Технические
науки/3. Отраслевое машиностроение
К.т.н. Дудников В.С.
Днепропетровский
национальный университет, Украина
Передачи винт-гайка трения
скольжения 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 скольжения [3-13].
Поворотные лопасти ветроагрегата [3] при помощи
кривошипно-кулисного механизма связаны с тягой, установленной внутри
пустотелого вала с возможностью осевого перемещения. Тяга заканчивается
перемычкой, выходящей через продольную прорезь вала наружу и соединяющейся
изнутри с муфтой, вращающейся в подшипниках относительно вала. Муфта шарнирно
соединена с рычагом. Второй конец рычага шарнирно закреплен, а сам рычаг может
вращаться под давлением гайки, поступательно перемещающейся относительно
вращающегося винта через планетарный редуктор от электродвигателя. В результате
поворота рычага муфта перемещается относительно вала, увлекая за собой тягу,
которая поворачивает лопасти.
В ветроагрегате [4] поворотные лопасти с помощью
кривошипно-кулисного механизма соединены с валом, расположенным коаксиально с
валом ветроколеса и возможностью продольного перемещения относительно него. Вал
с помощью подшипниковой разделительной муфты соединяется с другим валом,
оканчивающимся винтом передачи винт-гайка скольжения. Вал с винтом с помощью
шпонки соединяется с валом ветроколеса, имея возможность осевого перемещения.
Гайка передачи винт-гайка соединена со ступицей червячного колеса. Червяк
напрямую соединен с электродвигателем. При включении двигателя вращательное
движение с помощью червячной передачи передается гайке, а затем с помощью
передачи винт-гайка преобразуется в поступательное перемещение винта,
вращающегося совместно с валом ветроколеса. Поступательное перемещение винта
через разделительную муфту передается валу, соединенному с лопастями
ветроколеса, приводя их к повороту в ту или иную сторону в зависимости от
направления вращения электродвигателя. Скорость поворота лопастей зависит от
направления вращения электродвигателя. При одном направлении вращения двигателя
угловая скорость гайки совпадает с направлением вращения вала ветроколеса, в
другом случае противоположна. Таким образом, в первом случае относительная
угловая скорость вращения гайки относительно винта, вращающегося с угловой
скоростью вала ветроколеса, равна разности угловых скоростей гайки и вала
ветроколеса, в другом случае, наоборот, равна сумме этих угловых скоростей.
Таким образом, скорости регулирования угла поворота лопастей различны для
разных направлений регулирования (увеличения или уменьшения угла атаки
лопастей).
Аналогично устроен механизм поворота лопастей ветродвигателя
[5]. За счет изменений в конструкции лопастей достигнуто существенное снижение
нагрузок на механизм привода поворота лопастей и собственно на ВЭУ в целом и
уменьшение износа, а, следовательно, увеличение долговечности и надежности.
Лопасти ветродвигателя [6] с помощью кривошипно-кулисного
механизма соединены с тягой, проходящей внутри пустотелого вала ветроколеса с
возможностью осевого перемещения. Тяга заканчивается винтом передачи винт-гайка
скольжения, гайка которой выполнена в ступице червячного колеса. При
подключении с помощью электромагнитных муфт одного из электродвигателей за счет
вращения червяка червячное колесо приводит во вращение гайку, поступательно
перемещая при этом винт, связанный с тягой, вдоль оси ветроколеса, в результате
чего поворачиваются лопасти. Поворот лопастей в обратном направлении
производится дополнительным электродвигателем, который подключается с помощью
электромагнитной муфты к дополнительному входу червяка привода.
Электродвигатели постоянно вращаются каждый постоянно в своем направлении. При
необходимости изменения направления поворота лопастей не требуется время на
торможение, остановку и разгон электродвигателей, поэтому увеличивается
быстродействие привода поворота лопастей, что обеспечивает повышение точности поддержания
частоты вращения вала ветроколеса.
Передачи винт-гайка трения скольжения используются в составе
механизмов поворота лопастей ветроустановок [7, 8].
Устройство и принцип работы механизма поворота установки [9]
аналогичен [6].
При изменении частоты вращения ветроколеса лопасти
поворачивают в прямом или обратном направлении по сигналу системы управления с
помощью самотормозящего привода с электродвигателем [10]. Вращение
электродвигателя производят непрерывно в одну сторону, а поворот лопастей осуществляют
путем периодического подключения электродвигателя к самотормозящему приводу с
помощью механизма изменения направления вращения. Поворот лопастей в прямом
направлении осуществляют основным электродвигателем, а поворот лопастей в
обратном направлении ― дополнительным электродвигателем, также
вращающемся на стационарном режиме. Самотормозящий привод состоит из червячной
пары, винта с гайкой, соединенного подшипником с толкателем, связанного с
помощью кулисно-кривошипного механизма с лопастями. Лопасти установлены на
главном валу с возможностью поворота вокруг продольной оси, вращение вала через
мультипликатор передается на генератор. Механизм изменения направления вращения
выполнен в виде двух электромагнитных муфт, установленных на основном и дополнительном
входных валах самотормозящего привода, периодически подключающих к
самотормозящему приводу соответственно основной и дополнительный
электродвигатели. Направление вращения двигателей задано таким образом, чтобы
при последовательном подключении каждого из них направление вращения винта
самотормозящего привода изменялось на противоположное. После установления
необходимого угла положения лопасти ветроколеса в потоке электромагнитные муфты
отключают электродвигатель от самотормозящего привода, лопасть удерживается в
требуемом положении самотормозящим приводом. При изменении угла установки
лопасти вновь производится подключение электродвигателя и поворот лопастей в
соответствующем направлении. Наличие режима постоянного вращения двигателя
позволяет регулировать угол поворота лопастей ветроколеса простой выдержкой
времени включенного состояния электромагнитной муфты. Потери времени на разгон
двигателя отсутствуют. А тот факт, что двигатель, вращающийся на постоянном
режиме, без нагрузки и под нагрузкой имеет незначительное изменение скорости
вращения, обеспечивает высокую точность привода.
Устройство для регулирования скорости вращения ветроколеса
[11] состоит из электродвигателя, червячного редуктора, винта, подшипниковой
опоры, толкателя, кулисно-шатунного механизма и втулок, на которых закреплены
лопасти.
Регулятор оборотов ветроколеса ветродвигателя [12] содержит
закрепленные на валу ветроколеса лопасти, соединенные с качалками, которые
через тяги соединены шарнирно с гайкой, расположенной на винтовом валу, систему
автоматического управления. Регулятор дополнительно содержит соединенные с
системой автоматического управления электромагнитные муфты торможения гайки
относительно вала ветроколеса, гайки относительно неподвижной части
ветродвигателя, винтового вала относительно вала ветроколеса и винтового вала
относительно неподвижной части ветродвигателя. В режиме работы, когда скорость
вращения ветроколеса соответствует расчетной, все электромагнитные муфты
отключены. В режиме работы, когда скорость вращения ветроколеса падает,
включены электромагнитные муфты торможения гайки относительно вала ветроколеса
и винтового вала относительно неподвижной части ветродвигателя. В режиме
работы, когда скорость вращения ветроколеса растет, включены электромагнитные
муфты торможения гайки относительно неподвижной части ветродвигателя и
винтового вала относительно вала ветроколеса. Передача винт-гайка трения
скольжения является самотормозящей, поэтому при отключенных муфтах удерживает
текущее положение лопастей.
Способ управления ветроэнергетической установкой [13]
характеризуется тем, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси
вращения ветроколеса, сигнал задания общего угла установки лопастей ветроколеса
и сигнал об угле установки каждой лопасти ветроколеса, также формируют сигнал
углового положения вала ветроколеса, по этим сигналам дополнительно формируют
сигнал регулирования угла установки каждой лопасти в функции высоты её
расположения в течение каждого оборота ветроколеса. Исполнительная часть
механизма поворота лопастей выполнена в виде электродвигателей, систем передачи
винт-гайка, гайка которых шарнирно соединена с тягой и подвижным элементом
датчика угла установки каждой лопасти ветроколеса. По нашему мнению, способ,
хотя и обеспечивает повышение использования установленной мощности
ветроэнергетической установки, однако существенно усложняет систему управления,
конструкцию ВЭУ, требует постоянной работы механизмов поворота лопастей
(количество которых равно числу лопастей), что сопровождается ускоренным
износом механизмов, снижением надежности, увеличением непроизводительных затрат
электроэнергии на обеспечение функционирования ВЭУ.
В регуляторе поворота
лопастей лицензионной ветроустановки USW 56-100 используется
передача винт-гайка трения скольжения [14, 15, 16]. Невращающийся винт передачи
винт-гайка трения скольжения жестко закреплен на управляющей штанге,
поворачивающей лопасти при своем поступательном перемещении в шлицевом
соединении относительно ступицы ветроколеса. Так как винт вращается вместе с
ветроколесом, а гайка только в моменты управления углом установки лопастей, то
суммарная относительная угловая скорость вращения винта и гайки определяется
как сумма или разность угловых скоростей ветроколеса и редуцированной угловой
скорости двигателя. В результате гайка навинчивается или, наоборот,
свинчивается с винта, вызывая его осевое перемещение, приводящее к
соответствующему изменению угла установки лопастей. После достижения нужного
угла установки лопастей подается команда на отключение двигателя и тормоза.
Тормоз жестко соединяет между собой винт и гайку. Они вращаются совместно с
угловой скоростью ветроколеса. Через каждые 3,2 с производится замер
фактического угла установки лопастей и в случае необходимости подается команда
на корректировку его значения. При этом подается напряжение на тормоз и
двигатель. Гайка и винт начинают вращаться друг относительно друга в нужном
направлении, винт перемещается поступательно, поворачивая лопасти. Как показала
практика, именно винтовая передача является звеном, определяющим
работоспособность этого электромеханического устройства поворота лопастей.
Литература
1.
Дудников
В.С. Обзор систем регулирования ветроэнергетических агрегатов /В.С. Дудников// Матеріали VIII міжнародної
науково-практичної конференції ,,Наука і освіта 2005“
Том 61. Техніка. –Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. – С. 34-35
2.
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
3.
А.С. 1325189 СССР, МКИ 4 F03D7/04.
Система управления ветроагрегатом /Г. Винклерис, П.П. Раджюнас. –№
4029696/25-06; заявл. 07.01.86; опубл. 23.07.87, Бюл. № 27.
4.
Пат.
2070988 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/02,
F03D7/04. Способ управления
ветроэнергетической установкой и ветроэнергетическая установка / Забегаев А.И.,
Горбунов Ю.Н., Наумов В.В.; заявитель
товарищество с ограниченной ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“;
патентообладатель товарищество с ограниченной ответственностью фирма
,,Общемашинжиниринг“. –№ 94044928/06; заявл. 29.12.1994; опубл. 27.12.1996.
5.
Пат.
2075636 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/02.
Ветродвигатель /Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н.,
Забегаев Н.И.; заявитель товарищество с ограниченной ответственностью
фирма ,,Общемашинжиниринг“; патентообладатель товарищество с ограниченной
ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“. –№ 95100977/06; заявл. 24.01.1995;
опубл. 20.03.1997.
6.
Пат.
2075637 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/04.
Ветроэнергетическая установка /А.И. Забегаев, Ю.Н. Горбунов, В.В. Наумов;
заявители товарищество с ограниченной ответственностью фирма
,,Общемашинжиниринг“, научно-производственное объединение ,,Ветроэн“;
патентообладатели товарищество с ограниченной ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“,
научно-производственное объединение ,,Ветроэн“. –№ 95106100/06; заявл.
20.04.1995; опубл. 20.03.1997.
7.
Пат.
2075638 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/04.
Способ управления ветроэнергетической установкой /Забегаев А.И.,
Горбунов Ю.Н., Забегаев Н.И.; заявители
товарищество с ограниченной ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“,
научно-производственное объединение ,,Ветроэн“; патентообладатели товарищество
с ограниченной ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“,
научно-производственное объединение ,,Ветроэн“. –№ 95106103/06; заявл.
20.04.1995; опубл. 20.03.1997.
8.
Пат.
2075640 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/04.
Способ управления ветроэнергетической установкой /Забегаев А.И.,
Горбунов Ю.Н., Клещенко В.Г.; заявитель
товарищество с ограниченной ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“;
патентообладатель товарищество с ограниченной ответственностью фирма
,,Общемашинжиниринг“. –№ 95106200/06; заявл. 20.04.1995; опубл. 20.03.1997.
9.
Пат.
2075641 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/04.
Ветроэнергетическая установка /Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н.,
Закревский Ю.А.; заявитель товарищество с ограниченной ответственностью
фирма ,,Общемашинжиниринг; патентообладатель товарищество с ограниченной
ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“. –№ 95107096/06; заявл. 20.04.1995;
опубл. 20.03.1997.
10.
Пат.
211382 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/04.
Способ управления ветроэнергетической установкой и ветроэнергетическая
установка /Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н., Чернышов С.К.;
заявители товарищество с ограниченной ответственностью фирма
,,Общемашинжиниринг“, научно-производственное объединение ,,Ветроэн“;
патентообладатели товарищество с ограниченной ответственностью фирма
,,Общемашинжиниринг“, научно-производственное объединение ,,Ветроэн“. –№
94044922/06; заявл. 29.12.1994; опубл. 20.06.1998.
11.
Пат.
2113616 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/02.
Способ управления ветроэнергетической установкой / заявитель товарищество с
ограниченной ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг; патентообладатель
товарищество с ограниченной ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг“. –№
96111224/06; заявл. 06.06.1996; опубл. 20.06.1998.
12.
Пат.
2323369 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/00.
Регулятор оборотов ветроколеса ветродвигателя/Карпов А.Б., Красивов А.Ф.,
Улановский Я.Б.; заявители Карпов А.Б., Красивов А.Ф.,
Улановский Я.Б.; патентообладатели товарищество с ограниченной
ответственностью фирма ,,Общемашинжиниринг СМ“. –№ 2006107821/06; заявл.
15.03.2006; опубл. 27.04.2008.
13.
Пат.
2444646 Российская Федерация, МПК 6 F03D7/02.
Способ управления ветроэнергетической установкой и устройство для его
реализации/ Цгоев Р.С.; заявитель и патентообладатель Государственное
образовательное учреждение высшего профессионального образования ,,Московский
энергетический институт (технический университет)“. –№ 2010124625/06; заявл.
17.06.2010; опубл. 10.03.2012.
14.
Дудников
В.С. Принципиальные устройства ВЭУ USW 56-100
/В.С. Дудников// Матеріали міжнародної
науково-практичної конференції ,,Динаміка наукових досліджень“,Том
11. Технічні науки. Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2002. – С.
11-13.
15.
Дудников
В.С. Расшифровка основных проектных параметров электромеханического регулятора
поворота лопастей ВЭУ USW 56-100
/В.С. Дудников// Матеріали міжнародної
науково-практичної конференції ,,Динаміка наукових досліджень“,Том
11. Технічні науки. Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2002. – С.
13-14.
16.
Дудников
В.С. Винтовые передачи в составе электромеханических приводов поступательного
перемещения ветроэнергетических установок /В.С. Дудников// Materialy V miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji ,,Europejska nauka XXI
Powieka –2009“. Volume 12. Techniczne nauki. Budownictwo i architektura: Przemysl. Nauka i studia. – C.11-14.