הבנה של Torsion in Windmill Systems

Windmills שימשה אבן הפינה של המרת אנרגיה מכנית במשך מאות שנים, מתפתח מבנים פשוטים של דגנים טורבינות רוח מודרנית המייצרת חשמל.כפי שהמכונות האלה לגדול ויעילות יותר, הכוחות המכניים הפועלים על מרכיביהם הופכים קריטיים יותר ויותר להבין.

Torsion הוא כוח טווין מוחל על אלמנט מבני כאשר torque מועבר לאורך צירו. in a Windmill, האנרגיה הקינטית של הרוח נלכדת על ידי להבים, אשר לסובב ולהעביר מומנט דרך פיר הראשי, תיבת הילוכים, גנרטור.זה לטעון rsional הוא לא סטטי; הוא משתנה עם מהירות רוח, כיוון, וטרף אם לא מנוהל כראוי, כדי לפקח על תופעות לוואי, כדי לנטרולציה, כדי להוביל את ההשפעות של הטבע, כישלונות, כדי להוביל את ההשפעות של תופעות לוואי, עיצוב.

הפיזיקה של Torsion in Windmill Shafts

איך להגות Torsion

כאשר הרוח דוחפת נגד להב גלימה, היא יוצרת כוח שיוצר מומנט על ציר הרוטב.הצב מועבר לאורך פיר המהירות הנמוכה (פיר טור) לתיבת הילוכים ולאחר מכן דרך הפיר המהירות הגבוהה אל הגנרטור.

גודל ההסרה תלוי בכוח הרוח, זווית קדמית, ומהירות הסיבוב של הרוטור. בתנאים יציבים, ה- torque הוא קבוע יחסית, אבל גוסטים וזעזועים מציגים עומסים דינמיים שיכולים להגיע גבוה יותר מהממוצע.עומסים טרנסנדנטליים אלה מזיקים במיוחד משום שהם מפעילים כוחות מעוות מהירים שאולי אין להם זמן להפיץ אפילו באופן משמעותי.

ניתוח טכני ב Torsional Analysis

מהנדסים משתמשים במספר מדדים כדי להעריך השפעות שליליות:

  • (ב) [ה]הכוח המסובך שנמדד במילימטרים חדשים (Nm) או פעמוני רגל (ft-lb) במכנסת רוח, הוא מפרט עיצוב.
  • (ב) [ה] [ה] [ה]]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]], [ה]][ה]]]]] [ה']'[ה]'[ה]'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה']'[ה'[ה']']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']'[ב[[ה'[ה'['[ה'[
  • (ב) [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]]]]][ה]]]] [ה']'[ב[[המאה ה-20], לעיתים קרובות בשימוש בטורפות גדולות, יש גבוה J עם משקל נמוך יותר.
  • (ב) ⁇ ( ⁇ ): ⁇ : ⁇ : ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

על ידי חישוב הפרמטרים האלה, מעצבים להבטיח כי הפיר יכול להתמודד עם שולי אבטחה מקסימליים הצפוי עם שולי בטיחות לפני התשואות או עייפות סדק.

השפעות על Windmill קריטי

קישורים ו-Hub Connections

להאשים את עצמם חווים צניחה לאורך אורך שלהם בשל כוחות אווירודינמיים המשתנה משורש לטיפ.חיבור השורש - לעתים קרובות flange מכוער או מתאם מוקרן - חייב להעביר מומנט גבוה מהלהב אל הרכז.אם מדגישים עדריים על פני גבולות עיצוב קשיחים, השורש יכול לפצח או את המברגים עשויים לשחרר לאורך זמן.

ראשי התיבות של Shaft (Low-Speed Shaft)

הפיר המהירות הנמוכה מחברת את מרכז הטור לתיבת הילוכים.It מסתובב ב- RPM נמוך (בדרך כלל 10-20 rpm בטורבינות גדולות) אבל נושאת את העייפות הגבוהה ביותר בטורסל זה הוא מצב כשלון ידוע, במיוחד אם ה- Windmill פועל לעתים קרובות ליד מהירות הרוח חיתוך שלה. Shafts בדרך כלל מזויפים עם טיפולי פלדה כמו יריה כדי לשפר את החיים, אפילו על פני השטח הקטן או על פני השטח האחורי יכול להופיע תחת לחץ חוזר.

Gearbox Internals

תיבת הילוכים היא הלב של הכונן ואת המרכיב הפגיע ביותר לנזקים .Gears, נושאים, פירים חייב לעמוד לא רק על המשמעות של מומנט, אלא גם FLT:0tors pulations valations , 1:1 גרם על ידי נוקשות רוח וקצבי הדבקה.

גנרטור ומהירות גבוהה שפט

הפיר המהירות הגבוהה (בדרך כלל 1000-1800 rpm) משדרת מומנט ל גנרטור. טוריטורדיטים במהירויות גבוהות יכולים אינטראקציה עם התדר של רשת החשמל של הגנרטור, יצירת תנאים חוזרים המגבירים את הלחץ.זה לעתים קרובות מטופלים על ידי שימוש בהפיכה לחבית וכוונו בזהירות את התדרים הטבעיים של הכונן הרחק ממהירויות תפעוליות.

Brake and Yaw Systems

הבלם המכאני, הממוקם על פיר המהירות הגבוהה, חייב ליישם כוח clamping לעצור את הסיבוב בתנאי חירום.עומסים Torsional במהלך החבט יכול להיות חמור, ועצי קשה חוזרים עשויים לפצח את הדיסק הבלם או לנפץ את הפיר. בדומה, מערכת ה-hw, אשר לסובב את התא כדי להתמודד עם הרוח, חוויות לכוחות החלולים שלה, סיכות אם אתה לא יכול ללבוש כראוי, לגרום חיכוך, כראוי, לגרום לחול, כראוי, לגרום לחבושתיקים, כראוי, לגרום לחול כדי להתמודד עם החנקן, כראוי, לגרום לחול, לגרום לחול כדי להתמודד עם הרוח, ולהוביל כראוי, ולהוביל את החיכוך, לגרום לחול, לגרום לחול, לגרום לחול, לגרום לחול, לגרום לחול, לגרום לחול כדי להתמודד עם החנקן, כדי להתמודד עם החיכוך כראוי, לגרום לחול, כראוי, לגרום לחול כדי להתמודד עם החנקן, כראוי, כראוי, כראוי, כראוי, כדי להתמודד עם הרוח, כדי להתמודד עם הרוח, 000 סימטרי כדי להתמודד עם הרוח, 000 חיכוך, כדי להתמודד עם החנקן מסוגל ללבוש את הניכים מופעלת, 000 סימטרי כדי להתמודד עם הניכים מנוהל כראוי, 000 סימטרית, 000 כדי

פשפשפש טורי: מכניזם ומחקרי מקרים

טבע הכשלים הפשיפים

עייפות שומנית היא הנזק המבני המתקדם, המקומי המתרחש כאשר חומר נתון להטעינה מחזורית.עייפות טורסיבית במיוחד כרוך בשינוי מחזורי מתח של זאר.ברוחות, כל סיבוב של הרוטור מטיל מחזור מחזור נזיס על הפיר, ועל פני תוחלת חיים של 20 שנים, שיכול להיות מיליוני למיליארדי מחזורים.

דוגמאות אמיתיות בעולם

כמה מפעילי חוות רוח דיווחו על כשלים בעייפות קיצונית באמצע שנות ה-2000, שכן טורבינות צמחו בגודל.דוגמה אחת היטב קשורה טורבינות 2MW בגרמניה שבו פיר המהירות הנמוכה נשבר לאחר כ -7 שנים של ניתוח.ניתוח מתכתי גילה כי פגם קטן לטעום בשילוב עם עומס גבוה במהלך סערה חמורה יזמה סדקים.

מקרה נוסף היה מעורב בסדרה של כשלים בתיבת הילוכים בחוות רוח של ארה"ב הקשורה לתנודות טוריונית נרגשת על ידי טרנסיאנטים ברשת.מהנדסים התקין צריח לרטט טורי במהירות גבוהה והסתגלו את אלגוריתם בקרת הלהב, אשר הפחית את שיעורי הכשל על ידי 60% (איור:0) מחקר NREL על אמינות הילוכים 1).

אסטרטגיות עיצוב ל- Mitigate Torsional Stress

בחירה מתקדמת

בחירת החומר הנכון עבור פירים ורכיבים אחרים לטר-נסיגה הוא קו ההגנה הראשון. פלדה ⁇ גבוהה סטרנגית (למשל, 42CrMo4) הם נפוצים, אבל טורבינות מודרניות גם להתנסות עם פירים מורכבים המשלבים סיבי פחמן ושרוולי מתכת עבור יחס גבוה יותר כוח-למשקל.

עקבו אחרי Shaft Geometry

פירים הולו להפחית במשקל ללא הקרבה של קשיחות נזילות, כי הרגע הקוטבי של אינרציה עבור גליל חלול הוא כמעט גבוה כמו עבור אחד מוצק של אותו קוטר חיצוני. מהנדסים גם עיצוב מדבקות הדרגתיות ומלאי נזיקין גדולים כדי למזער ריכוזים.הטר הוא נבחר לשמור לחץ מתחת למגבלת הסיבול של החומר - עבור פירים, זה בדרך כלל פחות מ 50% כוח היבואה מתחת למחזור מחזורי.

מכשירים מגבילים ודמיון

כדי להגן מפני עומסים טרנסיים, צינורות רוח מודרניים משלבים את ה-FLT:0 מגבלת גבולות של קונסולת 1 - לעתים קרובות בצורת חיכוך או סיכות Shear - אשר מרתיע את ההנעה אם מומנט עולה על סף בטוח.FLT:2Torsional moistersFLT 3 על בסיס חומרים מולקוליים או מנטה המונית ניתן לספוג על ידי גבהים של 300% כדי לספוג אנרגיה.

Active Pitch Control

שליטה על המגרש היא לא רק עבור רגולציה כוח; זה יכול גם לנהל עומסים עדריים. על ידי נוצצת להבים במהלך גלי רוח גבוהה, המערכת מפחיתה את הספיק השקע כי אחרת להעביר דרך הפיר. אלגוריתמים מתקדמים משתמשים במדידות מהירות רוח בזמן אמת עומס וחיישנים כדי להתאים במהירות, שמירה על מתחים עדריים בתוך גבולות עיצוב. גישה זו היא סטנדרטית בטורפות רוח מודרנית.

מעקב אחר בריאות

מערכות ניטור המצב (CMS) מצוידות בזנים על הפיר, accelerometers על תיבת הילוכים, וחיישנים torque לספק נתונים רצופים.על ידי ניתוח ספקטרום הרטט הטורפי, המפעילים יכולים לזהות סימנים מוקדמים של סדקים עייפות, נושא ללבוש, או נזק הילוכים.לדוגמה, עלייה במרכיב התדירות המתאים לתדירות הטבעית של הפיר עשויה להצביע על סדקים מתקדמים (CLT) ולהפחית את הכשלי הראייה של CFMS (לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, עלייה בכשלים).

תחזוקה של הקטנת כישלונות מחוסנים

בדיקה אחרונה ב-Routine Inspection of Shafts and Couplings

בדיקות חזותיות שנתיות צריך להתמקד על קווי, מרכזי מפתח, ו מרכזי הפיכה עבור סימנים של שיתוק, גירוד או סדקים משטח. שיטות בדיקה לא הרס כגון בדיקת קולי או בדיקות חלקיקים מגנטיים יכול לזהות פגמים תת-קרקעיים. מפעילים רבים גם לבדוק את ההיערכות בין תיבת הילוכים גנרטור באמצעות כלי היישור לייזר; עלייה חדה מכווצת ומתחים דביקים על הפיר.

טיהור טוריק

בדל סלעים ובריכי המגדל כפופים גם לעומסים Tenile ו torsional. Bolt preload יש לאמת מעת לעת באמצעות תעלות טורק או מדידה מתח קולי.

בקרת תפוצה וזיהום

סיכה Gearbox היא קריטית לפירוק חום שנוצר על ידי חיכוך תחת torsion. זיהום שמן עם מים או חלקיקים עולה ללבוש על הילוכים ונושאים, אשר בתורו משנה את חלוקת העומסים ההטוריים.ניתוח שמן רגיל (particle, סטיות, רמות תוספת) עוזר לזהות סימנים מוקדמים של מצוקה.

החלפת שפט ושינויים

אם סדקים עייפות סחירו מוקדם, את הפיר ניתן להחליף לפני כישלון קטסטרופלי. כמה דגמי טורבינות כבר נסוגו עם פירים עבים יותר או חומרים משודרגים כחלק מתכניות להפחתה בחיים.זה גם נפוץ להחליף הפיכה גמישה עם עיצובים חזקים יותר שיש להם יכולת טורק גבוהה יותר ונכסים לחות טובה יותר.

תפקיד סימבול בניתוח Torsional

ניתוח יסודות Finite Element Analysis (FEA)

לפני שגלם רוח נבנה, מהנדסים משתמשים בתוכנות FEA כדי לדמות מתחים טוריים בכל רכיב המניעה.מודלים כוללים את הגיאומטריה המלאה, תכונות חומריות, ותנאי גבול המייצגים את העומסים האירודינמיים של רוטר וטור התגובה לטור.מעבורת עומסי מתח לחשוף אזורים בלחץ גבוה שעשויים להיות זקוקים לתכנון מחדש. FEA מודרנית משלבת גם ניתוח עייפות כדי לחזות חיידק, ומאפשרת לייעל את הרכיב למטרה של 20 שנים.

Multi-Body Dynamics (MBD) Simulations

מודלים MBD מדמיינים את כל הכונן כמערכת של גופים קשיחים וגמישים המחוברים על ידי נושאים ואביזרים.הם ללכוד תנודות טוריות, הנדסת דינמיקה מרש, ואת האינטראקציה עם מערכת הבקרה. על ידי הפעלת סימולציות על פני טווח של תנאי רוח (תקני IEC 61400), מהנדסים יכולים לזהות תדרים חוזרים ופרמטרים לחות.

אימות נתונים

מודלים סימבוליים מאומתים באמצעות מדידות שדה מהפעלה של טורבינות סטרין מדפס וממטרים מקיפים על טורבינות אבטיפוס מספקים נתונים אמיתיים בהשוואה לתחזיות. Discrepancies לעתים קרובות להוביל לזיקוקים במודל, כגון נוקשות חשיבה מדויקת יותר או נוקשות לחות של coefficients.This iterative Process שיפרה באופן משמעותי את האמינות של שיטות רוח מודרניות (Fevolved:0d עובדות:winFrederated) 1D.

עיצובים עתידיים: Torsion-Resistant Designs

טוריינס

מגמה אחת מתעוררת היא חיסול תיבת הילוכים לחלוטין באמצעות גנרטורים ישירים.ללא תיבת הילוכים, המנוע יש פחות רכיבים בכפוף ללבוש טורי.עם זאת, גנרטור גדול מדחום עדיין חווה מומנט גבוה מן הלהבים, ואת הפער האוויר בין רוטר ו stator חייב להיות נשמר כדי למנוע מגע.

המונחים:

פירים פולימרים פחמן-מרוסיים מופעלים עבור קווי כונן מהירים במהירות גבוהה בטורבינות offshore. CFRP יש נוקשות מסוימת גבוהה והתנגדות עייפות מעולה, וזה יכול להיות מותאם יש תכונות לחות כי להפחית את הרטט torsional. האתגר הוא עלות והצטרפו שיטות ל flanges מתכתי.

בקרת סכרים Active Torsional Damping

אלגוריתמים מתקדמים של שליטה בחשבונות של טורק פיר (באמצעות חיישנים מגנטיים) כדי לשנות את מומנט הגנרטור בזמן אמת.זה שחיקה פעילה יכולה לבטל תנודות הדהדות, בדומה לטלפונים אוזניות מרעישות רעש, אך עבור תנודות מכניות oscillations. מבחנים שדה הראו הפחתה בתיבת הילוכים להורדת quecillations של עד 70% (FEE:0 LTIE פעיל עבור טורבינות).

מסקנה

Torsion הוא כוח בלתי נתפס בכל מטאטא רוח מתרקב, אבל ההשפעה שלו ניתן לשלוט באמצעות הנדסה זהירה.מסלקציה חומרית וגאומטריה כדי לשלוט על המגרש פעיל ניטור מצב, התעשייה פיתחה ערכת כלים מקיפה כדי להפחית עייפות, עיוות, וכישלון ההבנה של הפיזיקה של מומנטום המשך ויישום שיטות תכנון ותחזוקה אלה מאפשר מפעילי רוח להשיג יעילות גבוהה יותר, שירות ארוך יותר, אמינות גדולה יותר, כמו גם בקנה מידה גבוה יותר של לחץ אווירי, כדי לדחוף לתוך גבולות מהירים יותר, לחץ גבוה יותר, או לדחוף לתוך גבולות בלחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, או לחץ חזק יותר, לחץ אווירי כוח, כדי לדחוף לתוך גבולות דרמטי יותר, כדי לדחוף קדימה, 000 רחב יותר, כדי לדחוף לתוך גבולות בלחץ גבוה יותר, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, 000 רחב יותר, כדי לדחוף לתוך גבולות בלחץ גבוה יותר, 000 חזק יותר, 000 כוח חזק יותר, 000.