Skluzné kroužky větrné turbíny: Typy, porucha a výběr

Sběrné kroužky větrných turbín jsou malé, ale{0}}kritické součásti. Přenášejí energii, řídicí signály a data přes rotační rozhraní uvnitř turbíny - od otočného ložiska na vrcholu věže přes rotační náboj, který pohání lopatky, až po určité konstrukce generátorů. Když je sběrný kroužek správně specifikován, turbína se naklání, zatáčí a komunikuje bez přerušení. Když je poddimenzovaný, špatně utěsněný nebo neodpovídající architektuře hřiště, příznaky se projeví rychle: poruchy komunikace hřiště, občasné chyby zpětné vazby, úlomky kartáčů a neplánované prostoje.

Tato příručka vysvětluje hlavní typysběrací kroužky používané ve větrných turbínách, kde každý sedí ve stroji, jak elektrické a hydraulické systémy náklonu mění požadavky a jaké specifikace by měl tým údržby nebo konstruktér shromáždit před objednáním standardní výměny nebo zakázkové jednotky.

Co je to kluzný kroužek větrné turbíny?

Skluzný kroužek je otočný elektrický konektor. Přenáší energii, řídicí signály nebo data mezi pevnou konstrukcí a rotační konstrukcí, aniž by nutil kabely se kroutit. Ve větrné turbíně se za normálního provozu otáčí několik sestav: gondola se vychyluje, aby sledovala směr větru, náboj se otáčí nepřetržitě s lopatkami a některé topologie generátoru -, zejména dvojitě{3}}napájené indukční generátory (DFIG), široce používané v užitkovém-větru - přivádějí proud rotoru přes kartáče a kroužky.

Úkolem sběracího kroužku je udržet elektrickou kontinuitu prostřednictvím této rotace. V praxi to nahrazuje kabelovou dráhu, která by se jinak během několika hodin sama zhroutila.

Proč ve větrných turbínách záleží na sběracích kroužcích

Větrné turbíny nefungují v čistých laboratořích. Uvnitř gondoly vidí sběrací kroužek vibrace z hnacího ústrojí, kondenzaci během studených-teplých cyklů, jemný prach z opotřebení brzd a vnějšího vnikání vzduchu a - pobřežní - solnou mlhu, která napadá nechráněný kov. Uvnitř náboje nese sběrací kroužek náklonu také bezpečnostní-kritické signály: pokud regulátor náklonu lopatek ztratí komunikaci, turbína musí reagovat, často náklonem k praporu a zastavením.

To je důvod, proč opotřebovaný nebo pod{0}}nespecifikovaný kroužek zřídka selže jako jediná dramatická událost. Selhává jako vzor: stoupající přechodový odpor, občasné chyby sběrnice CAN, postupně častější upozornění na výšku tónu, pak těžká porucha. Inženýři spolehlivosti se starají o sběrací kroužky právě proto, že režim poruchy je pomalý, nákladná na dálkovou diagnostiku a nákladný servis na 90metrové věži nebo 50 km od pobřeží.

Hlavní typy kluzných kroužků větrných turbín

Ne každá turbína používá každý typ a konstrukční tlaky jsou na každém místě velmi odlišné. Čtyři níže uvedené sestavy pokrývají téměř každou aplikaci sběrného kroužku větrné turbíny, se kterou se setkáte.

1. Vysouvací kroužky (většinou malé a distribuované větrné turbíny)

U malých větrných turbín - obytných, mimo{1}}síťových, telekomunikačních-věží, zemědělských - je generátor obvykle umístěn uvnitř otočné hlavy. Celá hlava se otáčí, aby sledovala vítr, a vyrobená energie musí putovat dolů stacionární věží k ovladači a baterii. Skluzný kroužek pro stáčení sedí na tomto rozhraní a nechává hlavu volně otáčet, zatímco dráha kabelu pod ním zůstává pevná.

Dominantními omezeními zde není vysoká rychlost; jsou to prostor, počasí a počet kabelů. Kroužek musí často procházet úzkou svislou hřídelí, přežít roky UV záření a cyklů zmrazování-rozmrazování a vést 2 až 6 napájecích obvodů plus volitelná brzdová nebo senzorová vedení. U aplikací s nízkou rychlostí-vybočení je obvykle důležitější stupeň krytu a odlehčení tahu kabelu více než výkon kartáčů-rychlost-, což je fakt, který často uniká, když se kupující zaměřují pouze na počet okruhů.

Většina užitkových-turbin (třída MW-) anonepoužijte tradiční vychylovací kroužek. Zvládají vybočení pomocí kabelových smyček a počítadla překroucení-kabelu, které po nastaveném počtu otáček spustí automatické odkroucení. Takže když se někdo zeptá: "Používají všechny větrné turbíny sběrací kroužky?" - upřímná odpověď je ne, ne na ose stáčení u velkých turbín.

2. Skluzné kroužky pro ovládání náklonu nebo náklonu (turbíny pro užitkové{1}}měřítko)

Toto je sběrací kroužek, který má většina lidí na mysli, když říkají „skluzný kroužek větrné turbíny“. Je umístěn mezi stacionárním rámem gondoly a otočným nábojem a přenáší energii a komunikaci pro systém sklonu lopatek -, systém, který upravuje úhel náběhu každé lopatky, aby řídil rychlost rotoru a chránil turbínu při silném větru.

Skluzové kroužky pro regulaci sklonu obvykle přenášejí:

• Napájení pro pitch motory nebo pitch záložní baterie (elektrické pitch systémy)
• Sběrnice CAN, PROFIBUS nebo Ethernet pro komunikaci s regulátorem výšky tónu
• Zpětná vazba senzoru z tenzometrů, enkodérů a teplotních sond
• Topný nebo{0}}odmrazovací výkon v chladných-klimatických variantách
• Dráhy ochrany před bleskem v závislosti na designu OEM

U systémů pitch jsou integrita signálu a kompatibilita protokolu obvykle kritičtější než hrubé mechanické přizpůsobení. Pitch ring, který vypadá rozměrově identicky jako OEM díl, ale špatně zachází se stíněním, způsobí občasné chyby CAN, které týmy údržby pronásledují měsíce. Mersen, jeden ze zavedených dodavatelů v tomto segmentu, popisuje své náběhové kroužky jako přenos energie a komunikaci mezi rotačním nábojem a regulátorem turbíny v krytech IP-odolných proti znečištění- -, což poskytuje rozumný základ pro to, jak by měl průmyslový náběhový prstenec vypadat (vizSkluzné kroužky Mersen pro regulaci sklonu).

3. Skluzné kroužky generátoru (DFIG a vinuté-rotory)

Skluzné kroužky generátoru žijí v mnohem tvrdším prostředí než kroužky natáčení nebo rozteč. V indukčním generátoru s dvojitým{1}}napájením vede sběrací kroužek proud rotoru při plných provozních otáčkách - obvykle 1 000 až 2 000 ot./min na hřídeli generátoru za převodovkou. To zcela mění designový problém.

Při těchto rychlostech začnou dominovat věci, na kterých u vychylovacího prstence nezáleželo: materiál kartáče a třída, křivky kontaktního tlaku, soustřednost prstence, odvádění prachu kartáčů a tepelné chování při trvalém zatížení. Opotřebení kartáčů již není poznámka pod čarou údržby; je to limitující faktor pro servisní intervaly.Opotřebení kartáčů, znečištění kontaktů a nápravná opatřeníjsou v oboru dobře{0}}zdokumentovány a většina sběracích kroužků generátoru je navržena pro plánovanou výměnu kartáčů, spíše než aby byla utěsněna-na-životní provoz.

U aplikací generátorů je třeba před mechanickým nasazením zkontrolovat kontaktní materiál a tepelné chování -, což je opak nákupního instinktu, který začíná průměrem otvoru.

4. Hybridní kluzné kroužky / sestavy rotačních spojek (hydraulické roztečné turbíny)

Někteří výrobci OEM turbín používají hydraulické pohony náklonu namísto elektrických. U těchto strojů musí projít rozhraní rotujícího nábojeoběhydraulický olej (pro roztečné válce) a elektrické signály (pro řízení a zpětnou vazbu). Součást, která to dělá, je hybridní sběrací kroužek – rotační spojka, někdy nazývaná elektro-hydraulická spojka.

Ty nejsou zaměnitelné s-pouze elektrickými roztečovými kroužky. Musí utěsnit tlakový olej při rotaci, elektricky izolovat signální kanály od dráhy tekutiny a přežít tepelné cykly bez úniků.Hybridní sestavy sběracích kroužkůjsou obvykle navrženy pro konkrétní model turbíny, spíše než aby se prodávaly z regálu. Moog publikuje podrobný referenční materiál o kombinovaných elektrických-hydraulických rotačních řešeních pro větrnou energii, který stojí za přečtení, pokud specifikujete hybridní náhradu (vizRotační řešení větrné energie Moog).
 

Srovnávací tabulka skluzných kroužků větrných turbín

Skutečné specifikace se liší podle OEM, velikostní třídy turbíny a podmínek na místě. Pobřežní turbína o výkonu 1,5 MW a pobřežní plošina o výkonu 12 MW mohou používat sběrací kroužky, které vypadají povrchně podobně, a přesto nemají nic společného, ​​pokud jde o materiál kartáčů, těsnění a zakončení kabelů.

Elektrická rozteč vs. Hydraulická rozteč: Jak se mění kluzný kroužek

Architektura systému rozteče je jediným největším faktorem při výběru sběrného kroužku rozteče. K mnoha neúspěšným výměnám dochází proto, že někdo porovnal díl podle rozměru a počtu obvodů, aniž by zkontroloval, jaký druh rozteče používá náboj.

Elektrické pitch systémy

Elektrické roztečné turbíny mají na každém listu elektromotor, pohon a záložní baterii. Pitch slipring musí nést napájení motoru pitch (často 400–690 V AC nebo DC sběrnice), řídicí komunikaci a zpětnou vazbu. Hlavními riziky jsou zde EMC vazba mezi elektrickými vedeními motoru a signály CAN/Ethernet a tepelný nárůst v napájecích kanálech při neustálém naklánění během nárazového počasí. Správná segregace silových a signálových cest uvnitř sběracího kroužku je důležitější než celkový počet obvodů.

Hydraulické náklonové systémy

Hydraulické náklonové turbíny vedou hydraulickou energii přes rotační spojku a využívají sběrací kroužek především pro řídicí signály, zpětnou vazbu snímačů a snímače polohy náklonu. Hydraulické a elektrické dráhy mohou být ve dvou samostatných komponentech nebo v jedné kombinované hybridní jednotce. O otázce integrace - kombinovaná vs. samostatná - obvykle rozhoduje výrobce OEM turbíny a není volbou pole.

Praktické pravidlo: nejprve vyberte architekturu rozteče, poté zkontrolujte rozměry a poté zkontrolujte počet obvodů. V opačném pořadí týmy skončí s dokonale padnoucí částí, která nemůže komunikovat.
 

Jak specifikovat kluzný kroužek větrné turbíny

Sběrný kroužek větrné turbíny musí současně splňovat elektrické, mechanické, ekologické a provozní požadavky. Níže uvedený proces výběru funguje jak pro standardní náhrady, tak pro vlastní návrhy.

Elektrická zátěž a počet obvodů

Výběr by měl začít seznamem obvodů: kolik napájecích obvodů, při jakém napětí a proudu, plus kolik signálových a datových obvodů. Malý otočný prstenec může potřebovat pouze 3 napájecí obvody při 250 V AC. Moderní užitkový-roztečový prstenec může potřebovat 12 až 60+ obvodů s kombinací výkonu motoru, 24 V ovládání, 230 V pomocného zdroje, sběrnice CAN a Ethernetu - v jedné sestavě. Napájecí a signálové obvody by měly být fyzicky odděleny v rámci kruhové sady, aby se omezily přeslechy.

Typ signálu a protokol

Moderní větrné turbíny provozují několik digitálních protokolů přes stejný sběrací kroužek. Regulátory výšky tónu obvykle používají sběrnici CAN nebo PROFIBUS; monitorování stavu stále více využívá Ethernet. U signálů s velkou-šířkou pásma nemusí stačit samotný štětec-a-vyzváněcí kontakt - aGigabit Ethernet slip ringpoužívá řízenou impedanci a stíněné kontaktní páry k udržení integrity signálu na 1 Gbps. Než dodavatel dokončí sestavu kontaktů, určete protokol, rychlost přenosu dat a zda je vyžadováno stínění.

Rychlost, kontaktní materiál a opotřebení

Pohyb stáčení je přerušovaný a pomalý - někdy jen několik stupňů za minutu. Pohyb výšky je častější, ale stále mírný. Otáčení na straně generátoru-je plynulé a rychlé. Čím rychlejší a plynulejší rotace, tím více materiálu kartáče, přítlaku a povrchové úpravy prstence dominuje designu. Stříbrné-grafitové štětce jsou běžné pro středně-aktuální aplikace; zlaté-na-zlaté kontakty se používají pro signály nízké{10}}úrovně, kde šum přechodového odporu musí zůstat pod několika miliohmy.

Ochrana životního prostředí

Poctivě potvrďte provozní prostředí. Kluzný kroužek uvnitř utěsněné gondoly pobřežní turbíny v mírném klimatu je odlišná specifikace od kroužku uvnitř náboje pobřežní turbíny vystavené solné mlze, kondenzaci a studenému startu –30 stupňů. Podívat se naVýběr hodnocení IPproti realistickému nejhoršímu případu, nikoli průměrnému případu. Pro použití v pobřežních vodách jsou kryty -chráněné proti korozi a PCB s konformním{2}}potahem obvykle povinné, nikoli volitelné.

Montážní obálka a postroj

Při výměně se sběrací kroužek musí přišroubovat ke stávající přírubě, přijmout stávající zakončení kabeláže a vyčistit stávající konstrukci. Výkresy OEM, fotografie vadné jednotky a původní schéma zapojení ušetří týdny-a{2}}dotazů s dodavatelem.

Přístup k údržbě

Kontrolní okénka kartáčů, vypouštěcí zátky a konektory senzorů – to vše je důležitější u turbíny, kterou musíte opravit. Náklady na O&M na moři za návštěvu jsou dostatečně vysoké na to, aby se konstrukce umožňující výměnu kartáčů bez demontáže celé sestavy sběrného kroužku zaplatily samy při první údržbě.

Co způsobuje selhání kluzného kroužku větrné turbíny?

Většina poruch sběracích kroužků větrných turbín spadá do čtyř kategorií. Včasné rozpoznání vzoru je to, co odděluje plánovanou výměnu kartáčů od neplánovaného výstupu na věž.

Opotřebení kartáče a hromadění nečistot.Normální v jakémkoli kontaktním-kroužku. Stává se poruchou, když úlomky přemosťují sousední kroužky nebo ucpávají kontakty signálu. Příznaky: stoupající přechodový odpor, občasné chyby CAN, viditelný černý prach kolem svazku prstenů.

Pronikání vlhkosti a koroze.Běžné v pobřežních turbínách a v gondolách, kde během zimních odstávek selhává topení. Příznaky: zelená oxidace na měděných kroužcích, zemní spojení, náhlé poklesy izolačního odporu.

Nesouosost-způsobená vibracemi.Rezonance hnacího ústrojí a kývání věže postupně uvolňují montážní šrouby a vyrovnání ložisek řazení. Příznaky: nerovnoměrné opotřebení kartáčku, jeden kroužek opakovaně selhává, zatímco ostatní zůstávají čisté.

Poruchy EMC a uzemnění.Poruchy komunikace Pitch se často netýkají samotných kontaktů sběracích kroužků, ale zakončení stínění, strategie uzemnění nebo blízkosti kabelů rozteče motoru k signálním kabelům uvnitř rotujícího svazku.

Standardní náhradní vs. vlastní kroužek

Pro většinu větrných elektráren je správnou cestou standardní{0}}ekvivalent OEM. Model turbíny je znám, historie dílů je zdokumentována, náhradní je na polici a tým údržby je může vyměnit v plánovaném servisním okně.

A zakázkový kluzný kroužek větrné turbínyje správná cesta, když:

• Původní díl je zastaralý a OEM ho již nepodporuje
• Systém náklonu byl dovybaven (např. přidány snímače zatížení lopatek, vylepšené monitorování stavu)
• Opakované chyby návrhu OEM naznačují, že byl poddimenzován pro skutečné podmínky na místě
• Musíte konsolidovat elektrický sběrný kroužek a samostatnou rotační spojku do jedné hybridní sestavy
• Potřebujete vyšší stupeň krytí IP, lepší ochranu proti korozi nebo nízkou{0}}kvalifikaci pro použití na moři nebo v chladném{1}}klimatu

Ať tak či onak, dodavatel potřebuje předem stejné informace: model turbíny a sériové číslo, originální výkres nebo fotografie sběrného kroužku, úplný seznam obvodů s napětími a proudy, komunikační protokoly, otáčky za minutu, montážní rozhraní, podmínky prostředí a -, pokud je k dispozici, - historie poruch vyměňované jednotky. Odeslání jednou na začátku obvykle ušetří dvě až tři kola objasnění.

FAQ: Skluzné kroužky větrných turbín

Používají všechny větrné turbíny sběrací kroužky?

Ne. Malé větrné turbíny často používají protiskluzový kroužek, protože generátor je v rotační hlavě. Většina užitkových-turbín používá pro rotační náboj náběhový/nábojový kluzný kroužek, ale spíše než kroužek stáčení zvládají vychýlení pomocí kabelových smyček a automatického rozplétání kabelu-. Turbíny založené na DFIG-mají také sběrné kroužky generátoru; turbíny s permanentním magnetem s přímým pohonem-nedělají.

Co dělá sběrací kroužek ve větrné turbíně?

Přenáší elektrickou energii, řídicí signály nebo data přes otočné rozhraní - nejčastěji mezi stacionární gondolou a otočným rozbočovačem pro řízení sklonu nebo v generátoru pro proud rotoru - bez kroucení kabelů.

Jaký je rozdíl mezi sběracím kroužkem a rotačním spojením ve větrné turbíně?

Sběrný kroužek přenáší elektrickou energii a signály napříč rotací. Otočná spojka přenáší kapaliny -, typicky hydraulický olej pro pohony sklonu - napříč rotací. Hydraulické-turbiny často používají hybridní sestavu, která kombinuje obojí v jedné jednotce.

Co způsobuje poruchu sběrného kroužku větrné turbíny?

Nejčastějšími příčinami jsou opotřebení kartáčů a hromadění nečistot, pronikání vlhkosti nebo slané mlhy, vibracemi{0}}způsobené nesouososti a problémy s EMC nebo uzemněním, které narušují komunikaci.

Jak dlouho vydrží sběrné kroužky větrné turbíny?

Životnost závisí na profilu rotace, materiálu kartáče a prostředí. Skluzové kroužky v pobřežních turbínách často běží 5–10 let mezi hlavními kartáčovými službami. Skluzné kroužky generátoru ve strojích DFIG mají obvykle kratší intervaly výměny kartáčů, často plánované spolu s plánovanou údržbou převodovky nebo generátoru. Dokumentace výrobce a servisní historie na konkrétním místě jsou spolehlivější než jakékoli jediné číslo.

Lze vyměnit skluzný kroužek za standardní kroužek?

Pouze pokud standardní jednotka odpovídá architektuře pitch systému, elektrickým specifikacím, komunikačním protokolům, IP hodnocení a montážnímu rozhraní originálu. Část, která mechanicky pasuje, ale špatně zachází se stíněním signálu, způsobí občasné poruchy pitch, které je těžké diagnostikovat. V případě pochybností specifikujte vlastní náběhový kroužek navržený pro daný model turbíny.

Lze kluzné kroužky větrné turbíny přizpůsobit?

Ano. Přizpůsobení je běžné pro zastaralé náhrady OEM, dovybavené náběhové systémy, offshore a studené{1}}klimatické varianty a hybridní elektrické-hydraulické sestavy. K vytvoření užitečného návrhu potřebuje dodavatel kompletní balíček specifikací - výkresů, seznamu obvodů, podmínek prostředí a historie poruch -.

Shrnutí

Sběrné kroužky větrných turbín přenášejí energii, komunikaci a - v některých provedeních - hydraulická média přes rotační rozhraní stroje. Pravý sběrný kroužek není ten, který pasuje do otvoru; je to ten, který odpovídá architektuře stoupání, elektrické zátěži, signálním protokolům, prostředí a plánu údržby konkrétní turbíny. Při výměně původní jednotky před objednáním důkladně zdokumentujte. Pro vlastní práci sdílejte vzor selhání a také specifikaci -, často je to historie selhání, která ukazuje na to, co je třeba v novém designu změnit.