Архитектура мењача ветротурбине — где се уклапају спирални зупчаници
Ротор ветротурбине снаге више мегавата окреће се брзином од 5–20 обртаја у минути; генератору је потребно 1500–1800 обртаја у минути. Мењач обезбеђује укупан однос од приближно 80:1 до 120:1 у два до три степена. Најчешћи распоред за турбине снаге више мегавата комбинује планетарни степен са малом брзином и два спирална степена:
| Позорница | Тип | Типичан однос | Улазна брзина (пример од 5 MW) | Зашто ова конфигурација |
|---|---|---|---|---|
| Фаза 1 (мала брзина) | Планетарна (3 планете) | 4:1 до 8:1 | 12 обртаја у минути на улазу → 60–96 обртаја у минути на излазу | Највиши степен обртног момента — планетарни мењач максимизира густину обртног момента, а коаксијални распоред одговара вратилу ротора |
| Фаза 2 (средњи ниво) | Спирални зупчаник паралелно вратило | 4:1 до 6:1 | 60–96 обртаја у минути → 240–576 обртаја у минути на излазу | Мањи обртни момент омогућава паралелно вратило; тло спиралних зупчаника обезбеђују потребну буку и контактни однос у овом опсегу брзина |
| Фаза 3 (велика брзина) | Спирални зупчаник паралелно вратило | 3:1 до 5:1 | 240–576 обртаја у минути → 1500 обртаја у минути излаз | Степен највеће брзине — генерише највише буке и топлоте; највиши захтев за прецизност (DIN класа 4–5) |
Фаза 2 и фаза 3 спиралних зупчаника су стандардни парови зупчаника са паралелним вратилима, наугљенисани и брушени, са угловима спирале β = 15–25° — али раде под условима који их чине далеко захтевнијим од еквивалентних индустријских зупчаника: век трајања од 20 година при 10⁹ циклуса, променљиво оптерећење од удара ветра и микроточење услед великог броја циклуса.
Проблем циклуса од 10⁹ — Зашто стандардне границе замора зупчаника нису довољне
Стандардна ISO 6336 ознака преносника заснива се на референтној граници издржљивости при 3 × 10⁶ контактних циклуса (σ_H lim за карбуризовани челик је дефинисан при овом броју циклуса). Ветротурбина спирални зупчаник у фази велике брзине, која ради на 1500 обртаја у минути током 20 година, акумулира се приближно:
Циклуси = 1500 обртаја у минути × 24 зуба × 60 мин/х × 8760 сати/год. × 20 год. = 3,8 × 10¹⁰ циклуса
Ово је приближно 10.000 пута више циклуса него што је референтна вредност издржљивости по стандарду ISO 6336. Док већина зупчаника од карбуризованог челика показује приближно равну SN криву (стварна граница издржљивости) изнад 10⁷ циклуса за тачкасто кршење, статистичко расејање на 10¹⁰ циклуса је много веће него на 10⁷ — и микротачкасто кршење, које није обрађено у стандардном прорачуну контактног замора по стандарду ISO 6336, постаје доминантан начин отказа при овим веома великим бројевима циклуса.
Променљиво оптерећење и фактор употребе — изазов специфичан за ветар
Стандардни индустријски мењачи раде са приближно константним оптерећењем — мењач пумпе са номиналним обртним моментом од 90% током 8 сати дневно је стабилна, предвидљива историја оптерећења. Ветротурбина спирални зупчаник ради под спектром оптерећења вођеним брзином ветра: турбулентни удари ветра производе осцилације обртног момента од ±20–40% средњег обртног момента на фреквенцијама од 0,1–2 Hz (природне фреквенције ротора и торња). Ово циклично преоптерећење акумулира оштећења од замора много брже него константно оптерећење на средњем нивоу обртног момента, а импулсивна природа удара ветра уводи динамичко појачавање на фреквенцији зупчаника.
AGMA 6006-B16 (Стандард за пројектовање и спецификацију мењача за ветротурбине) захтева да се номинална вредност преносника заснива на пуном спектру оптерећења израчунатог протоком кише из структурних пројектних оптерећења турбине — а не на једноставном фактору рада примењеном на номинални обртни момент. Ово се фундаментално разликује од опште номиналне вредности преносника према AGMA 2001 или ISO 6336, где фактор рада KA множи номинални пренети обртни момент да би се покриле све варијације оптерећења једним бројем.
Материјал и термичка обрада за спиралне зупчанике ветротурбина
Прецизно брушено HÖFLER спирални зупчаник за средњу фазу ветротурбина — 17CrNiMo6 наугљеничени HRC 58–62, DIN класа 4–5, Ra ≤ 0,2 µm бочна страна зуба за максималну отпорност на микропитинг при 10⁹+ контактних циклуса
Ветротурбина спиралних зупчаника — и Фаза 2 и Фаза 3 у стандардној вишемегаватној архитектури — захтевају 17CrNiMo6 као квалитет материјала. Избор 17CrNiMo6 уместо јефтинијег 20CrMnTi је обавезан из два независна разлога:
- Захтеви за Шарпијеву методу у хладној клими: Ветротурбине на копну за употребу у приобалним и хладним климатским условима раде на температурама околине испод -20°C. Унутрашња температура мењача током хладног старта може бити и од -25°C до -35°C пре него што се уље загреје. DNV GL правила за класификацију ветротурбина и IEC 61400-1 захтевају Шарпијево испитивање удара на -40°C за компоненте мењача у инсталацијама у хладној клими. 17CrNiMo6 испоручује 55–80 Ј Шарпијевог напора на -40°C; 20CrMnTi обично испоручује само 20–35 Ј на -40°C — испод минимума за сертификацију од 27 Ј.
- Каљивост великог пресека за зупчанике брзих степеница: Зупчаник великог степена мењача турбине од 5 MW има пречник корака од приближно 120–180 mm — пресек превелик да би 20CrMnTi постигао равномерну тврдоћу језгра кроз цео попречни пресек. Виши Ni-Cr легирање 17CrNiMo6 обезбеђује адекватну каљивост кроз пресеке од 300–400 mm, обезбеђујући својства језгра потребна за отпорност на замор при савијању корена зуба.
Мере против микропитовања — адитиви за уље и прецизно брушење
Две контрамере су доступне за смањење ризика од микропитинга у ветротурбинама спиралних зупчаника до прихватљивих нивоа за 20-годишњи радни век:
Синтетичка уља за зупчанике PAO или PAG са полисулфидним или боратним EP адитивима који посебно побољшавају перформансе граничног филма мешовитог подмазивања испод λ = 2,0. Ова уља су тестирана према FVA 54/7 поступку испитивања микропитинга и додељује им се степен оптерећења микропитингом (MLS) — примене за ветротурбине захтевају минимално MLS 10 (максимално). Стандардно минерално уље са конвенционалним S/P EP адитивима обично постиже MLS 6–8 — недовољно за 10⁹ циклус рада ветротурбина.
Прецизно брушење HÖFLER по DIN класи 4–5 постиже Ra ≤ 0,2 µm на бочној страни зуба — у поређењу са Ra ≤ 0,4 µm за стандардне индустријски брушене зупчанике. Финија површина смањује R_q (комбиновану композитну храпавост) за 50%, што значи да исти уљни филм обезбеђује двоструко већи λ однос. Ово директно смањује време проведено у зони иницијације микропитинга (λ < 2,0) и представља најисплативију меру против микропитинга која је доступна у фази производње зупчаника.
Захтеви за сертификацију AGMA 6006 и DNV
AGMA 6006-B16 (Мењачи за ветротурбине) и DNV GL ST-0361 (Сертификација ветротурбина) захтевају да мењач ветротурбине спиралних зупчаника бити оцењен коришћењем стварног спектра оптерећења — не приступом фактора употребе. Специфични захтеви укључују:
- Прорачун спектра оптерећења: Пројектни случајеви оптерећења (DLC) из стандарда IEC 61400-1 дефинишу екстремна и заморна оптерећења на мењачу. Номинална вредност преносника мора да користи интервале оптерећења замора из бројања кишних токова, а не фактор сервиса на номиналном обртном моменту.
- Процена микроудубљења: AGMA 6006 и DNV захтевају специфичну анализу микропитинга према признатој процедури (FVA 54/7 или еквивалент). Фактор безбедности микропитинга S_MP мора бити потврђен на ≥ 1,0 за пуни спектар оптерећења.
- Сертификација материјала: За приобалне турбине и турбине за хладну климу потребан је челик 17CrNiMo6 са сертификатом за материјал класе друштва (DNV, LR, BV, GL) 3.2, укључујући Шарпијев тест на -40°C.
- Класа тачности зупчаника: DIN класа 4–5 (ISO степен 4–5) је минимум за велике брзине Фазе 3 спиралних зупчаникаЗупчаници средње брзине фазе 2: DIN класа 5–6. Обе фазе морају имати мерење анализатора зупчаника 100% документовано код класног друштва или акредитованог трећег сведока.
Кореја Евер-Пауер — Замена и оригинални спирални зупчаници ветротурбина
Кореја Евер-Пауер производи заменске и ОЕМ уређаје спирално сечени зупчаници за средње и брзе степенице ветротурбина од 17CrNiMo6, цементирано и брушено по HÖFLER стандарду према DIN класи 4–5, Ra ≤ 0,2 µm, са DNV или корејским регистром 3.2 сертификатом материјала и Charpy документацијом за −40°C. Као директно произвођач спиралних зупчаника, Кореја Евер-Пауер врши интерна мерења анализатора зупчаника 1001ТП3Т са опцијом сведочења треће стране и пружа комплетан материјал и документацију за инспекцију потребну за AGMA 6006 и DNV сертификацију. За замену спиралних зупчаника Приликом рада ветротурбина, услуга реверзног инжењеринга компаније Korea Ever-Power мери истрошени зупчаник и производи замену према потврђеним спецификацијама, са типичним временом испоруке за зупчанике ветротурбина Фазе 2/3 од 14–22 недеље.
Често постављана питања
Три конвергентна фактора чине ветротурбину спирални зупчаник погони представљају јединствен изазов: (1) Највећи број циклуса у индустријској служби — 10⁹ до 10¹⁰ циклуса током 20 година доводи материјале у режим веома високог цикличног замора где је расејање велико и накупља се микроудубљење. (2) Променљиво и непредвидиво оптерећење — удари ветра производе циклична преоптерећења која стандардне методе пројектовања мењача, калибрисане за приближно константна индустријска оптерећења, потцењују. (3) Ограничења приступа за одржавање — мењач турбине од 5 MW на мору налази се у гондоли 100 м надморске висине; свака услуга која захтева дизалицу кошта 200.000–1.000.000 америчких долара, стварајући огроман притисак да се одложи одржавање и да мењачи раде дуже од интервала инспекције.
FVA 54/7 је стандардизована процедура испитивања (коју је развило Немачко удружење за истраживање зупчаника, Forschungsvereinigung Antriebstechnik) која процењује отпорност уља за зупчанике на микропитинг покретањем стандардних тест зупчаника кроз прописану серију оптерећења и мерењем резултујуће површине микропитинга на бочним странама зубаца. Уљима се додељује степен оптерећења микропитингом (MLS) од 1 до 10+. Ветротурбина спирални зупчаник Спецификације захтевају минимално MLS 10 — највишу оцену. Стандардна индустријска уља за зупчанике постижу MLS 6–8; специјализована PAO синтетичка уља са полисулфидним или боратним пакетима адитива достижу MLS 10. Коришћење MLS 8 уља у ветротурбини која захтева MLS 10 резултираће прогресивним микропитингом од прве године рада.
За копнене турбине у тропским или умереним климатским условима где минимална температура околине никада не пада испод -10°C, Шарпијев захтев на -40°C можда неће важити, а 20CrMnTi наугљеничени је прихватљив за зупчанике Фазе 2/3 по критеријумима оптерећења и замора. Међутим, чак и у топлим климатским условима, 17CrNiMo6 је пожељнији за зупчанике међувратила Фазе 2 великог пресека (пречник корака изнад 120–150 mm) јер 20CrMnTi не постиже одговарајућу тврдоћу језгра кроз цео пресек при овим пречницима. За брзе зупчанике Фазе 3 малог модула (спољни пречник 60–100 mm), 20CrMnTi наугљеничени је прихватљив у турбинама у топлој клими где је величина пресека унутар могућности каљења класе.
Добро пројектована и правилно одржавана ветротурбина спиралних зупчаника У средњим и великим брзинама, мењачи ветротурбина су пројектовани за 20-годишњи рад без замене. У пракси, већина кварова мењача ветротурбина у првој генерацији великих турбина догодила се у великим брзинама у трећој фази у интервалима од 5–10 година — претежно због микропитинга и белих пукотина нагризања (WEC, такође названих аксијалним пукотинама), што указује на то да је оригинална спецификација зупчаника или спецификација уља била неадекватна за стварни спектар оптерећења. Модерне турбине пројектоване према AGMA 6006 и специфициране са уљем MLS 10 и зупчаницима DIN класе 4–5 показују знатно боље резултате рада, приближавајући се циљу пројектовања од 20 година у теренским истраживањима.
Замена спиралног зупчаника ветротурбине или ОЕМ испорука
Кореа Евер-Пауер производи резервне и оригиналне спиралне зупчанике за средњебрзинске и високобрзинске степенице ветротурбина — 17CrNiMo6, DIN класа 4–5, сертификован по Шарпију за −40°C, са DNV или KR 3.2 сертификатом материјала. Доступан је реверзни инжењеринг од истрошеног зупчаника. Рок испоруке 14–22 недеље.
17CrNiMo6 · Шарпи −40°C · DIN класа 4–5 · Ra ≤ 0,2 µm · DNV/KR 3.2 сертификат · AGMA 6006 у складу са стандардом · Реверзни инжењеринг
Уредник: Cxm
