对风力发电机轴承和齿轮箱故障:挑战bet188体育官网app下注

随着能源需求不断增加,能源行业正在经历前所未有的可再生能源生产的增长与风能领先。188app下载地址陆基,储能风力发电场提供价格最低的能源目前在2到6美分每千瓦时。[5]

截至2019年第四季度,美国风能协会(现在美国清洁能源协会)报道有105583兆瓦的风能操作在美国有超过59800在美国41个州和两个风力涡轮机旋转bet188体育官网app下注

领土。[4]在2019年,美国7.3%的能源需求利用风能。[1]这个比例可以增加到2030年的20%和2050年的35%。[2]
风力bet188体育官网app下注发电机产生电力,当风流经涡轮叶片和转子旋转。直接连接到发电机转子直接驱动涡轮机或通过轴和一系列齿轮(即。变速箱),加速身体的旋转,让小发电机(参见图1)。[15]这翻译的气动force-to-rotation发电机产生电能。

风在全球各地不同,有时是不可预知的,这种变化在风导致波动负载风力涡轮机组件。bet188体育官网app下注典型的风力涡轮机由十bet188体育官网app下注多个轴承将同时工作,持续了许多年。因此,往往容易受到风力涡轮机轴承和齿轮箱故障之前他们的设计服务生活。

在风力发电机轴承故障停机的主要原因在能源bet188体育官网app下注生产计划外维护、维修和更换。这个故障类型是主要成本和导致更高的操作和维护(运营管理)成本能源运营商和客户的更高的水电费。国家可再生能源实验室(NR188app下载地址EL)变速箱可靠性数据库(研磨)显示,76%的变速箱失败由于轴承,而17%的失败由于装置故障。[11]这表明可靠的轴承和齿轮箱风力涡轮机的重要性,经济和社会的运作。

bet188体育官网app下注风力发电机轴承

齿轮箱风力涡轮机由几种轴承,旋转叶bet188体育官网app下注片的风能转化为电能(见图1)。在21世纪,轴承是最关键的机械/摩擦学的组件中使用广泛的应用程序,包括航空航天、汽车、能源、医疗设备、体育设备等等。

风力涡轮机动力传动系统包括不同类型的轴承(见表1)。在风力发电机轴承和齿轮箱的设计和认证至少持续20年;bet188体育官网app下注然而,只有一小部分存活那么久。因此,许多轴承oem特殊利益在轴承用于风力涡轮机应用程序与设计的欲望更强,更严格,更可靠的轴承。

STLE-member肖恩,在金色的国家可再生能源实验室的资深工程师,科罗拉多州,指出,而变速箱“不失败经常涡轮电子元件,它们似乎是昂贵的维护涡轮机的设计寿命20年。“如果不及早发现和减轻,盛说这些失败会导致整个更换变速箱,这需要昂贵的吊车租赁费用,除了收入损失,资本成本在新的或者升级组件,劳动力,和其他成本,大幅增加能源风力发电的成本,影响离岸风更大。”

2007年,NREL建立了变速箱可靠性协作(GRC)培养的理解过早变速箱故障的根本原因并改善齿轮箱的可靠性。[6]GRC研究发现大多数过早失败的故障变速箱轴承故障相关的中间和高速部分,其中大部分故障发生在轴承设计寿命的5%至20%。[6]

“轴承是关键元素,使旋转运动和支持在一个风力涡轮机,径向与轴向联合负荷”说STLE-member Harpal辛格在印第安纳州西拉斐特的首席工程师有知觉的科学。bet188体育官网app下注

辛格指出轴承故障在风力涡轮机可以昂贵由于生产损失,更换组件成本和bet188体育官网app下注维护成本,总成本的不同取决于涡轮风力涡轮机变速箱更换位置,涡轮式、变速箱类型,等等。在陆基涡轮机变速箱故障假设”花费250000 - 300000美元每失败事件。”

在风力发电机类型的轴承故障bet188体育官网app下注

盛NREL报道的研究”试图帮助行业提高风力涡轮机动力传动系统可靠性、固有和操作,通过测试、建模/分析、失效模式调查和运营管理的研究,导致降低运营管理成本和提高风力发电成本竞争力。“盛关注失败数据收集和统计分析,故障诊断和预测的研究。

NREL风力发电可靠性研究的重点是变速箱,叶片,以及发电机与电网交互。[14]NREL收集研磨齿轮箱故障数据,其目标是量化的大小问题,确定失效模式和根源,同时指导风力涡轮机变速箱可靠性研究和开发和提供一个基准来评估技术进步。[11]主轴承故障造成micropitting,白色腐蚀裂纹齿轮箱轴承、发电机轴承故障识别为研究重点。

辛格发现五个最常见的失效模式中观察到风力涡轮机轴承:

轴向开裂:特点是轴向方向的裂纹的存在很大程度上造成的不当,不当轴开槽,旋转环,显微结构的改变(也称为白色腐蚀裂缝(wec))在轴承材料。

• 划痕/涂:一种粘着磨损,出现在两个交配表面当材料从一个表面转移到另一个在摩擦加热。
• 碎石:点蚀、剥落的材料调心和滚动元素造成的“几何应力集中从偏差和偏差,夹杂物和缺陷在材料地下和局部高应力裂纹,凹痕,和碎片。”
• Micropitting:或表面疲劳,是由于润滑不足造成接触表面不再分离,导致粗糙面剪切,塑性变形,折断。粗糙microspalls断裂原因,随着时间的推移可以长成macrospalls /剥落。
• 凹痕/压痕:结果当润滑剂污染与外国磨料颗粒或碎片生成系统中被禁锢在跑道和滚动的元素。

2016年能源部的报告指出一些轴承故障及其底层物理不是很好理解,仍然是一个研究重点。[6]主轴承故障造成micropitting, wec在变速箱轴承、发电机轴承故障识别为研究重点,但直到失效模式理解的很透彻,缓解策略开发可能只是部分解决这些故障。[6]
盛确定变形和轴向开裂前两齿轮箱轴承失效模式,而断裂和裂缝似乎顶部变速箱齿轮的失效模式。

盛指出轴向裂缝或wec吸引了研究的关注,但“仍没有共识的根源和解决方案完全摆脱这种失效模式,尽管case-carburized轴承钢增加残留奥氏体和类金刚石碳涂层出现帮助缓解。“虽然轴向开裂发生在表面,wec,通常认为是前兆轴向开裂,发生在地下。

白色腐蚀裂纹和轴承失效分析

轴承在风力涡轮机应用程序显示过早损坏,一般为轴承钢的裂缝,裂缝面孔经常显示白色腐蚀物质的证据。根据他们的外表,这些被称为wec,它们是导致轴承过早损坏。[9]wec也被称为白色结构剥落(WSF),不规则的白色腐蚀开裂(Ir-WEC)和脆性剥落。裂缝被认为形成第一局部剪切应力,强度的白色腐蚀物质被认为形成后的摩擦裂纹的脸。(9、10)

而轴向开裂发生在表面,辛格描述wec“过早轴承故障引起的广泛的地下裂缝网络与微观结构改变有关。“wec出现白色与硝酸浸蚀液蚀刻时,光学显微镜下观察(见图2),他们显示5 - 300纳米的颗粒大小,与高硬度10 - 50百分比以微观结构毗邻这些裂缝,而不变的微观结构。

2017年摩擦学字母的一篇文章中,白色腐蚀领域被发现之前裂纹形成、白色腐蚀和裂纹是先决条件的形成。[3]这篇文章证实了显微结构的变化检测研究轴承中有不同的裂缝形态,可以由不同的机制,包括材料、机械、热、化学现象。[3]

驱使wec的发生在轴承仍存有争议,辛格指出,被认为是单独或由多种因素的组合,包括:

• 氢的存在导致润滑剂分解、杂散电流腐蚀或水。
• 机械和摩擦学的因素,包括高,正常,或瞬态载荷摩擦压力。
• 电热和电子效应。

材料科学专家Mohan集Paladugu铁姆肯公司公司在广东北部,俄亥俄州,指出wec“被视为主要的损伤模式”从风力涡轮机变速箱轴承损害”导致轴承过早破坏。“如前所述,Paladugu确认轴承过早损坏补充道“巨大的风力发电机的维护成本。”bet188体育官网app下注

在风力涡轮机变速箱WEC-induced失败,Paladugu指出,“地下裂缝的轴承调心,面向这些裂缝似乎过卷的方向。“白出现一些裂缝,在光学金相学观察,WEC名字的原因。

在最近发表的文章中,WEC损坏是金属中产生子表面的影响下地下剪切应力,但由于仪反应发生在滚动接触。(12、13)换句话说,虽然在地下wec形式,其形成是一个surface-driven现象。这是演示了通过应用磨料粒子在跑道表面,导致wec测试轴承的油。[13]

Paladugu同意WEC损害是由多种因素的组合,包括“重大滑动滚动接触,结合活性石油添加剂化学品,润滑剂或活性石油添加剂化学品润滑剂,加上杂散电流。“仪反应被认为开车氢原子进入钢,导致变形损伤和水沟子表面开裂。

Paladugu指出可以通过其他方式生成白色腐蚀材料,但这些方法似乎并不导致应用程序在典型的负载下轴承过早损坏。”

测试中润滑剂的作用生成wec发现轴承过早损坏当执行的测试是在一个石油与活性添加剂。(12、13)的报告得出结论,形成tribofilm,由于活性添加剂元素,润滑油和相关仪反应推动钢铁地下裂缝的形成。(12、13、14)

虽然WEC损害可以减轻通过避免无功润滑添加剂,Paladugu指出活性添加剂的缺乏可能导致其他问题,如micropitting的齿轮和轴承。化学修改的钢铁表面滚动接触是一种避免WEC避免摩擦学的反应的影响。Paladugu上市使用黑色氧化轴承组件或使用轴承组件的高铬钢表面氧化钝化层形成方法避免这些摩擦学的反应。

Paladugu说当前的趋势在轴承设计,提高轴承性能包括“加载锥形滚动轴承,滚轮打滑,轴向和径向负载可以更好的控制。”

计算解决方案检测、早期故障的预测

计算解决方案包括算法或模型,检测或预测即将失败的组件。盛报道“调查文献中各种计算解决方案组件故障的诊断和预测,“虽然这项工作一直在执行应用程序的其他比风力涡轮机,一些已经完成。bet188体育官网app下注盛将这些解决方案分成“数据域、物理域或混合data-physics域集成方法。“关于风能行业,盛发现,实地部署、诊断解决方案在数据域比预测更成熟和广泛应用,但这两个领域已经并将继续在可预见的未来活跃的研究领域。

降低各项成本可以通过风力发电植物通过预测和健康管理(榜单)技术,但预测活动通常仍在研究和开发阶段。[7]预测研究的焦点,与风力涡轮机,一直在剩余使用寿命预测(原则)。bet188体育官网app下注[7]这项研究表明轴承轴向开裂是普遍的风力涡轮机变速箱故障模式经验,同时,相比之下,滚动接触疲劳通常是唯一的失效模式代表了轴承设计寿命计算。失败的可能性原则作为组件的可靠性评估和预测指标,可以扩展到其他动力传动系统组件。物理加工技术可以应用于陆上和海上风力涡轮机。bet188体育官网app下注[7]

风能行业一直在探索的方式来减轻的影响这些地区的风力发电机轴承和齿轮箱故障从设计新材料或润滑剂和运营管理实践。bet188体育官网app下注[8]状态维修,可达成的一个榜单的框架下,探讨了改善风力涡轮机的运营管理实践的能力。bet188体育官网app下注许多风力涡轮机物理加工技术未来的研究机会。bet188体育官网app下注[8]

盛指出计算解决方案启用“维护范式转变从时间或基于使用维护状态或预测性维护。“这些类型的计算解决方案可以帮助提高效率,减少人为错误,并节省成本。验证是具有挑战性的,交叉验证计算解决方案的开发过程中是一个典型的方法,它使用一个部分的数据进行训练和测试的另一个部分。

比较模型预测输出和未来的实际测量,从建模的物理现象或系统,也是另一种可能性。它总是更好的从简单的内容开始,集成验证模型发展,然后逐步增加系统的复杂性。

结论

审查目前的趋势在风力涡轮机轴承是很重要的,不仅对减少能源的成本,也为确保可持续和零排放能源的未来。随着风能行业采用更先进的数据分析功能,更具成本效益的预防和维护可以提高风能。盛说:“风力发电已成为世界各地的能源解决方案的集成块,和它的能力将继续增加,有助于解决全球气候变化问题。”

进一步的阅读

安德鲁j . m .(2019),“风力涡轮机、基础”TLT, 75(8), bet188体育官网app下注32-40页。可以在https://www.stle.org/files/TLTArchives/2019/08_August/Webinars.aspx。

引用

1. 美国能源信息管理局,"美国发电的能量来源是什么?“可以在https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=427&t=3。
2. 办公室的能源效率和可再生能源,”风愿景:风力发电新时代在美国188app下载地址。“可以在https://www.energy.gov/eere/wind/downloads/wind-vision-new-era-wind-power-united-states。
3. 辛格,H。Pulikollu, r . V。史密斯,霍金斯,w和g(2017),“调查的微观结构变化在低收入和高速中间阶段风力涡轮机变速箱轴承、“摩擦学字母,65,货号81。bet188体育官网app下注可以在https://link.springer.com/article/10.1007/s11249 - 017 - 0861 - 5。
4. 美国风能协会,美国风能市场季度报告,2019年第四季度。可以在https://cleanpower.org/2019marketreports。
5. 能源效率和可再生能源办公室,“风能的优势和挑战。188app下载地址“可以在https://www.energy.gov/eere/wind/advantages-and-challenges-wind-energy。
6. 国家可再生能源实验188app下载地址室。“bet188体育官网app下注风力涡轮机动力传动系统可靠性合作研讨会。“可以在https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66593.pdf。
7. 预测和健康管理风力Turbines-Current状态和未来的机会。bet188体育官网app下注可以在https://link.springer.com/chapter/10.1007/978 - 3 - 319 - 55852 - 3 - _3。
8. Paladugu、m和海德,r s(2020),“材料组成和热处理相关影响抵制滚动接触疲劳WEC损伤条件下,“国际期刊的疲劳,134,105476。可以在https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142112320300074。
9. Paladugu m(2020),“影响因素与WEC:相似性WEC损伤症状之间的现场和实验室测试。“可以在https://www.researchgate.net/publication/340464229_Influencing_Factors_Associated_with_WECs_Similarities_of_WEC_Damage_Symptoms_between_the_Field_and_Laboratory_Testing。
10. Paladugu、m和海德,r s(2017),“微观结构变形和白色腐蚀物质沿着裂缝变形,“穿,390 - 391,367 - 375页。可以在https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043164817311328。
11. NREL变速箱可靠性数据库。可以在https://grd.nrel.gov/ /。
12. Paladugu, M。、卢卡斯·d·r·海德,r s(2018),“润滑剂对轴承损伤rolling-sliding条件:进化的白色腐蚀裂缝,“穿,398 - 399,165 - 177页。可以在https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043164817315624。
13. Paladugu、m和海德,r s(2019),“跑道表面光洁度对白色腐蚀裂纹的影响一代WEC关键石油rolling-sliding条件下,“穿,422 - 423,81 - 93页。可以在https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043164818313450。
14. NREL风力发电可靠性研究。可以在https://www.nrel.gov/wind/reliability.html。
15. 忧思科学家联盟”,风能是如何工作的。“可以在https://www.ucsusa.org/resources/how-wind-energy-works。

关于作者
安德里亚·r·Aikin是一个基于自由科学作家和编辑在丹佛地区。你可以联系她pivoaiki@sprynet.com。允许转载TLT问题从2020年8月,官方月刊Tribologists和润滑工程师的社会,一个国际非营利性专业协会总部设在公园岭,。www.stle.org。可以在https://www.stle.org/files/tltarchives/2020/08_august/feature.aspx?websitekey=a70334df - 8659 - 42 - fd - a3bd be406b5b83e5。