Praha. Publishing House ,,Education and Science“. – C.66-70.

8. Дудников В.С. Электромеханический регулятор поворота лопастей ветроколеса ветроэлектрической установки ВЭУ-500 /В.С. Дудников// Матеріали міжнародної науково-практичної конференції ,,Динаміка наукових досліджень“,Том 11. Технічні науки. Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2002. – С.16-17.

9. Дудников В.С. Электромеханический регулятор поворота лопастей на отечественной ветроустановке ВЭУ-500 /В.С. Дудников// Materialy Х mezinarodni vedecko-prakticka konference ,,Efektivni nastroje modernich ved –2014“. Dil 31. Technicke vedy: Praha. Publishing House ,,Education and Science“. – C.70-73.