Приводы для ветроэнергетики: главные редукторы, генераторы, тормоза и системы pitch/yaw
Ветроэнергетическая турбина — это многотонный механический комплекс на высоте 80–150 метров, работающий 20+ лет в условиях знакопеременных ударных нагрузок, вибраций ротора, обледенения и солевого тумана (для оффшорных площадок). Стоимость замены главного редуктора или генератора для турбины 5 МВт измеряется миллионами долларов и неделями простоя с привлечением jack-up судна. Поэтому выбор приводных компонентов — главного multiplicator-а с передаточным отношением 100–150, генератора, систем pitch и yaw, тормозов высокоскоростного вала и azimuth — определяет LCOE проекта на весь его срок службы.
Типовые задачи отрасли
- Главный редуктор-multiplicator турбины 1,5–6 МВт с передаточным отношением 100–150 и сервис-фактором ≥ 1,4 по IEC 61400-4
- Система pitch (поворот лопастей) — индивидуальные приводы 5,5–22 кВт на каждую из трёх лопастей для регулирования мощности и аварийного флюгирования
- Система yaw (азимут гондолы) — 4–6 мотор-редукторов 1,5–15 кВт каждый для поворота гондолы по направлению ветра
- Главный генератор — синхронный на постоянных магнитах прямого привода или асинхронный с фазным ротором (DFIG) в гибридной схеме, мощность 1,5–12 МВт
- Тормоз высокоскоростного вала — аварийная остановка ротора с тормозным моментом до 30 000 Н·м и парковочный режим для обслуживания
- Тормоза yaw — удержание гондолы в заданном азимуте после позиционирования (4–8 фрикционных тормозов по периметру опорного подшипника)
- Главный подшипник ротора и кран в гондоле грузоподъёмностью 1–10 т для замены компонентов без демонтажа турбины
- Монтаж оффшорных турбин 8–15 МВт с jack-up платформ — приводы лебёдок крана, ходовые приводы домкратов, гидравлические станции
Редукторы
В ветроэнергетике главный редуктор-multiplicator — самый ответственный механический узел турбины: он повышает 10–20 об/мин ротора до 1500–1800 об/мин генератора с передаточным отношением 100–150 и работает под знакопеременной нагрузкой ветра 20+ лет без капитального ремонта. К этому добавляются мотор-редукторы системы yaw (4–6 шт по периметру опорного подшипника гондолы) и pitch-приводы лопастей. Главный поставщик главных редукторов в портфеле SDS — CGC: более 30 000 ветроредукторов поставлено за всю историю компании, что делает её вторым в мире производителем после CSSC.
Главный редуктор турбины (multiplicator) 1,5–6 МВт
Комбинированный планетарно-цилиндрический редуктор: 1–2 планетарных ступени на входе (большое передаточное и компактность) + 1–2 цилиндрических ступени на выходе (высокая окружная скорость, удобное расположение тормозного диска и муфты к генератору). CGC — флагман направления: серия Wind/CGC WG для турбин 1,5/2,0/2,5/3,0/4,5/6,0 МВт, более 30 000 ветроредукторов в эксплуатации, второй мировой объём после CSSC. Корпус из сферографитного чугуна, шлифованные шевронные шестерни 5-го класса точности, подшипники TIMKEN/SKF, принудительная смазка с фильтрацией 6 мкм и кондиционированием температуры масла.
- — Передаточное отношение 100–150
- — Расчётный срок службы 20 лет (175 200 ч) по IEC 61400-4
- — Сервис-фактор ≥ 1,4 на номинальном моменте
- — Принудительная смазка, маслоохладитель воздушный или водяной
- — Сертификация DNV GL / TÜV / Germanischer Lloyd
Yaw drives — мотор-редукторы азимута
4–6 планетарных мотор-редукторов BONENG серии K/HB или специализированных yaw-приводов размещаются по периметру опорного подшипника гондолы и через шестерни вращают её в направлении ветра со скоростью 0,3–0,5°/с. Работают синхронно по сигналу контроллера турбины от датчика направления ветра. После позиционирования удерживаются yaw-тормозами, мотор-редукторы при этом разгружаются. BONENG — обязательный поставщик yaw-приводов в портфеле SDS, многократно отмечен пользователями в металлургии и промышленности.
- — Мощность каждого привода 1,5–15 кВт
- — Передаточное отношение 1500–2500
- — Самотормозящаяся ступень или встроенный электромагнитный тормоз
- — Класс защиты IP65, исполнение для оффшор — IP66 + антикоррозионное покрытие C5-M
- — Совместимость по фланцу со стандартом yaw-bearing производителя турбины
Pitch drives — приводы поворота лопастей
Индивидуальный планетарный мотор-редуктор на каждую лопасть для поворота её вокруг оси втулки в диапазоне 0–90°. Регулирует выходную мощность турбины при ветре выше номинального и выводит лопасть во флюгерное положение (90°, минимальная нагрузка) при аварии или штормовом ветре. Время аварийного разворота не более 4–6 секунд — критично для безопасности. BONENG поставляет компактные планетарные редукторы для pitch-систем, а INOVANCE — преобразователи частоты управления pitch-приводами с резервным питанием от батарей.
- — Мощность 5,5–22 кВт на каждую лопасть
- — Передаточное отношение 1000–2000
- — Резервное питание от литий-ионной или ультраконденсаторной батареи на 3 цикла флюгирования
- — Время аварийного разворота лопасти из 0° в 90° ≤ 4 с
- — Энкодер абсолютного типа SSI/EnDat для контроля угла
Лебёдки крана в гондоле
Сервисный кран грузоподъёмностью 1–10 тонн встроен в потолок гондолы и используется для подъёма запчастей и инструмента с земли через люк в полу либо для замены отдельных компонентов (генератор, муфта, контроллер) без демонтажа всей гондолы. Привод лебёдки — мотор-редуктор червячно-цилиндрический или планетарный со встроенным тормозом и ограничителем грузоподъёмности.
- — Грузоподъёмность 1–10 т, длина каната под высоту башни
- — Двухскоростной режим (грубое/точное позиционирование)
- — Ограничитель грузоподъёмности и концевые выключатели верхнего/нижнего положения
- — Соответствие EN 14492-1, сертификат DNV GL
- — Электромагнитный тормоз с замыканием при пропадании питания
Приводы jack-up платформ для оффшорного монтажа
Оффшорные турбины 8–15 МВт устанавливаются с самоподъёмных судов (jack-up vessels) с 4–6 опорными ногами длиной до 120 м. Приводы домкратов — планетарные мотор-редукторы большой мощности с реечным или цевочным зацеплением, работают синхронно для подъёма всего корпуса судна над уровнем моря на время монтажных работ. После завершения монтажа судно опускается обратно и переходит к следующей турбине.
- — Грузоподъёмность одной ноги 5 000–15 000 т
- — Скорость подъёма 0,3–0,8 м/мин
- — Синхронизация всех ног в пределах ± 50 мм по высоте
- — Морское исполнение C5-M, нержавеющие крепёж и валы
- — Резервирование приводов (N+1) на каждую ногу
Электродвигатели и генераторы
В ветроэнергетике электрические машины применяются в двух ролях: главные генераторы турбины (1,5–12 МВт) и вспомогательные двигатели сервисных систем (yaw, pitch, гидравлика, охлаждение). Главные генераторы — три конкурирующих архитектуры: синхронные на постоянных магнитах (PMSG, прямой привод без редуктора), асинхронные с фазным ротором двойного питания (DFIG, гибрид с редуктором), и полностью преобразовательные асинхронные с короткозамкнутым ротором. Флагманский поставщик SDS для генераторов — Wolong YHTM: серия специально разработана для возобновляемой энергетики, мощность 1,5–12 МВт, и явно позиционируется производителем как решение №1 для ветра.
Синхронные генераторы на постоянных магнитах (PMSG) 1,5–12 МВт
Многополюсные тихоходные генераторы прямого привода без редуктора — ротор соединён напрямую с втулкой лопастей, скорость 8–20 об/мин, диаметр статора 4–7 м. Преимущество — отсутствие главного редуктора как точки отказа, недостаток — большие масса и габариты на оффшорных площадках. Wolong YHTM — флагманская серия для ВИЭ-генераторов, мощность 1,5–12 МВт, КПД на номинальной нагрузке 96–98 %, специально оптимизирована для применения в ветроэнергетике и солнечной концентраторной генерации.
- — Мощность 1,5–12 МВт, напряжение 690 В – 6,6 кВ
- — Постоянные магниты NdFeB с защитой от размагничивания при коротком замыкании
- — Принудительное воздушное или водяное охлаждение IC81W
- — Класс изоляции H, рабочая температура −40 °C до +50 °C
- — Морское исполнение для оффшор — герметизация, антикоррозионное покрытие C5-M
Асинхронные генераторы с фазным ротором (DFIG) 1,5–6 МВт
Двигатель-генератор двойного питания: статор подключён напрямую к сети 690 В, ротор — через преобразователь частоты на ± 30 % номинальной мощности. Это позволяет регулировать скорость ротора в диапазоне ± 30 % от синхронной при гораздо меньшей мощности преобразователя, чем для полностью преобразовательной схемы. Применяется в гибридной архитектуре с главным редуктором (multiplicator). Серия Wolong YHTM покрывает и эту нишу — асинхронные машины с фазным ротором мощностью до 6 МВт.
- — Мощность 1,5–6 МВт
- — Контактные кольца ротора с увеличенным сроком службы (графитные щётки, замена раз в 3–5 лет)
- — Рабочий диапазон скоростей ± 30 % от синхронной
- — Класс изоляции F с тепловым резервом по классу B
- — Совместимость с low-voltage ride through (LVRT) по сетевому коду
Гибридные конструкции (medium-speed)
Компромисс между PMSG прямого привода и классическим DFIG с трёхступенчатым редуктором — генератор с постоянными магнитами + одно- или двухступенчатый planetary multiplicator с передаточным отношением 30–60. Меньше масса по сравнению с прямым приводом, выше надёжность по сравнению с трёхступенчатым редуктором. Wolong поставляет генераторы и для этой архитектуры. Главный редуктор middle-speed гибрида — компетенция CGC.
- — Скорость 100–500 об/мин (между прямым приводом и high-speed)
- — Постоянные магниты + минимум контактных колец
- — Совместимость с medium-speed редуктором CGC по фланцу
- — Полностью преобразовательная схема (full converter) на 100 % мощности
Преобразователи частоты главные и вспомогательные
Главный преобразователь (main converter) обрабатывает всю мощность турбины (PMSG full converter) или ± 30 % (DFIG), синхронизирует генератор с сетью и обеспечивает LVRT/HVRT. Кроме того, на турбине стоят вспомогательные преобразователи для pitch и yaw систем. INOVANCE поставляет ВВ и низковольтные ПЧ серии MD/HD для систем управления pitch и yaw, а также готовые конверторные стенды для главного канала. INVT — вспомогательные ПЧ для гидравлических станций, систем охлаждения, вентиляции гондолы.
- — Главный конвертор: мощность 1,5–12 МВт, напряжение 690 В – 6,6 кВ
- — Низкое THD < 3 % по IEEE 519
- — LVRT по сетевому коду — выдержка провала до 0,15 с при 0 % напряжения
- — Pitch-конверторы с резервным питанием для аварийного флюгирования
- — Сертификация по EN 50178 / IEC 61800-3
Промышленные тормоза
На ветроэнергетической турбине стоят три независимые тормозные системы: аэродинамический тормоз через флюгирование лопастей (основной способ остановки), механический тормоз высокоскоростного вала между редуктором и генератором (аварийная остановка и парковка), и yaw-тормоза на опорном подшипнике гондолы (удержание азимута после позиционирования). Главный поставщик механических тормозов в портфеле SDS — HUAWU: серии для тормозов высокоскоростного вала и азимутных тормозов с морским исполнением для оффшорных турбин.
Тормоз высокоскоростного вала (high-speed shaft brake)
Дисковый тормоз HUAWU YPZ/SBD устанавливается между главным редуктором и генератором на быстроходном валу. Обеспечивает аварийную остановку ротора турбины при срабатывании защит (превышение скорости, пропадание сети, неисправность pitch-системы) и парковочный режим для технического обслуживания. Тормозной момент до 30 000 Н·м, гидравлический зажим с пружинным замыканием — при пропадании давления тормоз закрывается автоматически.
- — Тормозной момент до 30 000 Н·м
- — Гидравлический зажим с пружинным замыканием (fail-safe)
- — Время срабатывания при аварии ≤ 0,3 с
- — Контроль износа накладок и положения колодок
- — Морское исполнение для оффшор — нержавеющие пружины, защита от соляного тумана
Yaw-тормоза (азимутные)
Серия HUAWU YDP — фрикционные тормоза-захваты, установленные по периметру yaw-bearing-а (8–16 шт по окружности). После того, как мотор-редукторы yaw-системы повернули гондолу в нужный азимут, тормоза замыкаются и удерживают её в заданном положении при изменениях ветра в пределах ± 5–8°. Это разгружает yaw-приводы и снижает износ зубчатого венца. Часть тормозов работает в режиме постоянного фрикционного демпфирования (passive damping) для гашения автоколебаний гондолы.
- — Тормозной момент в сборе до 5–10 МН·м (по периметру bearing-а)
- — Гидравлический зажим, давление 150–210 бар
- — Режим passive damping для нескольких тормозов одновременно
- — Контроль износа накладок (концевой выключатель на каждом тормозе)
- — Морское исполнение C5-M для оффшорных турбин
Аварийный механический тормоз ротора
В ряде турбин high-speed shaft brake выполняет и парковочную, и аварийную функции, но на крупных оффшорных машинах ставится дополнительный low-speed shaft brake — на тихоходном валу или непосредственно на роторной втулке. Он рассчитан на полный пусковой момент ротора в аварии и применяется как backup при неисправности высокоскоростного тормоза. Тормозной момент 0,5–3 МН·м.
- — Тормозной момент 0,5–3 МН·м
- — Гидравлический зажим, fail-safe замыкание пружинами
- — Время срабатывания ≤ 0,5 с
- — Резервирование гидростанции (основная + аварийная)
- — Совместимость с системой ПЛК турбины
Тормоза лебёдок сервисного крана и оффшорных подъёмников
Ленточный или дисковый тормоз на лебёдке встроенного крана в гондоле обеспечивает удержание груза при пропадании питания и аварийный спуск с регулируемой скоростью. На jack-up платформах для оффшорного монтажа — дисковые тормоза на каждом домкратном приводе для удержания нагруженной ноги. HUAWU и Jingu (для портовых кранов) — поставщики тормозов этого класса.
- — Тормозной момент с запасом 1,5–2 от номинала привода
- — Замыкание при пропадании питания
- — Совместимость со встроенным червячным или планетарным редуктором лебёдки
- — Морское исполнение C5-M
Муфты и подшипники
В трансмиссии ветроэнергетической турбины применяются специализированные муфты на участке «главный редуктор → генератор»: они должны компенсировать радиальные и угловые смещения после деформации рамы гондолы под нагрузкой ветра, демпфировать ударные крутильные колебания, обеспечивать электрическую изоляцию для защиты подшипников генератора от токов вала, а в гибридных схемах — выполнять функцию упругого звена. Главный подшипник ротора — отдельный класс компонентов с собственными требованиями.
Упругие муфты high-speed shaft (между редуктором и генератором)
Longxuan серий LMS/LMD — упругие муфты с пакетом стальных пластин или композитной тороидальной мембраной. Передают момент 5–80 кН·м с компенсацией радиального смещения 1–3 мм и углового до 1°. Электрически изолированы (диэлектрическая вставка между полумуфтами) — это защищает подшипники генератора от токов вала, наведённых преобразователем частоты. Демпфируют крутильные колебания на номинальной скорости 1500–1800 об/мин.
- — Момент 5–80 кН·м
- — Компенсация радиального смещения 1–3 мм, углового до 1°
- — Электрическая изоляция ≥ 5 кВ DC
- — Балансировка G2.5 (высокоскоростная зона)
- — Срок службы упругого элемента не менее 175 000 ч
Компактные муфты pitch-системы
Yongjing серии LX/LMC — компактные упругие пальцевые муфты в системе поворота лопастей между мотор-редуктором pitch-привода и шестернёй pitch-bearing-а. Малые габариты критичны — pitch-привод размещается внутри ступицы лопастей, где места мало. Компенсируют небольшие смещения после монтажа и демпфируют ударные нагрузки при аварийном флюгировании.
- — Момент 0,5–5 кН·м
- — Компактные осевые габариты
- — Совместимость с фланцем pitch-мотор-редуктора
- — Срок службы эластичных элементов 100 000 ч+
Гибридные упругие муфты в medium-speed схеме
В гибридной архитектуре (PMSG + одноступенчатый planetary multiplicator) между редуктором и генератором ставится упругая муфта Longxuan специального исполнения — она компенсирует не только тепловые смещения, но и работает упругим звеном гасящим крутильные резонансы. Компактнее классических high-speed муфт за счёт средней скорости 100–500 об/мин и большей плотности крутящего момента.
- — Момент 50–500 кН·м (medium-speed)
- — Компенсация смещений после деформации рамы гондолы
- — Электрическая изоляция для защиты подшипников генератора
- — Совместимость с фланцами CGC medium-speed редуктора и Wolong PMSG
Главный подшипник ротора
Опорный двухрядный сферический или конический подшипник ротора несёт всю нагрузку от ротора и лопастей (масса 60–250 т) и передаёт момент на главный редуктор или ротор PMSG напрямую. Срок службы 20+ лет, не подлежит замене без демонтажа всей трансмиссии. В портфеле SDS подшипники главного бренда не указаны как отдельный продукт, но мы участвуем в подборе подшипников для главных редукторов CGC (TIMKEN/SKF/FAG поставляются интегрированно) и для генераторов Wolong.
- — Расчётный срок службы L10 ≥ 175 000 ч
- — Двухрядное сферическое или коническое исполнение
- — Уплотнения с защитой от соляного тумана для оффшор
- — Система автоматической смазки с интервалом 1–4 ч
- — Контроль вибрации и температуры (датчики SKF/Schaeffler)
Галерея применений
Наши решения для отрасли
Бренды портфеля SDS, которые покрывают типовые применения в этой отрасли.
- CGCглавные редукторы-multiplicator-ы для турбин 1,5–6 МВт. 30 000+ ветроредукторов поставлено — второй мировой объём после CSSC, флагманская компетенция CGC в ветроэнергетике
- WOLONGгенераторы серии YHTM для ветроэнергетики и солнечной концентраторной генерации, мощность 1,5–12 МВт. Флагманская серия для ВИЭ — PMSG прямого привода и DFIG с фазным ротором
- HUAWUтормоза высокоскоростного вала турбины (момент до 30 000 Н·м) и yaw-тормоза азимутной системы. Морское исполнение C5-M для оффшорных площадок
- BONENGyaw drives — мотор-редукторы азимута, 4–6 шт на турбину, мощность 1,5–15 кВт. Pitch drives — компактные планетарные приводы поворота лопастей 5,5–22 кВт
- YONGJINGкомпактные упругие пальцевые муфты LX/LMC для pitch-системы между мотор-редуктором привода лопасти и pitch-bearing-ом
- LONGXUANупругие муфты high-speed shaft между главным редуктором и генератором с электрической изоляцией для защиты подшипников генератора от токов вала
- INOVANCEпреобразователи частоты pitch-приводов с резервным питанием для аварийного флюгирования, ПЧ системы yaw, главный конвертор турбины
- INVTвспомогательные ПЧ для гидравлических станций, систем охлаждения генератора и редуктора, вентиляции гондолы
- DONLYгидравлические станции pitch-системы, тормозов высокоскоростного вала и yaw-тормозов, jack-up платформ для оффшорного монтажа
- DEOмаслоохладители для главных редукторов и систем смазки трансмиссии, пластинчатые теплообменники для жидкостного охлаждения генератора