علت اصلی فرسودگی و خرابی توربین‌های بادی چیست؟
علل اساسی فرسودگی توربین‌های بادی را می‌توان به تعامل چهار عامل اصلی نسبت داد: تنش مکانیکی، فرسایش محیطی، خستگی مواد و نقص در نگهداری. این عوامل به طور مداوم در طول چرخه عملیاتی 20 تا 25 ساله توربین‌های بادی جمع می‌شوند و در نهایت منجر به فرسودگی و خرابی اجزای کلیدی می‌شوند. تجزیه و تحلیل زیر از ابعاد خاص انجام خواهد شد:
تصویر
۱. تنش مکانیکی: تأثیر مداوم بارهای دینامیکی
۱. نوسان بار آیرودینامیکی: در طول فرآیند چرخش، پره‌ها نیروهای آیرودینامیکی نامتقارنی را تحمل می‌کنند، به خصوص در میدان‌های بادی متلاطم، که در آن تغییر سرعت باد لحظه‌ای می‌تواند به ± ۳۰٪ از مقدار نامی برسد. با در نظر گرفتن واحد Vestas V164-9.5MW به عنوان مثال، گشتاور خمشی در ریشه یک پره منفرد با قطر ۱۶۴ متر می‌تواند در سرعت باد ۱۲ متر بر ثانیه به ۱۵۰ میلیون نیوتن بر متر برسد و باعث ایجاد بارهای ضربه‌ای دوره‌ای بر روی اجزای انتقال قدرت مانند شفت اصلی و گیربکس شود و سایش خستگی مسیرهای یاتاقان و سطوح دندانه چرخ دنده را تسریع کند.
۲. کوپلینگ نیروهای گرانشی و اینرسی
وزن موتورخانه در بالای برج از ۳۰۰ تن فراتر می‌رود و در طول حرکت انحرافی، گشتاور اینرسی ایجاد می‌کند. داده‌های نظارتی از یک مزرعه بادی فراساحلی خاص نشان می‌دهد که جفت چرخ‌دنده سیستم انحرافی باید در طول یک چرخه عملیاتی ۲۰ ساله، بیش از ۱۰ بار متناوب را تحمل کند که منجر به ایجاد حفره‌ای به عمق ۰.۵ میلی‌متر در سطح دندانه و در نهایت شکستگی چرخ‌دنده می‌شود.
۳. شروع و توقف چرخه
توقف‌های مکرر استارت که در اثر نوسانات سرعت باد ایجاد می‌شوند، منجر به گشتاور ضربه‌ای به یاتاقان زنجیر گیربکس می‌شوند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که هر چرخه توقف استارت، سایش ریز یاتاقان‌های گیربکس را به میزان 0.2 میکرومتر افزایش می‌دهد. پس از مجموع 50000 بار کارکرد، لقی یاتاقان به سه برابر مقدار اولیه افزایش می‌یابد و باعث لرزش بیش از حد می‌شود.
۲. فرسایش محیطی: اثرات هم‌افزایی چندین میدان فیزیکی
۱. فرسایش ذرات
در مزارع بادی بیابانی یا ساحلی، میزان شن و ماسه موجود در هوا می‌تواند به 0.5 میلی‌گرم بر متر مکعب برسد. لبه جلویی پره در طول 20 سال کارکرد، بیش از 10 ¹⁰ برخورد ذرات شن و ماسه را تجربه خواهد کرد که منجر به لایه برداری پوشش سطحی به ضخامت 0.3 میلی‌متر و کاهش 5 درصدی راندمان آیرودینامیکی می‌شود. داده‌های تعمیر پره یک مزرعه بادی خاص در شمال غربی نشان می‌دهد که وقتی عمق گودال فرسایش از 0.8 میلی‌متر بیشتر شود، کل پره نیاز به تعویض دارد.
۲. خوردگی اسپری نمک
غلظت نمک در هوای مزارع بادی فراساحلی ۱۰ تا ۲۰ برابر خشکی است و کلرید باعث خوردگی الکتروشیمیایی در اتصالات پره‌ها می‌شود که نرخ خوردگی سالانه آن ۰.۰۵ میلی‌متر است. بررسی یک مزرعه بادی فراساحلی بریتانیایی نشان داد که ۵۰٪ از پیچ‌های پره به دلیل خوردگی تنشی ترک خورده‌اند و خطر جدا شدن پره‌ها را افزایش می‌دهند.
۳. تناوب دما
اختلاف دما بین روز و شب منجر به انبساط و انقباض حرارتی ماده می‌شود و در نتیجه سایش ریزحرکتی در محل اتصال ریشه‌های پره ایجاد می‌شود. تحت چرخه دمایی از -40 ℃ تا +50 ℃، نرخ جدایش سطحی پره‌های هیبریدی فایبرگلاس فیبر کربن به 0.01 میلی‌متر در سال می‌رسد. پس از 10 سال، ناحیه جدایش از 10٪ فراتر می‌رود و منجر به کاهش استحکام سازه می‌شود.
۳. خستگی مواد: اثر تجمعی آسیب میکروسکوپی
۱. خستگی چرخه بالا
چرخ‌دنده سیاره‌ای این گیربکس باید در طول 20 سال کارکرد، بیش از 10 چرخه بار را تحمل کند و ترک‌های ریز در مرز دانه‌های داخلی ماده ظاهر می‌شوند. تجزیه و تحلیل دمونتاژ یک گیربکس 1.5 مگاواتی نشان می‌دهد که نرخ انتشار ترک خستگی ریشه دندانه چرخ‌دنده سیاره‌ای به 0.1 میلی‌متر در 10 چرخه می‌رسد و در نهایت منجر به لایه‌برداری سطح دندانه می‌شود.
۲. خستگی کم چرخه
این برج در سرعت‌های باد شدید (مانند ۵۰ متر بر ثانیه) تحت تنش گذرای بیش از ۲۰٪ از بار طراحی قرار دارد که منجر به تغییر شکل پلاستیک در ناحیه جوش می‌شود. پایش یک مزرعه بادی در منطقه‌ای مستعد طوفان نشان داد که نرخ انتشار ترک در درز جوش پایینی برج به ۰.۵ میلی‌متر در سال رسیده است و پس از ۵ سال نیاز به عملیات تقویت وجود دارد.
۳. خستگی ناشی از خوردگی
تحت اثر ترکیبی اسپری نمک و تنش متناوب، عمر خستگی خوردگی فونداسیون برج در ناحیه پاشش آب دریا 60٪ کاهش می‌یابد. آزمایش‌های تسریع‌شده آزمایشگاهی نشان داده‌اند که در محلول 3.5٪ NaCl، حد خستگی فولاد Q345 از 280 مگاپاسکال به 110 مگاپاسکال کاهش می‌یابد و سرعت انتشار ترک سه برابر افزایش می‌یابد.
۴. نقص‌های عملیاتی و نگهداری: تأثیر تجمعی عوامل انسانی
۱. خرابی سیستم روانکاری
چرخه تعویض روغن روانکاری گیربکس از مقدار توصیه شده (معمولاً ۳-۵ سال) فراتر می‌رود، که می‌تواند باعث شود مقدار اسید روغن (TAN) از ۲ میلی‌گرم پتاسیم بر گرم فراتر رود و خرابی افزودنی‌ها می‌تواند منجر به خوردگی میکروپیتینگ دنده شود. مطالعه موردی یک مزرعه بادی نشان می‌دهد که تأخیر در تعویض روغن، میزان خرابی گیربکس را ۴۰٪ و هزینه‌های نگهداری را ۲ میلیون یوان افزایش می‌دهد.
۲. نیروی پیش سفت کردن ناکافی پیچ‌ها
وقتی پیچ ریشه تیغه به دلیل ارتعاش در حین کار شل می‌شود و نیروی پیش سفت کردن به ۶۰٪ مقدار طراحی کاهش می‌یابد، نرخ سایش ناشی از حرکت ریز سطح تماس ۵ برابر افزایش می‌یابد. یک واحد خاص به دلیل خرابی اتصال بین تیغه‌ها و توپی ناشی از شل بودن پیچ‌ها، بیش از ۵ میلیون یوان ضرر اقتصادی مستقیم متحمل شد.
۳. انحراف از مرکز بیش از حد استاندارد است
وقتی انحراف بین شفت اصلی و شفت ورودی گیربکس از 0.05 میلی‌متر بیشتر شود، کوپلینگ نیروی شعاعی اضافی را تحمل می‌کند و باعث شکستن قفس یاتاقان می‌شود. آمار یک مزرعه بادی خاص نشان می‌دهد که به ازای هر 0.01 میلی‌متر افزایش انحراف مرکزی، عمر یاتاقان 15٪ کاهش می‌یابد.
۵. تکامل فناوری و روندهای کنترل سایش
برای مقابله با چالش فرسودگی، این صنعت در حال دستیابی به پیشرفت‌هایی در جهات زیر است:
ارتقاء مواد: اتخاذ فناوری پوشش نانو برای افزایش سختی سطح تیغه تا 300HV و افزایش 2 برابری عمر فرسایش؛
نظارت هوشمند: استقرار حسگرهای شبکه فیبر نوری برای دستیابی به نظارت آنلاین بر شمارش ذرات روغن گیربکس، با هشدار خطا از ۳۰۰ ساعت قبل؛
دوقلوی دیجیتال: با بهینه‌سازی سازه برج از طریق مدل‌سازی مجازی، عمر خستگی جوش‌ها ۴۰٪ افزایش می‌یابد؛
کنترل تطبیقی: یک استراتژی کنترل گام مبتنی بر یادگیری تقویتی عمیق، نوسانات بار در زنجیره انتقال را 25٪ کاهش می‌دهد.
فرسودگی توربین‌های بادی نتیجه‌ی اثرات ترکیبی عوامل مکانیکی، محیطی، مواد و عملیاتی است و کنترل آن باید در کل چرخه‌ی عمر طراحی، ساخت و بهره‌برداری ادامه یابد. با پیشرفت فناوری پایش وضعیت و کاربردهای جدید مواد، مزارع بادی در آینده از «نگهداری غیرفعال» به «نگهداری پیش‌بینانه» تبدیل خواهند شد و به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان تجهیزات و راندمان تولید برق را بهبود خواهند بخشید.
