Apa penyebab utama kerusakan pada turbin angin?

Penyebab utama keausan turbin angin dapat dikaitkan dengan interaksi empat faktor utama: tekanan mekanis, erosi lingkungan, kelelahan material, dan cacat perawatan. Faktor-faktor ini terakumulasi secara terus-menerus selama siklus operasi turbin angin 20-25 tahun, yang pada akhirnya menyebabkan keausan dan kegagalan komponen-komponen utama. Analisis berikut akan dilakukan berdasarkan dimensi spesifik:

gambar
1、 Tekanan mekanis: Dampak beban dinamis yang berkelanjutan

1. Fluktuasi beban aerodinamis: Selama proses rotasi, bilah-bilah menanggung gaya aerodinamis asimetris, terutama di medan angin turbulen, di mana variasi kecepatan angin sesaat dapat mencapai ± 30% dari nilai terukur. Sebagai contoh, unit Vestas V164-9.5MW, momen lentur pada pangkal bilah tunggal berdiameter 164 meter dapat mencapai 150 MN·m pada kecepatan angin 12 m/s, yang menyebabkan beban impak periodik pada komponen transmisi seperti poros utama dan kotak roda gigi, yang mempercepat keausan fatik pada jalur bantalan dan permukaan gigi roda gigi.

2. Kopling gaya gravitasi dan gaya inersia
Berat ruang mesin di puncak menara melebihi 300 ton, menghasilkan momen inersia selama gerakan yaw. Data pemantauan dari sebuah ladang angin lepas pantai menunjukkan bahwa pasangan roda gigi sistem yaw harus menahan lebih dari 10⁸ beban bolak-balik selama siklus operasi 20 tahun, yang mengakibatkan kedalaman pitting permukaan gigi sebesar 0,5 mm dan akhirnya menyebabkan fraktur roda gigi.

3. Siklus mulai berhenti
Seringnya start-stop yang dipicu oleh fluktuasi kecepatan angin mengakibatkan torsi impak pada bantalan rantai transmisi. Eksperimen menunjukkan bahwa setiap siklus start-stop meningkatkan keausan gerak mikro bantalan kotak roda gigi sebesar 0,2 μm. Setelah total 50.000 kali uji coba, celah bantalan mengembang hingga tiga kali lipat dari nilai awal, yang menyebabkan getaran berlebih.

2、 Erosi lingkungan: efek sinergis dari berbagai medan fisik

1. Erosi partikel

Di ladang angin gurun atau pesisir, kandungan pasir di udara dapat mencapai 0,5 mg/m³. Tepi depan bilah akan mengalami benturan partikel pasir lebih dari 10 ¹⁰ selama 20 tahun beroperasi, mengakibatkan lapisan permukaan terkelupas setebal 0,3 mm dan penurunan efisiensi aerodinamis sebesar 5%. Data perbaikan bilah di sebuah ladang angin di barat laut menunjukkan bahwa ketika kedalaman lubang erosi melebihi 0,8 mm, seluruh bilah perlu diganti.

2. Korosi semprotan garam

Konsentrasi garam di udara ladang angin lepas pantai 10-20 kali lebih tinggi daripada di darat, dan klorida membentuk korosi elektrokimia pada sambungan bilah, dengan laju korosi tahunan 0,05 mm. Sebuah survei di ladang angin lepas pantai Inggris menemukan bahwa 50% baut bilah retak akibat korosi tegangan, yang meningkatkan risiko lepasnya bilah.

3. Pergantian suhu
Perbedaan suhu antara siang dan malam menyebabkan pemuaian dan penyusutan termal material, yang mengakibatkan keausan gerak mikro pada sambungan akar bilah. Pada suhu siklus -40℃ hingga +50℃, laju debonding antarmuka bilah hibrida serat karbon fiberglass mencapai 0,01 mm/tahun. Setelah 10 tahun, luas debonding melebihi 10%, yang menyebabkan penurunan kekuatan struktural.

3、 Kelelahan material: efek kumulatif kerusakan mikroskopis

1. Kelelahan siklus tinggi
Roda gigi planet pada gearbox harus mampu menahan lebih dari 10 ⁹ siklus beban selama 20 tahun pengoperasian, dan retakan mikro muncul pada batas butiran internal material. Analisis pembongkaran gearbox unit 1,5MW menunjukkan bahwa laju perambatan retak fatik pada akar gigi roda gigi planet mencapai 0,1 mm/10 ⁶ siklus, yang pada akhirnya menyebabkan pengelupasan permukaan gigi.

2. Kelelahan siklus rendah
Menara ini mengalami tegangan transien yang melebihi 20% dari beban desain pada kecepatan angin ekstrem (misalnya 50 m/s), yang mengakibatkan deformasi plastis pada area las. Pemantauan di ladang angin di daerah rawan topan menunjukkan bahwa laju perambatan retak pada sambungan las bawah menara mencapai 0,5 mm/tahun, dan perawatan perkuatan diperlukan setelah 5 tahun.

3. Kelelahan korosi
Di bawah aksi gabungan semprotan garam dan tegangan bolak-balik, umur kelelahan korosi pondasi menara di zona cipratan air laut berkurang 60%. Uji akselerasi laboratorium menunjukkan bahwa dalam larutan NaCl 3,5%, batas kelelahan baja Q345 menurun dari 280 MPa menjadi 110 MPa, dan laju perambatan retak meningkat tiga kali lipat.

4、 Cacat operasi dan pemeliharaan: dampak kumulatif faktor manusia

1. Kegagalan manajemen pelumasan
Siklus penggantian oli pelumas gearbox melebihi nilai yang disarankan (biasanya 3-5 tahun), yang dapat menyebabkan angka asam oli (TAN) melebihi 2mgKOH/g, dan kegagalan aditif dapat menyebabkan korosi mikro-pitting pada roda gigi. Sebuah studi kasus di sebuah ladang angin menunjukkan bahwa penundaan penggantian oli meningkatkan tingkat kegagalan gearbox hingga 40% dan meningkatkan biaya perawatan hingga 2 juta yuan.

2. Kekuatan pra-pengencangan baut tidak memadai
Ketika baut pada pangkal bilah mengendur akibat getaran selama pengoperasian dan gaya pra-pengencangan turun hingga 60% dari nilai desain, laju keausan gerak mikro pada permukaan kontak meningkat 5 kali lipat. Sebuah unit mengalami kerugian ekonomi langsung lebih dari 5 juta yuan akibat kegagalan sambungan antara bilah dan hub akibat baut yang longgar.

3. Deviasi dari pusat melebihi standar
Ketika deviasi antara poros utama dan poros input gearbox melebihi 0,05 mm, kopling akan menanggung gaya radial tambahan, yang menyebabkan rangka bantalan putus. Statistik dari sebuah ladang angin menunjukkan bahwa untuk setiap peningkatan deviasi pemusatan sebesar 0,01 mm, masa pakai bantalan berkurang sebesar 15%.

5、 Evolusi Teknologi dan Tren Pengendalian Keausan

Untuk mengatasi tantangan keausan, industri ini membuat terobosan dalam arah berikut:

Peningkatan material: Mengadopsi teknologi pelapisan nano untuk meningkatkan kekerasan permukaan bilah sebesar 300HV dan memperpanjang masa pakai erosi hingga 2 kali lipat;

Pemantauan cerdas: Menerapkan sensor kisi serat optik untuk mencapai pemantauan daring terhadap penghitungan partikel oli kotak roda gigi, dengan peringatan kesalahan lanjutan selama 300 jam;

Kembaran digital: Dengan mengoptimalkan struktur menara melalui pemodelan virtual, masa lelah las meningkat hingga 40%;

Kontrol adaptif: Strategi kontrol pitch berdasarkan pembelajaran penguatan mendalam mengurangi fluktuasi beban dalam rantai transmisi sebesar 25%.

Keausan turbin angin merupakan hasil gabungan dari faktor mekanis, lingkungan, material, dan operasional, dan pengendaliannya perlu dilakukan di seluruh siklus hidup desain, manufaktur, dan operasi. Dengan terobosan teknologi pemantauan kondisi dan aplikasi material baru, ladang angin akan mencapai transformasi dari "pemeliharaan pasif" menjadi "pemeliharaan prediktif" di masa mendatang, yang secara signifikan akan meningkatkan keandalan peralatan dan efisiensi pembangkitan listrik.