Mi a szélturbinák kopásának és elhasználódásának alapvető oka?

A szélturbinák kopásának alapvető okai négy fő tényező kölcsönhatásának tulajdoníthatók: mechanikai igénybevétel, környezeti erózió, anyagfáradás és karbantartási hibák. Ezek a tényezők folyamatosan felhalmozódnak a szélturbinák 20-25 éves üzemciklusa alatt, ami végső soron a kulcsfontosságú alkatrészek kopásához és meghibásodásához vezet. A következő elemzést meghatározott dimenziókból végezzük el:

kép
1. Mechanikai igénybevétel: Dinamikus terhelések folyamatos hatása

1. Aerodinamikai terhelésingadozás: A forgási folyamat során a lapátok aszimmetrikus aerodinamikai erőket viselnek, különösen turbulens szélterekben, ahol a pillanatnyi szélsebesség-változás elérheti a névleges érték ± 30%-át. Példaként a Vestas V164-9.5MW egységet véve alapul, egyetlen, 164 méter átmérőjű lapát tövében a hajlítónyomaték elérheti a 150 MN · m-t 12 m/s szélsebességnél, ami periodikus ütésterhelést okoz az erőátviteli alkatrészeken, például a főtengelyen és a sebességváltón, felgyorsítva a csapágyfutópályák és a fogaskerekek fogfelületeinek kifáradásos kopását.

2. A gravitációs és a tehetetlenségi erők összekapcsolódása
A torony tetején található gépház súlya meghaladja a 300 tonnát, ami tehetetlenségi nyomatékot generál a legyezőmozgás során. Egy bizonyos tengeri szélerőmű megfigyelési adatai azt mutatják, hogy a legyezőrendszer fogaskerék-párjának több mint 10⁸ váltakozó terhelést kell elviselnie egy 20 éves üzemi ciklus alatt, ami 0,5 mm-es fogfelületi gödrösödést, és végső soron a fogaskerék törését eredményezi.

3. Ciklus indítása/leállítása
A szélsebesség-ingadozások által kiváltott gyakori indítás-leállítás a hajtóműlánc csapágyainak ütőnyomatékát okozza. Kísérletek kimutatták, hogy minden indítás-leállítási ciklus 0,2 μm-rel növeli a hajtómű csapágyainak mikromozgásos kopását. Összesen 50 000 futás után a csapágyhézag a kezdeti érték háromszorosára nő, ami túlzott rezgést okoz.

2. Környezeti erózió: több fizikai mező szinergikus hatásai

1. Részecskeerózió

Sivatagokban vagy tengerparti szélerőművekben a levegő homoktartalma elérheti a 0,5 mg/m³-t. A lapát belépő éle 20 év üzemelés alatt több mint 10 ¹⁰ homokrészecske-becsapódást szenved el, ami 0,3 mm-es felületi bevonatvastagságot és 5%-os aerodinamikai hatékonyságcsökkenést eredményez. Egy bizonyos északnyugati szélerőmű lapátjavítási adatai azt mutatják, hogy amikor az eróziós gödör mélysége meghaladja a 0,8 mm-t, a teljes lapátot ki kell cserélni.

2. Sópermet okozta korrózió

A tengeri szélerőművek levegőjének sókoncentrációja 10-20-szorosa a szárazföldiekének, és a klorid elektrokémiai korróziót képez a lapátok illesztéseinél, évi 0,05 mm-es korróziós sebességgel. Egy brit tengeri szélerőműpark felmérése kimutatta, hogy a lapátcsavarok 50%-a feszültségkorrózió miatt repedt meg, ami növeli a lapátok leválásának kockázatát.

3. Hőmérséklet-változás
A nappal és az éjszaka közötti hőmérsékletkülönbség az anyag hőtágulásához és összehúzódásához vezet, ami mikromozgásos kopást eredményez a pengegyökök találkozásánál. -40 ℃ és +50 ℃ közötti hőmérséklet-ingadozás esetén a szénszálas üvegszálas hibrid pengék határfelületi leválási sebessége eléri a 0,01 mm/év értéket. 10 év elteltével a leválás mértéke meghaladja a 10%-ot, ami a szerkezeti szilárdság csökkenéséhez vezet.

3. Anyagfáradás: a mikroszkopikus sérülések kumulatív hatása

1. Nagy ciklusszámú fáradás
A sebességváltó bolygókerekének 20 év üzemelés során több mint 10⁹ terhelési ciklust kell kibírnia, és az anyag belső szemcsehatárain mikrorepedések jelennek meg. Egy 1,5 MW-os egységsebességváltó szétszerelési elemzése azt mutatja, hogy a bolygókerekes hajtómű fogtőkéjének fáradásos repedésterjedési sebessége eléri a 0,1 mm/10⁶ ciklust, ami végső soron a fogfelület lepattogzásához vezet.

2. Alacsony ciklusszámú fáradás
A torony extrém szélsebességek (például 50 m/s) esetén a tervezési terhelés 20%-át meghaladó átmeneti feszültségnek van kitéve, ami képlékeny alakváltozást eredményez a hegesztési területen. Egy tájfun sújtotta területen található szélerőmű monitorozása kimutatta, hogy a torony alsó hegesztési varratának repedésterjedési sebessége elérte a 0,5 mm/év értéket, és 5 év elteltével megerősítési kezelésre van szükség.

3. Korróziós kifáradás
A sópermet és a váltakozó feszültség együttes hatása alatt a toronyalapozás korróziós kifáradási élettartama a tengervíz fröccsenésének zónájában 60%-kal lerövidül. A laboratóriumi gyorsított vizsgálatok kimutatták, hogy 3,5%-os NaCl-oldatban a Q345 acél kifáradási határa 280 MPa-ról 110 MPa-ra csökken, a repedésterjedési sebesség pedig háromszorosára nő.

4. Üzemeltetési és karbantartási hibák: az emberi tényezők kumulatív hatása

1. Kenéskezelési hiba
A sebességváltó kenőolajának csereciklusa meghaladja az ajánlott értéket (általában 3-5 év), ami az olaj savértékének (TAN) 2 mgKOH/g fölé emelkedését okozhatja, az adalékanyagok meghibásodása pedig a sebességváltó mikro-gödrös korróziójához vezethet. Egy szélerőmű-park esettanulmánya azt mutatja, hogy az olajcsere késleltetése 40%-kal növeli a sebességváltó meghibásodási arányát, és 2 millió jüannal növeli a karbantartási költségeket.

2. A csavarok előhúzóereje nem elegendő
Amikor a penge tövében lévő csavar működés közbeni rezgés miatt ellazul, és az előhúzási erő a tervezési érték 60%-ára csökken, az érintkező felület mikromozgásos kopási sebessége ötszörösére nő. Egy bizonyos egység több mint 5 millió jüanos közvetlen gazdasági veszteséget szenvedett el a pengék és az agy közötti csatlakozás megszakadása miatt, amelyet a laza csavarok okoztak.

3. A középponttól való eltérés meghaladja a szabványt
Amikor a sebességváltó főtengelye és bemenő tengelye közötti eltérés meghaladja a 0,05 mm-t, a tengelykapcsoló további radiális erőt visel, ami a csapágykosár törését okozza. Egy bizonyos szélerőmű statisztikái azt mutatják, hogy a középponti eltérés minden 0,01 mm-es növekedésével a csapágy élettartama 15%-kal csökken.

5. Technológiai fejlődés és kopásszabályozási trendek

A kopás és elhasználódás kihívásainak kezelése érdekében az iparág áttörést ér el a következő irányokban:

Anyagfrissítés: Nano bevonattechnológia alkalmazása a penge felületi keménységének 300 HV-val történő növelésére és az erózió élettartamának kétszeresére növelésére;

Intelligens monitorozás: Száloptikás rácsszenzorok telepítése a sebességváltó olajrészecske-számlálásának online monitorozására, 300 órás hibajelzési idővel;

Digitális ikerpár: A toronyszerkezet virtuális modellezéssel történő optimalizálásával a hegesztések kifáradási élettartama 40%-kal nő;

Adaptív szabályozás: A mélyreható megerősítéses tanuláson alapuló hangmagasság-szabályozási stratégia 25%-kal csökkenti az átviteli lánc terhelésingadozásait.

A szélturbinák kopása a mechanikai, környezeti, anyagi és üzemeltetési tényezők együttes hatásának eredménye, és szabályozásának a tervezés, a gyártás és az üzemeltetés teljes életciklusán végig kell haladnia. Az állapotfelügyeleti technológia és az új anyagalkalmazások áttörésével a szélerőművek a jövőben a „passzív karbantartásról” az „előrejelző karbantartásra” fognak átállni, jelentősen javítva a berendezések megbízhatóságát és az energiatermelés hatékonyságát.