Pierścienie ślizgowe turbin wiatrowych są małe w porównaniu z łopatami lub skrzyniami biegów, ale pojedynczy zły styk może zatrzymać maszynę o wielu-megawatach. Ich zadaniem jest przesyłanie mocy, sygnałów sterujących i danych przez obrotowe interfejsy wewnątrz piasty, generatora, a czasami zespołu odchylenia. Kiedy transfer staje się niestabilny, konsekwencje zwykle objawiają się awariami skoku, przerywanymi danymi z czujników lub niezaplanowanymi-wizytami serwisowymi na wieży -, a w lokalizacjach na morzu pojedyncza wymiana może kosztować więcej niż sam pierścień ślizgowy.
Ten przewodnik został napisany dla inżynierów, zarządzających aktywami i zespołów zakupowych, które muszą dokonać wyborupierścienie ślizgowe turbin wiatrowychw przypadku nowych konstrukcji, modernizacji lub wymian. Omawia miejsce osadzenia pierścieni ślizgowych w turbinie, przyczyny ich awarii, co należy określić i jak porównywać technologie styków, nie wpadając w typowe pułapki selekcji.
Do czego służą pierścienie ślizgowe turbin wiatrowych
Pierścień ślizgowy to interfejs elektromechaniczny, który umożliwia przejście obwodów elektrycznych i sygnałowych z ramy nieruchomej do ramy obrotowej. Wewnątrz nowoczesnej-turbiny użyteczności publicznej zazwyczaj znajdują się pierścienie ślizgowe, które przenoszą jednocześnie trzy rodzaje ruchu:
- Moc silnika skokowego do regulacji kąta ostrza
- Sygnały sterujące i sprzężenia zwrotnego pomiędzy systemem pitch a głównym sterownikiem
- Dane z czujników, takie jak naprężenie ostrza, temperatura, wibracje i wykrywanie lodu
Kontrola wysokości dźwięku to z trzech{0}najbardziej krytycznych dla bezpieczeństwa kanałów.Seria IEC 61400Normy dotyczące turbin wiatrowych wymagają, aby układy pochylenia były w stanie wtapiać się w łopaty nawet w przypadku awarii, co oznacza, że pierścień ślizgowy musi wytrzymać wibracje, wahania temperatury, kondensację i miliony obrotów w ciągu projektowego 20-letniego okresu użytkowania. Element o wartości 200 euro znajdujący się w węźle może zatem zdecydować, czy turbina o mocy 5 MW będzie produkować, czy też pozostanie bezczynna i czeka na dźwig.
Gdzie pierścienie ślizgowe znajdują się w turbinie wiatrowej
Logika wyboru jest inna dla każdej lokalizacji. Mieszanie ich -, na przykład określenie ogólnego projektu koncentratora dla obwodu wzbudzenia generatora - jest jednym z bardziej kosztownych błędów w tej kategorii.
Pierścienie ślizgowe piasty (system podziałki)
Pierścienie ślizgowe piasty są zamontowane na wale głównym i obracają się wraz z wirnikiem. Przenoszą moc silnika pochylenia (często 400–690 V napięcia szyny AC lub DC), sygnały sterujące pochyleniem (CANopen, Profibus lub zastrzeżone protokoły) i rosnącą liczbę kanałów czujników łopatek. Pierścienie ślizgowe piasty mają zwykle duże-średnice, ponieważ przechodzi przez nie wał wirnika i muszą wytrzymać widma wibracji, które są trudniejsze niż większość sprzętu fabrycznego.
Pierścienie ślizgowe generatora (maszyny DFIG)
Generatory indukcyjne-z podwójnym zasilaniem (DFIG), wciąż powszechne we flotach lądowych, wykorzystują pierścienie ślizgowe na wirniku do podawania prądu wzbudzenia prądu przemiennego do uzwojeń wirnika. Obejmują one wysoki prąd (zwykle kilkaset amperów), wyższe prędkości obrotowe i znaczne wytwarzanie pyłu węglowego. Gatunek szczotki, wykończenie powierzchni pierścienia, nacisk sprężyny i wentylacja gondoli mają bezpośredni wpływ na żywotność. Turbiny-z magnesami trwałymi z napędem bezpośrednim-w ogóle nie potrzebują tego pierścienia ślizgowego, - to jeden z powodów, dla których platformy morskie przeszły w stronę napędu-bezpośredniego.
Pierścienie ślizgowe odchylenia
Większość dużych turbin wykorzystuje pętlę kablową i procedurę odkręcania zamiast pierścienia ślizgowego odchylenia, ale mniejsze turbiny (zwykle poniżej ~ 500 kW) czasami używają pierścienia ślizgowego odchylenia kątowego na szczycie wieży, aby umożliwić ciągły obrót. Są one narażone na niższe prędkości, ale są bardziej narażone na warunki środowiskowe i wąską przestrzeń montażową.
Piasta vs Generator vs Yaw
| Parametr | Piasta (skok) | Generator (DFIG) | Odchylenie (małe turbiny) |
|---|---|---|---|
| Typowa prędkość | Do ~20 obr./min | 900–2 000 obr./min | <1 rpm |
| Typowy prąd na pierścień | 10–63 A moc plus sygnał | 200–1,500 A | 5–30 A |
| Klasa napięcia | 400–690 V plus sygnał-niskiego napięcia | 690 V (strona wirnika) | 230–400 V |
| Dominujący stres | Wibracje, kondensacja, szum sygnału | Zużycie szczotek, kurz, ciepło | Ekspozycja na warunki atmosferyczne, mgła solna |
| Typowe kanały | 20–60 (mieszana moc/sygnał) | 3 zasilanie + uziemienie | 4–24 |
| Wytyczne dotyczące okresów międzyobsługowych | Kontrola 12–24 miesięcy | Kontrola szczotek 3–12 miesięcy | 12 miesięcy |
Powyższe wartości są typowymi zakresami z arkuszy danych producenta i instrukcji serwisowych OEM; rzeczywiste dane dotyczące Twojej maszyny powinny zawsze pochodzić z dokumentacji turbiny i raportów z testów dostawcy pierścieni ślizgowych.
Jak pierścienie ślizgowe turbin wiatrowych w rzeczywistości ulegają awarii
„Awaria pierścienia ślizgowego” to niejasna kategoria. W terenie problemy prawie zawsze wynikają z jednego z poniższych mechanizmów -, a każdy z nich wskazuje na inny projekt lub poprawkę konserwacyjną.
- Zużycie szczotek i gromadzenie się kurzu.Szczotki węglowe i metalowe-grafitowe wytwarzają w miarę zużywania się przewodzący pył. Bez wentylacji kurz gromadzi się na stosie pierścieni i tworzy ścieżki upływu pomiędzy sąsiednimi pierścieniami, co objawia się spadkiem rezystancji izolacji poniżej 100 MΩ lub uciążliwymi-zwarciami doziemnymi.Wzory zużycia pędzlisą zwykle pierwszym objawem, który zauważa technik inspekcji.
- Wzrost rezystancji styku.Utlenianie, zanieczyszczenie lub utrata nacisku sprężyny zwiększa rezystancję styku z miliomów do zakresu omów. W obwodzie mocy podziałowej powoduje to spadek napięcia i nagrzewanie; na linii czujnika o niskim-prądzie podnosi to poziom szumów i może uszkodzić telegramy CAN.
- Kondensacja i korozja.Piasty to środowiska wilgotne, - ciepłe maszyny, zimna stal, otaczające powietrze. Wżery na powierzchniach pierścieni pojawiają się szybko, szczególnie w obszarach przybrzeżnych i morskich, gdzie występuje aerozol solny. Dla platform offshore, dedykowanymierniki niezawodności na morzusą zwykle zapisane w specyfikacji.
- Wibracje-zużycie kabli i złączy.Sam pierścień ślizgowy może być w porządku, ale kable typu pigtail, elementy odciążające lub złącza ulegają zmęczeniu w punkcie wejścia. Jest to częstsze zjawisko niż awaria torów-pierścieniowych w przypadku młodszych flot.
- Degradacja smaru.W niektórych konstrukcjach stosuje się smar kontaktowy lub inhibitor utleniania. Z biegiem czasu polimeryzuje lub wysycha, zwłaszcza powyżej 60 stopni temperatury gondoli, i zmienia się zachowanie styku.
- Awaria izolacji.Śledzenie przez zanieczyszczone izolatory może spowodować przeskok, szczególnie w przypadku autobusów o wyższym-napięciu. To ciężka porażka, a nie krzywa degradacji.
Większość z tych mechanizmów ma charakter stopniowy i większość można wykryć podczas zaplanowanej kontroli -, ale tylko wtedy, gdy podczas procedury kontroli faktycznie zmierzona zostanie rezystancja styku, rezystancja izolacji i długość szczotki, a nie tylko „zaglądanie do wnętrza piasty”.
Określanie wymagań elektrycznych
Przed skontaktowaniem się z dostawcami napisz kopertę elektryczną na papierze. Dostawcy i tak będą o to prosić, a zapytanie-o-wycenę (RFQ) przebiega szybciej, jeśli odpowiedzi zostaną ustalone z wyprzedzeniem.
- Prąd na obwód, zarówno ciągły, jak i szczytowy (prąd utyku silnika skokowego może wynosić 3–6 × nominalny).
- Klasa napięciai czy obwód jest prądem przemiennym, czy stałym. W przypadku sieci 690 V należy sprawdzić, czy obowiązuje kategoria przepięciowa III czy IV IEC 60664.
- Liczba obwodów mocyprzeciwliczba obwodów sygnałowych/danych, trzymane oddzielnie.
- Protokoły sygnałowe- CANopen, Profibus DP, EtherCAT, Profinet, Ethernet 100/1000 Mbit lub analogowe linie czujników. Każdy protokół ma inną tolerancję na szum.
- Budżet hałasu elektrycznegodla kanałów czujnika. Enkodery wysokości tonu i tensometry-z pinami obciążenia zazwyczaj wymagają czystości na poziomie miliwoltów-;kontrola hałasu kontaktowegow pierścieniu ślizgowym jest częścią realizacji tego budżetu.
- Wymagania izolacyjne i dielektryczne- zazwyczaj większa lub równa 1000 MΩ przy 500 V DC dla obwodów mocy, plus test wytrzymałości-na częstotliwości zasilania.
- Uziemienie. Wiele projektów obejmuje oddzielny pierścień uziemiający lub szczotkę; w przypadku witryn-narażonych na wyładowania atmosferyczne nie podlega-negocjacjom.
Wybór technologii kontaktowej
Żadna technologia pojedynczego styku nie jest najlepsza dla każdego zastosowania turbiny wiatrowej. Właściwą odpowiedzią jest zazwyczaj hybryda, która wykorzystuje różne technologie sekcji zasilania i sygnału tego samego zestawu.
Pędzle węglowe i metalowe-grafitowe
Szczotki węglowe i srebrno-grafitowe są głównymi narzędziami w-wysokoprądowych zastosowaniach - pierścieniach wzbudzenia generatorów i szynach mocy skoku. Tolerują wysokie prądy, przyjmują pewne zanieczyszczenia i są niedrogie w wymianie. Kompromisem jest-generowanie kurzu, słyszalny hałas oraz konieczność okresowej kontroli długości szczotek i nacisku sprężyny. Theklasa pędzla(węgiel związany żywicą-, elektrografit, grafit-metalu, grafit miedzi-) powinien odpowiadać gęstości prądu i materiałowi pierścienia.
Najlepiej nadaje się do: mocy silnika skokowego, wzbudzenia generatora, uziemienia. Uważaj na: gromadzenie się kurzu na pobliskich pierścieniach sygnałowych, dryft nacisku sprężyny, kurz na optyce enkodera, jeśli jest zamontowany blisko.
Styki szczotki z włókna (wiel-włókna).
Projekty szczotek z włókna wykorzystują wiązki cienkich drutów ze złota-lub stopów złota osadzonych na pierścieniu z-szlachetnego metalu. Dzięki wielu równoległym punktom styku i bardzo małej sile styku na włókno, nie wytwarzają prawie żadnych zanieczyszczeń i mają bardzo niski poziom hałasu podczas styku. Stanowią one dominujący wybór w przypadku czujników i kanałów danych w nowoczesnych pierścieniach ślizgowych piast.
Najlepiej nadaje się do: linii danych CAN/Profibus/Ethernet, sygnałów czujników łopatek, sterowania niskim-prądem. Uważaj na: ograniczony prąd na wiązkę żarników (zazwyczaj<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.
Styki z monofilamentu i szlachetnego-metalowego drutu
Styki z monofilamentowego-metalu szlachetnego (pojedynczy drut ze złota lub-stopu złota na pierścieniu z-metalu szlachetnego) znajdują się pomiędzy szczotkami z włókna a tradycyjnymi szczotkami. Są powszechne w kompaktachniestandardowy pierścień ślizgowyzespoły, w których jest mało miejsca.
Najlepiej nadaje się do: obwodów sygnałowych-o niskim prądzie, zespołów hybrydowych. Należy zwrócić uwagę na: zużycie powłoki po bardzo wysokich obrotach oraz fakt, że „pozłacanie-” nie jest automatycznie lepsze. - cienkie złoto na miękkim podłożu może zużywać się szybciej niż odpowiednio dobrany srebrny-grafitowy pędzel.
Projekty hybrydowe
W typowym pierścieniu ślizgowym piasty dolny stos przenosi moc silnika skokowego na szczotkach węglowych lub metalowych-grafitowych, środkowy stos obsługuje ruch-autobusów terenowych na szczotkach światłowodowych, a górny stos obsługuje linie czujników niskiego-prądu na złotych--złotych stykach. Uziemienie odbywa się na własnym, dedykowanym pierścieniu z redundantnymi szczotkami. Dzięki tej separacji pojedynczy zespół może jednocześnie spełniać sprzeczne wymagania (wysoki prąd + niski poziom hałasu).
Specyfikacja środowiskowa: nie zatrzymuj się na „klasie przemysłowej”
„Klasa przemysłowa” nie mówi nic przydatnego. Poniższe liczby mają znaczenie w arkuszu specyfikacji turbiny wiatrowej.
- Ochrona przed wnikaniem.Wnętrza koncentratorów mają zazwyczaj stopień ochrony IP54; Gondole offshore i odsłonięte pierścienie ślizgowe odchylenia zwykle wymagają stopnia ochrony IP65 lub wyższego. WidziećInterpretacja oceny IPza to, co faktycznie gwarantują cyfry.
- Temperatura robocza.Rozsądną wartością domyślną jest –40 stopni do +70 stopnia w przypadku miejsc o klimacie północnym-na lądzie, –20 stopni do +60 stopnia w przypadku miejsc o klimacie umiarkowanym, a kondensacja-kontrolowana w przypadku obszarów morskich. Warianty przeznaczone do-zimnego klimatu wymagają sprawdzenia smaru w niskiej temperaturze.
- Wilgotność.Typowe minimum to 95% wilgotności względnej bez-kondensacji; w miejscach o regularnej kondensacji może być wymagane wewnętrzne ogrzewanie.
- Odporność na-mgłę solną.Turbiny morskie i przybrzeżne powinny spełniać wymogi norm IEC 60068-2-52 lub ISO 9227 dotyczących testów w komorze solnej części metalowych i złączy.
- Wibracja.Wspólnymi punktami odniesienia są profile sinusoidalne i losowe 2-64 IEC 60068-2-6; dostawca powinien dostarczyć raporty z testów, a nie oświadczenia marketingowe.
- Błyskawica i fala.Pierścienie ślizgowe Pitch znajdują się na ścieżce, która widzi pośrednie prądy piorunowe. Wytrzymałość na przepięcia należy uzgodnić z góry.
TheProgram badań nad wiatrem amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnejpublikuje przydatne dane dotyczące-niezawodności w terenie, pokazujące, że wysokość toru i systemy elektryczne nadal należą do podsystemów o większej-awarii-w flotach eksploatacyjnych -, dlatego też te dane dotyczące ochrony środowiska powinny znajdować się w umowie, a nie w ustnym zobowiązaniu.
Wiązania mechaniczne i integracyjne
Projekty modernizacyjne częściej zawodzą pod względem dopasowania mechanicznego niż wydajności elektrycznej. Przed zatwierdzeniem projektu należy potwierdzić:
- Średnica otworu i średnica zewnętrzna w porównaniu z dostępną powłoką w piaście lub gondoli
- Tolerancja wału, bicie i naddatek na koncentryczność
- Kierunek wyjścia kabla (osiowy lub promieniowy) i typ złącza - wiele turbin ma bardzo ograniczony promień zgięcia kabla
- Schemat kołnierza montażowego i kotwienie ramienia reakcyjnego
- Masa i wyważenie zespołów obrotowych
- Dostęp serwisowy - czy technik może dotrzeć do okienka szczotki, gdy turbina znajduje się w położeniu serwisowym?
W praktyce w przypadku wielu projektów modernizacji i ponownego zasilania ograniczenia mechaniczne decydują o projekcie przed ograniczeniami elektrycznymi. Dzieje się tak wtedy, gdy konfigurowalny lub w pełni niestandardowy montaż jest rozsądniejszy niż dopasowanie części katalogowej na siłę.
Co wysłać dostawcy
Czyste zapytanie ofertowe skraca cykl wyceny z tygodni do dni. Do zaprojektowania lub wyboru pierścienia ślizgowego dostawca potrzebuje wszystkich poniższych elementów:
| Kategoria | Wymagane informacje |
|---|---|
| Aplikacja | Wartość znamionowa turbiny, model (jeśli można go ujawnić), lokalizacja (na lądzie/przybrzeżnie/na morzu), nowa konstrukcja a modernizacja |
| Mechaniczny | Otwór, średnica zewnętrzna, długość, interfejs montażowy, prędkość obrotowa (ciągła i szczytowa), wyjście kabla |
| Obwody mocy | Liczba obwodów, napięcie, prąd ciągły i szczytowy, AC/DC, częstotliwość |
| Obwody sygnałowe | Liczba obwodów, protokół (CAN, Profibus, EtherCAT, Ethernet, analogowy), szybkość transmisji danych, wymagania dotyczące ekranowania |
| Uziemienie | Wymagana droga prądu uziemiającego, poziom udaru piorunowego |
| Środowisko | Zakres temperatur, wilgotność, stopień ochrony IP,-mgła solna, jeśli ma to zastosowanie, klasa wibracji |
| Konserwacja | Oczekiwany okres międzyobsługowy, oczekiwana żywotność szczotek, ograniczenia dostępu |
| Dokumentacja | Wymagane raporty z testów (wytrzymałość HV, IR, rezystancja styku, mgła solna, wibracje), certyfikaty, dane MTBF |
Często zadawane pytania
P: Co to jest pierścień ślizgowy turbiny wiatrowej?
Odp.: Jest to zespół elektromechaniczny, który przenosi moc, sygnały sterujące i dane pomiędzy stacjonarną konstrukcją turbiny wiatrowej a częścią obrotową -, najczęściej piastą wirnika (do sterowania skokiem) lub, w maszynach DFIG, uzwojeniami wirnika generatora.
P: Dlaczego pierścienie ślizgowe turbin wiatrowych ulegają awarii?
Odp.: Typowe mechanizmy to zużycie szczotek i gromadzenie się kurzu, wzrost rezystancji styków na skutek zanieczyszczeń lub małej siły sprężyny, korozja spowodowana{{0}kondensacją, zmęczenie okablowania wibracjami i uszkodzenie izolacji. Większość z nich ma charakter stopniowy i jest wykrywalna podczas zaplanowanej kontroli.
P: Jak często należy sprawdzać pierścień ślizgowy turbiny wiatrowej?
Odp.: Rozsądnym rozwiązaniem jest coroczna inspekcja wizualna oraz sprawdzenie rezystancji styków i rezystancji izolacji; Pierścienie szczotek generatora w maszynach DFIG zwykle wymagają kontroli długości szczotek co 3–12 miesięcy, w zależności od obciążenia. Dokładny odstęp czasu powinien być zgodny z instrukcją dostawcy i harmonogramem serwisowym OEM turbiny.
P: Czy pierścienie ślizgowe szczotek z włókna są lepsze niż szczotki węglowe do turbin wiatrowych?
Odp.: W przypadku kanałów sygnału i danych o niskim-prądzie tak, szczotki światłowodowe - nie generują prawie żadnych zanieczyszczeń i mają bardzo niski poziom szumów stykowych. W przypadku-wysokoprądowej mocy skoku lub wzbudzenia generatora, zazwyczaj lepszym wyborem są szczotki węglowe lub metalowe-grafitowe. Nowoczesne pierścienie ślizgowe piasty wykorzystują oba, w oddzielnych sekcjach tego samego zespołu.
P: Czy w turbinie wiatrowej można zastosować standardowy przemysłowy pierścień ślizgowy?
Odp.: Zwykle nie bez modyfikacji. Turbiny powodują wibracje, kondensację, mgłę solną (na morzu), długie okresy międzyobsługowe i mieszany ruch mocy i sygnału, który przekracza ogólne specyfikacje przemysłowe. Zwykle wymagany jest albo konkretny model turbiny-z katalogu, albo zespół dostosowany do indywidualnych potrzeb.
P: Jaką dokumentację powinien dostarczyć dostawca pierścieni ślizgowych turbin wiatrowych?
Odp.: Co najmniej: raport z testu elektrycznego (wytrzymałość wysokiego napięcia, rezystancja izolacji, rezystancja styku), wyniki testów środowiskowych (wibracje, temperatura, mgła solna w przypadku instalacji na morzu), instrukcja konserwacji z określoną procedurą kontroli, lista części zamiennych oraz certyfikaty materiałowe elementów pierścieni i szczotek.
Podsumowanie: Traktuj wybór pierścienia ślizgowego jako decyzję dotyczącą niezawodności
Właściwy pierścień ślizgowy turbiny wiatrowej to taki, który pasuje do powłoki elektrycznej turbiny, jest odporny na warunki otoczenia, pasuje do dostępnej przestrzeni mechanicznej i zapewnia realistyczny plan konserwacji na 20 lat. Większość kosztów związanych z popełnieniem tego błędu nie jest płacona przy zakupie, ale podczas pierwszej nieplanowanej-wizyty w wieży.
Przed rozmową z dostawcami zdefiniuj wymagania elektryczne, środowiskowe i mechaniczne. Proś o raporty z testów, a nie o slogany. Oddzielne technologie styków zasilania i sygnału, wszędzie tam, gdzie pozwala na to montaż. W przypadku obiektów morskich lub przybrzeżnych należy poważniej podchodzić do korozji i uszczelniania niż doboru materiału kontaktowego - sól zwykle wygrywa spory przed szczotką.