Енергия и околна среда

Фактори при неизправност на скоростната кутия на вятърната турбина

Фактори при неизправност на скоростната кутия на вятърната турбина

Поддръжката на вятърни турбини може да обхване голямо разнообразие от дейности, но един от основните въпроси се отнася до ремонт или подмяна на скоростните кутии на вятърните турбини, които често се провалят преждевременно, преди да са завършили своя 20-годишен живот. Някои вятърни проекти изпитват честота на неуспехи до 50% в рамките на няколко години. Това от своя страна увеличава разходите чрез увеличен престой, увеличена поддръжка и реконструкция и подмяна на скоростната кутия.

Една от причините за това е фактът, че индустрията е толкова нова в сравнение с други индустрии, но може и да се забави с темповете на развитие на вятърните турбини с все по-големи дизайни, излизащи на пазара. Лошото разбиране на турбинните натоварвания е друг фактор, както и възникващият проблем с аксиалното напукване в лагерите на турбините.

През 2007 г. Националната лаборатория за възобновяеми енергийни източници (NREL) създаде своята съвместна съвместимост за надеждност на скоростната кутия NREL, за да оцени защо възникват повреди на скоростната кутия и как да се справи с проблема. Националната лаборатория Sandia в Албакърки също разглежда този въпрос. Резултатът от това е по-голямото желание да се споделят получените данни с широката общественост, докато преди това индустрията донякъде не искаше да го направи. Предимството на това е, че позволява на индустрията да обясни на обществеността какво прави, за да намали цената на вятърната енергия.

Например, в предишни години мащабните тестове бяха скъпи, така че производителите на оригинално оборудване (OEM) обикновено провеждаха кратки тестове вместо това и не много от тях. Въпреки това тестовете сега са по-обширни, обикновено се провеждат на големи тестови щандове и следователно са и по-строги.

Тест фаза 1 на скоростната кутия на вятърната турбина при NREL [Източник на изображението: NREL]

Познанията за това как скоростните кутии на вятърните турбини реагират на натоварванията сега са значително подобрени, често благодарение на софтуера за проектиране, разработен от компании като Romax Technology, базирана в Троя, Мичиган, която е създала софтуерен пакет, наречен Romax Wind. Оборудвани с такъв софтуер, инженерите са много по-способни да оценят точно напреженията, наложени на зъбни колела и лагери и това означава, че те са в много по-добра позиция, за да могат да разработят по-устойчиви вятърни турбини.

Например, сега става доста ясно, че по-голямата част от повредите на скоростната кутия на вятърната турбина, представляващи 76% от повредите, се дължат на повреди в лагерите, въпреки че това не е единственият проблем, разбира се. Аксиалното напукване в лагерите е една от основните причини за такава повреда.

Освен аксиално напукване в лагерите, замърсяването на смазочни материали с остри частици може да доведе до повреда чрез изрязване на лагерните ролки. Започва като микроподсипване, известно също като сиво оцветяване или замръзване поради цвета, причинен от наличието на микроскопични пукнатини, които обикновено са твърде малки, за да бъдат видими сами по себе си, но заедно причиняват повърхността да приеме сив цвят. Тогава повърхността на ролката отслабва, което води до загуба на толеранс на точност. Замърсителите обикновено са материали като пясък, ръжда, стружки от механична обработка, шлайфане на прах и пръски и отломки, причинени от износване. За съжаление повечето от тези частици не могат да бъдат филтрирани от смазката.

Тъмните петна са замърсители в петрола [Източник на изображението: NREL]

Високоскоростните скоростни кутии често страдат от висок процент на откази. Инженерите са били склонни да ги инсталират във вятърни турбини, тъй като това им позволява да инсталират и малки генератори, като по този начин намаляват предварителните разходи. Тенденцията сега се придвижва повече към инсталирането на средни скорости. Те имат по-малко предавки и лагери и следователно са много по-надеждни, но са и по-скъпи. Независимо от това, средноскоростните скоростни кутии могат да увеличат броя на турбините в експлоатация по всяко време, като по този начин увеличават количеството генерирана чиста енергия и създават хиляди работни места в проектирането, производството и експлоатацията.

Много скоростни кутии се провалят поради шлифоване. Това се случва, когато температурата на част от зъбното колело надвишава температурата на закаляване на стоманата, от която е направена. Това от своя страна намалява неговата твърдост и по този начин здравината. За да се противопоставят на това, производителите на оригинално оборудване изискват от своите доставчици да проверяват предавките за темперамент на смилане. Процес, наречен нитално ецване, може да се използва за идентифициране на разликите в микроструктурата в компонентите, като по този начин дава възможност за идентифициране на зони, повредени от обработка или шлайфане. Ако такива зони не се охладят правилно, те могат да прегреят. Те ще изглеждат по-тъмни при теста на ниталното ецване, отколкото неповредените области.

Включването на чужда частица в предавка причинява повишен стрес. Ако е достатъчно голям и достатъчно близо до активна контактна повърхност, това ще доведе до преждевременно повреда на зъбното колело. Лекът за това е неразрушаващо изпитване като ултразвуково изпитване с фазова решетка, което помага да се намали броят на „включванията“ и по този начин броят на повредите на зъбните колела.

Връщайки се към споменатия по-рано проблем с аксиалното напукване, това е редовна причина за повреда на турбинната скоростна кутия. Аксиалното напукване в лагерите обикновено се появява под формата на дълги пукнатини на вътрешния пръстен на лагер. Понякога се нарича „напукване на бяло гравиране“ поради неправилните бели области, които се появяват върху носещите повърхности, когато са издълбани химически и изследвани с помощта на микрографии. Проблем е, че измъчва редукторите на всички производители, а цилиндричните ролкови лагери са особено уязвими. Термичната обработка по време на производството може да изостри проблема, тъй като неравномерното охлаждане може да причини локализирани напрежения, водещи до напукване. Специфична форма на термична обработка, известна като карбуризация в случай, може да помогне за намаляване на появата на аксиално напукване в лагерите. Това включва компонентът да бъде поставен в пещ с въглеродна атмосфера, последвано от закаляване и закаляване, доставяйки втвърдена нисковъглеродна сърцевина и твърда високовъглеродна обвивка.

Високоскоростни и междинни повреди на зъбни колела [Източник на изображението: NREL]

Напукване може да възникне и поради неравномерното превръщане на аустенита в мартензит. Мартензитът е много твърда форма на стомана. Мартензитна трансформация се случва при охлаждане на определени метали и често когато аустенитът се охлажда до стайна температура. Аустенитът е алотроп от желязо, алотропията е свойството на някои химични елементи да съществуват в две или повече различни форми в едно и също физическо състояние. Например, алотропите на въглерода включват диамант, графит, графен и фулерен. В допълнение към аустенита, други два алотропа на желязото са алфа желязо (ферит) и делта желязо. Аустенитът е известен още като гама желязо. Ако трансформацията на аустенита в мартензит не е еднородна, това може да доведе до различни скорости на охлаждане, което от своя страна води до растеж, свиване и изкривяване на изкривяванията, причиняващи напукване.

Аксиалното напукване все още не е напълно изяснено, но друго решение, в допълнение към термичната обработка на карбуризация, може да бъде покритие с черен оксид върху лагерите. Това може да подобри структурните свойства на стоманата, използвана за направата на лагери, като същевременно изгони водорода. Това е важно, тъй като водородът може да доведе до чупливост на стоманата. Източниците на водород могат да включват масло в скоростната кутия, влага в масло и различни маслени добавки. Друг източник може да бъде електростатичен разряд от електрическите или смазочни системи, който може да извлича водород от вода и масло в скоростната кутия.

Въпреки че повредата на скоростната кутия наистина е постоянен проблем във вятърния сектор, разбирането на тези проблеми се подобрява през цялото време, а заедно с това и надеждността на вятърните турбини.


Гледай видеото: Простейший генератор из cd моторчика (Октомври 2021).