Energi og miljø

Faktorer i sving af vindmøllegearkasse

Faktorer i sving af vindmøllegearkasse

Vedligeholdelse af vindmøller kan dække en lang række aktiviteter, men et af de største problemer vedrører reparation eller udskiftning af vindmøllegearkasser, som ofte fejler for tidligt, før de har afsluttet deres 20-årige levetid. Nogle vindprojekter oplever fejlprocent på op til 50 procent inden for få år. Dette øger igen omkostningerne gennem øget nedetid, øget vedligeholdelse og ombygning og udskiftning af gearkasse.

En af grundene til dette er det faktum, at industrien er så ny sammenlignet med andre industrier, men det kan også skyldes tempoet i vindmølleudviklingen med stadig større design, der kommer på markedet. Dårlig forståelse af turbinebelastninger er en anden faktor, ligesom et nyt problem med aksial revnedannelse i turbinelejer.

I 2007 etablerede National Renewable Energy Laboratory (NREL) sit NREL Gearbox Reliability Collaborative for at vurdere, hvorfor gearkassefejl opstår, og hvordan man løser problemet. Sandia National Laboratories i Albuquerque ser også på dette emne. Resultatet af dette har været en større vilje til at dele de resulterende data med offentligheden, mens industrien tidligere var noget tilbageholdende med at gøre det. Fordelen ved at gøre det er, at det gør det muligt for branchen at forklare offentligheden, hvad den gør for at hjælpe med at nedbringe omkostningerne til vindkraft.

F.eks. Var tidligere test store omkostninger dyre, så producenter af originalt udstyr (OEM'er) havde tendens til at foretage korte tests i stedet, og ikke mange af dem til det. Imidlertid er test nu mere omfattende, generelt på store teststande og derfor også strengere.

Fase 1 test af vindmøllegearkasse i NREL [Billedkilde: NREL]

Viden om, hvordan vindmøllegearkasser reagerer på belastninger, forbedres nu meget, ofte takket være designsoftware udviklet af virksomheder som Romax Technology, der er baseret i Troy, Michigan, som har produceret en softwarepakke kaldet Romax Wind. Udstyret med sådan software er ingeniører meget mere i stand til nøjagtigt at vurdere de belastninger, der pålægges gear og lejer, og det betyder, at de er meget bedre placeret til at kunne udvikle mere modstandsdygtige vindmøller.

For eksempel bliver det nu temmelig klart, at størstedelen af ​​vindmøllens gearkassefejl, der tegner sig for 76 procent af fejlene, skyldes fejl i lejer, selvom dette naturligvis ikke er det eneste problem. Aksial revnedannelse i lejer er en af ​​hovedårsagerne til en sådan fejl.

Bortset fra aksial revnedannelse i lejer, kan forurening af smøremidler med skarpe partikler føre til svigt ved pitting af lejeruller. Det begynder som mikropitting, også kendt som grå farvning eller frosting på grund af farven forårsaget af tilstedeværelsen af ​​mikroskopiske revner, der generelt er for små til at være synlige i sig selv, men kollektivt får en overflade til at antage en grå farve. Rulleoverfladen svækkes derefter, hvilket resulterer i et tab af præcisionstolerance. Forureningerne er normalt materialer som sand, rust, spåner fra bearbejdning, slibestøv og stænk og snavs forårsaget af slid. Desværre kan de fleste af disse partikler ikke filtreres ud af smøremidlet.

De mørke pletter er forurenende i olie [Billedkilde: NREL]

Højhastigheds gearkasser lider ofte med høje fejlprocent. Ingeniører havde tendens til at installere dem i vindmøller, fordi dette gjorde det muligt for dem også at installere små generatorer og derved sænke omkostningerne på forhånd. Tendensen bevæger sig nu mere mod installation af mellemhastige gearkasser. Disse har færre gear og lejer og er derfor meget mere pålidelige, men de er også dyrere. Ikke desto mindre kunne mellemhastighedsgearkasser øge antallet af turbiner i drift på et hvilket som helst tidspunkt og derved øge mængden af ​​genereret ren energi og skabe tusindvis af job inden for design, fremstilling og drift.

Mange gearkasser svigter på grund af slibning. Dette sker, når temperaturen på en del af gearet overstiger tempereringstemperaturen for det stål, som det er fremstillet af. Dette reducerer igen sin hårdhed og dermed dens styrke. For at imødegå dette kræver OEM'er, at deres leverandører kontrollerer gear for slibningstemperatur. En proces kaldet nital ætsning kan bruges til at identificere forskellene i mikrostruktur i komponenter og derved muliggøre identifikation af områder beskadiget ved bearbejdning eller slibning. Hvis sådanne områder ikke køler ordentligt, kan de blive overophedede. De ser mørkere ud under nital ætsningstest end ubeskadigede områder.

Inkluderingen af ​​en fremmed partikel i et gear forårsager øget stress. Hvis det er stort nok og tæt nok på en aktiv kontaktflade, vil det medføre, at gearet svigter for tidligt. Midlet mod dette er ikke-destruktiv test, såsom ultralydstest i flere trin, som hjælper med at reducere antallet af 'indeslutninger' og dermed antallet af gearfejl.

Når vi kommer tilbage til det tidligere nævnte problem med aksial revnedannelse, er dette en regelmæssig årsag til turbinegearkassefejl. Aksial revnedannelse i lejer forekommer normalt i form af lange revner på den indre ring af et leje. Det kaldes undertiden 'hvid-ætsningsrevnedannelse' på grund af de uregelmæssige hvide områder, der vises på bærende overflader, når de kemisk ætses og undersøges ved hjælp af mikrofotografier. Det er et problem, der plager gearkasserne fra alle producenter, og cylindriske rullelejer er særligt sårbare. Varmebehandling under fremstillingen kan forværre problemet ved, at ikke-ensartet afkøling kan forårsage lokal belastning, der fører til revner. En særlig form for varmebehandling kendt som tilfælde karburering kan hjælpe med at reducere forekomsten af ​​aksial revnedannelse i lejer. Dette indebærer, at komponenten placeres i en ovn med kulstofatmosfære, efterfulgt af slukning og hærdning, hvilket leverer en hærdet kerne med lavt kulstofindhold og en hård, kulstofskal.

Skader på gear med høj hastighed og mellemtrin [Billedkilde: NREL]

Revner kan også forekomme på grund af den ulige transformation af austenit til martensit. Martensite er en meget hård form for stål. En martensitisk transformation opstår ved afkøling af specifikke metaller og ofte når austenit afkøles til stuetemperatur. Austenit er en allotrop af jern, idet allotropi er egenskaben for nogle kemiske grundstoffer til at eksistere i to eller flere forskellige former i samme fysiske tilstand. For eksempel inkluderer allotroperne af carbon diamant, grafit, grafen og fulleren. Ud over austenit er to andre allotroper af jern alfajern (ferrit) og deltajern. Austenit er også kendt som gammajern. Hvis omdannelsen af ​​austenit til martensit ikke er ensartet, kan det forårsage forskellige afkølingshastigheder, hvilket igen fører til vækst, krympning og vridningsforvrængninger, der forårsager revner.

Aksial revnedannelse forstås stadig ikke fuldt ud, men en anden løsning ud over tilfælde af karburering varmebehandling kan være sort oxidbelægning på lejer. Dette kan forbedre de strukturelle egenskaber for det stål, der bruges til at fremstille lejer, mens det også driver brint ud. Dette er vigtigt, fordi brint kan få stål til at blive sprødt. Kilder til brint kan omfatte gearkasseolie, fugt i olie og forskellige olietilsætningsstoffer. En anden kilde kan være elektrostatisk afladning fra de elektriske eller smøresystemer, som kan udvinde brint fra vand og olie i gearkassen.

Selvom gearkassesvigt faktisk er et vedvarende problem i vindsektoren, forbedres forståelsen af ​​disse problemer hele tiden, og dermed pålideligheden af ​​vindmøller.


Se videoen: El fra vindmøller (December 2021).