Tuuleturbiini käigukasti arhitektuur – kuhu sobivad spiraalkäigud
Mitme megavatise võimsusega tuuleturbiini rootor pöörleb kiirusel 5–20 p/min; generaator vajab 1500–1800 p/min. Käigukast tagab kahes kuni kolmes astmes koguülekandearvu ligikaudu 80:1 kuni 120:1. Mitme megavatise võimsusega turbiinide kõige levinum paigutus ühendab madala kiirusega planetaarse astme kahe spiraalse astmega:
| Lava | Tüüp | Tüüpiline suhe | Sisendkiirus (näide 5 MW) | Miks see konfiguratsioon |
|---|---|---|---|---|
| 1. etapp (madal kiirus) | Planetaarne (3 planeeti) | 4:1 kuni 8:1 | 12 p/min sisse → 60–96 p/min välja | Kõrgeima pöördemomendi aste – planetaarne maksimeerib pöördemomendi tihedust ja koaksiaalset paigutust, mis sobib rootori võlliga |
| 2. etapp (kesktase) | Spiraalne käik paralleelvõll | 4:1 kuni 6:1 | 60–96 p/min sisse → 240–576 p/min välja | Väiksem pöördemoment võimaldab paralleelset võlli; maandus spiraalsed hammasrattad tagavad selles kiirusvahemikus vajaliku müra ja kontaktsuhte |
| 3. etapp (suur kiirus) | Spiraalne käik paralleelvõll | 3:1 kuni 5:1 | 240–576 p/min sisse → 1500 p/min välja | Kiireim aste — tekitab kõige rohkem müra ja soojust; kõrgeim täpsusnõue (DIN klass 4–5) |
2. ja 3. etapp spiraalsed hammasrattad on standardsed paralleelvõllidega, karastatud ja lihvitud paarid, mille keerdnurk on β = 15–25° – kuid mis töötavad tingimustes, mis muudavad need palju nõudlikumaks kui samaväärsed tööstuslikud käigukastid: 20-aastane eluiga 10⁹ tsükli juures, muutuv koormus tuuleiilide tõttu ja mikropittumine suure tsüklite arvu tõttu.
10⁹ tsükli probleem — miks standardsed käigukasti väsimuspiirid on ebapiisavad
Standardi ISO 6336 kohane käigukasti nimivõimsus põhineb võrdluskestvuspiiril 3 × 10⁶ kokkupuutetsükli juures (σ_H lim karastatud terase jaoks on defineeritud selle tsüklite arvu juures). Tuuleturbiin spiraalne käik kiirkäigul 1500 p/min juures 20 aasta jooksul koguneb ligikaudu:
Tsüklid = 1500 p/min × 24 hammast × 60 min/h × 8760 h/a × 20 a = 3,8 × 10¹⁰ tsüklit
See on ligikaudu 10 000 korda rohkem tsükleid kui ISO 6336 vastupidavusviide. Kuigi enamikul karastatud terasest hammasratastel on üle 10⁷ tsükli punktkorrosiooni korral ligikaudu lame SN-kõver (tegelik vastupidavuspiir), on statistiline hajumine 10¹⁰ tsükli juures palju suurem kui 10⁷ juures – ja mikropunktkorrosioon, mida standardi ISO 6336 kontaktväsimuse arvutamisel ei käsitleta, muutub nende väga suurte tsüklite arvude juures domineerivaks rikkeviisiks.
Muutuv koormus ja teenindustegur – tuulespetsiifiline väljakutse
Standardsed tööstuslikud käigukastid töötavad ligikaudu konstantse koormusega – pumba käigukast nimipöördemomendiga 90% 8 tunni jooksul päevas annab stabiilse ja prognoositava koormusajaloo. Tuuleturbiin spiraalne käik töötab tuule kiirusest sõltuva koormusspektri all: turbulentne tuuleiil tekitab pöördemomendi võnkumisi vahemikus ±20–40% keskmisest pöördemomendist sagedustel 0,1–2 Hz (rootori ja torni loomulikud sagedused). See tsükliline ülekoormus akumuleerib väsimuskahjustusi palju kiiremini kui püsiv koormus keskmise pöördemomendi tasemel ning puhangute impulsiivne olemus tekitab dünaamilise võimenduse hammasrataste haakimissagedusel.
AGMA 6006-B16 (tuuleturbiinide käigukastide projekteerimise ja spetsifikatsiooni standard) nõuab, et käigukasti nimiväärtus põhineks turbiini konstruktsioonikoormuste täielikul vihmaveekogus arvestatud koormusspektril – mitte lihtsalt nimipöördemomendile rakendatud hooldusteguril. See erineb põhimõtteliselt AGMA 2001 või ISO 6336 üldisest käigukasti nimiväärtusest, kus hooldustegur KA korrutab nimiülekande pöördemomendi ühe numbriga, et katta kõik koormuse muutused.
Tuuleturbiini spiraalülekannete materjal ja kuumtöötlus
Täppis-HÖFLER-lihvitud spiraalne käik Tuuleturbiini vaheastme jaoks — 17CrNiMo6 karastatud HRC 58–62, DIN klass 4–5, Ra ≤ 0,2 µm hambakülje paksus maksimaalse mikropitingukindluse tagamiseks 10⁹+ kokkupuutetsükli juures
Tuuleturbiin spiraalsed hammasrattad — nii 2. kui ka 3. etapp standardse mitme MW arhitektuuri puhul — nõuavad materjalina 17CrNiMo6. 17CrNiMo6 valimine odavama 20CrMnTi asemel on kohustuslik kahel sõltumatul põhjusel:
- Külma kliima Charpy nõue: Avamere ja külma kliima maismaatuulikud töötavad ümbritseva õhu temperatuuril alla −20 °C. Käigukasti sisetemperatuur külmkäivituse ajal võib enne õli soojenemist olla vahemikus −25 °C kuni −35 °C. DNV GL tuuleturbiinide klassifitseerimise reeglid ja IEC 61400-1 nõuavad külma kliima paigaldistes käigukasti komponentide Charpy löögikatset temperatuuril −40 °C. 17CrNiMo6 annab −40 °C juures 55–80 J Charpy löögistatust; 20CrMnTi annab −40 °C juures tavaliselt vaid 20–35 J – see on alla sertifitseerimismiinimumi 27 J.
- Suure ristlõike karastatavus kiiretel lavaratastel: 5 MW turbiini käigukasti kiirel astmel oleva hammasratta sammu läbimõõt on ligikaudu 120–180 mm – see on liiga suur ristlõige, et 20CrMnTi saavutaks ühtlase südamiku kõvaduse kogu ristlõikes. 17CrNiMo6 suurem Ni-Cr legeering tagab piisava karastatavuse 300–400 mm ristlõigetes, tagades hambajuure paindeväsimuskindluse jaoks vajalikud südamiku omadused.
Mikropittide vastumeetmed — õlilisandid ja täppisjahvatamine
Tuuleturbiini mikropittinguohu vähendamiseks on saadaval kaks vastumeedet spiraalsed hammasrattad 20-aastase teenistuse jaoks vastuvõetava tasemeni:
PAO või PAG sünteetilised käigukastiõlid polüsulfiid- või boraat-EP-lisanditega, mis parandavad spetsiifiliselt segatud määrimispiirkihi toimivust alla λ = 2,0. Neid õlisid testitakse FVA 54/7 mikropittingu katseprotseduuri kohaselt ja neile antakse mikropittingu koormusastme (MLS) hinnang – tuulikute rakenduste minimaalne MLS on 10 (maksimaalne). Tavaline mineraalõli tavapäraste S/P EP-lisanditega saavutab tavaliselt MLS-i 6–8 – see ei ole piisav 10⁹-tsükliliste tuulikute jaoks.
DIN klass 4–5 HÖFLERi täppislihvimine saavutab hamba küljel Ra ≤ 0,2 µm – võrreldes standardsete tööstuslikult lihvitud hammasrataste Ra ≤ 0,4 µm-ga. Peenem pind vähendab R_q-d (kombineeritud komposiitkaredus) 50% võrra, mis tähendab, et sama õlifilm annab kaks korda suurema λ suhte. See vähendab otseselt mikropitingu algatamise tsoonis veedetud ajafraktsiooni (λ < 2,0) ja on hammasrataste tootmisetapis kõige kulutõhusam mikropitingu vastumeede.
AGMA 6006 ja DNV sertifitseerimisnõuded
Nii AGMA 6006-B16 (tuuleturbiinide käigukastid) kui ka DNV GL ST-0361 (tuuleturbiinide sertifitseerimine) nõuavad, et tuuleturbiini käigukast spiraalsed hammasrattad tuleb hinnata tegeliku koormusspektri, mitte teenindusteguri lähenemisviisi alusel. Konkreetsed nõuded hõlmavad järgmist:
- Koormusspektri arvutamine: IEC 61400-1 projekteerimiskoormusjuhud (DLC-d) määratlevad käigukasti äärmuslikud ja väsimuskoormused. Käigukasti nimiväärtuse määramisel tuleb kasutada vihmavee loenduri väsimuskoormuse vahemikke, mitte nimipöördemomendi töötegurit.
- Mikropittide hindamine: Nii AGMA 6006 kui ka DNV nõuavad spetsiifilist mikropittingu analüüsi tunnustatud protseduuri (FVA 54/7 või samaväärne) kohaselt. Mikropittingu ohutustegur S_MP peab olema kogu koormusspektri ulatuses kinnitatud väärtusele ≥ 1,0.
- Materjali sertifitseerimine: Avamere ja külma kliima turbiinide jaoks on vaja 17CrNiMo6 materjalisertifikaati klassiühingule (DNV, LR, BV, GL) 3.2, sh Charpy tugevus temperatuuril −40 °C.
- Käigukasti täpsusklass: 3. etapi kiirvedude miinimumnõudeks on DIN klass 4–5 (ISO klass 4–5). spiraalsed hammasrattad2. etapi keskmise kiirusega käigud: DIN klass 5–6. Mõlemal etapil peab olema 100% käiguanalüsaatori mõõtmine, mis on dokumenteeritud klassiühingu või akrediteeritud kolmanda osapoole poolt.
Korea Ever-Power — asendus- ja originaaltuuleturbiinide spiraalkäigukastid
Korea Ever-Power toodab asendus- ja originaalvaruosade osasid spiraalsed lõigatud hammasrattad Tuuleturbiinide vahe- ja kiirete astmete jaoks 17CrNiMo6-st, karastatud ja HÖFLER-lihvitud vastavalt DIN klassile 4–5, Ra ≤ 0,2 µm, DNV või Korea registri 3.2 materjalisertifikaadi ja Charpy −40 °C dokumentatsiooniga. Otseühendusena spiraalhammasrataste tootjaKorea Ever-Power teostab ettevõttesiseseid 100% hammasrattaanalüsaatorite mõõtmisi kolmanda osapoole tunnistaja valikuga ning pakub AGMA 6006 ja DNV sertifitseerimiseks vajalikke materjale ja kontrollidokumente. Asendamiseks spiraalsed hammasrattad Tuuleturbiinide käitamise valdkonnas mõõdab Korea Ever-Poweri pöördprojekteerimise teenus kulunud hammasrattaid ja toodab kinnitatud spetsifikatsioonile vastava asenduse, kusjuures 2./3. etapi tuuleturbiini hammasrataste tüüpiline tarneaeg on 14–22 nädalat.
Korduma kippuvad küsimused
Kolm koonduvat tegurit muudavad tuuleturbiini spiraalne käik erakordselt keerulised ajamid: (1) Tööstusliku teeninduse suurim tsüklite arv – 10⁹ kuni 10¹⁰ tsüklit 20 aasta jooksul – surub materjalid väga kõrge tsükliga väsimusrežiimi, kus hajumine on suur ja mikropitting koguneb. (2) Muutuv ja ettearvamatu koormus – tuuleiilid tekitavad tsüklilisi ülekoormusi, mida standardsed käigukasti projekteerimismeetodid, mis on kalibreeritud ligikaudu konstantsete tööstuskoormuste jaoks, alahindavad. (3) Hooldusele juurdepääsu piirangud – 5 MW avamere turbiinkäigukast asub gondlis 100 m kõrgusel merepinnast; iga tõstukkraanat vajav teenus maksab 200 000–1 000 000 USA dollarit, mis tekitab tohutu surve hooldust edasi lükata ja käigukaste ülevaatusintervallidest kauem kasutada.
FVA 54/7 on standardiseeritud katsemenetlus (mille on välja töötanud Saksamaa Gear Research Association ehk Forschungsvereinigung Antriebstechnik), mis hindab käigukastiõli vastupidavust mikroaugudele, lastes standardsetel testkäigukastidel läbida etteantud koormusseeria ja mõõtes saadud mikroaugulise tekkemise ala hamba külgedel. Õlidele määratakse mikroaugulise tekkemise koormusaste (MLS) vahemikus 1 kuni 10+. Tuuleturbiin spiraalne käik Spetsifikatsioonid nõuavad minimaalset MLS 10 – kõrgeimat hinnangut. Tavalised tööstuslikud käigukastiõlid saavutavad MLS 6–8; spetsiaalsed PAO sünteetilised õlid polüsulfiid- või boraatlisanditega ulatuvad MLS 10-ni. MLS 8 õli kasutamine tuuleturbiinis, mis nõuab MLS 10, põhjustab esimesest tööaastast alates järkjärgulist mikroaugulist teket.
Maismaaturbiinide puhul troopilises või parasvöötme kliimas, kus minimaalne ümbritseva õhu temperatuur ei lange kunagi alla −10 °C, ei pruugi Charpy nõue temperatuuril −40 °C kehtida ning 2./3. etapi käikude puhul on koormus- ja väsimuskriteeriumide kohaselt vastuvõetav 20CrMnTi karastatud teras. Isegi soojas kliimas on suure ristlõikega 2. etapi vahevõlli hammasrataste (sammu läbimõõt üle 120–150 mm) jaoks eelistatud 17CrNiMo6, kuna 20CrMnTi ei saavuta nende läbimõõtude korral piisavat südamiku kõvadust kogu ristlõike ulatuses. Väikese mooduliga kiirete 3. etapi käikude (välisläbimõõt 60–100 mm) puhul on 20CrMnTi karastatud teras vastuvõetav sooja kliima turbiinides, kus ristlõike suurus jääb klassi karastatavuse piiridesse.
Hästi projekteeritud ja korralikult hooldatud tuuleturbiin spiraalsed hammasrattad Vahe- ja kiiretel etappidel on käigukastid projekteeritud 20-aastaseks kasutusajaks ilma vahetuseta. Praktikas tekkis enamik esimese põlvkonna suurte turbiinide tuuleturbiinide käigukasti rikkeid kiiretel 3. etapi käikudel 5–10-aastaste intervallidega – peamiselt mikropittingu ja valgete söövituspragude (WEC, mida nimetatakse ka aksiaalseteks pragudeks) tõttu, mis mõlemad näitavad, et algne käigukasti spetsifikatsioon või õli spetsifikatsioon ei olnud tegeliku koormusspektri jaoks piisav. Kaasaegsed turbiinid, mis on projekteeritud vastavalt standardile AGMA 6006 ja spetsifikatsioonis MLS 10 õli ning DIN klassi 4–5 käikudega, näitavad oluliselt paremaid kasutusrekordeid, lähenedes väliuuringutel 20-aastasele projekteerimiseesmärgile.
Tuuleturbiini spiraalkäigukasti vahetus või OEM-tarne
Korea Ever-Power toodab tuuleturbiinide vahe- ja kiiretel astmetel asendus- ja originaalvariantidega kaldhammasrattaid – 17CrNiMo6, DIN klass 4–5, Charpy standardile −40 °C sertifitseeritud, DNV või KR 3.2 materjalisertifikaadiga. Kulunud hammasrataste pöördprojekteerimine on võimalik. Tarneaeg 14–22 nädalat.
17CrNiMo6 · Charpy temperatuuril −40 °C · DIN klass 4–5 · Ra ≤ 0,2 µm · DNV/KR 3.2 sertifikaat · AGMA 6006 nõuetele vastav · Pöördprojekteerimine
Toimetaja: Cxm
