Środowiskowe Studium Doktoranckie przy Wydz. Mechanicznym Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12,

Transkrypt

1 RAFAŁ GAWARKIEWICZ 1, FILIP WASILCZUK 2, MICHAŁ WASILCZUK 3 1 Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12, gawar@pg.gda.pl 2 Środowiskowe Studium Doktoranckie przy Wydz. Mechanicznym Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12, filip.wasilczuk@imp.gda.pl 3 Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12, mwasilcz@pg.gda.pl UKŁAD PRZENIESIENIA NAPĘDU TURBINY WIATROWEJ Abstract: In a most commonly met design of a wind turbine the power is transmitted from the rotor to the generator through the system composed of the main shaft, friction connection, multiplicating gearbox and a flexible coupling. The driving system comprises almost a complete set of the machine elements being described during machine design lectures and can serve as an interesting illustration of the lectures. 1. Wprowadzenie W ramach pracy badawczej dotyczącej poszukiwania przyczyn częstych awarii łożysk i przekładni autorzy poddali analizie budowę układu napędowego. W typowym układzie napędowym turbiny wiatrowej moc przenoszona jest z wirnika na generator poprzez układ napędowy złożony z wału wirnika, połączenia czop-piasta, przekładni przyspieszającej i sprzęgła podatnego giętnie oraz innych zespołów, których analiza może być interesującą ilustracją wykładów z Podstaw Konstrukcji Maszyn. W niniejszej pracy przedstawione zostaną typowe elementy układów napędowych na przykładzie turbin wiatrowych Fuhrlaender FL MD-77 eksploatowanych na farmie wiatrowej Karścino będącej własnością firmy Energa Wytwarzanie S.A. 2. Układ napędowy turbiny Typowy układ napędowy turbiny wiatrowej przedstawiono na rys. 1 [1]. Moc z wirnika przekazywana jest do generatora (15) za pośrednictwem wału wirnika (4) połączonego za pomocą pośredniego połączenia ciernego czop-piasta z przekładnią przyspieszającą (6), dalej przez podatne giętnie sprzęgło (12) i kompozytową tuleję (nie oznaczoną na rysunku). Przekładnia zwiększa prędkość obrotową w układzie napędowym ponad stukrotnie. Na jej wyjściu (a wejściu do generatora) znajduje się hamulec tarczowy (7). Z punktu widzenia efektywności turbiny istotnym czynnikiem jest charakterystyka generowanej mocy w funkcji prędkości wiatru, przedstawiona na rys. 2 [2]. Wytwarzanie energii elektrycznej jest możliwe, gdy prędkość wiatru przekroczy 4 m/s, natomiast pełną moc turbiny uzyskuje się przy 15 m/s. Powyżej 25 m/s wirnik jest unieruchamiany. Z uwagi na warunki wiatrowe stopień wykorzystania potencjału produkcyjnego turbin wiatrowych w Polsce wynosi 25-40%. Przeanalizowano charakterystyczny dla tego typu turbin przebieg zależności od prędkości obrotowej wirnika (rys. 3 [2]) już niewielkie obniżenie prędkości obrotowej

2 powoduje wyraźny spadek mocy turbiny. Na podstawie charakterystyk wyznaczono wartości momentu obrotowego na wejściu i wyjściu z przekładni (na sprzęgle) oraz na poszczególnych jej stopniach, a następnie wartości sił międzyzębnych, sił obciążających łożyska wałów przekładni, a także wartości sił w cięgnach sprzęgła podatnego oraz w śrubach je mocujących, oraz na sworzniach ustalających korpus przekładni. Rys. 1. Budowa typowej turbiny wiatrowej [1] Rys. 2. Charakterystyka mocy elektrycznej turbiny [2] 3. Połączenie czop-piasta Połączenie wału wirnika z drążonym wałem wolnoobrotowym przekładni realizowane jest za pomocą ciernego pośredniego połączenia czop-piasta (rys. 4). Zastosowano w nim zespół elementów dostępnych w handlu produkcji firmy TOLLOK [3] połączenie o oznaczeniu TLK , lub STUEWE [4] połączenie HSD Katalogowa obciążalność połączenia,

3 przy zakładanym przez producentów współczynniku tarcia 0.15 (powierzchnie suche, bez smaru), jest około 3,5 razy większa od nominalnego momentu jaki musi być przeniesiony, a katalogowe zalecenia przewidują dokręcanie śrub M30 klasy 10.9 momentem 1640 Nm, co wywołuje w nich naprężenia rozciągające o wartości około 750 MPa. Producenci zalecają używanie handlowych środków do smarowania połączeń śrubowych zapewniających uzyskanie współczynnika tarcia wynoszącego 0.1. Z kolei na powierzchniach stożkowych zaleca się użycie środków smarujących z dużą zawartością MoS 2 pozwalających uzyskać współczynnik tarcia o wartości O prawidłowym napięciu montażowym świadczy wyrównanie powierzchni czołowej stożka dociskającego z powierzchnią pierścienia zewnętrznego. Rys. 3. Moc turbiny w funkcji prędkości obrotowej wirnika [2] a) b) Rys. 4. Połączenie pośrednie cierne stożkowe turbiny z wałem przekładni: a) zdjęcie z widokiem śrub napinających, b) fragment rys. z dokumentacji montażowej [2] 4. Przekładnia przyspieszająca Jeden z przekrojów przekładni zastosowanej w układzie napędowym turbiny przedstawiony jest na rys. 5.

4 Rys. 5. Przykładowy przekrój przekładni [2] Schemat kinematyczny przekładni pokazano na rys. 6. W przekładni moment obrotowy z wału wirnika przekazywany jest za pomocą pośredniego połączenia ciernego na wał wolnoobrotowy (stanowiący integralną całość z jarzmem satelit), dalej na satelity (z 6) oraz na nieruchomy zewnętrzny wieniec zębaty (z 7), który stanowi cześć korpusu. Moment z kół obiegowych odbiera koło centralne (z 5), połączone połączeniem wielowypustowym z drążonym wałkiem przekładni, na którym osadzone jest także koło z 4. Dalej moment obrotowy odbiera koło z 3 wałka średnioobrotowego, który przekazuje moc na koło z 2, zazębione z zębnikiem z 1 wałka szybkoobrotowego. Podstawowe dane przekładni zawarto w tabeli 1 [2].

5 1 z 2 z 7 z 3 z 6 R j z 5 z 4 z 6 Rys. 6. Schemat przekładni Tabela 1. Zestawienie podstawowych danych dla poszczególnych kół przekładni [2] koło: z1 z2 z3 z4 z5 z6 z7 liczba zębów [-] przełożenia [ - ] przełożenie całk. [ o ] moc [kw] 1660 prędkość obrotowa [obr/min] 17.3/1800 olej [-] syntetyczny Mobilgear SHC XMP 320 Zazwyczaj w turbinach tego typu przekładnie składają się ze stopnia planetarnego (o zazębieniu prostym lub skośnych) i dwóch kolejnych stopni (najczęściej z zazębieniem skośnym). Stosowanie stopni planetarnych jest uzasadnione ze względu na bardziej zwartą budowę analiza porównawcza wielkości przekładni o podobnym przełożeniu przedstawiona jest na rys. 7 [5]. Rysunek pokazuje korzyści z zastosowania stopni planetarnych. W analizowanej turbinie zastosowano przekładnię o konfiguracji według rys. 7 b, chociaż wielu producentów ma w swojej ofercie przekładnie z dwoma stopniami planetarnymi i jednym o stałych osiach wg rys. 7 c. Korzystne wartości wskaźnika jednostkowej masy w przekładniach planetarnych wynikają z przekazywania mocy przez kilka zazębień dlatego też pożądane jest stosowanie większej liczby kół obiegowych. Możliwości stosowania większej liczby kół obiegowych wynikają z uwarunkowań geometrycznych, a te są zależne od przełożenia danego stopnia przekładni. Na rys. 8 przedstawiono porównanie wielkości przekładni o trzech, czterech i pięciu satelitach. Zastosowanie pięciu kół obiegowych jest

6 możliwe dla przełożeń nieprzekraczających 4, a czterech satelit dla przełożeń od 4 do 6, przy przełożeniu powyżej 6, z uwagi na konieczną wielkość satelity możliwe jest zastosowanie jedynie trzech kół obiegowych [5]. a) b) x5 c) x5 x4 Rys. 7. Porównanie wielkości różnych przekładni 3-stopniowych zapewniających przełożenie rys. na podstawie [5]: a) przekładnia zwykła, b) przekładnia z stopniem planetarnym (5 satelitowym), c) przekładnia z dwoma stopniami planetarnymi (z 5. i 4. satelitami) Rys. 8. Wielkość przekładni w funkcji liczby satelitów [5] Z drugiej strony, powiększanie liczby kół obiegowych wiąże się z koniecznością zapewnienia równomiernego rozkładu obciążenia na te koła. Wśród modyfikacji konstrukcji przekładni do turbin wiatrowych proponuje się m. in. osadzenie kół obiegowych na odkształcalnych osiach w sposób pokazany na rys. 9 a [6]. Interesujący jest fakt, że rozwiązanie takie pokazano już w podręczniku [7] ponad 30 lat temu rys. 9 b.

7 a) b) Rys. 9. Użycie podatnych osi kół obiegowych a) według [6], b) według [7] 5. Łożyskowanie wałów przekładni i wału głównego Awarie przekładni turbin wiatrowych, a w szczególności łożysk wałów szybkoobrotowych są stosunkowo często obserwowane. Mechanizmy uszkodzeń i przyczyny znacznej rozbieżności miedzy trwałością prognozowaną za pomocą zwykłych metod, a trwałością rzeczywistą nie zostały do końca wyjaśnione, chociaż literatura na ten temat jest bardzo bogata, bardziej szczegółowe omówienie zawarto na przykład w [8]. W analizowanej turbinie, podobnie jak w innych podobnych maszynach, najczęściej występują awarie łożysk tocznych szybkoobrotowego wału przekładni, dlatego przeanalizowano prognozowane trwałości łożysk tego wału (rys. 10) na podstawie wyznaczonych reakcji w łożyskach (rys. 11). W obliczeniach trwałości nie uwzględniono wpływu sił hamowania, gdyż hamulec włączany jest sporadycznie i zazwyczaj tylko w stanie zatrzymania turbiny np. przy pracach konserwacyjnych. Wyniki obliczeń trwałości łożysk według zależności standardowo stosowanych w PKM [9, 10], wykazały stosunkowo małą trwałość obliczeniową łożyska walcowego od strony zębnika (oznaczonego U na rys 10) i akceptowalną trwałość obliczeniową poprzecznego łożyska od strony wyjścia z przekładni (oznaczonego D na rys 10). Wyznaczone trwałości nie są jednak zgodne z obserwowaną w praktyce eksploatacji liczbą awarii (rys. 12), co świadczyć może o nietypowych, nieuwzględnianych w metodach obliczeniowych, mechanizmach uszkodzeń. U z 1 D z 2 Rys. 10. Zespół wału szybkoobrotowego przekładni [2] (z oznaczeniem analizowanych łożysk)

8 d Rys. 11. Model do obliczeń obciążeń łożysk wału szybkoobrotowego przekładni [2] Rys. 11. Trwałość i odnotowana liczba awarii łożysk wału szybkoobrotowego przekładni [2] W turbinach analizowanej farmy wiatrowej stosowane są przekładnie dwóch różnych producentów, różniące się między innymi układami łożyskowania wałka pośredniego: pierwszy ze stożkowymi łożyskami po obu stronach (rys. 12 a) i drugi z zespołem łożysk stożkowych po jednej stronie i walcowym po drugiej (rys. 12 b). Inną wartą odnotowania różnicą jest sposób mocowania kół na wałach na rys. 12 a koło osadzone jest z wykorzystaniem połączenia wpustowego, natomiast w wersji przedstawionej na rys. 12 b koło osadzone jest za pomocą walcowego połączenia ciernego. Koło najprawdopodobniej montowane jest z wykorzystaniem oleju pod wysokim ciśnieniem, o czym świadczą widoczne w kole wiercenia.

9 a) b) Rys. 12. Dwa sposoby łożyskowania wałka pośredniego przekładni (opis w tekście) [2] Wał główny od strony wirnika łożyskowany jest na łożysku tocznym baryłkowym dwurzędowym (rys. 13). Podparcie z drugiej strony, od strony przekładni, zapewnione jest w łożyskach wału wejściowego przekładni, z którym wał wirnika po połączeniu stanowi całość. Rys. 13. Łożysko główne turbiny [2] 6. Podatne giętnie sprzęgło ze śrubami Superbolt Zastosowanie sprzęgła podatnego giętnie, i sztywnego skrętnie (rys. 14 a), wynika z potrzeby dopasowania się do przemieszczenia i ugięcia kątowego wału wyjściowego przekładni mocowanej w gondoli za pośrednictwem podatnych tulei i sworzni. Elementy składowe sprzęgła to cięgna o kształcie płaskiej kwadratowej ramki, której dwa przeciwległe wierzchołki mocowane są do piasty tarczy

10 hamulca, a dwa pozostałe do tulei sprzęgła łączącego przekładnię z generatorem - rys. 14 b). Rys. 14. Sprzęgło: a) widok ogólny wraz z tarczą hamulca, b) widok cięgien, c) śruby Superbolt [2] a) b) Rys. 15. Połączenie Superbolt, a) zasada działania, b) rysunek. katalogowy nakrętki specjalnej [11]

11 Interesujący jest także sposób mocowania cięgien do piasty i tulei sprzęgła, zastosowano bowiem specjalne łączniki śrubowe o handlowej nazwie Superbolt (rys. 14 c). Łączniki takie stosuje się w przypadku wysokobciążonych i odpowiedzialnych połączeń śrubowych, zwłaszcza przy większych średnicach. Zasadę działania takiego połączenia ilustruje rysunek 15 a [11]. Napięcie wstępne uzyskuje się poprzez wkręcenie niewielkich śrub (1) umieszczonych w nakrętce śruby Superbolt (2), dzięki czemu nie jest konieczne wywieranie dużego momentu dokręcania, a właściwa śruba podlega jedynie rozciąganiu (5) nie występują naprężenia skręcające śrubę są pomijalnie małe. Precyzyjną ocenę siły napięcia śruby zapewnia pomiar luzu między nakrętką a podkładką (3), oznaczonego literą a na rys. 15 b. Wykonana z odpowiedniego materiału podkładka chroni kołnierz połączenia przed uszkodzeniami w wyniku dużych nacisków wywieranych przez śruby napinające 7. Hamulec Kolejnym typowym elementem składowym układu napędowego, występującym także w układzie napędowym turbiny wiatrowej, jest hamulec tarczowy umieszczony na wyjściu z przekładni na wałku szybkoobrotowym (rys. 15). W tym przypadku, kształcące wydaje się omówienie wpływu dopuszczalnych nacisków na okładzinie hamulcowej i współczynnika tarcia na siłę docisku szczęk hamulcowych, a także wpływu siły hamowania na wartości reakcji w łożyskach. Sposób eksploatacji hamulca jako hamulca awaryjnego i trzymającego podczas prac remontowych powoduje jednak, że wartości reakcji podczas hamowania nie mają wpływu na trwałość łożysk. Rys. 16. Widok hamulca [2] 8. Podatne sworzniowe mocowanie przekładni Przekładnia zamocowana jest do ramy nośnej gondoli za pomocą sworzni osadzonych w jarzmach ramy. Elementami pośredniczącymi w przeniesieniu obciążeń są podatne tuleje gumowe (patrz rys. 17).

12 a) F M F M F Q F Q b) Rys. 17. Podatne mocowanie sworzniowe przekładni, a) widok od czoła przekładni, b) widok z góry jednego ze sworzni mocujących [2] W najgorszym przypadku obciążenia, sworznie pozycjonujące gondolę przenoszą siłę ciężkości przekładni (F Q) oraz siły reakcyjne od momentu na wale wirnika turbiny (F M). Sworznie przenoszą zatem naprężenia gnące i tnące, ale szerszej dyskusji wymagają model podparcia i położenie miejsca podparcia oraz sposób przyłożenia obciążenia. 9. Podsumowanie Przedstawiony w opracowaniu układ napędowy wydaje się autorom pracy wartościowy z punktu widzenia wykładów i ćwiczeń z Podstaw Konstrukcji Maszyn, gdyż zawiera niemal kompletną listę elementów maszyn ujętych w programach kształcenia. Analiza działania tych elementów w oparciu o rzeczywisty współczesny obiekt techniczny może wzbudzać u studentów większe zainteresowanie, z korzyścią efektywności kształcenia. Autorzy dziękują firmie Energa Wytwarzanie S. A. za udostępnienie materiałów i zgodę na publikację.

13 LITERATURA [1] [2] Wasilczuk M. i inni: Analiza przyczyn i skutków powstawania awarii łożysk przekładni typu FL MD-77 Farmy Wiatrowej Karścino. Sprawozdanie z badań dla Energa- Wytwarzanie S.A., Excento - Politechnika Gdańska, Gdańsk 2015 [3] Katalog firmy Tollok, ze strony: [4] Katalog i materiały techniczne firmy Stuewe, ze strony: [5] Charles D. Schultz, PE: The Effect of Gearbox Architecture on Wind Turbine Enclosure Size AGMA Technical Paper, ze strony: [6] Halse C., Keller J.: NREL Next Generation Drivetrain Mechanical Design and Test Plan. American Wind Energy Association (AWEA) Windpower Conference and Exhibition, Las Vegas, Nevada, 2014, ze strony: [7] Muller, L.: Przekładnie obiegowe, PWN, Warszawa 1983 [8] Wasilczuk M., Gawarkiewicz R., Libera M., Wasilczuk F., Kinal G.: Łożyskowanie wałów przekładni turbin wiatrowych problemy eksploatacyjne. Jesienna Szkoła Tribologiczna 2015, zgłoszone do Tribologii [9] SKF General Catalogue - katalog firmy SKF [10]Krzemiński-Freda K.: Łożyska toczne, PWN, Warszawa 1989