Energie și mediu

Factori în defecțiunea cutiei de viteze a turbinei eoliene

Factori în defecțiunea cutiei de viteze a turbinei eoliene

Întreținerea turbinelor eoliene poate acoperi o mare varietate de activități, dar una dintre problemele majore se referă la repararea sau înlocuirea cutiilor de viteze ale turbinei eoliene, care deseori nu reușesc prematur înainte de a-și finaliza durata de viață de 20 de ani. Unele proiecte eoliene experimentează rate de eșec de până la 50% în decurs de câțiva ani. Acest lucru, la rândul său, mărește costurile printr-un timp de oprire crescut, o întreținere sporită și reconstrucția și înlocuirea cutiei de viteze.

Unul dintre motivele acestui fapt este faptul că industria este atât de nouă în comparație cu alte industrii, dar s-ar putea, de asemenea, să se reducă la ritmul dezvoltării turbinei eoliene, cu proiecte din ce în ce mai mari pe piață. Înțelegerea slabă a sarcinilor turbinei este un alt factor, la fel ca o problemă emergentă cu crăparea axială a rulmenților turbinei.

În 2007, Laboratorul Național de Energii Regenerabile (NREL) și-a înființat colaborarea pentru fiabilitatea cutiei de viteze NREL, pentru a evalua de ce apar defecțiunile cutiei de viteze și cum să rezolve problema. Laboratoarele Naționale Sandia din Albuquerque analizează, de asemenea, această problemă. Rezultatul a fost o dorință mai mare de a împărtăși datele rezultate cu publicul larg, în timp ce anterior industria era oarecum reticentă în a face acest lucru. Avantajul acestui lucru este că permite industriei să explice publicului ce face pentru a reduce costurile energiei eoliene.

De exemplu, în anii precedenți, testarea pe scară largă a fost costisitoare, astfel încât producătorii de echipamente originale (OEM) au avut tendința de a efectua în schimb teste scurte și nu mulți dintre aceștia. Cu toate acestea, testarea este acum mai extinsă, având loc în general pe standuri de testare mari și, prin urmare, mai riguroasă.

Testarea fazei 1 a cutiei de viteze a turbinei eoliene la NREL [Sursa imaginii: NREL]

Cunoașterea modului în care reacționează cutiile de viteze ale turbinei eoliene la sarcini este acum mult îmbunătățită, adesea datorită software-ului de proiectare dezvoltat de companii precum Romax Technology, cu sediul în Troy, Michigan, care a produs un pachet software numit Romax Wind. Echipați cu un astfel de software, inginerii sunt mult mai capabili să evalueze cu precizie solicitările impuse angrenajelor și rulmenților și acest lucru înseamnă că sunt mult mai bine poziționați pentru a putea dezvolta turbine eoliene mai rezistente.

De exemplu, acum devine destul de clar că majoritatea defecțiunilor cutiei de viteze ale turbinei eoliene, reprezentând 76% din defecțiuni, se datorează defecțiunilor rulmenților, deși aceasta nu este singura problemă, desigur. Crăparea axială a rulmenților este una dintre cauzele majore ale unei astfel de defecțiuni.

În afară de crăparea axială a rulmenților, contaminarea lubrifianților cu particule ascuțite poate duce la eșec prin prinderea rolelor rulmenților. Începe ca micropitting, cunoscut și sub numele de colorare gri sau glazură din cauza culorii cauzate de prezența fisurilor microscopice care sunt, în general, prea mici pentru a fi vizibile în sine, dar colectiv determină o suprafață să adopte o culoare gri. Suprafața rolei se slăbește, rezultând o pierdere a toleranței de precizie. Contaminanții sunt de obicei materiale precum nisip, rugină, așchii din prelucrare, măcinarea prafului și a stropilor și resturi cauzate de uzură. Din păcate, majoritatea acestor particule nu pot fi filtrate din lubrifiant.

Petele întunecate sunt contaminanți în ulei [Sursa imaginii: NREL]

Cutiile de viteze de mare viteză suferă adesea rate de defecțiune ridicate. Inginerii au avut tendința de a le instala în turbine eoliene, deoarece acest lucru le-a permis să instaleze și generatoare mici, reducând astfel costul inițial. Tendința se îndreaptă acum mai mult spre instalarea cutiilor de viteze de viteză medie. Acestea au mai puține trepte de viteză și rulmenți și, prin urmare, sunt mult mai fiabile, dar sunt și mai scumpe. Cu toate acestea, cutiile de viteze cu viteză medie ar putea crește numărul de turbine în funcțiune în același timp, crescând astfel cantitatea de energie curată generată și creând mii de locuri de muncă în proiectare, fabricație și exploatare.

Multe cutii de viteze se defectează din cauza temperării de măcinare. Acest lucru se întâmplă atunci când temperatura unei părți a angrenajului depășește temperatura de călire a oțelului din care este fabricat. La rândul său, aceasta reduce duritatea și, astfel, rezistența. Pentru a contracara acest lucru, OEM-urile solicită furnizorilor lor să verifice angrenajele pentru rezistența la temperare. Un proces numit gravură nitală poate fi utilizat pentru a identifica diferențele de microstructură din componente, permițând astfel identificarea zonelor deteriorate prin prelucrarea sau măcinarea arsurilor. Dacă astfel de zone nu se răcesc corespunzător, se pot supraîncălzi. Acestea vor apărea mai întunecate sub testul de gravură nitală decât zonele nedeteriorate.

Includerea unei particule străine într-un angrenaj determină stres crescut. Dacă este suficient de mare și suficient de aproape de o suprafață de contact activă, va provoca defectarea prematură a angrenajului. Remediul pentru aceasta este testarea nedistructivă, cum ar fi testarea cu ultrasunete cu matrice fazată, care ajută la reducerea numărului de „incluziuni” și, astfel, a numărului de defecțiuni ale treptelor de viteză.

Revenind la problema de fisurare axială menționată anterior, aceasta este o cauză regulată a defecțiunii cutiei de viteze a turbinei. Crăparea axială a rulmenților are loc de obicei sub formă de fisuri lungi pe inelul interior al unui lagăr. Uneori se numește „crăpătură alb-etch” din cauza zonelor albe neregulate care apar pe suprafețele portante atunci când sunt gravate chimic și examinate folosind micrografii. Este o problemă care afectează cutia de viteze a tuturor producătorilor, iar rulmenții cu role cilindrice sunt deosebit de vulnerabili. Tratamentul termic în timpul fabricației poate exacerba problema, deoarece răcirea neuniformă poate provoca tensiuni localizate care duc la crăparea. O formă specială de tratament termic cunoscută sub numele de carburare a carcasei poate ajuta la reducerea apariției fisurilor axiale la rulmenți. Aceasta implică introducerea componentei într-un cuptor cu atmosferă de carbon, urmată de stingere și călire, oferind un miez dur cu conținut scăzut de carbon și o carcasă tare cu conținut ridicat de carbon.

Deteriorarea vitezei mari și a treptelor intermediare [Sursa imaginii: NREL]

Crăpăturile pot apărea și din cauza transformării inegale a austenitei în martensită. Martensitul este o formă foarte dură de oțel. O transformare martensitică are loc la răcirea unor metale specifice și adesea când austenita este răcită la temperatura camerei. Austenita este un alotrop de fier, alotropia fiind proprietatea unor elemente chimice de a exista în două sau mai multe forme diferite în aceeași stare fizică. De exemplu, alotropii carbonului includ diamant, grafit, grafen și fulleren. Pe lângă austenită, alte două alotrope de fier sunt fierul alfa (ferită) și fierul delta. Austenita este, de asemenea, cunoscută sub numele de fier gamma. Dacă transformarea austenitei în martensită nu este uniformă, aceasta poate provoca rate diferite de răcire, ceea ce duce la creșterea, contracția și distorsiunile de răsucire care provoacă crăpături.

Crăparea axială încă nu este pe deplin înțeleasă, dar o altă soluție, în plus față de tratamentul termic al carburării, ar putea fi acoperirea cu oxid negru pe rulmenți. Acest lucru ar putea îmbunătăți proprietățile structurale ale oțelului utilizat la realizarea rulmenților, eliminând în același timp hidrogenul. Acest lucru este important deoarece hidrogenul poate provoca fragilitatea oțelului. Sursele de hidrogen pot include ulei pentru cutie de viteze, umiditate în ulei și diverși aditivi pentru ulei. O altă sursă poate fi descărcarea electrostatică din sistemele electrice sau de lubrifiere care pot extrage hidrogen din apă și ulei din cutia de viteze.

Deși defectarea cutiei de viteze este într-adevăr o problemă persistentă în sectorul eolian, înțelegerea acestor probleme se îmbunătățește tot timpul și, odată cu aceasta, fiabilitatea turbinelor eoliene.


Priveste filmarea: Turbina eoliana de 400w de pe Aliexpress. Unboxing si un mic test. (Ianuarie 2022).