Архитектура на скоростната кутия на вятърна турбина - Къде се вписват спиралните зъбни колела
Роторът на вятърна турбина с мощност от няколко мегавата се върти с 5–20 оборота в минута; генераторът изисква 1500–1800 оборота в минута. Скоростната кутия осигурява общо предавателно число от приблизително 80:1 до 120:1 в два до три етапа. Най-често срещаната конструкция за турбини с мощност от няколко мегавата комбинира нискоскоростна планетарна степен с две спирални степени:
| Етап | Тип | Типично съотношение | Входна скорост (пример за 5 MW) | Защо тази конфигурация |
|---|---|---|---|---|
| Етап 1 (ниска скорост) | Планетарни (3 планети) | 4:1 до 8:1 | 12 об/мин на входа → 60–96 об/мин на изхода | Най-висока степен на въртящ момент — планетарният двигател максимизира плътността на въртящия момент, а коаксиалното разположение съответства на вала на ротора |
| Етап 2 (междинен) | Спирална предавка паралелен вал | 4:1 до 6:1 | 60–96 об/мин на вход → 240–576 об/мин на изход | По-ниският въртящ момент позволява паралелен вал; земно спираловидни зъбни колела осигуряват необходимия шум и коефициент на контакт в този диапазон на скоростта |
| Етап 3 (висока скорост) | Спирална предавка паралелен вал | 3:1 до 5:1 | 240–576 об/мин на входа → 1500 об/мин на изхода | Степен с най-висока скорост — генерира най-много шум и топлина; най-високо изискване за прецизност (DIN клас 4–5) |
Етап 2 и Етап 3 спираловидни зъбни колела са стандартни двойки с паралелни валове, цементирани и шлифовани, с ъгли на спиралата β = 15–25° — но работещи при условия, които ги правят далеч по-взискателни от еквивалентните индустриални зъбни колела: 20-годишен живот при 10⁹ цикъла, променливо натоварване от пориви на вятъра и микропитинг от високия брой цикли.
Проблемът с 10⁹ цикъла — Защо стандартните граници на умора на зъбните колела са недостатъчни
Стандартната предавка по ISO 6336 се основава на референтна граница на издръжливост при 3 × 10⁶ контактни цикъла (σ_H lim за карбуризирана стомана е определена при този брой цикли). Вятърна турбина спирална предавка във високоскоростния етап, работещ при 1500 об/мин в продължение на 20 години, се натрупва приблизително:
Цикли = 1500 об/мин × 24 зъба × 60 мин/ч × 8760 ч/год. × 20 год. = 3,8 × 10¹⁰ цикъла
Това е приблизително 10 000 пъти повече цикли от референтната стойност за издръжливост по ISO 6336. Докато повечето зъбни колела от цементирана стомана показват приблизително плоска SN крива (реална граница на издръжливост) над 10⁷ цикъла за точкова коррозия, статистическото разсейване при 10¹⁰ цикъла е много по-голямо, отколкото при 10⁷ — и микроточковата коррозия, която не е разгледана в стандартното изчисление на контактната умора по ISO 6336, се превръща в доминиращ режим на повреда при тези много високи цикли.
Променливо натоварване и коефициент на експлоатация — предизвикателството, специфично за вятъра
Стандартните индустриални скоростни кутии работят при приблизително постоянно натоварване — скоростна кутия на помпа с номинален въртящ момент 90% в продължение на 8 часа на ден е стабилна и предвидима история на натоварване. Вятърна турбина спирална предавка работи при спектър на натоварване, обусловен от скоростта на вятъра: турбулентните пориви на вятъра произвеждат колебания на въртящия момент от ±20–40% на средния въртящ момент при честоти от 0,1–2 Hz (собствените честоти на ротора и кулата). Това циклично претоварване натрупва увреждания от умора много по-бързо от постоянното натоварване при средното ниво на въртящия момент, а импулсивният характер на поривите въвежда динамично усилване при честотата на зацепване на зъбните колела.
AGMA 6006-B16 (Стандарт за проектиране и спецификация на скоростни кутии за вятърни турбини) изисква номиналната стойност на предавката да се основава на пълния спектър на натоварване, отчетен от дъждовния поток, от конструктивните проектни натоварвания на турбината — не е просто коефициент на обслужване, приложен към номиналния въртящ момент. Това е коренно различно от общата номинална стойност на предавката по AGMA 2001 или ISO 6336, където коефициентът на обслужване KA умножава номиналния предаван въртящ момент, за да обхване всички вариации на натоварването с едно число.
Материал и термична обработка за спираловидни зъбни колела на вятърни турбини
Прецизно шлифовани HÖFLER спирална предавка за междинен етап на вятърни турбини — 17CrNiMo6 цементиран HRC 58–62, DIN клас 4–5, Ra ≤ 0,2 µm странична повърхност на зъба за максимална устойчивост на микропитинг при 10⁹+ контактни цикъла
Вятърна турбина спираловидни зъбни колела — както Етап 2, така и Етап 3 в стандартната многомолекулна архитектура — изискват 17CrNiMo6 като клас материал. Изборът на 17CrNiMo6 пред по-евтиния 20CrMnTi е задължителен по две независими причини:
- Изискване за Шарпи за студен климат: Офшорните и наземните вятърни турбини за инсталации в студен климат работят при температури на околната среда под −20°C. Вътрешната температура на скоростната кутия по време на студен старт може да падне от −25°C до −35°C, преди маслото да се загрее. Правилата на DNV GL за класификация на вятърни турбини и IEC 61400-1 изискват изпитване на удар по Шарпи при −40°C за компоненти на скоростната кутия в инсталации в студен климат. 17CrNiMo6 осигурява 55–80 J якост по Шарпи при −40°C; 20CrMnTi обикновено осигурява само 20–35 J при −40°C — под сертификационния минимум от 27 J.
- Закаляемост на голямо сечение за високоскоростни сценични зъбни колела: Високоскоростното зъбно колело на 5 MW турбинна скоростна кутия има диаметър на стъпката от приблизително 120–180 mm — сечение, твърде голямо за 20CrMnTi, за да се постигне равномерна твърдост на сърцевината по цялото напречно сечение. По-високото съдържание на Ni-Cr в 17CrNiMo6 осигурява адекватна закаляемост през сечения от 300–400 mm, осигурявайки свойствата на сърцевината, необходими за устойчивост на умора при огъване на корена на зъба.
Мерки за борба с микропитинга — Добавки за масло и прецизно шлифоване
Налични са две контрамерки за намаляване на риска от микропитинг във вятърни турбини спираловидни зъбни колела до приемливи нива за 20-годишна служба:
Синтетични трансмисионни масла PAO или PAG с полисулфидни или боратни EP добавки, които специфично подобряват производителността на граничния филм при смесено смазване под λ = 2.0. Тези масла се тестват съгласно процедурата за изпитване на микропитинг FVA 54/7 и им се дава степен на натоварване от микропитинг (MLS) — приложенията за вятърни турбини изискват минимум MLS 10 (максимум). Стандартното минерално масло с конвенционални S/P EP добавки обикновено постига MLS 6–8 — недостатъчно за 10⁹ цикъла на работа на вятърни турбини.
Прецизното шлифоване HÖFLER по DIN клас 4–5 постига Ra ≤ 0,2 µm на страничната повърхност на зъба — в сравнение с Ra ≤ 0,4 µm за стандартни индустриални шлифовани зъбни колела. По-фината повърхност намалява R_q (комбинираната композитна грапавост) с 50%, което означава, че същият маслен филм осигурява два пъти по-голямо λ съотношение. Това директно намалява времето, прекарано в зоната за иницииране на микропитинг (λ < 2,0), и е най-рентабилната мярка за борба с микропитинга, налична на етапа на производство на зъбни колела.
Изисквания за сертифициране по AGMA 6006 и DNV
AGMA 6006-B16 (Редуктори за вятърни турбини) и DNV GL ST-0361 (Сертифициране на вятърни турбини) изискват скоростната кутия на вятърната турбина спираловидни зъбни колела да се оценява, използвайки действителния спектър на натоварване, а не подход, базиран на коефициента на експлоатация. Специфичните изисквания включват:
- Изчисляване на спектъра на натоварване: Проектните случаи на натоварване (DLC) по IEC 61400-1 определят екстремните натоварвания и натоварванията от умора на скоростната кутия. Номиналната стойност на предавката трябва да използва интервалите за натоварване от умора от броя на дъждовния поток, а не коефициент на обслужване върху номиналния въртящ момент.
- Оценка на микропитинга: AGMA 6006 и DNV изискват специфичен анализ на микропитинга съгласно призната процедура (FVA 54/7 или еквивалентна). Коефициентът на безопасност при микропитинг S_MP трябва да бъде потвърден на ≥ 1,0 за пълния спектър на натоварване.
- Сертификация на материалите: За офшорни турбини и турбини за студен климат се изисква 17CrNiMo6 със сертификат за материал клас на обществото (DNV, LR, BV, GL) 3.2, включително по Шарпи при −40°C.
- Клас на точност на зъбното колело: DIN клас 4–5 (ISO степен 4–5) е минималният стандарт за високоскоростни двигатели Stage 3. спираловидни зъбни колелаСредноскоростни зъбни колела, етап 2: DIN клас 5–6. И двата етапа трябва да имат измерване с анализатор на зъбни колела 100%, документирано с класово дружество или акредитиран свидетел от трета страна.
Korea Ever-Power — Резервни и OEM спирални зъбни колела за вятърни турбини
Korea Ever-Power произвежда резервни части и OEM спираловидни зъбни колела за междинни и високоскоростни стъпала на вятърни турбини от 17CrNiMo6, цементирани и шлифовани по HÖFLER по DIN клас 4–5, Ra ≤ 0,2 µm, със сертификат за материал по DNV или Korean Register 3.2 и документация по Charpy −40°C. Като директен производител на спирални зъбни колела, Korea Ever-Power извършва вътрешни измервания с анализатор на зъбни колела 100% с опция за свидетелство от трета страна и предоставя пълната документация за материали и инспекции, необходима за сертифициране по AGMA 6006 и DNV. За подмяна спираловидни зъбни колела При експлоатацията на вятърни турбини, услугата за обратно инженерство на Korea Ever-Power измерва износеното зъбно колело и произвежда резервното, съгласно потвърдената спецификация, като типичното време за изпълнение на зъбните колела на вятърни турбини от етап 2/3 е 14–22 седмици.
Често задавани въпроси
Три сближаващи се фактора правят вятърната турбина спирална предавка задвижванията са уникално предизвикателство: (1) Най-високият брой цикли в промишлената експлоатация — 10⁹ до 10¹⁰ цикъла за 20 години — тласка материалите в режим на много висока циклична умора, където разсейването е голямо и се натрупват микроточковидни образувания. (2) Променливо и непредсказуемо натоварване — поривите на вятъра водят до циклични претоварвания, които стандартните методи за проектиране на скоростни кутии, калибрирани за приблизително постоянни промишлени натоварвания, подценяват. (3) Ограничения за достъп до поддръжка — скоростна кутия на офшорна турбина с мощност 5 MW е разположена в гондола на 100 м над морското равнище; всяка услуга, изискваща повдигащ кран, струва 200 000–1 000 000 щатски долара, което създава огромен натиск за отлагане на поддръжката и експлоатация на скоростните кутии след интервали за проверка.
FVA 54/7 е стандартизирана процедура за изпитване (разработена от Forschungsvereinigung Antriebstechnik, Германска асоциация за изследване на зъбни колела), която оценява устойчивостта на зъбно колело на микропитинг чрез пускане на стандартни тестови зъбни колела през предписана серия натоварвания и измерване на получената площ на микропитинг по страничните страни на зъбите. На маслата се присвоява степен на натоварване от микропитинг (MLS) от 1 до 10+. Вятърна турбина спирална предавка Спецификациите изискват минимум MLS 10 — най-високият рейтинг. Стандартните индустриални редукторни масла постигат MLS 6–8; специализираните PAO синтетични масла с полисулфидни или борати пакети добавки достигат MLS 10. Използването на масло MLS 8 във вятърна турбина, която изисква MLS 10, ще доведе до прогресивно микропитинг още от първата година на експлоатация.
За наземни турбини в тропически или умерен климат, където минималната температура на околната среда никога не пада под −10°C, изискването на Шарпи от −40°C може да не се прилага и 20CrMnTi с цементация е приемлив за зъбни колела от етап 2/3 по критериите за натоварване и умора. Въпреки това, дори в топъл климат, 17CrNiMo6 е предпочитан за зъбни колела на междинния вал с голямо сечение от етап 2 (диаметър на стъпката над 120–150 mm), тъй като 20CrMnTi не постига адекватна твърдост на сърцевината през цялото сечение при тези диаметри. За високоскоростни зъбни колела от етап 3 с малък модул (външен диаметър 60–100 mm), 20CrMnTi с цементация е приемлив в турбини с топъл климат, където размерът на сечението е в рамките на закалителната способност на класа.
Добре проектирана и правилно поддържана вятърна турбина спираловидни зъбни колела В междинните и високоскоростните етапи са проектирани за 20-годишна експлоатация без подмяна. На практика по-голямата част от повреди на скоростните кутии на вятърните турбини в първото поколение големи турбини са се случвали във високоскоростните зъбни колела от етап 3 на интервали от 5–10 години – предимно от микропитинг и пукнатини от бяло ецване (WEC, наричани още аксиални пукнатини), като и двете показват, че оригиналната спецификация на зъбното колело или спецификацията на маслото е била неадекватна за действителния спектър на натоварване. Съвременните турбини, проектирани по AGMA 6006 и специфицирани с масло MLS 10 и зъбни колела DIN клас 4–5, показват значително по-добри експлоатационни показатели, приближавайки се до 20-годишната проектна цел при полеви проучвания.
Подмяна на спираловидна предавка на вятърна турбина или OEM доставка
Korea Ever-Power произвежда резервни и OEM спирални зъбни колела за междинни и високоскоростни степени на вятърни турбини — 17CrNiMo6, DIN клас 4–5, сертифицирани по Charpy −40°C, със сертификат за материал DNV или KR 3.2. Предлага се обратно инженерство от износени зъбни колела. Срок за изпълнение 14–22 седмици.
17CrNiMo6 · Шарпи −40°C · DIN клас 4–5 · Ra ≤ 0.2 µm · DNV/KR 3.2 сертификат · AGMA 6006 съвместим · Обратно инженерство
Редактор: Cxm
