av Dr. John Coultate, chef för teknisk utveckling
& Mike Hornemann, tillförlitlighetsingenjör
Romax InSight

En explosion från det förflutna. Här är ett exempel på en växellådskonstruktion med två parallella steg, typisk för ett vindkraftverk från mitten av 1990-talet.

I takt med att vindkraftverk i stor skala har utvecklats från kilowattklassen till de maskiner på flera megawatt som installeras i dag har även komponenterna i en maskinhusgondol utvecklats för att hålla jämna steg med de nya effektkraven.

Drivlinorna, i synnerhet, har varit tvungna att förändras avsevärt för att klara av kraftigare, mer variabla vindlaster och högre effektnivåer – och utan att det har inneburit en betydande ökning av kostnaderna. Så ingenjörerna antog utmaningen och tillverkarna levererade.

Det som en gång var en industriell växellåda från fabrik är nu unikt utformad för att klara de hårda förhållanden som är typiska för en multimegawatt-turbin. En modern växelturbin har vanligtvis en trestegsväxellåda med ett lågvarvigt planetariskt steg och två parallella steg. Genom att använda planetväxlar har konstruktörerna skapat kraftfulla växellådor som är tillräckligt hållbara för att klara hård belastning, men ändå tillräckligt kompakta för att bibehålla en rimlig storlek på gondolen.

Denna växellådskonstruktion har också visat sig vara ekonomisk för turbiner med en effekt på mellan 500 kW och 2,5 MW. Lång livslängd är dock den enda utmaning som fortfarande är olöst inom vindturbinväxellådsindustrin. Turbinväxellådor har vanligtvis en konstruktionslivslängd på 20 år, men få klarar sig längre än 10 år.

Varför denna diskrepans? En del av svaret ligger i hur livslängden för kugghjul och lager definieras. Livslängden för en växellådskomponent är stokastisk, inte deterministisk. Det innebär att det är omöjligt att med exakthet förutsäga när en komponent kommer att gå sönder, även om det är möjligt att uppskatta sannolikheten givet vissa parametrar.

En modern konstruktion. Denna trestegsdesign (planetär/parallell/parallell) är vanlig i nyare växellådor.

Håll i minnet att drivlinor för vindturbiner utsätts för svår och varierande transient belastning vid uppstart, avstängning, nödstopp och nätanslutningar. Turbinens belastning beror på dess placering i vindkraftparken och på terrängen. Belastningsfall som resulterar i vändning av vridmomentet kan vara särskilt skadliga för lagren eftersom rullarna kan glida iväg under den plötsliga förflyttningen av den belastade zonen. Mikropitting, en form av ytutmattning, är ett exempel på skador i lager som kan påverka dess livslängd.

Livslängden för ett lager definieras i allmänhet som ”L10”-livslängden, vilket är den varaktighet efter vilken 10 % av lagren kommer att gå sönder. Om L10 för ett lager är 20 år finns det 10 % chans att lagret går sönder efter mindre än 20 år. Detta är viktigt eftersom det tvingar tillverkare och vindkraftoperatörer att tänka på ”livslängd” i termer av sannolikheter.

Det är också viktigt att tänka på att ett vindkraftverk har mer än ett lager. En typisk drivlina har 20-25 lager, inklusive huvudlager, växellåda och generatorlager. Så vad händer om vi kombinerar L10-livslängden för varje lager i en drivlina för att beräkna en ”livslängd på systemnivå”? En enkel beräkning för en drivlina med 25 lager, alla med en L10-konstruktionslivslängd på 20 år, visar att sannolikheten för att ett eller flera lager ska gå sönder inom 20 år är 93 %.

En typisk vindturbin innehåller 20 till 25 lager, som alla måste tas med i en beräkning av tillförlitlighet på systemnivå för förväntad livslängd.

Med utgångspunkt i denna beräkning är det troligt att nästan alla växellådor i en vindkraftpark kommer att gå sönder inom 20 år. Detta kan tyckas chockerande, men det är en realitet på fältet. Många vindkraftsoperatörer kan intyga att de flesta växellådor har bytts ut eller genomgått någon form av reparation i tornet, t.ex. en ny axel eller nya lager för höghastighetstrappan, långt innan dess 20-åriga livslängd har löpt ut.

Nu kan vi fråga oss hur många växellådor som kommer att gå sönder inom sju år? Samma beräkning visar att sannolikheten för att ett eller flera lager ska gå sönder inom sju år är 37 %. Detta innebär att mer än en tredjedel av växellådorna kommer att drabbas av någon form av lagerfel.

Dessa resultat kommer från en förenklad beräkning och är endast avsedda att visa övergripande trender, men de visar några häpnadsväckande resultat. Tyvärr kan beräkningen underskatta antalet fel på växellådor eftersom den inte tar hänsyn till fel som inte beror på utmattning. Men den goda nyheten är att vissa lager i praktiken har en konstruktionslivslängd på mer än 20 år eftersom deras storlek dikteras av andra faktorer, t.ex. styvhet eller säkerhetsfaktorer vid extrema belastningsfall.

Detta är anledningen till att begreppet ”konstruktionslivslängd” är vilseledande och en av anledningarna till att många växellådor på fältet går sönder på mindre än 20 år. Ett sätt att minska dessa fel är att använda mer tillförlitliga konstruktionsmetoder under turbinens hela livslängd. Med hjälp av konstruktionsstandarder och simuleringar, tillsammans med tillförlitliga driftsdata och historiska felfrekvenser, är det till exempel möjligt att ge exakta förutsägelser om fel på drivlinor.

Denna artikel ingick i vår 2018 Renewable Energy Guidebook. Se hela publikationen här.