فهرست مطالب:
بروزرسانیشده در فروردین 6, 1401
گیربکس توربین بادی:
گیربکس توربین بادی
هدف استفاده از گیربکس انتقال توانهای نسبتاً بزرگ، تغییر دور یا گشتاور، تغییر جهت چرخش و یا تغییر زاویه محور چرخش میباشد. گیربکس ها میتوانند در ازای کاهش دور، گشتاور را افزایش دهند یا در ازای کاهش گشتاور دور را افزایش دهند. در حالت ایده آل حاصلضرب دور در گشتاور در ورودی و خروجی گیربکس ثابت است، اما با توجه به تلفات انرژی در یک دستگاه مکانیکی این حاصلضرب در محور خروجی کمتر خواهد شد. در توربین بادی برای رساندن سرعت چرخش روتور اصلی به سرعت مورد نیاز ژنراتور از گیربکس افزاینده استفاده میشود. گیربکس مورد استفاده از نوع نسبت ثابت است.
انواع چرخدنده هایی که در گیربکسها استفاده میشوند عبارتند از:
- ساده (Spur)
- مارپیچ (Helical)
- مخروطی (Bevel)
- حلزونی (Worm)
در توربین بادی، انتقال توان از روتور اصلی به ژنراتور معمولاً به سه صورت انجام میپذیرد.
1- انتقال توان به صورت مستقیم (Direct drive):
در این روش برای انتقال توان از گیربکس استفاده نمیشود و گشتاور به طور مستقیم از روتور اصلی به ژنراتور وارد میشود. لازم به ذکر است برای تولید برق 50 هرتز، اگر از ژنراتور 4 قطبی (4-pole) استفاده شود، سرعت چرخش ژنراتور باید 1500 دور در دقیقه باشد. همچنین سرعت چرخش ژنراتور 6 قطبی (6-pole)، 1000 دور در دقیقه و سرعت چرخش ژنراتور 8 قطبی (8-pole)، 750 دور در دقیقه باید باشد. به عنوان مثال اگر از ژنراتور 200 قطبی استفاده شود، کافی است سرعت چرخش آن 30 دور در دقیقه باشد. بنابراین به جای استفاده از گیربکس و افزایش دور روتور اصلی، از ژنراتور با قطبهای بیشتر استفاده میشود. برای جا دادن قطبهای بیشتر روی ژنراتور، باید قطر آن را افزایش داد. به عنوان مثال یک مدل توربین 6 مگاواتی که دارای قطر پره 127 متر است، دارای ژنراتور با قطر 12 متر خواهد بود.
از جمله مزایای استفاده از این طرح، کاهش هزینه تعمیر و نگهداری گیربکس و همچنین کاهش لرزشهای ناشی از گیربکس و افزایش راندمان خواهد بود. در شکل زیر یک نمونه از توربین بادی بدون گیربکس را مشاهده میکنید.
این روش از سال 1993 تا کنون در کشورهای مانند آلمان و ژاپن استفاده شده و در توانهای مختلف از 300 کیلووات تا 7500 کیلووات تولید میشود. البته در توربینهای کوچک (معمولاً زیر 3 کیلووات) به دلیل اینکه سرعت چرخش روتور اصلی زیاد است، در اغلب موارد از گیربکس استفاده نمیشود.
به عنوان مثال یک مدل توربین بادی با توان 500 وات که در سرعت باد 8 متر بر ثانیه کار میکند و دارای 3 پره میباشد، با سرعت 400 دور در دقیقه میچرخد و این سرعت چرخش بدون استفاده از گیربکس به ژنراتور منتقل میشود.
2- انتقال توان توسط گیربکس معمولی (Parallel Shaft) :
در این روش توان تولیدی توسط یک گیربکس معمولی به ژنراتور منتقل میشود. چرخدندههایی که در این گیربکس استفاده میشود، میتواند ساده یا مارپیچ باشد. برای افزایش دورهای بالا شاید از دو یا چند مرحله افزایش دور استفاده شود. در مدل Ventis 20-100 از همین نوع گیربکس استفاده شده است. گیربکس توربین بادی Ventis 20-100 دو مرحلهای موازی است. چرخ دنده ها توسط روتور اصلی به آرامی چرخانده میشود و توسط گیربکس دور افزایش یافته و در نهایت به ژنراتور وارد میشود. با توجه به اینکه چرخدندههای مارپیچ (Helical Gear) برای انتقال بارهای سنگین در سرعتهای بالا مناسب هستند و دارای سر و صدای کمتری نیز میباشند، به همین منظور از این نوع چرخدنده در گیربکس توربین استفاده شده است. عملیات سختکاری انجام شده بر روی دندهها باعث عملکرد کارآمد آنها شده است.
حداکثر توانی که منتقل می شود، 130 کیلووات و توان عملکرد 110 کیلووات میباشد دور ورودی حدود 40 تا 61 دور در دقیقه و حداکثر تا 72 دور در دقیقه است. نسبت افزایش دور حدود 1 به 25 میباشد. در شکل زیر نمایی از گیربکس دیده میشود.
جهت ثابت نگه داشتن شفت چرخدنده ها بر روی بدنه اصلی از Bearing استفاده می شود. در این نوع گیربکس از چرخدنده مارپیچ استفاده شده است، بنابراین علاوه بر نیروی شعاعی، یاتاقانها باید نیروی محوری زیادی را نیز تحمل کنند. رولربیرینگهای کروی (Spherical-Roller Bearing) علاوه بر نیروی شعاعی، نیروی محوری را نیز به خوبی تحمل میکنند، بنابراین از این نوع یاتاقان در گیربکس استفاده میشود.
3- انتقال توسط گیربکس سیاره ای (Planetary) :
استفاده از این نوع گیربکس نیز در توربین بادی بسیار رایج است. در این گیربکس از سه نوع چرخدنده استفاده میشود، چرخدنده خورشیدی (Sun gear) که در وسط قرار میگیرد، چرخدنده سیارهای (Planetary gear) و چرخدنده رینگی (Ring gear) که یک چرخدنده داخلی (Internal) میباشد. در شکل زیر نمایی از یک گیربکس سیارهای دیده میشود.
گیربکس این قابلیت را دارد که نسبت دورهای متفاوتی داشته باشد در جدول زیر حالت ها و نسبت دورهای مختلف این نوع گیربکس ارائه شده است.
از جمله مزایای گیربکس سیاره ای عبارت است از:
- تقسیم نیرو روی چرخنده های سیاره ای
- کوچکتر شدن حجم گیربکس
- کاهش لغزش بین دنده های حلقه و سیاره و در نتیجه کاهش فرسایش
- افزایش راندمان نسبت به دیگر گیربکس ها
- نسبت دورهای متفاوت
از جمله قابلیت این نوع گیربکس نسبت دور بالای آن میباشد. به عنوان مثال مدل RA810/25520 با نسبت دور 1 به 2552 می باشد.
در توربینهایی که نسبت دور بالا باشد، به طور معمول برای دو مرحله اول افزایش دور در گیربکس از چرخدنده خورشیدی و برای مرحله خروجی از چرخدنده ساده استفاده میشود. در شکل زیر یک نمونه از این نوع گیربکس مشاهده میشود.
در این نوع گیربکس به منظور کاهش لقی (Backlash)، دقت بیشتر در ساخت چرخدندهها به کار میرود و به همین دلیل هزینه ساخت گیربکسهای سیارهای بیشتر از دیگر گیربکسها میباشد.
طراحی گیربکس:
برای طراحی گیربکس پارامترهای متعددی باید مورد توجه قرار گیرد. دور ورودی و دور خروجی و در نهایت نسبت دور، گشتاور یا توان منتقل شده، دمای کارکرد گیربکس، شرایط محیطی، عمر کارکرد، نحوه اعمال نیروها و شرایط نصب از جمله مواردی است که در طراحی گیربکس استفاده میشود.
گیربکس شامل اجزای مختلفی است که همگی باید طراحی شوند. اولین جزء گیربکس چرخدندهها میباشد که براساس کاربرد و نیروهایی که اعمال میشود، نوع آن انتخاب و طراحی میشود. پس از آن یاتاقانها، آب بندها، کوپلینگها و کلاچ یا ترمز نیز طراحی و یا انتخاب خواهد شد. برای طراحی گیربکس باید تحلیل نیروهای وارد شده به دندههای هر چرخدنده، شفتها و یاتاقانها انجام شود. از جمله موارد مهمی که در طراحی گیربکس باید مد نظر گرفت، اندازه یا حجم گیربکس است که پس از طراحی، باید کلیه اجزاء بهینه شوند.
در گیربکس توربین بادی گشتاور بین صفر تا گشتاور کارکرد تغییر میکند. در صورتی که ترمز بر روی شفت سرعت بالا نصب شود، گشتاورهای بزرگی درزمان کوتاه به گیربکس وارد میشود. همچنین نوسانات ناشی تغییر سرعت باد نیز اثر گذار خواهد بود. در شکل زیر توان خروجی شبیه سازی شده بر حسب زمان برای یک توربین بادی با دو پره و قطر 40 متر نشان داده شده است.
اکثر توربین ها دارای ترمز مکانیکی بر روی شفت سرعت بالای خود هستند. ترمز مکانیکی فقط در مواقع خاموش کردن اضطراری استفاده میشود. در حالت خاموش کردن عادی، ترمز ایرودینامیکی سرعت را کاهش میدهد. شکل زیر گشتاور شفت سرعت پایین را در هنگام خاموش کردن عادی نشان میدهد.
در نمودار فوق، پس از اینکه به هر دلیل ژنراتور از خط خارج شد، ترمز مکانیکی وارد عمل شده و گشتاور آن افزایش مییابد. وقتی که شفت سرعت بالا کامل متوقف شد، گشتاور معکوس شده و در نهایت با نوساناتی که ناشی از اثرات دندهها بر همدیگر است، گشتاور صفر خواهد شد. در کاربردهایی غیر از توربین بادی، گیربکس در یک گشتاور ثابت عمل خواهد کرد ولی در گیربکس توربین بادی باید اثر نیروهای متغیر بر روی طراحی خستگی دندهها بررسی شود. همچنین اثر تغییر نیرو روی طراحی خستگی شفتها و یاتاقانها نیز باید بررسی شود.
منبع اصلی سر و صدای گیربکس ناشی از درگیری دندانهها در یکدیگر است. استفاده از چرخدندههای مارپیچ این سر و صدا را کاهش خواهد داد. همانگونه که گفته شد، در چرخدندههای خورشیدی به خاطر کوچک شدن چرخدندهها، سر و صدا به مراتب کاهش مییابد.
روغن کاری و خنک کاری گیربکس:
هدف سیستم روغن کاری ایجاد یک فیلم روغن روی سطوح دندهها و بیرینگها به منظور کاهش فرسایش میباشد. دو روش برای روغنکاری گیربکس در دسترس است: روغنکاری ریزشی و تحت فشار. در روش اول، چرخدنده سرعت پایین در روغن غوطه ور است و روغن را در هنگام چرخش به سمت کانالهایی که روی پوسته قرار دارد، منتقل کرده و روغن از آنجا به سمت بیرینگها می رود. در روش دوم روغن توسط یک پمپ تحت فشار قرار گرفته و به سمت چرخدندهها و بیرینگها منتقل میشود. مزیت روش اول سادگی و قابلیت اعتماد آن است ولی روش دوم دارای مزایای زیر است:
- روغن تحت فشار به جایی منتقل میشود که مورد نیاز است.
- ذراتی که در روغن معلق بوده و باعث فرسایش میشود توسط فیلتر حذف میشود.
- در سیستم چرخش روغن میتوان یک کولر در بیرون قرار داد و حرارت را از روغن دفع کرد.
در سیستم روغن کاری تحت فشار میتوان از یک سوییچ فشاری و حرارتی بعد از فیلتر استفاده کرد و به این ترتیب از افزایش بیش از حد دما و فشار جلوگیری کرد. انتخاب نوع روغنکاری بستگی به دمای محیط و شرایط محل نصب بستگی دارد. در شرایطی که دمای محیط خیلی پایین باشد و سیستم در حال استراحت، باید از گرمکن برای گرم کردن روغن استفاده شود.
راندمان گیربکس:
راندمان گیربکس بسته به تعداد مراحل تغییر سرعت که به صورت شفت موازی (Parallel shaft) یا سیارهای (Planetary) باشد و همچنین نحوه روغن کاری گیربکس، بین 95 تا 98 درصد متغیر است.
1 دیدگاه
سلام
اقا یه سوال
چگونه توان و میزان قدرت خروجی از گیر بکس خورشیدی سیاره ای را محاسبه کنم؟
کسی از دوستان اگر فرمولی ازش داره ممنون میشم