By Dr. John Coultate, műszaki fejlesztési vezető
& Mike Hornemann, megbízhatósági mérnök
Romax InSight

Egy robbanás a múltból. Itt egy példa egy 2 párhuzamos fokozatú sebességváltó kialakítására, amely az 1990-es évek közepének szélturbináira jellemző.

Amint a közcélú szélturbinák a kilowattos kategóriától a ma telepített több megawattos gépekig fejlődtek, a gondolán belüli alkatrészek is fejlődtek, hogy lépést tartsanak az új teljesítményigényekkel.

Különösen a hajtásláncoknak kellett jelentősen megváltozniuk, hogy megfeleljenek az erősebb, változó szélterhelésnek és a nagyobb teljesítményszinteknek – és mindezt jelentős költségnövekedés nélkül. A mérnökök tehát felvállalták a kihívást, a gyártók pedig teljesítették azt.

Az egykor kész ipari sebességváltó ma már egyedülállóan a több megawattos turbinákra jellemző zord körülményeknek való megfelelésre lett tervezve. Egy modern fogaskerekes turbina jellemzően 3 fokozatú sebességváltóval rendelkezik, egy alacsony fordulatszámú bolygóműves fokozattal és két párhuzamos fokozattal. A bolygóművek alkalmazásával a tervezők olyan nagy teljesítményű sebességváltókat hoztak létre, amelyek elég tartósak ahhoz, hogy ellenálljanak a kemény terhelésnek, ugyanakkor elég kompaktak ahhoz, hogy a gondola mérete ésszerű maradjon.

Ez a sebességváltó-konstrukció az 500 kW és 2,5 MW közötti teljesítményű turbinák esetében is gazdaságosnak bizonyult. A hosszú élettartam azonban az egyetlen kihívás, amely még mindig nem megoldott a szélturbinák sebességváltóiparában. A turbinák hajtóműveinek tervezési élettartamát általában 20 évre adják meg, de csak kevesen érik meg a 10 évet.

Miért ez az eltérés? A válasz részben a fogaskerekek és csapágyak élettartamának meghatározásában rejlik. Egy sebességváltó-alkatrész élettartama sztochasztikus, nem determinisztikus. Ez azt jelenti, hogy nem lehet pontosan megjósolni, hogy egy alkatrész mikor fog meghibásodni, még ha bizonyos paraméterek mellett meg is lehet becsülni a valószínűséget.

Egy modern konstrukció. Ez a 3 fokozatú (bolygómű / párhuzamos / párhuzamos) kialakítás az újabb sebességváltókban gyakori.

Ne feledjük, hogy a szélturbinák hajtásláncai súlyos és változó tranziens terhelésnek vannak kitéve az indítások, leállások, vészleállások és hálózati csatlakozások során. A turbina terhelése függ a szélerőműparkban való elhelyezkedésétől és a terepviszonyoktól. A nyomaték megfordulását eredményező terhelési esetek különösen károsak lehetnek a csapágyakra, mivel a terhelt zóna hirtelen áthelyezése során a görgők megcsúszhatnak. A mikropitting, a felületi fáradás egy formája, a csapágyak károsodásának egyik példája, amely befolyásolhatja a csapágyak élettartamát.

A csapágyak élettartamát általában az “L10” élettartamként határozzák meg, amely az az időtartam, amely után a csapágyak 10%-a meghibásodik. Ha az L10 egy csapágy esetében 20 év, akkor 10% az esélye annak, hogy a csapágy 20 évnél rövidebb idő alatt meghibásodik. Ez azért fontos, mert arra kényszeríti a gyártókat és a szélerőművek üzemeltetőit, hogy az “élettartamról” valószínűségekben gondolkodjanak.

Azt is fontos figyelembe venni, hogy egy szélturbina egynél több csapágyat tartalmaz. Egy tipikus hajtáslánc 20-25 csapágyat tartalmaz, beleértve a főcsapágyakat, a hajtóművet és a generátorcsapágyakat. Mi történik tehát, ha a hajtáslánc minden csapágyának L10 élettartamát kombináljuk, hogy kiszámítsuk a “rendszerszintű élettartamot”? Egy egyszerű számítás egy 25 csapágyat tartalmazó hajtásláncra, amelyek mindegyike 20 éves L10 tervezési élettartammal rendelkezik, azt mutatja, hogy egy vagy több csapágy 20 éven belüli meghibásodásának valószínűsége 93%.

Egy tipikus szélturbina 20-25 csapágyat tartalmaz, amelyek mindegyikét figyelembe kell venni az élettartam rendszerszintű megbízhatósági számításánál.

A számítás alapján egy szélerőműparkban szinte minden váltó valószínűleg 20 éven belül meghibásodik. Ez sokkolónak tűnhet, de a gyakorlatban ez a valóság. Sok szélerőmű-üzemeltető tanúsítja, hogy a legtöbb sebességváltót már jóval a 20 éves élettartam lejárta előtt kicserélték vagy átesett valamilyen felfelé irányuló javításon, például új nagysebességű fokozati tengelyt vagy csapágyakat kapott.

Most kérdezzük meg, hogy hány sebességváltó fog meghibásodni hét éven belül? Ugyanez a számítás azt mutatja, hogy egy vagy több csapágy hét éven belüli meghibásodásának valószínűsége 37%. Ez azt jelenti, hogy a sebességváltók több mint egyharmada szenved valamilyen csapágyhibát.

Ezek az eredmények egy egyszerűsített számításból származnak, és csak az általános tendenciák bemutatására szolgálnak, de néhány megdöbbentő megállapítást mutatnak. Sajnos a számítás alulbecsülheti a sebességváltók meghibásodási arányát, mivel nem veszi figyelembe a nem fáradásos meghibásodási módokat. A jó hír azonban az, hogy a gyakorlatban egyes csapágyak tervezési élettartama meghaladja a 20 évet, mivel méretüket más tényezők diktálják, például a merevség vagy a biztonsági tényezők a szélsőséges terhelések során.

Ez az oka annak, hogy a “tervezési élettartam” kifejezés félrevezető, és az egyik oka annak, hogy a gyakorlatban sok váltó 20 évnél rövidebb idő alatt meghibásodik. E meghibásodások mérséklésének egyik módja a turbina teljes élettartama alatt megbízhatóbb mérnöki módszerek alkalmazása. Például a tervezési szabványok és szimulációk alkalmazásával, valamint megbízható üzemeltetési adatokkal és korábbi meghibásodási arányokkal együtt pontos előrejelzéseket lehet adni a hajtáslánc meghibásodásairól.

Ez a cikk a 2018-as Megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos útmutató részeként jelent meg. A teljes kiadványt itt tekintheti meg.