Технические науки 4. Отраслевое машиностроение

Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет

зубчатые механизмы в составе ветроэнергетических установок

Резкое повышение цен на газ и ограниченные источники его добычи заставляют многие государства задуматься о том, какие источники энергии могли бы стать ему альтернативой. Анализ показывает, что за счет ветроэнергетических установок можно покрыть до 40 – 50% потребности в электроэнергии [1]. Современная ветроустановка является одним из самых высокотехнологичных агрегатов. Эта внешне простая башня с гондолой, мультипликатором, генератором и крыльями по сложности используемых технологий сравнима разве что с самолетом.

Природа аэродинамики ограничивает скорость ротора до уровня ниже требуемых стандартными генераторами. Из-за разницы скоростей часто необходим мультипликатор, который увеличивает скорость для того, чтобы установка работала экономично.

В настоящее время наиболее распространенной является схема ветроустановки с многоступенчатым мультипликатором [2 – 4]. В таблице 1 представлены технические данные мультипликаторов наиболее известных зарубежных ветроэлектрических установок (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения.

Если в современных ВЭУ с горизонтальной осью вращения мультипликаторы, как правило, располагаются внутри гондолы, т.е. на высоте башни, то мультипликаторы ВЭУ с вертикальной осью вращения – на земле, что облегчает их монтаж и эксплуатацию.

В большинстве действующих сегодня ВЭУ мегаваттного класса используется мультипликатор – 3 - 4 ступенчатая система зубчатых передач, которая позволяет повысить обороты с 15 об/мин на валу ветроколеса до 1500 об/мин на валу электрогенератора. И хоть зубчатыми передачами мир не удивишь, мультипликатор ВЭУ – случай особый. Современный мультипликатор – это махина весом в 12 –15 т, которая имеет кпд не ниже 97%. Это, с одной стороны, весьма габаритная, а с другой – в высшей степени прецизионная механика. Для изготовления мультипликатора требуются высококачественные сплавы, сверхточная обработка поверхности. Особенно это касается высокооборотной ступени – той, что ближе к генератору. Требуются специальные масла, которые облегчают ход механизма и отводят в систему воздушного охлаждения те самые 3% потерь, которые преобразуются в тепло. Только так можно обеспечить низкий вес мультипликатора, высокий кпд и высокую износоустойчивость конструкции для длительного ресурса механизма [4].

Новейшие мультипликаторы, используемые в ветрогенераторах компании VESTAS – одного из лидеров рынка, - имеют гарантию на 80 000 часов работы без поломок. Фактически это 20 лет бесперебойной работы и колоссальная экономия на ремонте и обслуживании [5]. Это очень сложная техническая задача. Поэтому некоторые специалисты считают, что даже Россия из-за этого не сможет делать ветрогенераторы мегаваттного класса. Она будет вынуждена закупать за рубежом генераторы, мультипликаторы, лопасти, системы управления, подшипники [4]. «Единственное, что мы, очевидно, не потянем, - это многоступенчатый мультипликатор с его прецизионной механикой. Таких производств в нашей стране нет, а их создание потребует миллиардов долларов». Но ситуация не безвыходная.

Сейчас порядка 17% представленных на рынке ветряков работают по системе direct drive, т.е. обходятся вообще без мультипликатора. У этой схемы есть один большой плюс – наличие минимума движущихся частей, что добавляет конструкции надежности и уменьшает потери энергии. Но есть и большой минус: генератор, вал которого вращается со скоростью ветроколеса, должен быть очень большим.

Таблица 1 - Мультипликаторы зарубежных ВЭУ

Модель ВЭУ	Мощность, кВт	Частота вращения ветро- колеса, об/мин	Частота вращения генератора об/мин	Переда- точное число	Тип мульти- плика- тора	Коли- чество ступе- ней
1	2	3	4	5	6	7
Vestas V19	90	41.8/29.2	1000	23.9	зубчатый
USW 56-100	107.5	72-73.5	1500-1527	20.8	зубчатый	2
Fuhrlander FL100	20/100	31/47	1000/1500	32.32	комбини- рованный зубчато- планетар-ный	2
Vergnet GEV MP	250-275	31-46	1000/1500	32.5	плане- тарный	2
Fuhlander FL 600	600	13-26	1000-2000	75	комбини- рованный зубчато- планетар-ный	3

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7
Ecotecnia 44	640	27	1500	55,7	комбини- рованный зубчато- планетар-ный	3
Vestas V47	660	28.5	1515-1650	56	планетар-ный	3
Ecotecnia 48	750	24	1518	63.3	комбини- рованный зубчато- планетар-ный	3
Gamesa G52-850kW	850	14.6-30.8	900-1900	61.74	комбини- рованный зубчато- планетар-ный	3

Gamesa G58-850kW	850	14.6-30.8	900-1900	61.74	комбини- рованный зубчато- планетар-ный	3
Vestas V52-850kW	850	14.0-31.4	868-1946.8	62	комбини- рованный	3

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7
Fuhrlander FL 1000	250/1000	15/22	1000-1500	69.155	комбини- рованный	3
Ecotecnia 62	1250	19	1012-1518	82.1	комбини- рованный	3
Nordex N60	250/1300	12.8/19.2	1010/1515	78	комбини- рованный	3
Siemens 1.3mv/62	250/1300	13/19	1000/1500	78	комбини- рованный	3
Fuhrlander FL 1500	1500	10.6-19.0	1000-1800	94.7	комбини- рованный	3
GE 1.5s/1.5se	1500	20	1000-1800/ 800-1440	90/ 72	комбини- рованный	3
GE 1.5 sl	1500	18.4	1000-1800	98	комбини- рованный	3
GE 1.5 sle	1500	18.4	800-1440	78	комбини- рованный	3
GE 1.5 xle	1500	16.8	1000-1800 800-1440	107 86	комбини- рованный	3
Nordex S70	1500	10.6-19.0	1000-1950	94	комбини- рованный	3

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7
Nordex S77	1500	9.9-17.3	1000-1950	104	комбини- рованный	3
REpower MD 70	1500	10.6-19.0	1000-1800	95	комбини- рованный	3
REpower MD 77	1500	9.6-17.3	1000-1800	104	комбини- рованный	3
Ecotecnia 74	1670	10-19	1000-1950	100	комбини- рованный	3
Ecotecnia 80	1670	9.7-18.4	1000-1950	103	комбини- рованный	3
Gamesa G80-2.0 MW	2000	9.0-19.0	900-1900	100.5	комбини- рованный	3
Gamesa G83-2.0 MW	2000	9.0-19.0	900-1900	100.5	комбини- рованный	3
Gamesa G87-2.0 MW	2000	9.0-19.0	900-1900	100.5	комбини- рованный	3
Gamesa G90-2.0 MW	2000	9.0-19.0	1680	100.5	комбини- рованный	3
REpower MM 70	2000	10-20	900-1800	90	комбини- рованный	3

Продолжение таблицы 1

1	2		3		4		5	6	7
REpower MM 82	2000		8.5-17.1		900-1800		105.4	комбини- рованный	3
REpower MM92	2000		7.8-15.0		900-1800		120	комбини- рованный	3
Vestas V80-2.0 MW	2000		9-19		904-1909		100.5	комбини- рованный	3
Vestas V90-2.0 MW	2000		8.2-17.3		1680		113.1	комбини- рованный	3
Nordex N90		2300		9.6-16.9		740-1310	77.44	комбини- рованный	3
Siemens 2.3 MW / 82-VS		2300		6-18		550-1600	91	комбини- рованный	3
Siemens 2.3 MW / 93-VS		2300		6-16		550-1450	91	комбини- рованный	3
Fuhrlander FL 2500		2500		10.4-18.1		750-1310	72.3	комбини- рованный	3
GE 2.5 xl		2500		5-16.5		1650	117.4	комбини- рованный	3
Nordex N90/ 2500 LS		2500		9.6-14.85		740-1310	77.44	комбини- рованный	3

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7
Vestas V100-2.75 MW	2750	6.7-13.4	1680	125.5	комбини- рованный	3
Ecotecnia 100	3000	7.5-14.25	1000-1800	130	комбини- рованный	3
GE 3.0 sl	3000	5-17.14	1813	117.4	комбини- рованный	3
Vestas V90- 3.0 MW	3000	9-19	1680	104.5	комбини- рованный	3
GE 3.0 s	3000	5-18.66	1813	107.85	комбини- рованный	3
GE 3.6 sl	3600	15.3	1000-2000	118	комбини- рованный	3
Siemens 3.6 MW / 107-VS	3600	5-13	600-1550	119	комбини- рованный	3
REpower 5M	5000	6.9-12.1	670-1170	97	комбини- рованный	3

Для двухмегаваттной ВЭУ, работающей с многоступенчатой коробкой передач (мультипликатором), генератор будет иметь диаметр около 1,5 м и вес около 10 т. В установке системы direct drive той же мощности его диаметр составит более 7м, а вес – около 60 т. 60-тонный генератор весьма непросто транспортировать, особенно в труднодоступные районы, и очень сложно монтировать на башне – нужна специальная крановая техника, которую перевозить также очень сложно.

Есть «золотая середина» - среднеоборотные генераторы, работающие по системе multibrid. В этом варианте между валом ветроколеса и валом генератора ставится одноступенчатый планетарный мультипликатор, который передает на вал генератора вращение со скоростью не 1500, а 150 об/мин, при этом получается единый конструктивный моноблок «мультипликатор-генератор». Причем среднеоборотный генератор имеет уже вполне приемлемые габариты. При той же мощности 2 МВт он будет иметь диаметр 2,5 – 3 м и вес порядка 30 т.

В России до последнего времени спрос на мультипликаторы для нужд ветроэнергетики, да и не только для нее, практически отсутствовал, вследствие чего НТЦ «Редуктор» не осваивал эту рыночную нишу. В 2006 году поступил ряд заказов на приводы ветроэнергетических установок мощностью от 10 до 40 кВт. Они были выполнены с применением базовых конструкций производимых редукторов ЗМП – М [6]. В настоящее время НТЦ «Редуктор» предлагает мультипликаторы промышленного назначения, которые производит его испанский партнер – фирма Pujol Muntala, много лет работающая в этой сфере и имеющая большой опыт разработки и выпуска этих высокотехнологичных изделий.

В России на ОАО «ЭЗТМ» спроектирован планетарный мультипликатор привода генератора ветроэнергетической установки мощностью 1500 кВт с передаточным числом 8,05, с частотой вращения быстроходного вала 150 об/мин, допускаемым моментом на тихоходном валу 950кН*м, с расчетным ресурсом 120000 часов и массой 16800 кг [7].

Для ВЭУ мощностью 310 кВт разработан специальный трехступенчатый горизонтальный мультипликатор МЦЗ – 400 с передаточным отношением 31,5, номинальным крутящим моментом на тихоходном валу 62000 Н*м, с габаритными размерами 1410*510*810 мм, массой не более 1660 кг разных вариантов сборки [8].

Представляет интерес планетарный редуктор с внутренним зацеплением колес с малой разницей чисел зубьев, имеющий малые габариты при высоком передаточном отношении в одной ступени (30…50) [9]. Зубчатый редуктор является эксцентриковым и относится к механизмам типа K-h-v по классификации В.Н. Кудрявцева. Отличительной особенностью является отсутствие механизма кривошипов как отдельного узла. Силовая схема редуктора такова, что в нем теоретически нет неуравновешенных сил, отсутствует реактивный момент в общепринятом понимании. Поэтому нет принципиальной необходимости в неподвижном корпусе, фундаментных опорах, подшипниках корпуса и ведущего вала. Это позволило существенно повысить его КПД, многократно увеличить несущую способность, технологичность, значительно упростить конструкцию, расширить возможности конструктивного исполнения и компоновки, уменьшить габариты и стойкость.

С целью уменьшения финансовых и временных затрат на разработку и отработку конструкций ВЭУ предлагается, на первых порах, отказаться от разработки специальных электрических генераторов и зубчатых мультипликаторов и попробовать максимально использовать электрические генераторы и зубчатые редукторы, которые серийно изготавливаются в Украине и СНГ.

Широкое применение получили различные зубчатые механизмы в составе механических и электромеханических устройств поворота лопастей ветроколес, как одной из составных частей автоматизированной системы управления ВЭУ [10 – 24].

ЛИТЕРАТУРА

1. Власенко В.Н. Мультипликаторы современных ветроэнергетических установок / В.Н. Власенко, В.М Фей // Вестник национ. техн. ун-то «ХПН»: сб. науч. тр., тенат. выпуск «Проблемы механического привода». – Вып. 28. – Х., 2008. – С. 99 – 102.

2. Каталог BWE «Windenergie 2006». – 190 с.

3. Кравцов В.С. Неисчерпаемая энергия. Книга 1. Ветро – электрогенераторы / В.С. Кравцов, А.М. Олейников, А.И.Яковлев – Х., ХАИ, 2003. – 400 с.

4. Умные крылья энергии. Электрогенераторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.popnech.ru/ article/6967-umnyie-kryilya-energii/scoreid/17198/. – Заголовок с экрана.

5. Бросим надежды на ветер. Российская энергетика [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.popnech.ru/ article/6239-brosim – nadezhdyi – na – veter/. - Заголовок с экрана.

6. Кузьмин А.Е. Мультипликаторы скорости для ветроэнергетики и не только/ А.Е. Кузьмин// Редукторы и приводы. – 2006. - №2,3(05). – С. 38-39.

7. На ОАО «ЭЗТМ» спроектирован планетарный мультипликатор привода генератора ветроэнергетической установки ВЭУ – 1,5 мощность 1500 кВт. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eztm.ru/about/news/570.- Заголовок с экрана.

8. Редуктор специальных трехступенчатый горизонтальный (мультипликатор) МЦЗ – 400 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.reduktor.kz/index.php?id=111. - Заголовок с экрана.

9. Пат. 2156900 Российская федерация, F16H1/28. Заголовок с экрана.

Планетарный редуктор/Новичков А.А.; Заявитель и патентообладатель Новичков А.А. - №99108579/28; заявл. 19.04.99; опубл. 27.09.2000.

10. Дудников В.С. Теоретические основы и результаты проектно конструкторских разработок электромеханических устройств поворота лопастей ветроколес ветроэнергетических установок/ В.С. Дудников, А.Г. Макаренков// Устойчивое развития: загрязнение окружающей среды и экологическая безопасность. Тезисы докл. 1-ой МНТК. – Д., 1995. – Т.1.-С.24.

11.Дудников В.С. Экспериментальные исследования электромеханических устройств поворота лопастей ветроколес ветроэлектрических установок/ В.С Дудников, Ю.В. Броженко, А.Г Макаренков// Устойчивое развития: загрязнение окружающей среды и экологическая безопасность. Тезисы докл. 1-ой МНТК. – Д., 1995. – Т.1.-С.32.

12. Дудников В.С. Сравнительная характеристика гидровлических и электромеханических регуляторов поворота лопастей ветроколес ветроэлектрических установок/ В.С Дудников// Наука і освіта – 2000. Тез.докл.3-ої МНПК. – Д.: Наука і освіта, 2000.-С.13-14.

13. Дудников В.С. Электромеханический регулятор поворота лопастей ветроколеса для ВЭУ-250с/В.С Дудников// Наука і освіта – 2000. Тез.докл. 3-ої МНПК. . – Д.: Наука і освіта, 2000.-С.14-15.

14. Дудников В.С. Методика выбора основних проектних параметров электромеханического регулятора положення лопатей ветроколес ветроэлектрических установок/В.С Дудников// Наука і освіта – 2000. Тез.докл. 3-ої МНПК. . – Д.: Наука і освіта, 2000.-С.26-27.

15. Дудников В.С. Электромеханический регулятор поворота лопастей ветроколеса ветроэлектрической установки ВЭУ-250/ В.С. Дудников, Е.Г. Гейда// Наука і освіта – 2001. Тез.докл. 4-ої МНПК. . – Д.: Наука і освіта, 2001.-С.16-17.

16. Дудников В.С. Модернизированный вариант электромеханического редуктора поворота лопастей ВЭУ USW 56-100/В.С. Дудников// Динаміка наукових досліджень матеріали міжнарод. науково-практич. конф. 28 жовтня – 4 листопада 2002р. – Д.: Наука і освіта, 2002.-Т.11.-С.10-11.

17. Дудников В.С. Принципиальное устройство ВЭУ USW 56-100/В.С. Дудников// Динаміка наукових досліджень матеріали міжнарод. науково-практич. конф. 28 жовтня – 4 листопада 2002р. – Д.: Наука і освіта, 2002.-Т.11.-С.11-13.

18. Дудников В.С. Расшифровка основных проектных параметров электромеханического регулятора поворота лопастей ВЭУ USW 56-100/В.С. Дудников// Динаміка наукових досліджень матеріали міжнарод. науково-практич. конф. 28 жовтня – 4 листопада 2002р. – Д.: Наука і освіта, 2002.-Т.11.-С.13-14.

19. Дудников В.С. Стенды для имитации осевой нагрузки на штоки Электромеханических регуляторов поворота лопостей ветроколес ветроэлектрических установок /В.С. Дудников // Науковий потенціал світу – 2004: матеріали першої міжнарод. науково-практич. конф. 1-15 листопада 2004р. – Д.: Наука і освіта, 2004.- Т.77.-С.22-23.

20. Дудников В.С.Привод тормоза ветроколеса ветроэнергетического агрегата АВЭ-500/ В.С. Дудников // Науковий потенціал світу – 2004: матеріали першої міжнарод. науково-практич. конф. 1-15 листопада 2004р. – Д.: Наука і освіта, 2004.- Т.77.-С.24-25.

21. Дудников В.С. Цеховые испытания модернизированного варианта электромеханического регулятора поворота лопастей ВЭУ USW 56-100/В.С. Дудников// Науковий потенціал світу – 2004: матеріали першої міжнарод. науково-практич. конф. 1-15 листопада 2004р. – Д.: Наука і освіта, 2004.- Т.77.-С.25-27.

22. Дудников В.С. Винтовые передачи в составе электромеханических приводов поступательного перемещения ветроэнергетических установок /В.С. Дудников// EUROPEJSKA NAUKA XXI POWIEKA-2009:materialy V miedzynarodowej naukowi – praktycznej konferencii. 07-15 maja 2009 roku.- Przemysl: Nauka i studia, 2009. –Vol.12.-С.11-14.

23. Дудников В.С. Методика выбора основних взаимосвязанных проектних параметров электромеханических устройств поворота лопатей ветроколес ветроэлектрических установок на базе передач винт-гайка трения скольжения /В.С. Дудников// EUROPEJSKA NAUKA XXI POWIEKA-2009: materialy V miedzynarodowej naukowi – praktycznej konferencii. 07-15 maja 2009 roku.- Przemysl: Nauka i studia, 2009. –Vol.12.-C.94-103.

24. Дудников В.С. Конструктивно-компоновочные схемы трансмиссий ветроэлектрических установок/В.С. Дудников// AKTUALNE PROBLEMY NOWOCZESNYCH NAUK -2010: materialy VI miedzynarodowej naukowi – praktycznej konferencii. 07-15 czerwca 2010 roku.- Przemysl: Nauka i studia, 2010. –Vol.30.-C.52-57.