¿Cuál es la causa fundamental del desgaste de los aerogeneradores?

Las causas fundamentales del desgaste de las turbinas eólicas se pueden atribuir a la interacción de cuatro factores principales: tensión mecánica, erosión ambiental, fatiga del material y defectos de mantenimiento. Estos factores se acumulan continuamente a lo largo del ciclo de funcionamiento de 20 a 25 años de las turbinas eólicas, lo que finalmente provoca el desgaste y el fallo de componentes clave. El siguiente análisis se realizará a partir de dimensiones específicas:

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1、 Estrés mecánico: Impacto continuo de cargas dinámicas

1. Fluctuación de la carga aerodinámica: Durante la rotación, las palas soportan fuerzas aerodinámicas asimétricas, especialmente en campos de viento turbulentos, donde la variación instantánea de la velocidad del viento puede alcanzar ±30 % del valor nominal. Tomando como ejemplo la unidad Vestas V164-9.5MW, el momento flector en la base de una sola pala con un diámetro de 164 metros puede alcanzar 150 MN·m a una velocidad del viento de 12 m/s, lo que provoca cargas de impacto periódicas en componentes de la transmisión, como el eje principal y la caja de engranajes, acelerando el desgaste por fatiga de las pistas de rodadura de los rodamientos y las superficies de los dientes de los engranajes.

2. Acoplamiento de fuerzas de gravedad e inercia
El peso de la sala de máquinas en la parte superior de la torre supera las 300 toneladas, lo que genera un momento de inercia durante el movimiento de guiñada. Los datos de monitoreo de un parque eólico marino muestran que el par de engranajes del sistema de guiñada debe soportar más de 10⁸ cargas alternas durante un ciclo de operación de 20 años, lo que resulta en una picaduras de 0,5 mm en la superficie del diente, lo que finalmente provoca la fractura del engranaje.

3. Iniciar y detener el ciclo
Las frecuentes paradas y arranques provocadas por fluctuaciones en la velocidad del viento provocan un par de impacto en los rodamientos de la cadena de transmisión. Experimentos han demostrado que cada ciclo de parada y arranque aumenta el desgaste por micromovimiento de los rodamientos de la caja de cambios en 0,2 μm. Tras un total de 50 000 ciclos, la holgura de los rodamientos se triplica, lo que provoca una vibración excesiva.

2、 Erosión ambiental: efectos sinérgicos de múltiples campos físicos

1. Erosión de partículas

En desiertos o parques eólicos costeros, el contenido de arena en el aire puede alcanzar los 0,5 mg/m³. El borde de ataque de la pala experimentará más de 10 ¹⁰ impactos de partículas de arena durante 20 años de funcionamiento, lo que resulta en un desprendimiento del recubrimiento superficial de 0,3 mm de espesor y una disminución del 5 % en la eficiencia aerodinámica. Los datos de reparación de palas de un parque eólico del noroeste muestran que cuando la profundidad de la fosa de erosión supera los 0,8 mm, es necesario reemplazar toda la pala.

2. Corrosión por niebla salina

La concentración de sal en el aire de los parques eólicos marinos es de 10 a 20 veces mayor que en tierra, y el cloruro genera corrosión electroquímica en las juntas de las palas, con una tasa de corrosión anual de 0,05 mm. Un estudio realizado en un parque eólico marino británico reveló que el 50 % de los pernos de las palas se agrietaban debido a la corrosión bajo tensión, lo que aumenta el riesgo de desprendimiento de las palas.

3. Alternancia de temperatura
La diferencia de temperatura entre el día y la noche provoca la expansión y contracción térmica del material, lo que resulta en un microdesgaste en la unión de las raíces de las palas. Con ciclos de temperatura de -40 °C a +50 °C, la tasa de desprendimiento de la interfaz de las palas híbridas de fibra de carbono y fibra de vidrio alcanza 0,01 mm/año. Después de 10 años, el área de desprendimiento supera el 10 %, lo que provoca una disminución de la resistencia estructural.

3、 Fatiga del material: efecto acumulativo del daño microscópico

1. Fatiga de alto ciclo
El engranaje planetario de la caja de engranajes debe soportar más de 10 ciclos de carga durante 20 años de funcionamiento, y aparecen microfisuras en los límites internos del grano del material. El análisis de desmontaje de una caja de engranajes de 1,5 MW muestra que la tasa de propagación de grietas por fatiga en la raíz del diente del engranaje planetario alcanza 0,1 mm/10 ciclos, lo que finalmente provoca el desprendimiento de la superficie del diente.

2. Fatiga de ciclo bajo
La torre está sometida a tensiones transitorias superiores al 20 % de la carga de diseño a velocidades de viento extremas (como 50 m/s), lo que provoca deformación plástica en la zona de soldadura. El monitoreo de un parque eólico en una zona propensa a tifones reveló que la tasa de propagación de grietas en la costura de soldadura inferior de la torre alcanzó 0,5 mm/año, por lo que se requiere un tratamiento de refuerzo después de 5 años.

3. Fatiga por corrosión
Bajo la acción combinada de la niebla salina y la tensión alterna, la resistencia a la corrosión por fatiga de la cimentación de la torre en la zona de salpicadura de agua de mar se reduce en un 60 %. Pruebas aceleradas de laboratorio han demostrado que, en una solución de NaCl al 3,5 %, el límite de fatiga del acero Q345 disminuye de 280 MPa a 110 MPa y triplica la velocidad de propagación de grietas.

4、 Defectos de operación y mantenimiento: el impacto acumulativo de los factores humanos

1. Fallo en la gestión de la lubricación
El ciclo de reemplazo del aceite lubricante de la caja de engranajes excede el valor recomendado (generalmente de 3 a 5 años), lo que puede provocar que el índice de acidez del aceite (TAN) supere los 2 mgKOH/g. La falla de los aditivos puede provocar corrosión por micropicaduras en los engranajes. Un estudio de caso de un parque eólico muestra que retrasar el cambio de aceite aumenta la tasa de fallas de la caja de engranajes en un 40 % y aumenta los costos de mantenimiento en 2 millones de yuanes.

2. Fuerza de preapriete insuficiente de los pernos
Cuando el perno en la base de la pala se afloja debido a la vibración durante el funcionamiento y la fuerza de preapriete disminuye al 60 % del valor de diseño, la tasa de desgaste por micromovimiento de la superficie de contacto se quintuplica. Una unidad sufrió pérdidas económicas directas de más de 5 millones de yuanes debido a la falla de la conexión entre las palas y el buje causada por pernos sueltos.

3. La desviación del centro excede el estándar
Cuando la desviación entre el eje principal y el eje de entrada de la caja de engranajes supera los 0,05 mm, el acoplamiento soporta una fuerza radial adicional, lo que provoca la rotura de la jaula del rodamiento. Las estadísticas de un parque eólico muestran que por cada 0,01 mm de aumento en la desviación de centrado, la vida útil del rodamiento se reduce en un 15 %.

5、 Evolución tecnológica y tendencias de control del desgaste

Para abordar el desafío del desgaste, la industria está logrando avances en las siguientes direcciones:

Actualización del material: adopción de tecnología de nano-recubrimiento para aumentar la dureza de la superficie de la hoja en 300HV y extender la vida útil de la erosión en 2 veces;

Monitoreo inteligente: Implementación de sensores de rejilla de fibra óptica para lograr un monitoreo en línea del conteo de partículas de aceite de la caja de cambios, con un avance de advertencia de fallas de 300 horas;

Gemelo digital: Al optimizar la estructura de la torre a través del modelado virtual, la vida útil por fatiga de las soldaduras aumenta en un 40%;

Control adaptativo: una estrategia de control de paso basada en el aprendizaje de refuerzo profundo reduce las fluctuaciones de carga en la cadena de transmisión en un 25%.

El desgaste de los aerogeneradores es el resultado de la combinación de factores mecánicos, ambientales, materiales y operativos, y su control debe abarcar todo el ciclo de vida: diseño, fabricación y operación. Con los avances en la tecnología de monitorización del estado y las nuevas aplicaciones de materiales, los parques eólicos pasarán del mantenimiento pasivo al mantenimiento predictivo en el futuro, mejorando significativamente la fiabilidad de los equipos y la eficiencia de la generación de energía.