Szukaj
KONTAKT

Łożyska - 2018-10-19

Lokalizacja głównych łożysk wirnika w bezrzędziowych systemach turbin wiatrowych

Łożyska stosowane w systemach energetyki wiatrowej muszą charakteryzować się dwoma kluczowymi cechami: wysoką wydajnością i długą żywotnością w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Szczególnie dotyczy to segmentu morskiego, w przypadku którego moce turbin wiatrowych ciągle rosną. W rezultacie firma NSK rozpoczęła niedawno produkcję łożysk do turbin o mocy 9,5 MW i już opracowuje łożyska do morskich turbin wiatrowych w klasie 12 MW.

Niemniej jednak nie tylko oczekiwany poziom wydajności stawia wysokie wymagania wobec łożysk turbin wiatrowych. Na morzu, z powodu wysokich prędkości wiatru, na wirniki i w konsekwencji cały układ przeniesienia napędu działają bardzo duże obciążenia dynamiczne i statyczne. W przypadku turbin lądowych główne łożyska przenoszą obciążenia do 1 MN, natomiast dla turbin morskich wartości te są jeszcze wyższe.
 

Wzrastające oczekiwania w zakresie wydłużenia okresu eksploatacji

Coraz większe wymagania stawiane są w zakresie żywotności łożysk turbin wiatrowych. W przypadku turbin działających na lądzie producenci zgodnie oczekują, że łożyska muszą być zaprojektowane na żywotność 175.000 godzin, co odpowiada 20 latom pracy. Jednak ze względu na wysokie koszty inwestycyjne i trudności w dostępie do morskich systemów energetyki wiatrowej w tym przypadku określono 25-letni okres użytkowania, co stanowi duże wyzwanie, biorąc pod uwagę wyjątkowo wysokie obciążenia dynamiczne.
 

Łożyska główne

Obciążenia te mają wyraźny wpływ na decyzję o wyborze łożysk. W przypadku turbin wiatrowych z napędem bezpośrednim dwurzędowe łożyska stożkowe są coraz częściej wybierane jako łożyska główne. W porównaniu z łożyskami walcowymi, które były wcześniej powszechnie używane, łożyska stożkowe oferują możliwość regulacji napięcia wstępnego, pozwalającą uzyskać wyższą sztywność układu. Takie łożyska mają wewnętrzną średnicę do 2,7 m, co stanowi wyzwanie nawet dla najnowocześniejszych rozwiązań projektowych i produkcyjnych.

W przypadku systemów przekładniowych ciężar dodatkowych elementów napędu kompensuje fakt, że generator może mieć mniejszą konstrukcję. Istnieją różne koncepcje projektowe dla głównego łożyska wirnika w każdej klasie mocy. Systemy o mocy do 5 MW zwykle wykorzystują łożyska baryłkowe, natomiast dla mocy 6 MW i więcej preferowane są układy z dwoma łożyskami stożkowymi lub dwurzędowe łożyska stożkowe połączone z łożyskiem walcowym.
 

Łożyska zintegrowane

W przekładniowych systemach przeniesienia napędu powszechne są obecnie przekładnie z 2 lub 3 stopniami planetarnymi. Często występują one z zębatkami o ukośnym układzie zębów. Od kilku lat obserwuje się trend wykorzystywania tzw. zintegrowanych przekładni planetarnych. Dla takich zastosowań firma NSK opracowała (w bliskiej współpracy z producentem przekładni) wielorzędowe łożyska stożkowe i walcowe bez zewnętrznego pierścienia.

W ten sposób otwór kół obiegowych (planetarnych) jest wykorzystywany jako zewnętrzna bieżnia łożyska. W niektórych zastosowaniach stosowane są czterorzędowe zintegrowane łożyska walcowe. W połączeniu z czterema kołami obiegowymi przypadającymi na stopień planetarny jeden zestaw łożysk zawiera łącznie 16 rzędów elementów tocznych. Aby zapewnić równy rozkład obciążeń na wszystkie łożyska, otwór i ograniczone średnice dla całego zestawu charakteryzują się bardzo wąskimi tolerancjami wymiarowymi.

Kolejny trend stanowi pozyskiwanie wszystkich łożysk do turbin od jednego dostawcy. Ta tendencja rynkowa była jednym ze specjalnych powodów, dla których NSK zdecydowało się rozszerzyć portfolio produktów swojej jednostki Wind Business Unit, pomimo że firma już od 20 lat produkuje i opracowuje różnego typu łożyska dla przekładni i generatorów.
 

Badania nad strukturami WEC (tzw. białymi strukturami pęknięć)

Ze względu na wielkość łożysk wymaganych dla morskich turbin wiatrowych i trudności w dostępie do infrastruktury sektor energetyki wiatrowej jest w oczywisty sposób bardzo wrażliwy na skutki uszkodzeń łożysk.  Ekspercka wiedza techniczna pozwala zapobiegać niemal wszystkim typowym formom uszkodzeń łożysk. Przykładowo, zaawansowane metody konstrukcyjne w połączeniu z wysokim poziomem czystości stali zapewniają praktyczną eliminację klasycznych uszkodzeń zmęczeniowych w łożyskach turbin wiatrowych.

Tzw. białe struktury pęknięć (ang. WEC, white etching cracks) stanowią jedno z zagadnień, nad którym wciąż są prowadzone badania. Pęknięcia te są oznakami degradacji łożysk, które pojawiają się relatywnie wcześnie w trakcie okresu eksploatacji łożyska. Typowymi symptomami defektów są białe struktury pod bieżnią (stąd nazwa), które prowadzą do powstawania pęknięć i ostatecznie uszkodzenia łożysk. Precyzyjna przyczyna powstawania struktur WEC pozostawała nieznana przez długi czas i, chociaż seria eksperymentów wykazała, że przyczyną tych defektów jest najprawdopodobniej dyfuzja wodoru, to pochodzenie tego gazu wciąż nie zostało w pełni wyjaśnione. Dalsze prace badawcze wskazały, że wodór pojawia się podczas pracy łożyska.  Początkowo założono, że pochodzi on z łańcuchów węglowodorów wchodzących w skład smarów i ich dodatków - teoria ta została podtrzymana po odtworzeniu w laboratorium typowych objawów uszkodzeń łożysk przy stosowaniu pewnych rodzajów olejów i smarów.

W konsekwencji firma NSK opracowała nowy materiał, który prezentuje wyższą odporność na penetrację wodoru i powstawanie pęknięć spowodowanych kruchością wodorową. Po pomyślnym zakończeniu testów laboratoryjnych, łożyska wykonane z tego materiału są obecnie poddawane próbom terenowym.
 

Wdrażanie systemów monitoringu stanu (CMS)

Łożyska w systemach energetyki wiatrowej, dzięki wymaganiom niezawodnej charakterystyki pracy i długiego okresu żywotności, są idealnymi kandydatami dla systemów monitoringu stanu maszyn (CMS), które wykorzystują zamontowane zewnętrznie lub zintegrowane czujniki do stałej kontroli stanu łożysk. W ten sposób można w odpowiednim czasie wykryć i zgłosić anomalie wskazujące na uszkodzenie łożysk. Na morskich farmach wiatrowych nowoczesne systemy CMS są wdrażane w celu wczesnego wykrywania nieprawidłowości, tak aby można było odpowiednio zaplanować cykl konserwacji systemu. Firma NSK przewiduje znaczny wzrost potencjału rynkowego dla tego typu systemów.



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


 

Główną tendencją w branży turbin wiatrowych jest integracja przekładni planetarnych i łożysk wielorzędowych



Oznaki uszkodzenia pierścienia łożyska związane ze strukturami WEC (białymi pęknięciami)

 Łożyska można wyposażyć w zewnętrzne lub zintegrowane czujniki i połączyć z systemami monitoringu stanu CMS 

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.