Doktor John Coultate, vedoucí technického vývoje
&Mike Hornemann, inženýr spolehlivosti
Romax InSight

Výstřel z minulosti. Zde je příklad konstrukce dvoustupňové paralelní převodovky, typické pro větrné turbíny z poloviny 90. let.

Jak se větrné turbíny pro užitkové účely vyvíjely od kilowattové třídy až po dnes instalované několikamegawattové stroje, vyvíjely se i komponenty uvnitř gondoly, aby držely krok s novými požadavky na výkon.

Zejména hnací ústrojí se musela výrazně změnit, aby vyhovovala silnějšímu a proměnlivějšímu zatížení větrem a vyšším výkonům – a to bez výrazného zvýšení nákladů. Konstruktéři tedy přijali výzvu a výrobci ji splnili.

To, co bylo kdysi hotovou průmyslovou převodovkou, je nyní unikátně navrženo tak, aby vyhovovalo náročným podmínkám typickým pro několikamegawattové turbíny. Moderní turbína s převodovkou má obvykle třístupňovou převodovku s nízkootáčkovým planetovým stupněm a dvěma paralelními stupni. Použitím planetových převodovek konstruktéři vytvořili vysoce výkonné převodovky, které jsou dostatečně odolné, aby vydržely náročné zatížení, a zároveň dostatečně kompaktní, aby byla zachována rozumná velikost gondoly.

Tato konstrukce převodovek se ukázala jako hospodárná i pro turbíny s výkonem od 500 kW do 2,5 MW. Jednou z dosud nevyřešených výzev v oblasti převodovek pro větrné turbíny je však dlouhá životnost. Životnost převodovek turbín se obvykle udává na 20 let, ale jen málo z nich se dožije více než 10 let.

Proč takový rozdíl? Část odpovědi spočívá ve způsobu, jakým je definována životnost ozubených kol a ložisek. Životnost součásti převodovky je stochastická, nikoli deterministická. To znamená, že nelze přesně předpovědět, kdy součást selže, i když je možné odhadnout pravděpodobnost vzhledem k určitým parametrům.

Moderní konstrukce. Tato třístupňová (planetová / paralelní / souběžná) konstrukce je běžná u novějších převodovek.

Mějte na paměti, že pohony větrných turbín jsou vystaveny silnému a proměnlivému přechodnému zatížení při rozběhu, vypínání, nouzovém zastavení a připojení k síti. Zatížení turbíny závisí na jejím umístění ve větrné farmě a na terénu. Případy zatížení, které mají za následek reverzaci točivého momentu, mohou být pro ložiska obzvláště škodlivé, protože při náhlém přemístění zatížené zóny může dojít ke smyku válečků. Mikropitting, forma povrchové únavy, je jedním z příkladů poškození ložisek, které může ovlivnit jejich životnost.

Životnost ložiska je obecně definována jako životnost „L10“, což je doba, po které selže 10 % ložisek. Pokud je L10 pro jedno ložisko 20 let, pak existuje 10% pravděpodobnost, že ložisko selže za méně než 20 let. To je důležité, protože to nutí výrobce a provozovatele větrných elektráren uvažovat o „životnosti“ z hlediska pravděpodobnosti.

Je také důležité vzít v úvahu, že větrná turbína má více než jedno ložisko. Typické hnací ústrojí má 20 až 25 ložisek, včetně hlavních ložisek, převodovky a ložisek generátoru. Co se tedy stane, když spojíme životnost L10 pro každé ložisko v hnacím ústrojí a vypočítáme „životnost na úrovni systému“? Jednoduchý výpočet pro hnací ústrojí s 25 ložisky, z nichž všechna mají návrhovou životnost L10 20 let, ukazuje, že pravděpodobnost selhání jednoho nebo více ložisek během 20 let je 93 %.

Běžná větrná turbína obsahuje 20 až 25 ložisek, z nichž všechna musí být zohledněna ve výpočtu spolehlivosti na úrovni systému pro očekávanou životnost.

Na základě tohoto výpočtu je pravděpodobné, že téměř všechny převodovky ve větrné farmě selžou během 20 let. To se může zdát šokující, ale v praxi je to realita. Mnoho provozovatelů větrných elektráren potvrdí, že většina převodovek byla vyměněna nebo prošla nějakou opravou na věži, například novou hřídelí vysokorychlostního stupně nebo ložisky, dlouho před uplynutím dvacetileté životnosti.

Nyní se zeptejme, kolik převodovek selže do sedmi let? Ze stejného výpočtu vyplývá, že pravděpodobnost selhání jednoho nebo více ložisek do sedmi let je 37 %. To znamená, že více než třetinu převodovek postihne nějaká porucha ložiska.

Tyto výsledky pocházejí ze zjednodušeného výpočtu a mají pouze ukázat celkové trendy, ale ukazují některá překvapivá zjištění. Výpočet bohužel může podhodnocovat míru selhání převodovek, protože nezohledňuje jiné než únavové způsoby selhání. Dobrou zprávou však je, že v praxi některá ložiska nabízejí návrhovou životnost přesahující 20 let, protože jejich velikost je dána jinými faktory, jako je tuhost nebo bezpečnostní faktory při extrémních případech zatížení.

Proto je termín „návrhová životnost“ zavádějící a je jedním z důvodů, proč mnoho převodovek v provozu selhává za méně než 20 let. Jedním ze způsobů, jak tyto poruchy zmírnit, je použití spolehlivějších technických metod po celou dobu životnosti turbíny. Například pomocí konstrukčních norem a simulací spolu se spolehlivými provozními údaji a historickou poruchovostí je možné zajistit přesné předpovědi poruch hnacího ústrojí.

Tento článek byl součástí našeho Průvodce obnovitelnou energií 2018. Celou publikaci si můžete prohlédnout zde.