By Dr John Coultate, Head of Engineering Development
& Mike Hornemann, Reliability Engineer
Romax InSight

過去にさかのぼってみましょう。

実用規模の風力タービンがキロワットクラスから今日設置されている数メガワットの機械へと発展するにつれ、ナセル内のコンポーネントも新しい電力需要に対応するために進化してきました。 そこで、エンジニアが挑戦し、メーカーが実現しました。

かつては既製の産業用ギアボックスだったものが、今では数メガワットのタービンに典型的な厳しい条件を満たすために独自に設計されています。 最新のギア付きタービンは、通常、低速遊星段と2つの平行段を持つ3段ギアボックスを備えています。 9032>

このギヤボックス設計は、500kW～2.5MWのタービンにおいて経済的であることも実証されています。 しかし、風力タービンのギアボックス業界では、長寿命化がまだ満たされていない課題の1つとなっています。 タービンのギヤボックスの設計寿命は通常20年とされていますが、10年を超えているものはほとんどありません。 その答えの一つは、ギアとベアリングの寿命の定義の仕方にあります。 ギアボックスの部品の寿命は確率的であり、決定論的ではありません。 つまり、あるパラメータを与えて確率を推定することはできても、部品がいつ故障するかを正確に予測することは不可能です。

現代の設計。 この3段（遊星／並列／並列）設計は、より最近のギアボックスに共通しています。

風力タービン駆動系は、起動、停止、緊急停止、グリッド接続時に激しく変動する過渡負荷を受けることを念頭に置いています。 タービンの負荷は、風力発電所内の位置や地形によって異なります。 トルクが反転するような負荷の場合、負荷がかかる場所が急に変わるので、ローラーが横滑りし、ベアリングに特にダメージを与える可能性があります。 表面疲労の一種であるマイクロピッティングは、寿命に影響を与えるベアリングの損傷の一例です。

ベアリングの寿命は一般的に「L10」寿命と定義されており、これはベアリングの10%が故障するまでの期間とされています。 あるベアリングのL10が20年だとすると、そのベアリングが20年未満で故障する確率は10%です。 これは、メーカーや風力発電事業者に「寿命」を確率で考えさせるという意味で重要です。

また、風力タービンには1つ以上の軸受があることを考慮することも重要です。 一般的なドライブトレインには、主軸受、ギアボックス、発電機の軸受など、20～25個の軸受があります。 では、ドライブトレインの各軸受のL10寿命を組み合わせて、”システムレベルの寿命 “を計算するとどうなるでしょうか。 25個のベアリングがあり、すべてのL10設計寿命が20年であるドライブトレインの単純計算では、20年以内に1個以上のベアリングが故障する確率は93%であることがわかります。

一般的な風力タービンには20～25個のベアリングがあり、寿命のシステムレベルの信頼性計算でそのすべてを考慮しなければなりません。

この計算に基づいて、ウィンドファームのほぼすべてのギアボックスは20年以内に故障しそうだということがわかります。 これは衝撃的なことに思えるかもしれませんが、現場の現実なのです。 多くの風力発電事業者は、ほとんどのギアボックスは、20 年の寿命が尽きる前に、新しい高速ステージ シャフトやベアリングなど、何らかのアップタワー修理が行われるか、交換されていることを証言します。 同じ計算で、7年以内に1個以上の軸受が故障する確率は37％です。

この結果は、単純化された計算によるもので、全体的な傾向を示すためのものですが、驚くべき結果を示しています。 残念ながら、この計算では、非疲労故障モードを考慮に入れていないため、ギアボックスの故障率が低く見積もられてしまうことがあります。

これが、「設計寿命」という言葉が誤解を招く理由であり、現場の多くのギヤボックスが20年未満で故障する理由の1つでもあるのです。 これらの不具合を軽減する方法の1つは、タービンの全寿命期間を通じて、より信頼性の高いエンジニアリング手法を採用することです。 たとえば、信頼できる運転データと過去の故障率とともに、設計基準とシミュレーションを使用することで、ドライブトレインの故障の正確な予測を提供することが可能です

この記事は、2018年の再生可能エネルギーガイドブックに掲載されたものです。 出版物の全文はこちら

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