पवन टर्बाइनों में टूट-फूट का मूल कारण क्या है?

पवन टर्बाइनों के घिसाव के मूल कारणों को चार प्रमुख कारकों की परस्पर क्रिया के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है: यांत्रिक तनाव, पर्यावरणीय क्षरण, सामग्री थकान और रखरखाव संबंधी दोष। ये कारक पवन टर्बाइनों के 20-25 साल के संचालन चक्र में लगातार बढ़ते रहते हैं, जिससे अंततः प्रमुख घटकों का घिसाव और विफलता होती है। निम्नलिखित विश्लेषण विशिष्ट आयामों से किया जाएगा:

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1、 यांत्रिक तनाव: गतिशील भार का निरंतर प्रभाव

1. वायुगतिकीय भार में उतार-चढ़ाव: घूर्णन प्रक्रिया के दौरान, ब्लेड असममित वायुगतिकीय बलों का सामना करते हैं, विशेष रूप से अशांत पवन क्षेत्रों में, जहाँ तात्कालिक वायु वेग परिवर्तन निर्धारित मान के ± 30% तक पहुँच सकता है। उदाहरण के तौर पर वेस्टास V164-9.5MW इकाई को लेते हुए, 164 मीटर व्यास वाले एक ब्लेड के मूल में बंकन आघूर्ण 12 मीटर/सेकंड की वायु वेग पर 150MN·m तक पहुँच सकता है, जिससे मुख्य शाफ्ट और गियरबॉक्स जैसे ट्रांसमिशन घटकों पर आवधिक प्रभाव भार पड़ता है, जिससे बेयरिंग रेसवे और गियर टूथ सतहों का थकानी घिसाव बढ़ जाता है।

2. गुरुत्वाकर्षण और जड़त्वीय बलों का युग्मन
टावर के शीर्ष पर स्थित इंजन कक्ष का भार 300 टन से अधिक है, जिससे यॉ गति के दौरान एक जड़त्व आघूर्ण उत्पन्न होता है। एक अपतटीय पवन फार्म के निगरानी डेटा से पता चलता है कि यॉ सिस्टम गियर युग्म को 20 साल के संचालन चक्र के दौरान 10 ⁸ से अधिक प्रत्यावर्ती भार सहने की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप दाँत की सतह पर 0.5 मिमी की गहराई तक गड्ढा बन जाता है और अंततः गियर फ्रैक्चर हो जाता है।

3. प्रारंभ रोक चक्र
हवा की गति में उतार-चढ़ाव के कारण बार-बार स्टार्ट-स्टॉप होने से ट्रांसमिशन चेन बेयरिंग पर इम्पैक्ट टॉर्क उत्पन्न होता है। प्रयोगों से पता चला है कि प्रत्येक स्टार्ट-स्टॉप चक्र गियरबॉक्स बेयरिंग के माइक्रो मोशन वियर को 0.2 μ m तक बढ़ा देता है। कुल 50,000 बार चलने के बाद, बेयरिंग क्लीयरेंस प्रारंभिक मान से तीन गुना तक फैल जाता है, जिससे अत्यधिक कंपन होता है।

2、 पर्यावरणीय क्षरण: कई भौतिक क्षेत्रों के सहक्रियात्मक प्रभाव

1. कण अपरदन

रेगिस्तानी या तटीय पवन फार्मों में, हवा में रेत की मात्रा 0.5 मिलीग्राम/घन मीटर तक पहुँच सकती है। ब्लेड के अग्र भाग पर 20 वर्षों के संचालन के दौरान 10 ¹⁰ से अधिक रेत कणों का प्रभाव पड़ेगा, जिसके परिणामस्वरूप सतह की परत की मोटाई 0.3 मिमी तक छिल जाएगी और वायुगतिकीय दक्षता में 5% की कमी आएगी। एक विशिष्ट उत्तर-पश्चिमी पवन फार्म के ब्लेड मरम्मत आँकड़ों से पता चलता है कि जब कटाव गड्ढे की गहराई 0.8 मिमी से अधिक हो जाती है, तो पूरे ब्लेड को बदलने की आवश्यकता होती है।

2. नमक स्प्रे जंग

अपतटीय पवन फार्मों की हवा में नमक की सांद्रता ज़मीन की तुलना में 10-20 गुना ज़्यादा होती है, और क्लोराइड ब्लेड के जोड़ों पर विद्युत-रासायनिक संक्षारण उत्पन्न करता है, जिसकी वार्षिक संक्षारण दर 0.05 मिमी होती है। एक ब्रिटिश अपतटीय पवन फार्म के सर्वेक्षण में पाया गया कि 50% ब्लेड बोल्ट तनाव संक्षारण के कारण टूट जाते हैं, जिससे ब्लेड के अलग होने का ख़तरा बढ़ जाता है।

3. तापमान परिवर्तन
दिन और रात के तापमान के अंतर के कारण सामग्री का तापीय विस्तार और संकुचन होता है, जिसके परिणामस्वरूप ब्लेड की जड़ों के जंक्शन पर सूक्ष्म गति से घिसाव होता है। -40 डिग्री सेल्सियस से +50 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान चक्र में, कार्बन फाइबर फाइबरग्लास हाइब्रिड ब्लेड की इंटरफेसियल डीबॉन्डिंग दर 0.01 मिमी/वर्ष तक पहुँच जाती है। 10 वर्षों के बाद, डीबॉन्डिंग क्षेत्र 10% से अधिक हो जाता है, जिससे संरचनात्मक मजबूती में कमी आती है।

3、 सामग्री थकान: सूक्ष्म क्षति का संचयी प्रभाव

1. उच्च चक्र थकान
गियरबॉक्स के प्लैनेटरी गियर को 20 वर्षों के संचालन के दौरान 10 ⁹ से अधिक भार चक्रों का सामना करना पड़ता है, और सामग्री की आंतरिक कण सीमाओं पर सूक्ष्म दरारें दिखाई देती हैं। 1.5MW यूनिट गियरबॉक्स के वियोजन विश्लेषण से पता चलता है कि प्लैनेटरी गियर के टूथ रूट की थकान दरार प्रसार दर 0.1 मिमी/10 ⁶ चक्र तक पहुँच जाती है, जिससे अंततः टूथ सतह छिल जाती है।

2. कम चक्र थकान
अत्यधिक पवन गति (जैसे 50 मीटर/सेकंड) पर, टावर पर डिज़ाइन लोड के 20% से अधिक क्षणिक प्रतिबल पड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप वेल्ड क्षेत्र में प्लास्टिक विरूपण होता है। तूफान-प्रवण क्षेत्र में एक पवन फार्म की निगरानी से पता चला है कि टावर के निचले वेल्ड सीम में दरार प्रसार दर 0.5 मिमी/वर्ष तक पहुँच गई है, और 5 वर्षों के बाद सुदृढीकरण उपचार की आवश्यकता है।

3. संक्षारण थकान
नमक के छींटे और प्रत्यावर्ती प्रतिबल की संयुक्त क्रिया के कारण, समुद्री जल के छींटे वाले क्षेत्र में टावर की नींव का संक्षारण थकान जीवन 60% कम हो जाता है। प्रयोगशाला में त्वरित परीक्षणों से पता चला है कि 3.5% NaCl विलयन में, Q345 स्टील की थकान सीमा 280 MPa से घटकर 110 MPa हो जाती है, और दरार प्रसार दर तीन गुना बढ़ जाती है।

4、 संचालन और रखरखाव दोष: मानवीय कारकों का संचयी प्रभाव

1. स्नेहन प्रबंधन विफलता
गियरबॉक्स स्नेहक तेल का प्रतिस्थापन चक्र अनुशंसित मान (आमतौर पर 3-5 वर्ष) से ​​अधिक हो जाता है, जिससे तेल अम्ल मान (TAN) 2mgKOH/g से अधिक हो सकता है, और योजकों की विफलता से गियर सूक्ष्म पिटिंग संक्षारण हो सकता है। एक पवन फार्म के एक केस अध्ययन से पता चलता है कि तेल परिवर्तन में देरी से गियरबॉक्स की विफलता दर 40% बढ़ जाती है और रखरखाव लागत 2 मिलियन युआन बढ़ जाती है।

2. बोल्टों का अपर्याप्त पूर्व कसने वाला बल
जब ऑपरेशन के दौरान कंपन के कारण ब्लेड की जड़ में लगा बोल्ट ढीला पड़ जाता है और पूर्व-कसने वाला बल डिज़ाइन मान के 60% तक गिर जाता है, तो संपर्क सतह की सूक्ष्म गति घिसाव दर 5 गुना बढ़ जाती है। ढीले बोल्टों के कारण ब्लेड और हब के बीच कनेक्शन टूटने से एक इकाई को 50 लाख युआन से ज़्यादा का प्रत्यक्ष आर्थिक नुकसान हुआ।

3. केंद्र से विचलन मानक से अधिक है
जब गियरबॉक्स के मुख्य शाफ्ट और इनपुट शाफ्ट के बीच का विचलन 0.05 मिमी से अधिक हो जाता है, तो युग्मन पर अतिरिक्त रेडियल बल लगता है, जिससे बेयरिंग केज टूट जाता है। एक पवन फार्म के आँकड़े बताते हैं कि केंद्र विचलन में प्रत्येक 0.01 मिमी की वृद्धि से बेयरिंग का जीवन 15% कम हो जाता है।

5、 तकनीकी विकास और पहनने के नियंत्रण के रुझान

टूट-फूट की चुनौती से निपटने के लिए उद्योग निम्नलिखित दिशाओं में प्रगति कर रहा है:

सामग्री उन्नयन: ब्लेड की सतह कठोरता को 300HV तक बढ़ाने और कटाव जीवन को 2 गुना बढ़ाने के लिए नैनो कोटिंग प्रौद्योगिकी को अपनाना;

बुद्धिमान निगरानी: गियरबॉक्स तेल कण गणना की ऑनलाइन निगरानी प्राप्त करने के लिए फाइबर ऑप्टिक ग्रेटिंग सेंसर की तैनाती, 300 घंटे की अग्रिम गलती चेतावनी के साथ;

डिजिटल ट्विन: वर्चुअल मॉडलिंग के माध्यम से टॉवर संरचना को अनुकूलित करके, वेल्ड्स का थकान जीवन 40% तक बढ़ जाता है;

अनुकूली नियंत्रण: गहन सुदृढीकरण सीखने पर आधारित पिच नियंत्रण रणनीति ट्रांसमिशन श्रृंखला में लोड उतार-चढ़ाव को 25% तक कम कर देती है।

पवन टर्बाइनों का टूट-फूट यांत्रिक, पर्यावरणीय, भौतिक और परिचालन कारकों के संयुक्त प्रभावों का परिणाम है, और इसका नियंत्रण डिज़ाइन, निर्माण और संचालन के पूरे जीवन चक्र में जारी रहना चाहिए। राज्य निगरानी तकनीक और नए भौतिक अनुप्रयोगों की सफलता के साथ, पवन फार्म भविष्य में "निष्क्रिय रखरखाव" से "पूर्वानुमानित रखरखाव" में परिवर्तन प्राप्त करेंगे, जिससे उपकरणों की विश्वसनीयता और विद्युत उत्पादन दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होगा।