XIV. Műzaki tudományo ülézak, 2013. Kolozvár, 89 100. http://hdl.handle.net/10598/28094 Műzaki tudományo közlemények 1. A ZÖLDENERGIÁK ELŐÁLLÍTÁSÁNAK TECHNIKAI ASPEKTUSAI SOME TECHNICAL ASPECTS REGARDING THE GREEN ENERGIE PRODUCING Gyenge Caba Kolozvári Műzaki Egyetem, Gépgyártá-technológiai Tanzék, 400641 Cluj- Napoca, B-dul Muncii nr.103-105, tel/fax: +40-264-415001, Caba.Gyenge@tcm.utcluj.ro. Abtract In the firt part of paper, I preent the contructive particularitie of pecial gear boxe ued at vertical tower wind turbine and the quality requirement. In the following part I preent the new CNC gear grinding methodology and technology, developed by our team, with which it wa poible to realize the high quality of geometrical parameter and quality roughne. In the lat part of paper I will preent ome the practical indutrial reult and ued control technology. Keyword: green energy, wind turbine, gearing. Özefoglalá A dolgozat elő rézében imertetem a függőlege tornyú zélturbinák zerkezetében alkalmazott fogakerék hajtóművek kontruktív jellegzeteégeit é a minőégi igényeket. A máodik rézben röviden bemutatom az általunk kifejleztett CNC közörüléi technológiát, amellyel el lehet érni a különlege fogazatok pontoági é felületminőégi követelményeit. A dolgozat végén imertetem az ipari megvalóítáainkat é a jellegzete méréi eredményeket. Kulczavak: zöldenergia, zélturbina, hajtómű 1. Bevezető Imerete, hogy a megújulóenergiaforráok zerepe folytonoan nő, é a Greenpeace becléei zerint 2050-ben Románia az özenergia-zükégletének 85%-át megújuló forráokból kell fedezze. A Román Statiztikai Intézet adatai zerint [7], 2011-ben az öz 63252 GkW kitermelt energiából 40%-ot a gázalapú hőerőművek termelték, 22%-ot a vízerőművek, 16%-ot az atomerőmű é cak 4%-ot a zélerőművek. Az optimita előrejelzéek zerint, 2013 végéig a zélerőművekben termelt energia meg kell duplázodjon, é igy Románia világvizonylatban a 13-ik helyet foglalhatja majd el a zélenergia felhaználáa terén (a legújabb érteüléek zerint már 7% felett van). Termézete, hogy a zélerőművek felépítée elég komplex, é az előállítái, valamint felzereléi áruk elég maga, így egyelőre a zélerőművekben előállított energia ára jóval magaabb, mint a hő-, vagy vízerőművekben előállítotté. Vizont a gáz-, valamint zénhidrátkézletek elég gyor cökkenée arra figyelmeztet, hogy minél íntenzivebben foglalkozzunk az újrahaznoítható üzemeanyaggal működő energiatermelőkkel. 89
Gyenge Caba Kutatócoportunk több mint 4 éve foglalkozik a zélturbinákban alkalmazott hajtóművek gyártátechnológiájának fejleztéével annak érdekében, hogy minél kiebb költégekkel minél jobb minőéget é élettertamot leheen elérni a zükége fogakerék-hajtóművek zámára. A dolgozat keretében igyekzem imertetni ez irányú jellegzete elméleti é gyakorlati kutatáaink eredményeit. 2. A zélturbinákban alkalmazott hajtóművek kontruktív é működéi jellegzeteégei Imereteink zerint [8] a napjainkban alakalmazott zélerőművek nagy réze vízzinte tengelyű lapáttal dolgozik (1. ábra). 1.ábra. Vízzinte tengelyű zélturbina felépítée:1 fundamentum, 2 torony, 3 zélirányra állító berendezé, 4 gondola, 5 generátor, 6 zélmérő,7 fék, 8 hajtómű, 9 rotorlapát, 10 lapát irányító, 11 forgózárnyagy. 2. ábra. A kétlépcő bolygó rendzerű multiplikátor kinematikai vázlata 90
A zöldenergiák előállítáának technikai apektuai Amint az ábrán láthatjuk, a primer tengely (amin a paletták vannak) ki fordulatzámú forgáa bemegy a multiplikátorba, ahonnan egy tengelykapcoló révén (amelyik zükég eetén fékként i működik) meghajtja az áramgenerátor tengelyét. Rendzerint a fordulatzám-növelő (multiplikátor) bolygó felépítéű (2. ábra), é aránylag ki méretek mellett nagy áttételi arányokat kell biztoíton. Amint az ábrán láthatjuk, a légcavarok primer tengelye végén az S 1 kapcoló fedél van rögzítve, amelyben a három Z 1 bolygókerék van beágyazva. A fedél jóbb oldalán a Z 5 belő fogazatú kerék van felfogva. Az említett bolygókerekek úgy a Z 2 belő fogazatú keréken gördülnek, mint a Z 3 keréken. Ezzel egyidőben, a belő fogazatú Z 5 kerék forgatja a Z 6 bolygókerekeket. é ezek meghajtják a Z 7 kereket, amelyik öze van kötve a Z 8 kozorúkerékkel, amelynek fogfelületein gördülnek a Z 9 bolygókerekek. Ezek a bolygókerekek hajtják meg a Z 10 fogakereket. Ennek tengelyén fekzik a Z 11 kerék, amely a Z 12 kerék révén meghajtja a kimenő tengelyt. A fentiek zerint a hajtómű nagy átviteli arányt tud biztoítani ( például 50:1-hez). 3. ábra. A gyakorlati kíérletek keretében gyártott bolygókerék rajza 91
Gyenge Caba Mivel ezek a hajtóművek nagy magaágban kell működjenek é turbinák okzor igen változato terepre vannak beépitve, mind zereléük, mind karbantartáuk elég nehéz. Ezért a technikai feltételek minimum 10 éve élettertamot igényelnek. Ugyanakkor a nagy magaágban való működéük minél kiebb rezgéekkel kell járjon, ellenkező eetben károan befolyáolják a terep állatvilágát. Az említett igényeket cak igen komplex é nagy pontoágú fogakerékhajtóművekkel lehet kielégíteni. Kutatáaink keretében az m = 8...14 mm-rű bolygókerekek technológiájával foglalkoztunk. A 3. ábrán a kerék kontrukció rajza látható, valamint az 1 táblázatban a technikai adatai. Amint a 3. ábra aló rézén láthatjuk, a fogprofil eltér a hagyományo evolven fogazatok alakjától, é annak érdekében, hogy ezt a komplex alakú fogazatot megfelelő pontoággal é felületi érdeéggel leheen megmunkálni, a CNC vezérléhez folyamodtunk. 1. táblázat A 3. ábrán feltüntetett bolygókerék adatai Fogzám 17 Pitch diameter 142.24 Diametral 3.0357 Alapkörátmérő 128.913 pitch Modul 8.367 Fejkör 162.306 átmérője Kapcoló zög 25 Fogmagaág 10.033 3. A kifejleztett fogazat imítái technológia A zélturbinák hajtóműveiben alkalmazott komplex profilkorrekció fogakerekek imίtó megmunkáláa érdekében a nagyváradi TECHTRANS, valamint a zatmárnémeti UNIO gyárakkal közöen, egy hagyományo NILES tipuú fogakerék-közörűgépet felújítottunk, japán FANUC vezérléel (4. ábra). 4. ábra. A FANUC vezérléel felújított fogközörűgép munkatere 5. ábra. A CNC fogközörűgép felépítée é koordináta-rendzere A közörűlendő fogakerék legördüléi mozgáát a közörűkorong által megvalóított burkoló fogalécen, a Z tengelyirányú elmozdulá, valamint a B tengely körüli forgáal valóítottuk meg (5. ábra). Az X tengelyirányú mozgá zintén CNC vezérelt, é vele bizoítható a zükége tengelytávolág. Az Y tengelyirányú mozgáal a hozirányú profilmódoítáokat lehet programozni, míg 92
A zöldenergiák előállítáának technikai apektuai az X tengely körüli forgáal a zerzám dőléi zögét. Általában egy profilkorrekció nélküli fogárok megközörülééhez a 2. táblázatban feltüntetett műveletelemek zükégeek. 2. táblázat. Egy fogárok közörülééhez zükége alapművelet-elemek A műveletelem Műveletelem elnevezée záma f0 A zerzám megfelelő beállítáa az előmunkált fogárokba f1 Beforgatá a bal fogoldal kezdőpontjába f2 A zerzám é az előnagyolt bal fogoldal közötti játék megzüntetée f3 A bal fogoldal közörülée f4 Átgördíté a jobb fogoldalra f5 A zerzám é az előnagyolt jobb fogoldal közötti játék megzüntetée f6 A jobb fogoldal közörülée f7 Egy foggal való oztá A profilkorrekció fogprofilok legördülééhez az f3 é f4 műveletelemeket fel kellet bontani három illetve négy zakazra. Ezek zerint egy profilkorrekció fogárok közörülééhez minimum 14 műveletelem paramétereit kellett meghatározni. Erre a célra több matematikai algoritmut fejleztettünk ki. 4. A CNC vezérlé programozáához zükége paraméterek meghatározáához kifejleztett algoritmuok A CNC vezérlét igen precizen kellett beprogramozni, valamennyi műveletelem zámára, főleg a profilkorrekció fogazatok eetében. Ennek érdekében egy aját elképzelé zerint a fogrofil három jellegzete rézét, három különböző evolven zakazal valóítottam meg (6. ábra). 6. ábra. A három evolven zakazból kialakított fogprofil 93
Gyenge Caba A három evolven zakaz burkoláa három kapcoló egyeneen történik, amelyek az R, R ér alapkörökhöz tartoznak (7. bf ábra). b ba 7. ábra. A profilkorrekció fogprofil kapcoló egyeneei Az algoritmuok felépítée céljából pontoan meg kellett határozni a technológiai kapcoló pár jellegzete relatív helyzeteit (8. ábra). Az ábrán látható tangenciáli, valamint forgáirányú paraméterek meghatározáa céljából több algoritmut fejleztettünk ki a különböző zabványok zerint tervezett fogakerekek zámára (DIN, STAS, AGMA, Stb.) (3. táblázat). 94
A zöldenergiák előállítáának technikai apektuai 8. ábra. A technológiai kapcoló pár jellegzete helyzetei, CNC fogközörülénél 3. táblázat. Kifejleztett algoritmuok hengere fogakerekek CNC közörüléére Szám Algoritmu Elnevezée kódja 1 Ag. 1.1. Általáno algoritmu profileltoláo dőlt fogú fogakerekek zámára 2 Ag. 1.m Módoított algoritmu profileltoláo é profilkorrekció dőlt fogú fogakerekek zámára 3 Ag. 1m.x Módoított algoritmu profileltoláo é profilkorrekció AGMA fogakerekek zámára 4 Bg. 1.1 Általáno algoritmu profilkorrekció nélküli egyene fogú fogakerekek zámára Alkalmazái terület R f R b coαt α t t α R f R b coαt α α t R f R b coαt α α t R f R b coαt α α 95
Gyenge Caba 5 Bg. 1.m Módoított algoritmu profileltoláo é profilkorrekció egyene fogú fogakerekek zámára 6 Bg.1.m.x Módoított algoritmu profileltoláo é profilkorrekció AGMA ferde fogú fogakerekek zámára R f R b coαt α α t t R f R b coαt α α A 4. táblázatban egyene fogazatú, AGMA normák zerint tervezett profilkorrekció fogakerekek CNC közörülééhez zükége paraméterek matematikai meghatározáa látható. 4. táblázat. Bg.1m. Algoritmu a módoított algoritmu profileltoláo é profilkorrekció egyene fogú, AGMA normák zerint tervezett fogakerekek CNC közörülééhez Fogzakaz Z irányú tangenciáli mozgá B irányú körmozgá Láb 1 2 2 l gf = Rqf + α f coα ϕ qf = arctg 2 2 Rqf Rb a f R f Közép 1 l g= coα 2 2 Rqa 2 Rqf 2 ϕ g= arctg 2 2 Rqa Rb 2 2 Rqf Fej 2 2 2 2 Ra Rg l = ga αa coα ϕ ga= arctg R R 2 a 2 b R b R 2 qa R 2 b α a + α f Rb Termézeteen a megvalóított CNC géppel bármilyen profileltoláo fogazat i közörülhető. Ugyanakkor megfelelő programozáal körhagyó fogazatok (9. ábra) i közörülhetők, anélkül hogy bármilyen ablonra vagy má vezérlére zükég lenne. 9. ábra. Körhagyó fogakerék 96
A zöldenergiák előállítáának technikai apektuai A fentiekből megállapíthatók a kifejleztett fogközörűgép é technológia legfontoabb jellemzői: ninc zükég a hagyományo beállítához zükége váltókerekekre, é ezáltal a beállítá nagyon egyzerű; a beállítá a géphez catolt zámítógéppel történik; a gép rugalma, többcélú felhaználát biztoít; bármilyen profilkorrekció é profileltolá megvalóítható; nem zükége a zerzám é a megmunkálandó fogazat profilzögeinek egyenlőnek lennie; megfelelő továbbfejleztéel hordóalakú, valamint hengere-kúpo (Maag Tachenbuch 1985) fogakerekek i közörülhetők. 5. Ipari kutatáok A kifejleztett technológiát a zatmárnémeti UNIO gyárban vezettük be, é mai napig i ikereen alkalmazzák. Az előzete gyakorlati kíérleteket az 5. táblázatban imertetett adatú fogakerekekre végeztük. A tezt fogakerekeket egy CNC fogakerékmérő központon ellenőriztük (10. ábra). 10. ábra. Az UNIO gyár tulajdonában lévő CNC fogakerék-ellenörző központ A 11. é 12. ábrákon a fogprofil, valamint oztáhiba diagramjai láthatók. 5. táblázat. A gyakorlati kíérletek keretében megmunkált é leellenőrzött fogakerekek adatai 97
Gyenge Caba 11. ábra. A fogprofil é -irány diagramja 98
Műzaki tudományo közlemények 1. 12. ábra. Oztáhibák diagramja 99
Gyenge Caba A rézlete ellenőrzéek alapján a kifejleztett technológiával előállított komplex profilú fogakerekek beillezkednek a DIN 3962 zabvány 5. pontoági oztályába, é a zélturbinákat gyártó németorzági cég megfelelőknek találta. 6. Következtetéek A minél komplexebb kontrukciójú hajtóművek, valamint az igényelt pontoági é működéi feltételek új technológiákat igényelnek. A CNC vezérléek nagy egítéget nyújtanak ez irányban, de ezek megfelelő programozáa é beállítáa megfelelő fogazákinematikai é matematikai zámítáokat igényelnek. Az utoló 4 évben coportunk a zélturbinákban alkalmazott hajtóművek fogakerekei korzerű technológiájának fejleztéével i foglalkozott. A tatiztikai előrejelzéek zerint 2030-ban a világ őzenergia zükéglete kb. 50%-kal lez nagyobb a motanihoz vizonyítva. A kőolajé földgáztartalékok, zintén az előrejelzéek zerint, alig 2040 2070-ig tudják fedezni a zükégleteket. A fentiek következtében a zakemberek mind jobban kell figyeljenek a megújuló energiaforráokra, é így mind nagyobb fejlődé ézlelhető a zélenergiát felhaználó turbinák fejleztéében, gyártáában. A zélturbinák minél környezetkímélőbb működée é élettartalma nagymértékben függ a beépített hajtóművektől i. Ezek zerint úgy értékelhetjük, hogy a fentiekben imertetett ez irányú kutatáaink hozzájárulhatnak e turbinák felépítéi é működéi paramétereinek javítáához. Szakirodalmi hivatkozáok [1] Bonori,G:, Optimum profile modification of pur gear by mean of genetic algorithm. Journal of Sound and Vibration Volum 313, Iue 3-5,17 June 2008. 603 616. [2] Gyenge, C., Mera, M., Bâlc,N.: Reearch on Calculating the Parameter Value for Modification the Longitudinal Profile of the Cylindrical Gear. In: Poceeding of DAAAM 2001, 24-27 Okt. Jena. ISBN 3-901-19-4,175 176.. [3] Gyenge, C., Bob, M, Bob, D.: Meaurment of a pur gear on a BROWN&SHARPE GHIBLI TRAX machine uing QUINDOS. Anal of DAAAM for 2006 proceeding, Vienna. ISSN 1726-9679:151 152. [4] Gyenge, C., Bob, M., Ro, O.: Some characteritic apect regarding grinding of pur gear with profil modification. In: The 20th DAAAM INTERNATIONAL SYMPOSIUM "Intelligent Manufacturing & Automation ISSN 1726-9679. 645 646. [5] Rafa, A., Gyenge, CS.: Some pecific apect regarding the manufacturing of renewable energy exploitation equipment. In: MicroCAD International Scientific Conference. Mikolc Hungary 20-21 March 2010 (pag. 191-196) ISBN 978-963-661-4 0. ISBN 978-963-661-823-0. 191 196. [6] Rafa, A., Gyenge, C., Pacurar, A.: Applied mathematical algorithm at the manufacturing of gear with profile modification. Acta Tehnica Napoceni Applied mathematic and mechanic, Volume 55, Iue 1., 249 252, 2012; ISSN- 1221-5872. [7] http://www.ine.ro. [8] http://www.ewea.org. 100