1.2 Определение частот вращения и вращающих моментов на валах

1. Уточнение общего передаточного
числа

2. Передаточное число редуктора

тогда

3. Определение частоты вращения
тихоходного вала:

4. Определение вращающих моментов на
валах

Вращающий момент на приводном валу:

Вращающий момент на тихоходном валу:

Вращающий момент на промежуточном валу:

1.3. Расчет параметров передачи на эвм

1. Подготовка исходных данных для расчета
   на ЭВМ.

Расчёт передачи на ЭВМ проводим, используя
следующие данные:

Вращающий момент на тихоходном валу
(Нм) 454.0

Частота вращения тихоходного вала
(мин^-1) 51.0

Ресурс (час) 10000

Режим нагружения 3

Передаточное отношение редуктора 27. 97

Коэффициент ширины венца 0.315

Степень точности
8-В

2. Выбор наиболее оптимального варианта
   параметров редуктора и электродвигателя.

Программа расчета деталей машин кафедры
РК-3 предложила на выбор 9 вариантов
параметров коническо- цилиндрических
передач (Распечатка
расчёта программы приведена в приложении
№1).

Проведём графо-аналитический анализ
предложенных параметров:

На рис. 1 построены графики зависимости
отношения передаточных чисел ступеней,
межосевого расстояния, разности диаметров
вершин колёс Т и Б ступеней и массы колёс
в зависимости от частоты вращения
электродвигателя. Анализируя полученные
графики, приходим к выводу, что наиболее
подходящим является вариант №6 (см.
приложение №1:распечатка расчёта
программы):

• Межосевое расстояние в редукторе:
  130мм

• Отношение передаточных чисел ступеней:
  1. 10

• Разность диаметров вершин колёс Т и Б
  ступеней: 49,75

• Масса- колес: 9кг; механизма: 40кг

2. Проектирование редуктора

2.1. Эскизный проект и последовательность проектирования

При эскизном проектировании определим
расположение деталей передач, расстояния
между ними, ориентировочные диаметры
ступеней валов, выберем типы подшипников
и схемы и установки:

1. Предварительные значения диаметров
   валов (с учётом ГОСТ 12080-66):

• Быстроходный вал:

т.к. быстроходная ступень коническая
то

d≥ (7…8)*(Т_Б)^1/3=(7…8)*(47.2)^1/3= (25,2…28,9) мм.

где Т_Б вращающий момент на
быстроходном валу

берём d=26 мм.

диаметр вала под подшипник качения

d_пd+2*t_цил
=26+2*3,5= 32 мм, тогдаd_п
=30 мм.

где t_цил высота
заплечика.

• Промежуточный вал:

диаметр вала под колесо

d_к (6…7)*(Т_п)^1/3=(6…7)*(268.2)^1/3=(38,7…45,1) мм

где Т_п = 268,2 Н·м –
вращающий момент на промежуточном валу

округляя до стандартной величины,
получим d_к= 53мм.

d_п=d_к– 3*r= 53-3*2= 34 мм, округляя
до стандартной величины, получимd_п=25

где d_п – диаметр
вала под подшипник,

• Тихоходный вал:

d(5…6)*(Т_Т)^1/3= (5…6)*(454,4)^1/3=(38,5…46,1) мм

где Т_Т =454,4 Н·м — вращающий момент
на тихоходном валу.

Принимаем d= 40 мм.

d_пd+ 2*t_кон= 40+ 2*2,3 =44,6, принимаемd_п= 45 мм.

d_Бп d_п+ 3*r=45 + 3*2,5 =52,5; принимаемd_Бп=53 мм.

2. Расстояния между деталями передач:

а≈ (L) ^1/3+ 3=10 мм,

где L-расстояние между
внешними поверхностями деталей передач.

b₀≥3*a≈30
мм

3. Выбор типа подшипников:

• Тихоходный вал: возникают значительные
  радиальные и ограниченные осевые
  нагрузки, поэтому используем шариковые
  радиальные однорядные подшипники.

• Промежуточный вал: возникают значительные
  осевые нагрузки, необходима регулировка
  зацепления, коническое колесо должно
  быть жестко зафиксировано, поэтому
  используем конические роликовые
  подшипники.

• Быстроходный вал: возникают значительные
  осевые нагрузки, поэтому используем
  конические роликовые подшипники.

4. Схемы установки подшипников:

Так как требуется строгое совпадение
вершин конусов шестерни и колеса
конической передачи, все опоры в редукторе
выполняем фиксирующими. На быстроходном
(консольно закреплённом) валу устанавливаем
подшипники по схеме «врастяжку», на
промежуточном — «враспор».

5. Эскизный проект длин участков валов:

• Быстроходный вал:

определяется графически и приводится
в соответствии с ГОСТ 6636-69

• Промежуточный вал:

определяется графически и приводится
в соответствии с ГОСТ 6636-69

• Тихоходный вал:

определяется графически и приводится
в соответствии с ГОСТ 6636-69

6. Вычерчивание эскизной компоновки:

При вычерчивании эскизной
компоновки уточняем размеры, полученные
в ходе эскизного проектирования, опираясь
на условия «собираемости» конструкции.

1.2. Вращающие моменты на валах привода

1. Уточненные значения передаточных
чисел.

Общее передаточное число:
.

Назначаем передаточное число червячного
редуктора U_ред=36.

Передаточное число ременной передачи:
.

2. Параметры тихоходного вала редуктора
(см. рис. 1):

вращающий момент:
;

скорость вращения: n_Т=33,89
мин^-1.

3.
Быстроходный вал редуктора:

в

Рис. 1

ращающий момент:
;

скорость вращения: n_Б=n_ТU_ред=33,8936=1220,15
мин^-1.

4. Вал двигателя:

вращающий момент:
;

скорость вращения: n_дв=2850
мин^-1.

2. Проектирование червячного редуктора

2.1. Расчет параметров передачи на эвм

1. Подготовка исходных данных для расчета
на ЭВМ.

Для расчета червячной передачи на ЭВМ
подготовим следующие исходные данные:

Вращающий момент
на тихоходном валу (Нм) 1129,5

Частота вращения
тихоходного вала (мин^-1) 33,89

Передаточное число
редуктора 36

Срок службы
(час) 5000

Номер режима
работы 2

Отношение
максимального вращающего момента к
номинальному 2,2

Количество
редукторов в серии 100

Коэффициент
теплоотдачи (Вт/м²К) 13

2. Выбор варианта материала.

Программа расчета деталей машин кафедры
РК-3 предложила на выбор три варианта
червячной передачи (см. распечатку
№1).

(распечатка №1)

Проведем анализ выбора варианта
приведенному графику (см. рис. 2).
Останавливаемся на материале Бр. О10Н1Ф1
(межосевое расстояние 200 мм), так как
именно этот вариант обеспечивает
наименьшие массу, габариты и стоимость
при допустимой температуре масла в
редукторе.

3. Параметры передачи и редуктора.

Расчитанные на ЭВМ параметры передачи
приведены в распечатке №2.

Рис. 2

(распечатка №2)

2.2. Эскизный проект и последовательность проектирования

При эскизном проектировании определяют
расположение деталей передач, расстояния
между ними, ориентировочные диаметры
ступеней валов, выбирают типы подшипников
и схемы и установки.

Далее определяют конструкции узлов
редуктора: корпуса, опор подшипников,
ступицы колеса, валов и т.д.

Все проектные решения детально отображены
на чертеже редуктора, далее приводятся
только проверочные расчеты.

2.3. Проверочные расчеты соединений редуктора

1. Шпоночное соединение для передачи
вращающего момента со шкива ременной
передачи на быстроходный вал.

Диаметр вала: d=40мм;

Передаваемый момент: T=40Нм

Тип шпонки — призматическая;

Размеры шпонки по диаметру вала:

b=12мм;

h=8мм;

[]_см=140Мпа;

Окончательно выбираем: l=l_min=28мм;

Обозначение:

«Шпонка 12х8х28 ГОСТ 23360-78»

2. Шпоночное соединение для передачи
вращающего момента с червячного колеса
на вал.

Диаметр вала: d=75мм;

Передаваемый момент: T=1130Нм

Тип шпонки — призматическая;

Размеры шпонки по диаметру вала:

b=20мм;

h=12мм;

[]_см=140Мпа;

Окончательно выбираем: l=l_min=63мм;

Обозначение:

«Шпонка 20х12х42 ГОСТ 23360-78»

3. Шпоночное соединение для передачи
вращающего момента с конца тихоходного
вала на муфту.

Диаметр вала: d=63мм;

Передаваемый момент: T=1130Нм

Тип шпонки — призматическая;

Размеры шпонки по диаметру вала:

b=16мм;

h=10мм;

[]_см=140Мпа;

Окончательно выбираем: l=l_min=80мм;

Обозначение:

«Шпонка 16х10х80 ГОСТ 23360-78»

2.4. Расчет подшипников

Прежде всего оговорим схемы установки
подшипников.

Для тихоходного вала выберем схему, где
одна опора фиксирует вал, вторая
плавающая. В фиксирующей опоре используем
два роликовых конических подшипника с
большим углом конусности, в плавающей
– роликовый радиальный с бортом на
наружном кольце. Хотя данная схема и
сложна, однако только она применима при
большом расстоянии между опорами.

Для фиксирования быстроходного вала
используем два конических роликовых
подшипника, установленные «враспор».
Такая схема обеспечивает наибольшую
жесткость, однако требует регулировки
при сборке.

Выбор роликовых подшипников обусловлен
достаточно тяжелыми условиями работы
передачи: как известно, роликовые
подшипники имеют большую грузоподъемность
по сравнению с шариковыми.

Итак, выбраны следующие типы подшипников:

1027310А – 2 шт.;

12210 – 1 шт.;

7214А – 2 шт.

Крутящий момент при постоянной скорости

1. Дом
2. Инжиниринг
3. Ветряная энергия

Введение

Большинство ветряных турбин извлекают энергию из ветра в механической форме и передают ее на нагрузку посредством вращающихся валов. Эти валы должны быть правильно спроектированы для передачи этой мощности. Когда мощность передается через вал, будет присутствовать крутящий момент T. Этот крутящий момент определяется по формуле:

Где P — механическая мощность в ваттах, а ω — угловая скорость в рад/с. Крутящий момент на низкоскоростном валу на рисунке 1 составляет T _м = P _м /ω _м , а крутящий момент на высокоскоростном валу равен T _t =P _t /ω _t . Единицы могут быть выражены либо как Н∙м/рад, либо как Н∙м, в зависимости от предпочтений. Когда-нибудь мы будем выражать крутящий момент на вращающихся валах в Н∙м/рад, а крутящий момент на стационарной конструкции, такой как башня, в Н∙м.

Приложение крутящего момента к валу вызывает внутреннюю силу или давление на материал вала. Такое давление называется напряжением f _s с единицами Па или Н/м ² . Поскольку это давление пытается срезать вал, а не сжимать или растягивать, его называют напряжением сдвига. Касательное напряжение изменяется в зависимости от расстояния от оси вала, имея наибольшее значение на поверхности вала. В учебниках по механике материалов показано, что касательное напряжение в сплошном валу определяется выражением:

Где r — расстояние от оси вала до места, где необходимо определить напряжение, а J — полярный момент инерции вала. Он определяется по формуле:

Где r _o — радиус вала.

Следует отметить, что существуют две различные, но тесно связанные между собой величины, которые называются моментом инерции. Один из них представляет собой момент инерции площади в единицах м ⁴ , а другой — момент инерции массы в единицах кг∙м ² . Момент инерции площади используется при изучении механики материалов, обычно в статическом или стационарном режиме, а момент инерции массы используется при определении динамики вращающихся конструкций. Эти темы обычно рассматриваются в отдельных учебниках, поэтому префиксы площади или массы обычно опускаются, и читатель должен знать, какой из них подразумевается в контексте. Иногда мы также будем опускать префиксы, но будем использовать символ J для момента инерции полярной площади и символ I для момента инерции полярной массы. Нам не нужен прямоугольный момент инерции в этом тексте, поэтому мы можем исключить слово полярный из терминологии.

Момент инерции массы находится из момента инерции площади путем умножения на плотность площади ρ _a в кг/м ² . Плотность площади измеряется по площади, перпендикулярной оси вращения.

Одним из способов проектирования валов, способных выдерживать заданный крутящий момент, является выбор максимального напряжения сдвига, допустимого для данного материала вала. Это напряжение возникает при r=r, поэтому уравнение 36 и 37 можно решить для радиуса вала. Диаметр вала, на который будет воздействовать это максимальное напряжение, составляет:

Максимальное напряжение в уравнении. 5 обычно выбирается со значительным запасом прочности. Рекомендуемые максимальные напряжения для различных материалов вала можно найти в книгах по проектированию машин.

Пример 1

Сплошной стальной вал имеет радиус 0,1 м и длину 0,8 м. Найти момент инерции площади J и момент инерции массы I, если объемная плотность стали 7800 кг/м ³ .

Момент инерции площади определяется формулой. 3 как:

Поверхностная плотность вала будет просто равна длине, умноженной на объемную плотность:

Тогда момент инерции массы будет равен:

Пример 2

при мощности 200 кВт. Низкоскоростной вал вращается со скоростью 40 об/мин, а высокоскоростной вал вращается со скоростью 1800 об/мин. Доступны массивные стальные валы с рекомендованным максимальным напряжением 55 МПа. КПД редуктора при номинальных условиях 0,9.4, а КПД генератора равен 0,93. Определяем необходимые диаметры валов.

Угловые скорости для низкоскоростного и высокоскоростного валов:

Мощность на высокоскоростном валу:

Мощность на низкоскоростном валу:

Крутящие моменты: тогда:

Диаметры валов затем рассчитываются по уравнению. 5:

Ссылки и ресурсы

• 2001 Ветроэнергетические системы д-ра Гэри Л. Джонсона, Глава 4

Copyright At 2015

Как работает ветряная турбина — текстовая версия

Сила ветра

Ветряные турбины используют ветер — чистый, бесплатный и широко доступный возобновляемый источник энергии — для выработки электроэнергии. На этой странице представлена ​​текстовая версия интерактивной анимации: Как работает ветряная турбина.

Как работает ветряная турбина

Ветряная турбина преобразует энергию ветра в электричество за счет аэродинамической силы лопастей ротора, которые работают как крыло самолета или лопасти винта вертолета. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Ротор соединяется с генератором либо напрямую (если это турбина с прямым приводом), либо через вал и ряд шестерен (редуктор), которые ускоряют вращение и позволяют физически уменьшить генератор. Этот перевод аэродинамической силы во вращение генератора создает электричество.

Как работает ветряная электростанция

Ветряные электростанции производят электроэнергию за счет множества ветряных турбин, расположенных в одном месте. На размещение ветряной электростанции влияют такие факторы, как ветровые условия, окружающая местность, доступ к линиям электропередач и другие факторы размещения. В ветряной электростанции коммунального масштаба каждая турбина вырабатывает электроэнергию, которая поступает на подстанцию, где затем передается в сеть, где питает наши сообщества.

Передача инфекции

Линии электропередач передают электричество высокого напряжения на большие расстояния от ветряных турбин и других генераторов энергии в районы, где эта энергия необходима.

Трансформеры

Трансформаторы получают электроэнергию переменного тока при одном напряжении и повышают или понижают напряжение для подачи электроэнергии по мере необходимости. Ветряная электростанция будет использовать повышающий трансформатор для повышения напряжения (таким образом, уменьшая требуемый ток), что снижает потери мощности, возникающие при передаче больших токов на большие расстояния по линиям электропередач. Когда электричество достигает сообщества, трансформаторы снижают напряжение, чтобы сделать его безопасным и пригодным для использования зданиями и домами в этом сообществе.

Подстанция

Подстанция соединяет систему передачи с системой распределения, которая поставляет электроэнергию населению. Внутри подстанции трансформаторы преобразуют электроэнергию с высокого напряжения в более низкое напряжение, которое затем может быть безопасно доставлено потребителям электроэнергии.

Башня ветряной турбины

Башня, изготовленная из трубчатой ​​стали, поддерживает конструкцию турбины. Башни обычно состоят из трех секций и собираются на месте. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам захватывать больше энергии и генерировать больше электроэнергии. Ветры на высоте 30 метров (примерно 100 футов) и выше также менее турбулентны.

Направление ветра

Определяет конструкцию турбины. Ветряные турбины, подобные показанной здесь, обращены к ветру, а подветренные — в сторону. Большинство наземных ветряных турбин коммунального масштаба являются ветряными турбинами.

Флюгер

Флюгер измеряет направление ветра и взаимодействует с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину относительно ветра.

Анемометр

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

Лезвия

Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Лопасти турбин различаются по размеру, но типичная современная наземная ветряная турбина имеет лопасти длиной более 170 футов (52 метра). Самая большая турбина — морская ветряная турбина GE Haliade-X с лопастями длиной 351 фут (107 метров) — примерно такой же длины, как футбольное поле. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться.

Наземная турбина с редуктором

Трансмиссия турбины с редуктором состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.

Гондола

Гондола находится на вершине башни и содержит редуктор, низкоскоростные и высокоскоростные валы, генератор и тормоз. Некоторые гондолы больше дома и для турбины с редуктором мощностью 1,5 МВт могут весить более 4,5 тонн.

Система рыскания

Привод рыскания поворачивает гондолу на ветряных турбинах, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра. Для этого двигатели рыскания приводят в действие привод рыскания.

Ветряные турбины не требуют привода рыскания, потому что ветер вручную уносит ротор от него.

Система подачи

Система шага регулирует угол наклона лопастей ветряной турбины по отношению к ветру, контролируя скорость вращения ротора. Регулируя угол наклона лопастей турбины, система шага определяет, сколько энергии могут извлекать лопасти. Система шага также может «раскачивать» лопасти, регулируя их угол, чтобы они не создавали силы, которая могла бы вызвать вращение ротора. Оперение лопастей замедляет ротор турбины, чтобы предотвратить повреждение машины, когда скорость ветра слишком высока для безопасной работы.

Центр

Часть трансмиссии турбины, лопасти турбины входят в ступицу, соединенную с главным валом турбины.

Коробка передач

Трансмиссия состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.

Ротор

Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.

Тихоходный вал

Часть трансмиссии турбины, низкоскоростной вал соединен с ротором и вращается со скоростью 8–20 оборотов в минуту.

Подшипник главного вала

Часть трансмиссии турбины, главный подшипник поддерживает вращающийся низкоскоростной вал и уменьшает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.

Высокоскоростной вал

Часть трансмиссии турбины, высокоскоростной вал соединяется с коробкой передач и приводит в движение генератор.

Генератор

Генератор приводится в движение высокоскоростным валом. Медные обмотки вращаются через магнитное поле в генераторе для производства электроэнергии. Некоторые генераторы приводятся в действие редукторами (показанными здесь), а другие представляют собой прямые приводы, в которых ротор присоединяется непосредственно к генератору.

Контроллер

Контроллер позволяет запускать машину при скорости ветра около 7–11 миль в час (миль в час) и выключает машину, когда скорость ветра превышает 55–65 миль в час. Контроллер выключает турбину при более высоких скоростях ветра, чтобы избежать повреждения различных частей турбины. Думайте о контроллере как о нервной системе турбины.

Тормоз

Турбинные тормоза не похожи на автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага. Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.

Морская ветряная турбина с прямым приводом

Турбины с прямым приводом упрощают системы гондол и могут повысить эффективность и надежность за счет устранения проблем с коробкой передач. Они работают, соединяя ротор напрямую с генератором для выработки электроэнергии.

Морской флюгер и анемометр с прямым приводом

Флюгер измеряет направление ветра и взаимодействует с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину относительно ветра.

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

Система рыскания с прямым приводом

Электродвигатели рыскания приводят в действие привод рыскания, который вращает гондолы турбин против ветра, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра.

Лопасти генератора с прямым приводом

Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Лопасти турбины GE Haliade X имеют длину 351 фут (107 метров) — примерно такую ​​же длину, как футбольное поле!

Система шага с прямым приводом

Система шага регулирует угол наклона лопастей ветряной турбины по отношению к ветру, контролируя скорость вращения ротора. Регулируя угол наклона лопастей турбины, система шага определяет, сколько энергии могут извлекать лопасти. Система шага также может «раскачивать» лопасти, регулируя их угол, чтобы они не создавали силы, которая могла бы вызвать вращение ротора. Оперение лопастей замедляет ротор турбины, чтобы предотвратить повреждение машины, когда скорость ветра слишком высока для безопасной работы.

Концентратор прямого привода

Лопасти турбины вставляются в ступицу, соединенную с генератором турбины.

Ротор с прямым приводом

Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.

Генератор с прямым приводом

Генераторы с прямым приводом не используют редуктор для выработки электроэнергии. Они генерируют энергию, используя гигантское кольцо постоянных магнитов, которые вращаются вместе с ротором, производя электрический ток, проходя через стационарные медные катушки. Большой диаметр кольца позволяет генератору создавать большую мощность при вращении с той же скоростью, что и лопасти (8–20 оборотов в минуту), поэтому ему не нужен редуктор, чтобы разогнать его до тысяч оборотов. в минуту требуют другие генераторы.

Контроллер прямого привода

Контроллер позволяет запускать машину при скорости ветра около 7–11 миль в час (миль в час) и выключает машину, когда скорость ветра превышает 55–65 миль в час. Контроллер выключает турбину при более высоких скоростях ветра, чтобы избежать повреждения различных частей турбины. Думайте о контроллере как о нервной системе турбины.

Тормоз с прямым приводом

Турбинные тормоза — это не автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага. Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.

Подшипник ротора прямого привода

Подшипник ротора поддерживает основной вал и уменьшает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.

Узнайте больше об энергии ветра

Как работают ветряные турбины?

Изучите основы работы ветряных турбин для производства чистой энергии из обильного возобновляемого ресурса — ветра.

Узнать больше

Основы ветроэнергетики

Узнайте больше о ветроэнергетике здесь, от принципа работы ветряной турбины до новых захватывающих исследований в области ветровой энергии.