Door Dr. John Coultate, Hoofd Engineering Development
& Mike Hornemann, Reliability Engineer
Romax InSight

Een knaller uit het verleden. Hier ziet u een voorbeeld van een tandwielkastontwerp met twee parallelle trappen, kenmerkend voor een windturbine uit het midden van de jaren negentig.

Toen windturbines op nutsschaal zich ontwikkelden van de kilowattklasse tot de multi-megawattmachines die vandaag de dag worden geïnstalleerd, zijn de onderdelen in een gondel ook geëvolueerd om gelijke tred te houden met de nieuwe eisen die aan het vermogen worden gesteld.

De aandrijflijnen in het bijzonder moesten aanzienlijk veranderen om te kunnen voldoen aan sterkere, meer variabele windbelastingen en hogere vermogensniveaus – en dat zonder aanzienlijke kostenstijgingen. Dus, ingenieurs namen de uitdaging aan en fabrikanten leverden.

Wat ooit een kant-en-klare, industriële tandwielkast was, is nu uniek ontworpen om te voldoen aan de zware omstandigheden die typisch zijn voor een multi-megawatt turbine. Een moderne turbine met tandwieloverbrenging heeft doorgaans een drietraps tandwielkast met een planetaire trap met lage snelheid en twee parallelle trappen. Door gebruik te maken van planetaire tandwielen hebben ontwerpers krachtige tandwielkasten gecreëerd die duurzaam genoeg zijn om zware belasting te weerstaan, maar toch compact genoeg om een redelijke grootte van de gondel te behouden.

Dit tandwielkastontwerp is ook economisch gebleken voor turbines met vermogens tussen 500 kW en 2,5 MW. Een lange levensduur is echter de enige uitdaging die de windturbine tandwielkastindustrie nog moet aangaan. Turbine tandwielkasten hebben een levensduur van 20 jaar, maar slechts weinigen halen de 10 jaar.

Waarom deze discrepantie? Een deel van het antwoord ligt in de manier waarop de levensduur van tandwielen en lagers wordt gedefinieerd. De levensduur van een tandwielkastonderdeel is stochastisch, niet deterministisch. Dit betekent dat het onmogelijk is nauwkeurig te voorspellen wanneer een onderdeel het zal begeven, ook al is het mogelijk de waarschijnlijkheid te schatten gegeven bepaalde parameters.

Een modern ontwerp. Dit 3-traps (planetair / parallel / parallel) ontwerp is gebruikelijk in recentere tandwielkasten.

Bedenk dat aandrijflijnen van windturbines zware en variabele transiënte belastingen ondergaan tijdens opstarten, uitschakelen, noodstops en netkoppelingen. De belasting van een turbine is afhankelijk van de locatie in het windmolenpark en het terrein. Belastingsgevallen die resulteren in koppelomkeringen kunnen bijzonder schadelijk zijn voor lagers omdat de rollen kunnen slippen tijdens de plotse verplaatsing van de belaste zone. Micropitting, een vorm van oppervlaktevermoeiing, is een voorbeeld van schade in lagers die de levensduur kan beïnvloeden.

De levensduur van een lager wordt over het algemeen gedefinieerd als de ‘L10’-levensduur, dat is de duur waarna 10% van de lagers defect zal raken. Als L10 voor een lager 20 jaar is, dan is er een kans van 10% dat het lager het binnen 20 jaar begeeft. Dit is belangrijk omdat het fabrikanten en windturbine-exploitanten dwingt na te denken over “levensduur” in termen van waarschijnlijkheden.

Het is ook belangrijk te bedenken dat een windturbine meer dan één lager heeft. Een typische aandrijflijn heeft 20 tot 25 lagers, inclusief de hoofdlagers, versnellingsbak en generatorlagers. Dus wat gebeurt er als we de L10 levensduur voor elk lager in een aandrijflijn combineren om een “levensduur op systeemniveau” te berekenen? Een eenvoudige berekening voor een aandrijflijn met 25 lagers, allemaal met een L10-ontwerplevensduur van 20 jaar, geeft aan dat de kans dat een of meer lagers het binnen 20 jaar begeven 93% is.

Een typische windturbine bevat 20 tot 25 lagers, die allemaal in aanmerking moeten worden genomen bij een betrouwbaarheidsberekening op systeemniveau van de levensverwachting.

Op basis van deze berekening is het waarschijnlijk dat bijna alle tandwielkasten in een windmolenpark het binnen 20 jaar zullen begeven. Dit lijkt misschien schokkend, maar het is een realiteit in het veld. Veel windturbine-exploitanten zullen bevestigen dat de meeste tandwielkasten zijn vervangen of op de een of andere manier zijn gerepareerd, zoals een nieuwe as of lagers voor een hogesnelheidstrap, lang voordat de levensduur van 20 jaar is verstreken.

Nu de vraag: hoeveel tandwielkasten gaan er binnen zeven jaar kapot? Dezelfde berekening geeft aan dat de kans dat een of meer lagers het binnen zeven jaar begeven 37% is. Dit betekent dat meer dan een derde van de tandwielkasten een of ander lagerprobleem zal krijgen.

Deze resultaten komen uit een vereenvoudigde berekening en zijn alleen bedoeld om algemene trends te laten zien, maar ze laten een aantal opzienbarende bevindingen zien. Helaas kan de berekening het aantal defecte tandwielkasten onderschatten, omdat er geen rekening wordt gehouden met niet-moeheidsfalen. Maar het goede nieuws is dat in de praktijk sommige lagers een ontwerplevensduur van meer dan 20 jaar hebben, omdat hun grootte wordt gedicteerd door andere factoren, zoals stijfheid of veiligheidsfactoren bij extreme belasting.

Daarom is de term “ontwerplevensduur” misleidend, en een van de redenen waarom veel tandwielkasten in het veld het in minder dan 20 jaar begeven. Een manier om deze defecten te beperken is het gebruik van meer betrouwbare engineering methoden gedurende de gehele levensduur van een turbine. Met behulp van ontwerpnormen en simulaties, samen met betrouwbare operationele gegevens en historische storingspercentages, is het bijvoorbeeld mogelijk om nauwkeurige voorspellingen te doen van defecten aan de aandrijflijn.

Dit artikel maakte deel uit van onze 2018 Renewable Energy Guidebook. Bekijk de volledige publicatie hier.