Creşterea durabilităţii rulmenţilor arborilor principali ai turbinelor eoliene (I)

Transmisii Mecanice

de Timken

Creşterea durabilităţii rulmenţilor arborilor principali ai turbinelor eoliene (I)

Odată cu creșterea industriei eoliene în SUA și cu introducerea în exploatare a turbinelor cu puteri mai mari de 1MW, sarcinile mai grele și tensiunile crescute au un efect puternic asupra durabilității rulmenților care echipează arborele principal și transmisia cinematică cu angrenaje cu roți dințate din turbinele eoliene. Defecțiunile și ieșirea prematură din funcționare intervin mai devreme decât era anticipat și, pentru mulți operatori de ferme eoliene, costul reparațiilor neplanificate este tot mai mare.

Drept rezultat, industria eoliană cere o durabilitate mai mare a rulmenților care echipează arborele principal și transmisia cinematică cu angrenaje cu roți dințate , iar producătorii se străduiesc să vină cu soluții pentru aceste cereri.

„Operatorul unei turbine eoliene are un buget planificat pentru una sau, cel mult, două reparații capitale ale turbinei pe întreaga sa durată de funcționare”, spune Tony Fierro, inginer de aplicații compania Timken. „Provocarea este reprezentată de faptul că multe turbine eoliene necesită o reparație capitală în primii șapte până la zece ani de funcționare. Acest lucru înseamnă cheltuieli mai mari cu operarea și întreținerea pe durata de funcționare a turbinei.”

Reparaţii costisitoare

Care este impactul financiar pentru operatorii de ferme eoliene, dacă o reparație capitală este necesară la fiecare șapte ani? „Dacă presupunem că durata medie de funcționare a unei turbine este de 30 de ani, iar arborele principal și transmisia cu angrenaje cu roți dințate sunt reparate capital la fiecare șapte ani, asta înseamnă patru reparații capitale pe durata de funcționare a turbinei”, spune Fierro. „Având o soluție constructivă de rulmenți îmbunătățită, operatorii pot reduce acest număr la jumătate.”

De exemplu, dacă reparația unui arbore principal și a transmisiei cu angrenaje cu roți dințate costă 300.000 $ (inclusiv costurile pentru închirierea macaralei), aceasta reprezintă o cheltuială totală de 1,2 milioane de dolari pe durata de funcționare a turbinei. Dacă aceste reparații pot fi reduse la jumătate, operatorii pot economisi până la 600.000 de dolari per turbină. Pentru o companie tipică, ce operează 100 de turbine, economiile operaționale și de mentenanță pot ajunge până la 60 de milioane de dolari, de-a lungul a 30 de ani.

Provocările actualelor soluţii de proiectare constructivă

Soluțiile constructive modulare de turbine eoliene folosesc în mod obișnuit rulmenți radiali oscilanți cu role butoi pe două rânduri pentru a lăgărui și prelua sarcinile din arborele principal. De fapt, rulmenții radiali oscilanți cu role butoi pe două rânduri domină piața de turbine cu proiectare modulară prin două soluții constructive diferite de lăgăruire a arborelui principal; montare în trei sau patru puncte de sprijin. Aceste soluții constructive sunt prezentate în figura 1.

Construcţia cu lăgăruire în trei puncte de sprijin a arborelui principal

La construcția cu lăgăruire în trei puncte de sprijin (în stânga), arborele principal este susținut de brațele de torsiune ale multiplicatorului cu angrenaje cu roți dințate și de un singur rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri în fața multiplicatorului cu angrenaje. Această dispunere permite:

  • O nacelă mai scurtă și o masă redusă a turbinei eoliene
  • O mai mare deformare și o mai mare dezaliniere în elementele lanțului cinematic de transmisie al turbinei eoliene

În timp ce există avantaje la această construcție, inclusiv o greutate redusă a nacelei și costuri inițiale de fabricație și instalare ale turbinei mai scăzute, există de asemenea dezavantaje clare ale utilizării rulmentului radial oscilant cu role butoi pe două rânduri la lăgăruirea arborelui principal și, de asemenea, ale modului de transmisie a sarcinilor în interiorul multiplicatorului de turație cu angrenaje cu roți dințate.

O problemă este faptul că rulmentul radial oscilant cu role butoi pe două rânduri trebuie să suporte o sarcină radială și o sarcină axială datorată acțiunii vântului doar pe rândul de role aflat pe direcția vântului (DW). Altă problemă este faptul că, din cauza jocului radial intern, ce devine tot mai mare pe măsură ce rulmentul se uzează, deformarea axială și momentele din rotor sunt transferate către rulmenții multiplicatorului de turație cu angrenaje cu roți dințate planetar. Această sarcină adițională poate afecta calitatea angrenării roților dințate din multiplicatorul planetar și, astfel, roțile dințate și încărcările rulmenților.

  • FIGURA 1 - Soluțiile constructive de lăgăruire a arborelui principal cu montare în trei și patru puncte de sprijin.​

Construcţia cu lăgăruire în patru puncte de sprijin a arborelui principal

La construcția cu lăgăruire în patru puncte de sprijin (în dreapta), arborele principal este susținut de brațele de torsiune ale multiplicatorului cu angrenaje cu roți dințate și de doi rulmenți principali în fața multiplicatorului cu angrenaje. Acești rulmenți principali sunt deseori rulmenți radiali oscilanți cu role butoi pe două rânduri, dar alte aranjamente constructive, inclusiv rulmenți cu role cilindrice și conice, sunt folosite în mod obișnuit. Această dispunere permite:

  • o nacelă de lungime mai mare și o masă mai mare a turbinei eoliene;
  • o rigiditate mai mare a sistemului cinematic;
  • o deformare și o dezaliniere mult reduse în elementele lanțului cinematic de transmisie al turbinei eoliene.

Performanța rulmentului arborelui principal este, în general, superioară în turbinele cu lăgăruire în patru puncte, comparativ cu cele cu lăgăruire în trei puncte, dar unele soluții constructive de turbine încă întâmpină probleme, mai ales acolo unde un rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri este utilizat în poziția lagărului posterior.

Moduri tipice de defectare

Microexfolierea

Utilizarea unui singur rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri drept lagăr al arborelui principal în turbinele eoliene cu putere instalată de ordinul MW a suferit schimbări – deși în trecut era soluția constructivă preferată, acum operatorii sunt în căutarea unei soluții mai bune. Motivul principal este defectarea prematură observată la acest tip de rulment, în special datorită microexfolierii (oboseală a suprafețelor de rulare). Cu toate că nu există o limită maximă oficial exprimată, un raport procentual între sarcinile axiale și radiale considerat acceptabil pentru un rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri este de aproximativ 25%.

În turbinele de mare putere de astăzi, sarcinile axiale reale – până la 60%, în unele cazuri – sunt semnificativ mai mari decât acest raport procentual și cresc îngrijorările legate de problemele cauzate de efectele lipsei de suport a inelelor rulmentului pe arbore sau în carcasă, distribuție anormală a sarcinii între cele două rânduri, înclinarea rolelor, supratensionarea coliviei, generarea de căldură excesivă și patinarea rolelor pe căile de rulare ale inelelor rulmentului. În fața acestor sarcini axiale crescute, doar rândul de role de pe direcția vântului (DW) preia atât sarcina axială, cât și pe cea radială. Frecvent, rândul de role din direcția opusă vântului (UW) este complet descărcat, astfel creându-se condiții de operare mai puțin ideale pentru rulment.

Drept rezultat, rulmenții arborelui principal din turbinele cu lăgăruire în trei puncte au parte de aceleași moduri de defectare, amintind microexfolierea, supraîncărcarea capetelor rolelor, capul rolei supus suprasarcinilor axiale, defectarea coliviilor monobloc, uzura inelului central de ghidare și a coliviei, precum și defecte datorate contaminării cu particule. Această stare de fapt duce la defecțiuni premature semnificative în timpul perioadei de funcționare a turbinelor.

Lubrifierea insuficientă

În plus, condițiile de operare ale rulmentului arborelui principal nu sunt deloc favorabile generării peliculei de lubrifiant. Cu o viteză maximă de operare de aproximativ 20 rpm, viteza liniară a suprafețelor de lucru ale rulmentului și generarea peliculei de lubrifiant sunt deseori insuficiente pentru a menține separate microasperitățile căilor de rulare și ale rolelor. În plus, momentul de răsturnare și momentul de girație care acționează asupra rotorului turbinei schimbă constant poziția și direcția zonei de încărcare în rulment – și asta, aproape instantaneu. Astfel, formarea peliculei de lubrifiant este întreruptă și calitatea ei suferă.

Pentru un rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri lucrând într-o turbină cu lăgăruire în trei puncte, această evoluție se derulează în mod accelerat. Rulmenții radiali oscilanți cu role butoi pe două rânduri operează cu un joc radial intern în funcționare, astfel crescând riscul de microexfoliere a suprafețelor sau de patinare a rolelor. Stadiile incipiente de uzură sunt ilustrate în figura 2, unde o urmă distinctă de uzură, vizibilă pe rândul de role de pe direcția vântului (DW), va modifica, în cele din urmă, geometria proiectată pentru contactul suprafețelor de lucru, conducând la apariția de tensiuni pe căile de rulare mai mari decât cele anticipate și, în final, la defectarea rulmentului.

  • FIGURA 2 - Stadiile incipiente de microexfoliere a suprafețelor de lucru ale unui rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri, în arborele principal al unei turbine eoliene.​

Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.