Przez Dr. John Coultate, Szef Działu Rozwoju Inżynieryjnego
& Mike Hornemann, Inżynier ds. niezawodności
Romax InSight

Widok z przeszłości. Oto przykład konstrukcji 2-stopniowej przekładni równoległej, typowej dla turbiny wiatrowej z połowy lat 90-tych.

W miarę rozwoju turbin wiatrowych na skalę przemysłową, od klasy kilowatowej do maszyn o mocy wielu megawatów instalowanych obecnie, komponenty wewnątrz gondoli również ewoluowały, aby nadążyć za nowymi wymaganiami dotyczącymi mocy.

Przekładnie napędowe, w szczególności, musiały ulec znacznym zmianom, aby sprostać silniejszym, bardziej zmiennym obciążeniom wiatrowym i wyższym poziomom mocy – i to bez znacznego wzrostu kosztów. Tak więc inżynierowie podjęli wyzwanie, a producenci je zrealizowali.

To, co kiedyś było standardową, przemysłową skrzynią biegów, jest teraz unikalnie zaprojektowane, aby sprostać trudnym warunkom typowym dla turbiny o mocy wielu megawatów. Nowoczesna turbina z przekładnią ma zazwyczaj 3-stopniową przekładnię z niskoobrotowym stopniem planetarnym i dwoma stopniami równoległymi. Dzięki zastosowaniu przekładni planetarnych, projektanci stworzyli przekładnie o dużej mocy, które są wystarczająco trwałe, aby wytrzymać trudne obciążenia, a jednocześnie wystarczająco kompaktowe, aby utrzymać rozsądny rozmiar gondoli.

Ta konstrukcja przekładni okazała się również ekonomiczna dla turbin o mocy znamionowej od 500 kW do 2,5 MW. Jednakże długowieczność jest jednym z wyzwań, które wciąż pozostają niespełnione w branży przekładni turbin wiatrowych. Przekładnie turbinowe są zazwyczaj projektowane na 20 lat, ale niewiele z nich przekracza próg 10 lat.

Skąd ta rozbieżność? Część odpowiedzi leży w sposobie definiowania żywotności przekładni i łożysk. Żywotność elementów przekładni jest stochastyczna, a nie deterministyczna. Oznacza to, że nie można dokładnie przewidzieć, kiedy element ulegnie awarii, chociaż możliwe jest oszacowanie prawdopodobieństwa, biorąc pod uwagę pewne parametry.

Nowoczesna konstrukcja. Ta 3-stopniowa (planetarna / równoległa / równoległa) konstrukcja jest wspólna dla nowszych przekładni.

Należy pamiętać, że układy napędowe turbin wiatrowych podlegają poważnym i zmiennym obciążeniom podczas rozruchu, wyłączenia, zatrzymania awaryjnego i podłączenia do sieci. Obciążenie turbiny zależy od jej lokalizacji na farmie wiatrowej i ukształtowania terenu. Przypadki obciążenia skutkujące odwróceniem momentu obrotowego mogą być szczególnie szkodliwe dla łożysk, ponieważ wałeczki mogą się ślizgać podczas nagłego przemieszczania strefy obciążonej. Mikropitting, forma zmęczenia powierzchni, jest jednym z przykładów uszkodzeń łożysk, które mogą wpływać na ich trwałość.

Żywotność łożyska jest ogólnie definiowana jako trwałość „L10”, czyli czas, po którym 10% łożysk ulegnie awarii. Jeśli L10 dla jednego łożyska wynosi 20 lat, to istnieje 10% szans, że łożysko ulegnie awarii w czasie krótszym niż 20 lat. Jest to ważne, ponieważ zmusza producentów i operatorów wiatrowych do myślenia o „żywotności” w kategoriach prawdopodobieństwa.

Ważne jest również, aby wziąć pod uwagę, że turbina wiatrowa ma więcej niż jedno łożysko. Typowy układ napędowy ma od 20 do 25 łożysk, w tym łożyska główne, łożyska przekładni i łożyska generatora. Co się więc stanie, jeśli połączymy trwałość L10 dla każdego łożyska w układzie napędowym, aby obliczyć „trwałość na poziomie układu?”. Proste obliczenie dla układu napędowego z 25 łożyskami, z których wszystkie mają trwałość L10 równą 20 lat, wskazuje, że prawdopodobieństwo awarii jednego lub więcej łożysk w ciągu 20 lat wynosi 93%.

Typowa turbina wiatrowa zawiera od 20 do 25 łożysk, z których wszystkie muszą być uwzględnione w obliczeniach niezawodności na poziomie systemu, dotyczących oczekiwanej trwałości.

W oparciu o te obliczenia, prawie wszystkie przekładnie w farmie wiatrowej prawdopodobnie ulegną awarii w ciągu 20 lat. Może się to wydawać szokujące, ale taka jest rzeczywistość w terenie. Wielu operatorów elektrowni wiatrowych potwierdzi, że większość przekładni została wymieniona lub przeszła naprawę, np. nowy wał lub łożyska, na długo przed upływem 20-letniego okresu eksploatacji.

Zadajmy sobie teraz pytanie, ile przekładni ulegnie awarii w ciągu siedmiu lat? Te same obliczenia wskazują, że prawdopodobieństwo awarii jednego lub więcej łożysk w ciągu siedmiu lat wynosi 37%. Oznacza to, że ponad jedna trzecia przekładni ulegnie jakiemuś rodzajowi awarii łożyska.

Te wyniki pochodzą z uproszczonych obliczeń i mają na celu jedynie pokazanie ogólnych tendencji, ale pokazują pewne zaskakujące wnioski. Niestety, obliczenia te mogą zaniżać wskaźniki awaryjności przekładni, ponieważ nie uwzględniają trybów awarii innych niż zmęczeniowe. Dobra wiadomość jest taka, że w praktyce niektóre łożyska mają trwałość przekraczającą 20 lat, ponieważ ich rozmiar jest podyktowany innymi czynnikami, takimi jak sztywność lub współczynniki bezpieczeństwa w przypadkach ekstremalnych obciążeń.

Dlatego właśnie termin „trwałość projektowa” jest mylący i jest jednym z powodów, dla których wiele przekładni w terenie ulega awarii w czasie krótszym niż 20 lat. Jednym ze sposobów na złagodzenie tych awarii jest zastosowanie bardziej niezawodnych metod inżynieryjnych przez cały okres eksploatacji turbiny. Na przykład, wykorzystując standardy projektowe i symulacje, wraz z wiarygodnymi danymi operacyjnymi i historycznymi wskaźnikami awarii, można zapewnić dokładne prognozy awarii układu napędowego.

Ten artykuł był częścią naszego Poradnika Energii Odnawialnej 2018. Zobacz pełną wersję publikacji tutaj.