Szukaj

Łożyska - 2018-12-11

Łożyska turbiny wiatrowej muszą wytrzymać 25-letni okres eksploatacji przy silnych obciążeniach dynamicznych

Oznaki uszkodzeń łożysk, znane jako złuszczanie wodorowe (WSF, White Structure Flaking), które występują w turbinach wiatrowych, jak również w innych układach napędowych, stają się widoczne bardzo wcześnie - zwykle na długo przed końcem oczekiwanego okresu użytkowania łożysk. Przez długi czas przyczyny tego zjawiska pozostawały nieznane, ale obecnie, dzięki rezultatom nowych odkryć udostępnionych przez specjalistów NSK, firma opracowała nowy materiał łożyskowy, który oferuje istotne korzyści w zakresie wydłużenia okresu eksploatacji turbin wiatrowych.
 

Elementy napędowe turbin wiatrowych muszą spełniać coraz bardziej surowe wymagania dotyczące trwałości i wytrzymałości. Turbiny lądowe standardowo wymagają łożysk zaprojektowanych na żywotność 175000 godzin, co stanowi odpowiednik 20 lat pracy. Jednak w przypadku szybko rosnącego rynku morskich farm wiatrowych, gdzie powszechne są wysokie nakłady inwestycyjne i trudności w dostępie do infrastruktury, oczekuje się 25-letniego okresu użytkowania łożysk.
 

Większa żywotność, wyższe obciążenia dynamiczne

Przy ekstremalnych obciążeniach dynamicznych działających na zespół napędowy turbiny wiatrowej powyższe wymagania stanowią prawdziwe wyzwanie. W lądowych turbinach wiatrowych łożyska główne przenoszą obciążenia rzędu około 1 MN. Jednakże na morzu, z powodu bardzo wysokich prędkości wiatru, na wirniki i, w konsekwencji, na cały układ przeniesienia napędu działają jeszcze większe obciążenia dynamiczne i statyczne.
 

Jednocześnie wielkość i wydajność systemów, zarówno morskich jak i lądowych, stale rośnie. NSK obecnie produkuje łożyska do turbin o mocy 9,5 MW, które wkrótce będą wytwarzane w pełnej skali produkcyjnej. Co więcej, NSK opracowuje obecnie łożyska do morskich turbin wiatrowych o jeszcze wyższej mocy nominalnej.


Monitorowanie warunków pracy

Wyższa wydajność i rosnący udział rynkowy turbin morskich to kluczowe czynniki wpływające na wzrost wymagań w zakresie wydłużenia okresu eksploatacji łożysk. W rezultacie technologia energetyki wiatrowej jest idealnym obszarem zastosowania dla zdalnych systemów monitorowania warunków pracy, które stale mierzą i analizują drgania w układzie napędowym. W przypadku uszkodzeń łożysk możliwe jest wczesne wykrycie wadliwych komponentów ( pierścień wewnętrzny lub zewnętrzny, wałeczki lub koszyk), dzięki analizie ich profilu pomiarowego.
 

System monitorowania warunków pracy (CMS) opracowany przez NSK został ostatnio zainstalowany na morskiej farmie wiatrowej w Japonii. Zadaniem CMS jest wykrywanie nieprawidłowości w działaniu komponentów wystarczająco wcześnie, aby ułatwić wdrożenie strategii konserwacji zapobiegawczej.  NSK dostrzega w tego typu rozwiązaniach duży potencjał rynkowy.
 

Intensywne prace nad materiałami

Chociaż monitorowanie warunków pracy jest bardzo użytecznym rozwiązaniem w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, to jednak głównym celem technicznym przy opracowywaniu łożysk dla turbin wiatrowych zawsze będzie zapewnienie wysokiego poziomu niezawodności. W tym zakresie producenci dokonali już znaczących postępów. Na przykład, ważnym czynnikiem przyspieszającym postęp było opracowanie nowych materiałów i procesów obróbki cieplnej, takich jak opatentowany przez NSK gatunek stali specjalnej Super Tough (STF). Łożyska wykonane z tego materiału charakteryzują się dwa razy dłuższym okresem eksploatacji w porównaniu do łożysk wyprodukowanych ze stali standardowej. Należy podkreślić, że związany z tym wzrost obciążalności łożysk został potwierdzony i certyfikowany w grudniu 2017 r. przez towarzystwo klasyfikujące DNV GL.
 

Taka charakterystyka stali STF została osiągnięta poprzez wykorzystanie szczególnego składu chemicznego i specjalnego procesu obróbki termicznej. W łożyskach produkowanych z wykorzystaniem materiału STF typowe symptomy uszkodzeń, takie jak związane z trwałością zmęczeniową pęknięcia bieżni powodowane przez niemetaliczne wtrącenia w stali łożyskowej, zostały praktycznie wyeliminowane.
 

Badania przyczyn powstawania złuszczania wodorowego (WSF)

Jednym z problemów, który wciąż dotyka branżę, jest typ uszkodzeń zwany złuszczaniem wodorowym (WSF, White Structure Flaking) lub «białymi strukturami» (WEC, White Etching Cracks). W obu przypadkach pewne obszary materiału pod bieżnią łożyska wykazują lokalną kruchość. Kruche struktury nie są w stanie wytrzymać wysokich obciążeń i stają się zarodkami pęknięć. Ostatecznie pęknięcia te sięgają do powierzchni bieżni i w końcu łożysko ulega uszkodzeniu. Charakterystyczne jest to, że tego typu uszkodzenia pojawiają się stosunkowo wcześnie, czasami krótko po tym, jak system został oddany do użytku. Po przeprowadzeniu wytrawiania pikralem, obiekty te przybierają biały kolor i stąd ich nazwa: białe struktury.
 

Intensywne testy w dziale badań i rozwoju NSK pozwoliły odtworzyć uszkodzenia i postawić pewne hipotezy na temat ich pochodzenia. Różne próby w zakresie zmęczenia tocznego wykazały, że występowanie białych struktur jest powodowane przez wnikanie wodoru. Z kolei wnikanie wodoru ma najprawdopodobniej związek z kombinacją kilku czynników, takich jak osiowe lub obwodowe poślizgi pomiędzy wałeczkami a bieżnią, przepływ ładunków elektrycznych i stosowanie pewnych typów środków smarnych.
 

Wodór penetruje bieżnię łożyska i formuje typowe białe wytrawiane struktury, które prowadzą do propagacji pęknięć i w konsekwencji do łuszczenia struktury. Pęknięcia te mogą mieć kilka milimetrów długości i rozciągać się z wnętrza aż na powierzchnię bieżni. Testy niszczące używanych łożysk, które nie miały widocznych oznak uszkodzeń powierzchni wykazały, że białe struktury mogą występować nawet w takich przypadkach.
 

Gdy uszkodzenia zbadano bardziej szczegółowo, zaobserwowano, że pod wpływem wodoru oryginalna mikrostruktura martenzytyczna stali degraduje się do bardzo drobnoziarnistego, kruchego ferrytu. Mechanizm ten można wyjaśnić za pomocą teorii lokalnego obniżenia plastyczności pod wpływem wodoru (HELP, Hydrogen Enhanced Localized Plasticity). Jedną z jego cech charakterystycznych jest fakt, że zaburzenie plastyczności występuje tylko lokalnie, a całkowite uszkodzenie łożyska jest niewielkie, tak więc nie jest to jeden z klasycznych typów uszkodzeń zmęczeniowych, które występują albo pod bieżnią (ze względu na wtrącenia niemetaliczne), albo na bieżni (ze względu na duże zanieczyszczenie).

 

Porównanie nowych i używanych łożysk

Skąd więc bierze się wodór? Porównując nowe i używane łożyska, główny zespół badawczy NSK odkrył, że wodór powstaje tylko podczas pracy łożysk. Możliwe jest (przynajmniej takie jest początkowe założenie), że wodór pochodzi z łańcuchów węglowodorów wchodzących w skład smarów i ich dodatków. Teoria ta została podtrzymana po odtworzeniu w laboratorium typowych objawów uszkodzeń łożysk (białych struktur) przy stosowaniu pewnych rodzajów olejów i smarów. Podobne uszkodzenia były zgłaszane przez przemysł samochodowy w latach dziewięćdziesiątych, co dodatkowo wspiera tę teorię. W tym wypadku przedwczesnym uszkodzeniom ulegały łożyska napinaczy pasków i alternatorów, a problem rozwiązała zmiana smaru i materiału paska. Wpływ elektryczności (przepływ ładunków) na ten typ uszkodzeń nie został jednakże jeszcze określony.
 

Nowe stopy: specjalna obróbka cieplna

NSK opracowało nowe stopy stali, które osiągają lepsze wyniki podczas testów w zakresie zmęczenia tocznego. W próbach z doprowadzeniem wodoru optymalna mieszanka chemiczna zapewniła pięciokrotny wzrost odporności na powstawanie WSF w porównaniu do standardowych stali łożyskowych.
 

Znaczącą poprawę osiągnięto również poprzez zoptymalizowaną obróbkę cieplną. W tym zakresie zwiększono resztkowe naprężenia pod bieżniami poprzez wykorzystanie węgloazotowania zamiast hartowania wskrośnego. Chociaż operacja ta nie zapobiega występowaniu białych struktur, to jednak powstaje ich zauważalnie mniej i znacznie wolniej rozprzestrzeniają się na powierzchnię.
 

AWS-TF: nowy materiał łożyskow

W oparciu o te ustalenia  NSK wprowadziła nowy materiał do produkcji łożysk nazwany AWS-TF (AWS to skrót od Anti-White Structure), który łączy optymalny skład chemiczny z optymalną obróbką cieplną.
 

Testy wykazały, że chociaż łożyska wykonane ze stali AWS-TF nie wyeliminowały całkiem ryzyka wystąpienia WEC, to czas przed pojawieniem się oznak uszkodzeń wydłużył się  siedmiokrotnie w porównaniu do standardowych stali łożyskowych. Obecnie prowadzone są wstępne testy terenowe w instalacjach o znaczeniu krytycznym, które wydają się potwierdzać rezultaty wcześniejszych prób.




Od ponad 20 lat firma NSK oferuje szeroki asortyment łożysk do turbin wiatrowych.




Objawy uszkodzenia pierścienia łożyskowego.
 




Dzięki AWS-TF firma NSK opracowała nowy materiał specjalnie do łożysk turbiny wiatrowej.

Wyszukiwanie kontaktu

Proszę wybrać…

Twój wynik

Zgoda

NSK korzysta z usług stron trzecich, które pomagają nam ulepszać naszą stronę internetową i wyświetlać bardziej interesujące treści. Aby korzystać z tych usług, potrzebujemy Twojej zgody. Może ona zostać odwołana w dowolnym momencie. Więcej informacji można znaleźć tutaj Link do polityki prywatności.