Klzné krúžky veternej turbíny: Typy, poruchy a výber

Klzné krúžky veterných turbín sú malé, ale{0}}kritické komponenty. Prenášajú energiu, riadiace signály a dáta cez rotačné rozhrania vo vnútri turbíny - od otočného ložiska v hornej časti veže cez rotačný náboj, ktorý poháňa lopatky, až po určité konštrukcie generátorov. Keď je zberný krúžok správne špecifikovaný, turbína sa nakláňa, natáča a komunikuje bez prerušenia. Keď je poddimenzovaný, zle utesnený alebo nezodpovedajúci architektúre ihriska, príznaky sa prejavia rýchlo: chyby komunikácie na ihrisku, občasné chyby spätnej väzby, úlomky kefy a neplánované prestoje.

Táto príručka vysvetľuje hlavné typyzberné krúžky používané vo veterných turbínach, kde každý sedí v stroji, ako elektrické a hydraulické systémy rozstupu menia požiadavky a aké špecifikácie by mal tím údržby alebo dizajnér zhromaždiť pred objednaním štandardnej náhrady alebo vlastnej jednotky.

Čo je to klzný krúžok veternej turbíny?

Klzný krúžok je otočný elektrický konektor. Prenáša energiu, riadiace signály alebo dáta medzi stacionárnou konštrukciou a rotujúcou konštrukciou bez toho, aby nútil krútiť káble. Vo veternej turbíne sa pri normálnej prevádzke otáča niekoľko zostáv: gondola sa otáča, aby sledovala smer vetra, náboj sa nepretržite otáča s lopatkami a niektoré topológie generátora - najmä dvojito{3}}napájané indukčné generátory (DFIG), ktoré sa široko používajú v utilitárskom-vetre - privádzajú prúd rotora cez kefy a prstence.

Úlohou zberného krúžku je udržiavať elektrickú kontinuitu prostredníctvom tohto otáčania. V praxi nahrádza káblovú dráhu, ktorá by sa inak v priebehu niekoľkých hodín sama zrútila.

Prečo sú klzné krúžky dôležité vo veterných turbínach

Veterné turbíny nefungujú v čistých laboratóriách. Vo vnútri gondoly zachytáva klzný krúžok vibrácie z hnacieho ústrojenstva, kondenzáciu počas studenej-teplej cyklistiky, jemný prach z opotrebovania bŕzd a prenikania vonkajšieho vzduchu a - pobrežnú - soľnú hmlu, ktorá napáda nechránený kov. Vnútri náboja prenáša klzný krúžok náklonu aj bezpečnostné-kritické signály: ak regulátor náklonu lopatiek prestane komunikovať, turbína musí zareagovať, často naklonením k okraju a zastavením.

To je dôvod, prečo opotrebovaný alebo nedostatočne{0}}špecifikovaný zberný krúžok zriedka zlyhá ako jedna dramatická udalosť. Zlyhá ako vzor: stúpajúci prechodový odpor, občasné chyby zbernice CAN, postupne častejšie varovania o výške tónu, potom ťažká porucha. Inžinieri spoľahlivosti sa starajú o zberné krúžky práve preto, že režim poruchy je pomalý, nákladná na diaľkovú diagnostiku a nákladný servis na 90-metrovej veži alebo 50 km od pobrežia.

Hlavné typy klzných krúžkov veterných turbín

Nie každá turbína používa každý typ a konštrukčné tlaky sú na každom mieste veľmi odlišné. Štyri nižšie uvedené zostavy pokrývajú takmer každú aplikáciu zberného krúžku veternej turbíny, s ktorou sa stretnete.

1. Sklzné krúžky na otáčanie (väčšinou malé a distribuované veterné turbíny)

V malých veterných turbínach - obytných, mimo{1}}siete, telekomunikačných-veží, poľnohospodárskej - je generátor zvyčajne umiestnený vo vnútri otočnej hlavy. Celá hlava sa otáča, aby sledovala vietor, a vyrobená energia musí putovať dolu stacionárnou vežou do ovládača a batérie. Na tomto rozhraní je umiestnený protišmykový krúžok, ktorý umožňuje hlave voľne sa otáčať, zatiaľ čo dráha kábla pod ňou zostáva pevná.

Dominantnými obmedzeniami tu nie je vysoká rýchlosť; sú to priestor, počasie a počet káblov. Krúžok musí často prechádzať úzkym zvislým hriadeľom, prežiť roky UV žiarenia a cyklov zmrazovania-a viesť 2 až 6 napájacích okruhov plus voliteľné brzdové alebo senzorové vedenia. Pri aplikáciách s nízkou{5}}rýchlosťou vybočenia je hodnotenie krytu a odľahčenie kábla zvyčajne dôležitejšie ako výkon kefky-rýchlosti -, čo je fakt, ktorý často uniká, keď sa kupujúci zameriavajú iba na počet okruhov.

Väčšina úžitkových-turbínov (trieda MW-) ánoniepoužite tradičný krúžok proti vychýleniu. Zvládajú vybočenie pomocou káblových slučiek a počítadla-pretočenia kábla, ktoré po nastavenom počte otáčok spustí automatické rozkrútenie. Takže keď sa niekto opýta "používajú všetky veterné turbíny zberné krúžky?" - úprimná odpoveď je nie, nie na osi otáčania veľkých turbín.

2. Nábojové krúžky alebo klzné krúžky na reguláciu sklonu (úžitkové{1}}turbíny)

Toto je klzný krúžok, ktorý má väčšina ľudí na mysli, keď hovoria „klzný krúžok veternej turbíny“. Nachádza sa medzi pevným rámom gondoly a otočným nábojom a prenáša energiu a komunikáciu pre systém sklonu lopatiek -, systém, ktorý upravuje uhol nábehu každej lopatky, aby ovládal rýchlosť rotora a chránil turbínu pri silnom vetre.

Klzné krúžky na reguláciu sklonu zvyčajne prenášajú:

• Napájanie pre nábehové motory alebo záložné batérie (elektrické náklonové systémy)
• CAN zbernica, PROFIBUS alebo Ethernet pre komunikáciu s regulátorom výšky tónu
• Spätná väzba snímača z tenzometrov, kódovačov a teplotných sond
• Výkon vykurovania alebo odmrazovania-v chladných{1}}klimatických variantoch
• Dráhy ochrany pred bleskom v závislosti od dizajnu OEM

Pre systémy rozstupov sú integrita signálu a kompatibilita protokolov zvyčajne dôležitejšie ako surové mechanické prispôsobenie. Rozstupový prstenec, ktorý vyzerá rozmerovo identicky s dielom OEM, ale zle zaobchádza s tienením, spôsobí občasné chyby CAN, ktoré tímy údržby prenasledujú celé mesiace. Mersen, jeden z etablovaných dodávateľov v tomto segmente, popisuje svoje nábehové krúžky ako prenos energie a komunikáciu medzi rotačným nábojom a regulátorom turbíny v krytoch IP-odolných voči kontaminácii- -, čo poskytuje rozumný základ pre to, ako by mal priemyselný nábehový krúžok vyzerať (pozriMersen klzné krúžky na reguláciu výšky tónu).

3. Klzné krúžky generátora (DFIG a konštrukcie vinutých-rotorov)

Klzné krúžky generátora žijú v oveľa tvrdšom prostredí ako otočné krúžky alebo nábehové krúžky. V indukčnom generátore s dvojitým{1}}napájaním vedie zberný krúžok prúd rotora pri plných prevádzkových otáčkach - zvyčajne 1 000 až 2 000 ot./min. na hriadeli generátora za prevodovkou. To úplne mení dizajnový problém.

Pri týchto rýchlostiach začnú dominovať veci, na ktorých v otočnom prstenci nezáležalo: materiál kefy a trieda, krivky prítlačného tlaku, sústrednosť prstenca, odstraňovanie prachu z kefy a tepelné správanie pri nepretržitom zaťažení. Opotrebenie kefy už nie je poznámkou pod čiarou údržby; je to limitujúci faktor servisných intervalov.Opotrebenie kefy, kontaktná kontaminácia a nápravné opatreniasú v tomto odvetví dobre{0}}zdokumentované a väčšina zberných krúžkov generátora je navrhnutá pre plánovanú výmenu kefy a nie je utesnená-na-doživotnú prevádzku.

Pri aplikáciách generátora je potrebné pred mechanickým nasadením skontrolovať kontaktný materiál a tepelné správanie -, čo je opak nákupného inštinktu, ktorý začína priemerom otvoru.

4. Zostavy hybridného klzného krúžku / rotačnej spojky (hydraulické turbíny)

Niektorí výrobcovia OEM turbín používajú hydraulické pohony namiesto elektrických. V týchto strojoch musí prejsť rozhranie rotujúceho nábojaobojehydraulický olej (pre valec rozstupu) a elektrické signály (pre riadenie a spätnú väzbu). Komponentom, ktorý to robí, je hybridný zberný krúžok – rotačná spojka, niekedy nazývaná elektro-hydraulická spojka.

Nie sú zameniteľné s-iba elektrickými rozstupovými prstencami. Musia utesniť tlakový olej pri rotácii, elektricky izolovať signálne kanály od dráhy tekutiny a prežiť tepelné cykly bez únikov.Hybridné zostavy zberných krúžkovsú zvyčajne skonštruované pre konkrétny model turbíny a nie sú predávané z regálu. Moog publikuje podrobný referenčný materiál o kombinovaných elektrických-hydraulických rotačných riešeniach pre vietor, ktorý sa oplatí prečítať, ak špecifikujete hybridnú náhradu (pozriRotačné riešenia veternej energie Moog).
 

Tabuľka porovnávania klzných krúžkov veternej turbíny

Skutočné špecifikácie sa líšia v závislosti od výrobcu OEM, triedy veľkosti turbíny a podmienok na mieste. Turbína na pevnine s výkonom 1,5 MW a plošina na mori s výkonom 12 MW môžu používať zberné krúžky, ktoré vyzerajú navonok podobne, a napriek tomu nemajú nič spoločné, pokiaľ ide o materiál kefy, tesnenie a ukončenie káblov.

Elektrická rozteč vs. Hydraulická rozteč: Ako sa mení klzný krúžok

Architektúra systému rozstupov je jediným najväčším faktorom pri výbere krúžku rozstupu. K mnohým neúspešným výmenám dochádza preto, že niekto porovnal súčiastku podľa rozmeru a počtu obvodov bez toho, aby skontroloval, aký druh pohonu rozbočovača používa náboj.

Elektrické pitch systémy

Elektrické rozbehové turbíny majú na každej lopatke elektromotor, pohon a záložnú batériu. Klzný krúžok sklonu musí prenášať výkon motora (často 400–690 V AC alebo DC zbernica), riadiacu komunikáciu a spätnú väzbu. Hlavnými rizikami sú tu EMC prepojenie medzi elektrickými vedeniami motora a signálmi CAN/Ethernet a tepelný nárast v napájacích kanáloch pri neustálom nakláňaní počas prudkého počasia. Správna segregácia napájacích a signálových ciest vo vnútri zberného krúžku je dôležitejšia ako celkový počet obvodov.

Hydraulické nábehové systémy

Hydraulické náklonové turbíny smerujú hydraulickú energiu cez rotačnú prípojku a využívajú zberný krúžok predovšetkým na riadiace signály, spätnú väzbu snímača a snímače polohy náklonu. Hydraulické a elektrické dráhy môžu byť v dvoch samostatných komponentoch alebo v jednej kombinovanej hybridnej jednotke. O integračnej otázke - kombinovaná vs. samostatná - zvyčajne rozhoduje výrobca OEM turbíny a nie je to voľba v teréne.

Praktické pravidlo: najprv vyberte architektúru rozstupov, potom skontrolujte rozmery a potom skontrolujte počet obvodov. V opačnom poradí tímy skončia s dokonale padnúcou časťou, ktorá nemôže komunikovať.
 

Ako určiť klzný krúžok veternej turbíny

Zberný krúžok veternej turbíny musí súčasne spĺňať elektrické, mechanické, environmentálne a prevádzkové požiadavky. Proces výberu nižšie funguje pre štandardné náhrady aj pre vlastné návrhy.

Elektrické zaťaženie a počet obvodov

Výber by mal začať zoznamom obvodov: koľko výkonových obvodov, pri akom napätí a prúde, plus koľko signálových a dátových obvodov. Malý krúžok otáčania môže potrebovať iba 3 napájacie obvody pri 250 V AC. Moderný pomocný-rozsahový prstenec môže potrebovať 12 až 60+ obvodov s kombináciou napájania motora, 24 V ovládania, 230 V pomocného zdroja, zbernice CAN a Ethernetu -, všetko v jednej zostave. Napájacie a signálové obvody by mali byť fyzicky oddelené v rámci zväzku kruhov, aby sa obmedzili presluchy.

Typ signálu a protokol

Moderné veterné turbíny prevádzkujú niekoľko digitálnych protokolov cez rovnaký zberný krúžok. Regulátory výšky tónu zvyčajne používajú zbernicu CAN alebo PROFIBUS; monitorovanie stavu čoraz viac využíva Ethernet. Pre signály s veľkou-šírkou pásma nemusí stačiť samotný kontakt štetca-a{4}}zvonenia - aGigabit Ethernet zberný krúžokpoužíva riadenú impedanciu a tienené kontaktné páry na udržanie integrity signálu pri rýchlosti 1 Gbps. Pred dokončením zásobníka kontaktov dodávateľom špecifikujte protokol, rýchlosť prenosu dát a či je potrebné tienenie.

Rýchlosť, kontaktný materiál a opotrebovanie

Pohyb otáčania je prerušovaný a pomalý - niekedy len niekoľko stupňov za minútu. Pohyb výšky tónu je častejší, ale stále mierny. Otáčanie na strane generátora-je nepretržité a rýchle. Čím rýchlejšie a plynulejšie je otáčanie, tým viac materiálu kefy, prítlaku a povrchovej úpravy prstenca dominuje dizajnu. Strieborné-grafitové kefy sú bežné pre stredne{7}}aktuálne aplikácie; zlaté-na-zlaté kontakty sa používajú na signály nízkej{10}}úrovne, kde šum prechodového odporu musí zostať pod hranicou niekoľkých miliohmov.

Ochrana životného prostredia

Čestne potvrďte prevádzkové prostredie. Klzný krúžok vo vnútri utesnenej gondoly pobrežnej turbíny v miernom podnebí je odlišná špecifikácia od krúžku vo vnútri náboja pobrežnej turbíny vystavenej soľnej hmle, kondenzácii a studenému štartu –30 stupňov. Pozrite saVýber hodnotenia IPoproti reálnemu najhoršiemu prípadu, nie priemernému prípadu. Pri použití na mori sú kryty -chránené proti korózii a PCB s konformným{2}}poťahom zvyčajne povinné a nie voliteľné.

Montážny obal a postroj

Pri výmene sa zberný krúžok musí priskrutkovať do existujúcej príruby, prijať existujúce ukončenia káblových zväzkov a vyčistiť existujúcu konštrukciu. OEM nákresy, fotografie chybnej jednotky a pôvodná schéma zapojenia ušetria týždne-a{2}}dodávateľov.

Prístup údržby

Kontrolné okienka kefy, vypúšťacie zátky a konektory snímačov sú dôležitejšie na turbíne, ktorú musíte opraviť. Náklady na O&M na mori sú dostatočne vysoké na to, aby sa návrhy umožňujúce výmenu kefy bez odstránenia kompletnej zostavy klzného krúžku vyplatili už pri prvej údržbe.

Čo spôsobuje poruchu klzného krúžku veternej turbíny?

Väčšina porúch klzných krúžkov veterných turbín spadá do štyroch kategórií. Včasné rozpoznanie vzoru je to, čo oddeľuje plánovanú výmenu kefy od neplánovaného výstupu na vežu.

Opotrebenie kefy a hromadenie nečistôt.Normálne v akomkoľvek kontaktnom-krúžku. Stane sa chybou, keď nečistoty premostia susedné krúžky alebo znehodnotia kontakty signálu. Príznaky: stúpajúci prechodový odpor, občasné chyby CAN, viditeľný čierny prach okolo zväzku krúžkov.

Vniknutie vlhkosti a korózia.Bežné v pobrežných turbínach a v gondolách, kde počas zimných odstávok zlyhá kúrenie. Symptómy: zelená oxidácia na medených krúžkoch, zemné poruchy, náhle poklesy izolačného odporu.

Nesúososť-spôsobená vibráciami.Rezonancia hnacieho ústrojenstva a výkyv veže postupne uvoľňujú upevňovacie skrutky a zarovnanie ložísk radenia. Príznaky: nerovnomerné opotrebovanie kefy, jeden krúžok opakovane zlyháva, zatiaľ čo ostatné zostávajú čisté.

EMC a poruchy uzemnenia.Zlyhania komunikácie výšky tónu často nevedú k samotným kontaktom zberného krúžku, ale k ukončeniu tienenia, stratégii uzemnenia alebo blízkosti káblov rozstupu motora k signálnym káblom vo vnútri rotujúceho zväzku.

Štandardná náhrada verzus vlastný klzný krúžok

Pre väčšinu veterných elektrární je tou správnou cestou-štandardná náhrada OEM. Model turbíny je známy, história dielu je zdokumentovaná, náhradný diel je na polici a tím údržby ho môže vymeniť v plánovanom servisnom okne.

A vlastný zberný krúžok veternej turbínyje správna cesta, keď:

• Pôvodný diel je zastaraný a OEM ho už nepodporuje
• Systém rozstupu bol dodatočne vybavený (napr. pridané snímače zaťaženia lopatiek, vylepšené monitorovanie stavu)
• Opakované zlyhania dizajnu OEM naznačujú, že bol poddimenzovaný pre skutočné podmienky na mieste
• Potrebujete spojiť elektrický zberný krúžok a samostatnú otočnú spojku do jednej hybridnej zostavy
• Potrebujete vyššie hodnotenie IP, lepšiu ochranu proti korózii alebo nízku{0}}teplotu pre použitie na mori alebo v chladnom{1}}klime

Či tak alebo onak, dodávateľ potrebuje vopred rovnaké informácie: model turbíny a sériové číslo, pôvodný výkres alebo fotografie zberného krúžku, úplný zoznam obvodov s napätiami a prúdmi, komunikačné protokoly, otáčky za minútu, montážne rozhranie, podmienky prostredia a -, ak je k dispozícii, - históriu porúch vymieňanej jednotky. Odoslanie tohto raz na začiatku zvyčajne ušetrí dve až tri kolá objasňovania.

FAQ: Klzné krúžky veternej turbíny

Používajú všetky veterné turbíny zberné krúžky?

Nie. Malé veterné turbíny často používajú otočný krúžok, pretože generátor je v otočnej hlave. Väčšina úžitkových-turbín využíva pre otáčajúci sa náboj nábehový krúžok/náboj, ale vychýlenie zvláda pomocou káblových slučiek a sekvencie automatického odkrúcania-kábla namiesto vychýlenia. Turbíny založené na DFIG-majú tiež zberné krúžky generátora; turbíny s permanentným magnetom-s priamym pohonom nie.

Čo robí klzný krúžok vo veternej turbíne?

Prenáša elektrickú energiu, riadiace signály alebo dáta cez rotačné rozhranie - najčastejšie medzi stacionárnou gondolou a rotačným rozbočovačom na ovládanie sklonu alebo v generátore pre prúd rotora - bez krútenia káblov.

Aký je rozdiel medzi zberným krúžkom a rotačným spojom vo veternej turbíne?

Klzný krúžok prenáša elektrickú energiu a signály cez rotáciu. Otočná spojka prenáša kvapaliny - typicky hydraulický olej pre pohony sklonu - naprieč rotáciou. Hydraulické-turbíny často používajú hybridnú zostavu, ktorá spája obe v jednej jednotke.

Čo spôsobuje poruchu klzného krúžku veternej turbíny?

Najbežnejšími príčinami sú opotrebovanie kefy a hromadenie nečistôt, prenikanie vlhkosti alebo soľnej hmly, nesprávne zarovnanie spôsobené vibráciami a EMC alebo problémy s uzemnením, ktoré narúšajú komunikáciu.

Ako dlho vydržia zberné krúžky veternej turbíny?

Životnosť závisí od profilu rotácie, materiálu kefy a prostredia. Klzné krúžky sklonu v pobrežných turbínach často bežia 5 až 10 rokov medzi hlavnými kefovými službami. Klzné krúžky generátora v strojoch DFIG majú zvyčajne kratšie intervaly výmeny kief, ktoré sa často plánujú spolu s plánovanou údržbou prevodovky alebo generátora. Dokumentácia výrobcu a servisná história na konkrétnom mieste sú spoľahlivejšie ako akékoľvek jedno číslo.

Je možné vymeniť klzný krúžok za štandardný klzný krúžok?

Iba ak sa štandardná jednotka zhoduje s architektúrou systému rozstupu, elektrickými špecifikáciami, komunikačnými protokolmi, hodnotením IP a montážnym rozhraním originálu. Diel, ktorý mechanicky pasuje, ale zle manipuluje s tienením signálu, spôsobí občasné chyby výšky tónu, ktoré sa ťažko diagnostikujú. Ak máte pochybnosti, špecifikujte vlastný nábehový krúžok navrhnutý pre daný model turbíny.

Dajú sa klzné krúžky veternej turbíny prispôsobiť?

áno. Prispôsobenie je bežné pre zastarané náhrady OEM, dodatočne namontované systémy rozstupov, varianty pre pobrežné a studené{1}}klima a hybridné elektrické-hydraulické zostavy. Dodávateľ potrebuje kompletný balík špecifikácií - výkresy, zoznam obvodov, podmienky prostredia a históriu porúch -, aby vytvoril užitočný dizajn.

Zhrnutie

Zberné krúžky veterných turbín prenášajú energiu, komunikáciu a - v niektorých prevedeniach - hydraulické médiá cez rotačné rozhrania stroja. Pravý zberný krúžok nie je ten, ktorý pasuje do otvoru; je to ten, ktorý zodpovedá architektúre stúpania, elektrickej záťaži, signálnym protokolom, prostrediu a plánu údržby konkrétnej turbíny. Pri výmene si pred objednaním dôkladne zdokumentujte pôvodnú jednotku. Pri vlastnej práci zdieľajte vzor zlyhania, ako aj špecifikáciu -, často je to história zlyhania, ktorá poukazuje na to, čo je potrebné zmeniť v novom dizajne.