De Dr. John Coultate, șeful departamentului de dezvoltare tehnică
& Mike Hornemann, inginer de fiabilitate
Romax InSight

O explozie din trecut. Iată un exemplu de design al unei cutii de viteze cu 2 trepte paralele, tipică pentru o turbină eoliană de la mijlocul anilor 1990.

Pe măsură ce turbinele eoliene la scară utilitară s-au dezvoltat de la clasa de kilowați până la mașinile de mai mulți megawați instalate în prezent, componentele din interiorul unei nacelă au evoluat, de asemenea, pentru a ține pasul cu noile cerințe de putere.

Transmisia, în special, a trebuit să se schimbe semnificativ pentru a face față unor sarcini eoliene mai puternice și mai variabile și unor niveluri de putere mai mari – și fără creșteri semnificative ale costurilor. Așadar, inginerii au acceptat provocarea, iar producătorii au livrat-o.

Ceea ce a fost cândva o cutie de viteze industrială, de serie, este acum proiectată în mod unic pentru a face față condițiilor dure tipice unei turbine de mai mulți megawați. O turbină modernă cu angrenaje are, de obicei, o cutie de viteze cu 3 trepte, cu o treaptă planetară de viteză redusă și două trepte paralele. Prin utilizarea angrenajelor planetare, proiectanții au creat cutii de viteze de mare putere care sunt suficient de durabile pentru a rezista la sarcini dure, dar suficient de compacte pentru a menține o dimensiune rezonabilă a nacelei.

Acest proiect de cutie de viteze s-a dovedit, de asemenea, economic pentru turbine cu puteri nominale între 500 kW și 2,5 MW. Cu toate acestea, longevitatea este singura provocare încă nerezolvată în industria cutiilor de viteze pentru turbine eoliene. Cutiile de viteze ale turbinelor au, de obicei, o durată de viață de 20 de ani, dar puține trec de marca de 10 ani.

De ce această discrepanță? O parte a răspunsului se află în modul în care sunt definite duratele de viață ale angrenajelor și rulmenților. Durata de viață a unei componente a cutiei de viteze este stocastică, nu deterministă. Acest lucru înseamnă că este imposibil de prezis cu exactitate când o componentă se va defecta, chiar dacă este posibil să se estimeze probabilitatea având în vedere anumiți parametri.

Un proiect modern. Acest design în 3 trepte (planetar/paralel/paralel) este comun la cutiile de viteze mai recente.

Rețineți că transmisiile de acționare ale turbinelor eoliene sunt supuse unor sarcini tranzitorii severe și variabile în timpul pornirii, opririi, opririi de urgență și conectării la rețea. Sarcina unei turbine depinde de amplasarea acesteia în parcul eolian și de teren. Cazurile de încărcare care duc la inversarea cuplului pot fi deosebit de dăunătoare pentru rulmenți, deoarece rolele pot derapa în timpul relocării bruște a zonei încărcate. Micropittingul, o formă de oboseală superficială, este un exemplu de deteriorare a rulmenților care poate afecta longevitatea acestora.

Viața unui rulment este în general definită ca fiind durata de viață „L10”, care este durata după care 10% din rulmenți se vor defecta. Dacă L10 pentru un rulment este de 20 de ani, atunci există o șansă de 10% ca rulmentul să se defecteze în mai puțin de 20 de ani. Acest lucru este important deoarece forțează producătorii și operatorii eolieni să se gândească la „durata de viață” în termeni de probabilități.

Este, de asemenea, important să se ia în considerare faptul că o turbină eoliană are mai mult de un rulment. O transmisie tipică are între 20 și 25 de rulmenți, inclusiv rulmenții principali, cutia de viteze și rulmenții generatorului. Așadar, ce se întâmplă dacă combinăm durata de viață L10 pentru fiecare rulment dintr-o transmisie pentru a calcula o „durată de viață la nivel de sistem”? Un calcul simplu pentru o transmisie cu 25 de rulmenți, toți cu o durată de viață L10 de 20 de ani, indică faptul că probabilitatea ca unul sau mai mulți rulmenți să cedeze în decurs de 20 de ani este de 93%.

O turbină eoliană tipică conține între 20 și 25 de rulmenți, toți aceștia trebuind să fie luați în considerare într-un calcul de fiabilitate la nivel de sistem al speranței de viață.

Pe baza acestui calcul, aproape toate cutiile de viteze dintr-un parc eolian sunt susceptibile de a ceda în decurs de 20 de ani. Acest lucru poate părea șocant, dar este o realitate în domeniu. Mulți operatori eolieni vor atesta că majoritatea cutiilor de viteze au fost schimbate sau au trecut printr-un fel de reparație în susul turnului, cum ar fi un nou arbore de etaj de mare viteză sau rulmenți, cu mult înainte de expirarea duratei de viață de 20 de ani.

Acum să ne întrebăm câte cutii de viteze se vor defecta în șapte ani? Același calcul indică faptul că probabilitatea ca unul sau mai mulți rulmenți să cedeze în decurs de șapte ani este de 37%. Acest lucru înseamnă că mai mult de o treime din cutiile de viteze vor suferi un fel de defecțiune a rulmenților.

Aceste rezultate provin dintr-un calcul simplificat și au doar scopul de a arăta tendințele generale, dar arată niște constatări surprinzătoare. Din nefericire, calculul poate subestima ratele de defectare a cutiei de viteze, deoarece nu ia în considerare modurile de defectare care nu sunt cauzate de oboseală. Dar vestea bună este că, în practică, unii rulmenți oferă o durată de viață de proiectare mai mare de 20 de ani, deoarece dimensiunea lor este dictată de alți factori, cum ar fi rigiditatea sau factorii de siguranță în timpul cazurilor de sarcină extremă.

Acesta este motivul pentru care termenul „durată de viață de proiectare” este înșelător și unul dintre motivele pentru care multe cutii de viteze de pe teren se defectează în mai puțin de 20 de ani. O modalitate de a atenua aceste defecțiuni este de a utiliza metode de inginerie mai fiabile pe întreaga durată de viață a unei turbine. De exemplu, folosind standarde de proiectare și simulări, împreună cu date operaționale fiabile și rate de defecțiune istorice, este posibil să se ofere previziuni exacte ale defecțiunilor transmisiei.

Acest articol a făcut parte din Ghidul nostru privind energia regenerabilă 2018. Consultați publicația completă aici.