Архитектура редуктора ветряной турбины — где находят свое место косозубые шестерни
Ротор многомегаваттной ветряной турбины вращается со скоростью 5–20 об/мин; генератору требуется 1500–1800 об/мин. Редуктор обеспечивает суммарное передаточное отношение приблизительно от 80:1 до 120:1 в двух-трех ступенях. Наиболее распространенная компоновка для многомегаваттных турбин сочетает в себе низкоскоростную планетарную ступень с двумя винтовыми ступенями:
| Этап | Тип | Типичное соотношение | Входная скорость (пример 5 МВт) | Почему именно эта конфигурация? |
|---|---|---|---|---|
| Этап 1 (низкая скорость) | Планетарный (3 планеты) | 4:1 до 8:1 | 12 об/мин на входе → 60–96 об/мин на выходе | Этап максимального крутящего момента — планетарный механизм обеспечивает максимальную плотность крутящего момента и соосную компоновку, соответствующую валу ротора. |
| Этап 2 (промежуточный) | Винтовая передача параллельный вал | 4:1 до 6:1 | 60–96 об/мин на входе → 240–576 об/мин на выходе | Меньший крутящий момент позволяет использовать параллельные валы; шлифовка косозубые шестерни обеспечить требуемый уровень шума и коэффициент контакта в этом диапазоне скоростей |
| Этап 3 (высокая скорость) | Винтовая передача параллельный вал | 3:1 до 5:1 | 240–576 об/мин на входе → 1500 об/мин на выходе | Этап с самой высокой скоростью вращения — генерирует наибольший шум и тепло; предъявляет самые высокие требования к точности (класс DIN 4–5). |
Этап 2 и Этап 3 косозубые шестерни Это стандартные пары зубчатых передач с параллельными валами, подвергнутые цементации и шлифовке, с углами наклона винтовой линии β = 15–25°, но работающие в условиях, которые делают их гораздо более требовательными, чем аналогичные промышленные шестерни: срок службы 20 лет при 10⁹ циклах, переменная нагрузка от порывов ветра и микропиттинг из-за большого количества циклов.
Проблема 10⁹ циклов — почему стандартных пределов усталости зубчатых передач недостаточно.
Стандарт ISO 6336 для зубчатых передач основан на эталонном пределе износостойкости при 3 × 10⁶ циклах контакта (предел σ_H для цементированной стали определяется при этом количестве циклов). Ветряная турбина косозубая передача На высокоскоростном этапе работы при 1500 об/мин в течение 20 лет накапливается приблизительно:
Циклы = 1500 об/мин × 24 зуба × 60 мин/час × 8760 ч/год × 20 лет = 3,8 × 10¹⁰ циклов
Это примерно в 10 000 раз больше циклов, чем указано в стандарте ISO 6336 по износостойкости. Хотя большинство зубчатых передач из цементированной стали демонстрируют приблизительно плоскую кривую SN (предел подлинной износостойкости) выше 10⁷ циклов для образования питтинга, статистический разброс при 10¹⁰ циклах намного больше, чем при 10⁷, — и микропиттинг, который не учитывается в стандартном расчете контактной усталости ISO 6336, становится доминирующим видом разрушения при таком очень большом количестве циклов.
Переменная нагрузка и коэффициент использования мощности — специфическая проблема для ветроэнергетических установок.
Стандартные промышленные редукторы работают при приблизительно постоянной нагрузке — редуктор насоса с номинальным крутящим моментом 90% в течение 8 часов в день обеспечивает стабильную и предсказуемую историю нагрузок. Ветряная турбина косозубая передача Он работает в условиях нагрузки, зависящей от скорости ветра: турбулентные порывы создают колебания крутящего момента в пределах ±20–401ТП3Т от среднего крутящего момента на частотах 0,1–2 Гц (собственные частоты ротора и башни). Такая циклическая перегрузка приводит к накоплению усталостных повреждений гораздо быстрее, чем постоянная нагрузка на уровне среднего крутящего момента, а импульсный характер порывов ветра вызывает динамическое усиление на частоте зацепления шестерен.
Стандарт AGMA 6006-B16 (Стандарт проектирования и спецификации редукторов для ветротурбин) требует, чтобы номинальная мощность редуктора основывалась на полном спектре нагрузок, рассчитанных с учетом потока дождевой воды, исходя из расчетных нагрузок на конструкцию турбины, а не на простом коэффициенте запаса прочности, применяемом к номинальному крутящему моменту. Это принципиально отличается от стандартов AGMA 2001 или ISO 6336, где коэффициент запаса прочности KA умножает номинальный передаваемый крутящий момент, чтобы учесть все изменения нагрузки одним числом.
Материалы и термообработка косозубых шестерен ветротурбин
Прецизионная шлифовка HÖFLER косозубая передача Для промежуточной ступени ветротурбины — цементированная сталь 17CrNiMo6 HRC 58–62, класс DIN 4–5, Ra ≤ 0,2 мкм на боковой поверхности зуба для максимальной стойкости к микропиттингу при 10⁹+ циклах контакта.
Ветряная турбина косозубые шестерни — как на втором, так и на третьем этапе стандартной многомегаваттной архитектуры — в качестве материала требуется 17CrNiMo6. Выбор 17CrNiMo6 вместо более дешевого 20CrMnTi является обязательным по двум независимым причинам:
- Требования к методу Шарпи для холодного климата: Ветротурбины, используемые в морских и наземных ветропарках в условиях холодного климата, работают при температуре окружающей среды ниже −20°C. Внутренняя температура редуктора во время холодного пуска может опускаться до −25°C–−35°C, прежде чем масло нагреется. Правила классификации ветротурбин DNV GL и IEC 61400-1 требуют проведения испытаний на ударную вязкость по Шарпи при −40°C для компонентов редуктора в установках, работающих в условиях холодного климата. Сплав 17CrNiMo6 обеспечивает ударную вязкость по Шарпи 55–80 Дж при −40°C; сплав 20CrMnTi обычно обеспечивает только 20–35 Дж при −40°C — ниже минимального значения для сертификации в 27 Дж.
- Высокая закаливаемость профилей для высокоскоростных ступичных шестерен: Шестерня высокоскоростной ступени редуктора турбины мощностью 5 МВт имеет диаметр делительной окружности приблизительно 120–180 мм — сечение слишком велико для того, чтобы сплав 20CrMnTi обеспечил равномерную твердость сердцевины по всему поперечному сечению. Более высокое содержание Ni-Cr в сплаве 17CrNiMo6 обеспечивает достаточную закаливаемость на участках длиной 300–400 мм, гарантируя свойства сердцевины, необходимые для сопротивления усталостному изгибу корня зуба.
Меры противодействия микропиттингу — присадки к маслам и прецизионная шлифовка
Для снижения риска микропиттинга в ветротурбинах доступны две меры противодействия. косозубые шестерни до приемлемого уровня для 20-летнего стажа работы:
Синтетические редукторные масла на основе полиальфаолефинов (PAO) или полиалюминиевых гранул (PAG) с полисульфидными или боратными противозадирными присадками, которые специально улучшают характеристики граничной пленки смешанной смазки при λ < 2,0. Эти масла тестируются в соответствии с процедурой микропиттинговых испытаний FVA 54/7 и получают рейтинг нагрузки микропиттинга (MLS) — для ветротурбин требуется минимум MLS 10 (максимум). Стандартное минеральное масло с обычными противозадирными присадками S/P обычно достигает MLS 6–8 — этого недостаточно для эксплуатации ветротурбин с циклом 10⁹.
Прецизионная шлифовка HÖFLER класса DIN 4–5 обеспечивает шероховатость Ra ≤ 0,2 мкм на боковой поверхности зуба — по сравнению с Ra ≤ 0,4 мкм для стандартных промышленных шлифованных зубчатых передач. Более тонкая поверхность снижает R_q (суммарную шероховатость) на 50%, что означает, что та же масляная пленка обеспечивает вдвое большее соотношение λ. Это напрямую сокращает долю времени, проводимого в зоне зарождения микропиттинга (λ < 2,0), и является наиболее экономически эффективной мерой противодействия микропиттингу на этапе изготовления зубчатых передач.
Требования к сертификации AGMA 6006 и DNV
Стандарты AGMA 6006-B16 (Редукторы для ветротурбин) и DNV GL ST-0361 (Сертификация ветротурбин) требуют, чтобы редукторы ветротурбин соответствовали требованиям. косозубые шестерни Расчет должен производиться с использованием фактического спектра нагрузки, а не коэффициента запаса прочности. Конкретные требования включают:
- Расчет спектра нагрузки: Расчетные нагрузки IEC 61400-1 (DLC) определяют экстремальные и усталостные нагрузки на редуктор. Номинальная нагрузка редуктора должна определяться с использованием диапазонов усталостных нагрузок, полученных методом расчета по методу Rainflow, а не коэффициента запаса прочности для номинального крутящего момента.
- Оценка микропористости: Стандарты AGMA 6006 и DNV требуют проведения специального анализа микропиттинга в соответствии с признанной процедурой (FVA 54/7 или эквивалентной). Коэффициент запаса прочности по микропиттингу S_MP должен быть подтвержден на уровне ≥ 1,0 для всего спектра нагрузок.
- Сертификация материалов: Для морских и низкотемпературных турбин требуется сертификат на материал 17CrNiMo6 с классификацией DNV, LR, BV, GL 3.2, включающий испытания на ударную вязкость по Шарпи при −40°C.
- Класс точности зубчатых передач: Для высокоскоростных двигателей 3-го уровня требуется стандарт DIN Class 4–5 (ISO Grade 4–5). косозубые шестерни. Среднескоростные редукторы 2-й ступени: класс DIN 5–6. Для обеих ступеней необходимо наличие результатов измерений с помощью анализатора редукторов 100%, подтвержденных классификационным обществом или аккредитованным сторонним наблюдателем.
Korea Ever-Power — Запасные и оригинальные косозубые шестерни для ветротурбин
Компания Korea Ever-Power производит запасные части и продукцию по OEM-заказам. косозубые шестерни Для промежуточных и высокоскоростных ступеней ветротурбин из стали 17CrNiMo6, цементированной и отшлифованной HÖFLER по стандарту DIN Class 4–5, Ra ≤ 0,2 мкм, с сертификатом материала DNV или Korean Register 3.2 и документацией по испытанию на ударную вязкость по Шарпи при −40°C. В качестве прямого поставщика. производитель косозубых передачКомпания Korea Ever-Power проводит собственные измерения с помощью анализатора зубчатых передач 100% с возможностью присутствия стороннего наблюдателя и предоставляет полный комплект документации по материалам и контролю качества, необходимой для сертификации AGMA 6006 и DNV. Для замены косозубые шестерни В процессе эксплуатации ветротурбин компания Korea Ever-Power использует услугу обратного проектирования для измерения изношенных шестерен и изготовления запасных частей в соответствии с подтвержденными техническими характеристиками, при этом типичный срок поставки шестерен для ветротурбин 2-й/3-й ступени составляет 14–22 недели.
Часто задаваемые вопросы
Три сходящихся фактора приводят к созданию ветряной турбины. косозубая передача Уникальные сложности, связанные с приводами: (1) Наибольшее количество циклов в промышленной эксплуатации — от 10⁹ до 10¹⁰ циклов за 20 лет — приводит к тому, что материалы переходят в режим очень высокой циклической усталости, где разброс велик, и накапливается микропиттинг. (2) Переменная и непредсказуемая нагрузка — порывы ветра вызывают циклические перегрузки, которые стандартные методы проектирования редукторов, откалиброванные для приблизительно постоянных промышленных нагрузок, недооценивают. (3) Ограничения доступа для технического обслуживания — редуктор морской турбины мощностью 5 МВт расположен в гондоле на высоте 100 м над уровнем моря; любое обслуживание, требующее подъемного крана, стоит 200 000–1 000 000 долларов США, что создает огромное давление, вынуждающее откладывать техническое обслуживание и эксплуатировать редукторы после истечения интервалов проверки.
FVA 54/7 — это стандартизированная процедура испытаний (разработанная Немецким исследовательским обществом зубчатых передач Forschungsvereinigung Antriebstechnik), которая оценивает устойчивость трансмиссионного масла к микропиттингу путем испытания стандартных зубчатых передач в заданной серии нагрузок и измерения площади микропиттинга на боковых поверхностях зубьев. Маслам присваивается стадия микропиттинговой нагрузки (MLS) от 1 до 10+. Ветротурбина косозубая передача Технические требования предусматривают минимальный рейтинг MLS 10 — наивысший показатель. Стандартные промышленные редукторные масла достигают MLS 6–8; специализированные синтетические масла на основе полиальфаолефинов (PAO) с полисульфидными или боратными присадками достигают MLS 10. Использование масла с рейтингом MLS 8 в ветротурбине, для которой требуется MLS 10, приведет к прогрессирующему микропиттингу уже с первого года эксплуатации.
Для наземных турбин в тропическом или умеренном климате, где минимальная температура окружающей среды никогда не опускается ниже −10°C, требование по методу Шарпи при −40°C может не применяться, и цементация 20CrMnTi допустима для зубчатых передач 2/3 ступени по критериям нагрузки и усталости. Однако даже в теплом климате для промежуточных шестерен 2 ступени с большим сечением (диаметр делительной окружности более 120–150 мм) предпочтительнее использовать 17CrNiMo6, поскольку 20CrMnTi не обеспечивает достаточной твердости сердцевины по всей длине сечения при таких диаметрах. Для высокоскоростных зубчатых передач 3 ступени с малым модулем (наружный диаметр 60–100 мм) цементация 20CrMnTi допустима в турбинах, работающих в теплом климате, где размер сечения находится в пределах закаливаемости марки стали.
Хорошо спроектированная и надлежащим образом обслуживаемая ветровая турбина косозубые шестерни В промежуточной и высокоскоростной ступенях редукторы рассчитаны на 20-летнюю эксплуатацию без замены. На практике большинство отказов редукторов ветротурбин первого поколения крупных турбин происходило в высокоскоростных редукторах 3-й ступени с интервалом в 5–10 лет — преимущественно из-за микропиттинга и белых травильных трещин (WEC, также называемых осевыми трещинами), которые указывают на то, что первоначальная спецификация редуктора или масла была неадекватной для фактического спектра нагрузок. Современные турбины, разработанные в соответствии со стандартом AGMA 6006 и оснащенные маслом MLS 10 и редукторами класса DIN 4–5, демонстрируют значительно лучшие показатели эксплуатации, приближаясь к 20-летнему расчетному сроку службы по результатам полевых исследований.
Замена косозубых шестерен ветротурбин или поставка от производителя оригинального оборудования.
Компания Korea Ever-Power производит запасные и OEM-винтовые шестерни для промежуточных и высокоскоростных ступеней ветротурбин — из стали 17CrNiMo6, класса DIN 4–5, сертифицированной по Шарпи при −40°C, с сертификатами DNV или KR 3.2. Возможна обратная разработка на основе изношенной шестерни. Срок выполнения заказа: 14–22 недели.
17CrNiMo6 · Шарпи −40°C · Класс DIN 4–5 · Ra ≤ 0,2 мкм · Сертификат DNV/KR 3.2 · Соответствует стандарту AGMA 6006 · Обратное проектирование
Редактор: Cxm
