Режимы повреждений и отказов происходят раньше, чем ожидалось в существующих ветряных турбинах, и для многих операторов ветряных электростанций стоимость неожиданного ремонта, который не может быть выполнен на башне, складывается. Вот почему промышленность требует более продолжительного срока службы подшипников главного вала и редуктора, а производители работают над решениями для рынка.
Картинная галерея
Картинная галерея с 5 картинками
«Операторы планируют провести один или, может быть, два крупных капитальных ремонта в течение своего жизненного цикла», - сказал Тони Фиерро, инженер по приложениям Timken. «Проблема в том, что многие ветряные турбины требуют капитального ремонта в первые 7-10 лет. Это означает более высокие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание в течение жизненного цикла ветротурбины ».
Ветровые турбины оснащены несколькими различными роликовыми подшипниками, которые изнашиваются с разной скоростью. Более высокие нагрузки, которые возникают сегодня в более крупных ветровых турбинах, подвергают испытанию традиционные конструкции подшипников, особенно в случае подшипников с главным валом.
Дорогой ремонт
Каковы финансовые последствия для операторов ветропарков, если капитальный ремонт требуется каждые семь лет?
«Если мы предположим, что средний срок службы ветротурбины составляет 30 лет и что главный вал и редуктор должны ремонтироваться каждые семь лет, это означает четыре капитальных ремонта за жизненный цикл ветротурбины», - сказал г-н Фиерро. «С помощью лучшего складского решения операторы могут вдвое сократить количество капитальных ремонтов».
Например, ремонт основного вала и трансмиссии обходятся в 300 000 долларов, что означает общую стоимость в 1,2 млн. Долларов в течение жизненного цикла ветряной турбины. Если эти капитальные ремонты уменьшатся вдвое, это означает экономию до 60 миллионов долларов США в течение 30 лет для типичной ветряной электростанции с 100 ветряными турбинами.
Текущие проблемы дизайна
Модульные ветряные турбины обычно используют двухрядные сферические роликоподшипники для поддержки и поглощения нагрузки на главный вал. В частности, на рынке модульных ветротурбин доминируют сферические роликоподшипники в двух разных конфигурациях, а именно в виде трех- или четырехточечных подшипников.
В трехточечной конструкции главный вал поддерживается опорами крутящего момента редуктора и одним сферическим роликовым подшипником перед редуктором. Такое расположение позволяет укорочить гондолу машины и уменьшить массу ветряной турбины.
высокая деформация и смещение системы. Хотя эта конструкция имеет определенные преимущества, такие как меньший вес гондолы и более низкие начальные затраты на ветряную турбину, конструкция с двухрядным сферическим роликовым подшипником для главного вала и передачей нагрузки в коробку передач также имеет существенные недостатки.
Одна проблема состоит в том, что подшипник должен только поглощать радиальную реакцию и осевую нагрузку от ветра на ряд роликов, обращенных в сторону от ветра. Другая проблема заключается в том, что осевой прогиб и моментные нагрузки из-за увеличивающегося люфта подшипника передаются на подшипники планетарной опоры коробки передач по мере износа подшипника. Эта дополнительная нагрузка может влиять на планетарную передачу и, следовательно, на планетарную передачу и нагрузки на подшипники.
Возобновляемые источники энергии Германия 2018 года
Ветроэнергетика в условиях кризиса - мрачные события
В четырехточечной конструкции главный вал поддерживается опорами крутящего момента коробки передач и двумя основными подшипниками перед коробкой передач. Сферические роликоподшипники часто используются для этих основных подшипников, но другие типы подшипников, такие как конические и цилиндрические роликоподшипники, также распространены. Эта договоренность может потребовать:
- более длинная гондола машины и ветряная турбина с большим весом
- более высокая жесткость системы
- меньше деформации и смещения привода
Основные характеристики подшипников, как правило, лучше в ветрогенераторах с четырьмя точечными подшипниками, чем в системах с трехточечными подшипниками, но некоторые модели по-прежнему работают со сбоями, особенно когда в заднем положении используется сферический роликовый подшипник.
Обычные режимы отказа
микроуглублениям
Использование одного сферического роликоподшипника в положении главного вала ветротурбин класса MW изменилось - хотя раньше это было предпочтительной конструкцией, операторы сейчас ищут лучшее решение. Основной причиной этого является преждевременное повреждение, которое наблюдается с этим типом подшипника, в основном из-за микропиттинга (поверхностной усталости). Хотя официального ограничения не существует, для двухрядного сферического роликоподшипника считается приемлемым традиционное отношение осевой к радиальной нагрузке около 25%.
Фактические осевые нагрузки - в некоторых случаях до 60% - намного выше этого предела во многих крупных ветряных турбинах, и операторы все больше озабочены такими проблемами, как эффекты настройки, неравномерное распределение нагрузки между рядами, роликовые шкафы, нагрузки в клетке, чрезмерное выделение тепла и износ элементов качения. При этих высоких осевых нагрузках как радиальные, так и осевые нагрузки воспринимаются только ветряными рядами (DW, по ветру). Роликовый ряд с ветром (UP, Upwind) часто полностью разгружен, что приводит к неоптимальным условиям работы.
По этой причине подшипники главного вала в трехточечных подшипниковых ветряных турбинах часто испытывают одни и те же виды повреждений, включая микропиттинг, краевое напряжение, давление на концы роликов, выход из строя цельных сепараторов, износ и износ каркаса направляющего кольца, а также повреждение из-за остатков истирания. Это повреждение приводит к значительным эксплуатационным сбоям в раннем жизненном цикле ветряной турбины.
Компендиум дизайн машины
Разумный дизайн
Недостаточная смазка
Кроме того, рабочие условия на подшипнике главного вала обычно не идеальны для создания смазочной пленки. При максимальной рабочей скорости около 20 мин -1 скорость и толщина смазочной пленки зачастую недостаточны для разделения пиков шероховатости компонентов. Кроме того, положение и направление зоны нагрузки постоянно меняются из-за изменения шага и рыскания - практически без задержки. Структура и качество смазочной пленки нарушается.
В случае сферического роликового подшипника в ветротурбине с трехточечным подшипником этот процесс ускоряется. Сферические роликоподшипники работают с небольшим радиальным зазором, что увеличивает риск микропиттинга или износа. Ранние уровни износа и четко распознаваемая траектория износа в роликовом ряду, обращенном к ветру, рано или поздно изменяют предполагаемую геометрию контакта, что приводит к более высоким нагрузкам на гусеницу, чем рассчитывается, и в конечном итоге приводит к выходу из строя подшипника.
Улучшенные подшипники качения для существующих ветровых турбин
Износостойкие роликоподшипники
Для прямой замены на существующие ветряные турбины Timken разработал износостойкий (WR, Wear Resistant) сферический роликовый подшипник, в котором используется специальная технология обработки поверхности в сочетании с оптимизированными свойствами поверхности. Эти сферические роликоподшипники WR защищают дорожки качения от микропиттинга, значительно уменьшая силы сдвига и взаимодействие пиков шероховатости. Обработанная поверхность представляет собой прочное специальное покрытие из карбида вольфрама и аморфного углеводорода (WC / aC: H).
Эти покрытия в два-три раза тверже стали, имеют толщину от одного до двух микрометров и имеют низкий коэффициент трения при контакте со сталью. С этими элементами качения со специально обработанными поверхностями покрытие используется для сглаживания и ремонта дорожек качения, поврежденных остатками истирания во время работы. Это оптимизированное качество поверхности также увеличивает толщину смазочной пленки, что означает, что пики шероховатости разделены более эффективно. В сочетании эти улучшения уменьшают сдвиговые усилия, которые приводят к износу.
СОВЕТ КНИГИ С бионическими процессами компоненты могут быть сконструированы так, чтобы они выполняли свои структурно-механические функции с минимальными усилиями. Практическое пособие «Бионика в структурной оптимизации» является справочным пособием по ресурсосберегающему облегченному строительству для дизайнеров, разработчиков и студентов. Добавить файл
Конический роликоподшипник
В рамках нашей работы над проблемами, возникающими с сферическими роликоподшипниками, инженеры Timken нашли новое решение для ветряных турбин с трехточечными подшипниками в виде предварительно нагруженного конического роликового подшипника (TRB, конический роликовый подшипник).
Подшипник, который оснащен цельным двойным внутренним кольцом и двумя одиночными наружными кольцами, может использоваться в фиксированных положениях подшипников на вращающихся валах и является прямой заменой сферических роликовых подшипников основного вала от оригинального производителя (с использованием существующего корпуса блока отвода от оригинального производителя). Подшипник спроектирован таким образом, что оба ряда роликов одинаково воспринимают радиальные и осевые нагрузки; Кроме того, нагрузка на вход передачи снижается, поскольку подшипник может компенсировать небольшие угловые погрешности.
В полевых испытаниях конический роликоподшипник Timken показал снижение износа, лучшее выравнивание и меньшую нагрузку на входе в коробку передач (без дополнительной нагрузки на опоры крутящего момента) и повышенную жесткость системы. Предварительно нагруженное состояние этого высоконагруженного подшипника помогает снизить износ и скольжение роликовых элементов и гарантирует, что нагрузка распределяется по обоим рядам, и в то же время он может выдерживать большие смещения, чем конический роликовый подшипник с двойным наружным кольцом.
Оффшорная энергия ветра
Уменьшить подводный шум при строительстве ветропарков
вывод
В то время как подшипники качения выполняют свою критически важную функцию в современных ветряных турбинах класса MW, динамические и непредсказуемые нагрузки приводят к преждевременному и дорогостоящему ремонту. Надежность подшипников главного вала должна быть улучшена, чтобы ветроэнергетика могла продолжать расти. Рыночный спрос стимулирует разработку новых решений для преобразования отдельных сферических роликоподшипников в системах с трехточечными подшипниками, либо с износостойкими сферическими роликоподшипниками, либо с предварительно загруженной конструкцией конического роликоподшипника.