Какова основная причина износа ветряных турбин?

Основные причины износа ветряных турбин можно объяснить взаимодействием четырёх основных факторов: механических напряжений, эрозии окружающей среды, усталости материала и дефектов обслуживания. Эти факторы непрерывно накапливаются в течение 20–25-летнего цикла эксплуатации ветряных турбин, в конечном итоге приводя к износу и выходу из строя ключевых компонентов. Следующий анализ будет проведён с учётом конкретных параметров:

изображение
1. Механическое напряжение: непрерывное воздействие динамических нагрузок.

1. Колебания аэродинамической нагрузки: В процессе вращения лопасти подвергаются асимметричным аэродинамическим нагрузкам, особенно в условиях турбулентного ветра, где мгновенное изменение скорости ветра может достигать ±30% от номинального значения. Например, на установке Vestas V164-9.5MW изгибающий момент в основании одной лопасти диаметром 164 метра может достигать 150 МН·м при скорости ветра 12 м/с, что приводит к периодическим ударным нагрузкам на компоненты трансмиссии, такие как главный вал и редуктор, ускоряя усталостный износ дорожек качения подшипников и поверхностей зубьев шестерен.

2. Взаимодействие сил гравитации и инерции
Вес машинного отделения на вершине башни превышает 300 тонн, что создаёт момент инерции при рыскании. Данные мониторинга одной из морских ветряных электростанций показывают, что зубчатая пара системы рысканья должна выдерживать более 10⁸ знакопеременных нагрузок в течение 20-летнего рабочего цикла, что приводит к образованию язв на поверхности зубьев глубиной 0,5 мм и, в конечном итоге, к разрушению шестерни.

3. Цикл «Пуск-остановка»
Частые пуски-остановки, вызванные колебаниями скорости ветра, приводят к возникновению ударного момента в подшипниках трансмиссионной цепи. Эксперименты показали, что каждый цикл пуска-остановки увеличивает микромеханический износ подшипников редуктора на 0,2 мкм. После 50 000 циклов зазор подшипника увеличивается в три раза по сравнению с первоначальным значением, что приводит к чрезмерной вибрации.

2. Эрозия окружающей среды: синергетическое воздействие нескольких физических полей

1. Эрозия частиц

В пустынях или на прибрежных ветроэлектростанциях содержание песка в воздухе может достигать 0,5 мг/м³. За 20 лет эксплуатации передняя кромка лопасти подвергается воздействию более 10 ¹⁰ песчаных частиц, что приводит к отслоению поверхностного покрытия толщиной 0,3 мм и снижению аэродинамической эффективности на 5%. Данные по ремонту лопастей одной из северо-западных ветроэлектростанций показывают, что при глубине эрозионной язвы более 0,8 мм требуется замена всей лопасти.

2. Коррозия от солевого тумана

Концентрация соли в воздухе морских ветроэлектростанций в 10–20 раз выше, чем на суше, а хлориды вызывают электрохимическую коррозию в соединениях лопастей с годовой скоростью коррозии 0,05 мм. Обследование британской морской ветроэлектростанции показало, что 50% болтов крепления лопастей трескаются из-за коррозии под напряжением, что увеличивает риск отслоения лопасти.

3. Изменение температуры
Разница температур между днем ​​и ночью приводит к тепловому расширению и сжатию материала, что приводит к микродеформационному износу в области соединения хвостовиков лопаток. При циклическом изменении температуры от -40 до +50 °C скорость отслоения межфазных поверхностей гибридных лопаток из углеродного волокна и стекловолокна достигает 0,01 мм/год. Через 10 лет площадь отслоения превышает 10%, что приводит к снижению прочности конструкции.

3. Усталость материала: кумулятивный эффект микроскопических повреждений

1. Высокоцикловая усталость
Планетарная передача редуктора должна выдерживать более 10 ⁹ циклов нагрузки в течение 20 лет эксплуатации, при этом на внутренних границах зерен материала возникают микротрещины. Анализ разборки редуктора агрегата мощностью 1,5 МВт показывает, что скорость распространения усталостных трещин в основании зуба планетарной передачи достигает 0,1 мм/10 ⁶ циклов, что в конечном итоге приводит к отслоению поверхности зубьев.

2. Малоцикловая усталость
Башня подвергается воздействию кратковременных напряжений, превышающих 20% от проектной нагрузки при экстремальных скоростях ветра (например, 50 м/с), что приводит к пластической деформации в зоне сварного шва. Мониторинг ветроэлектростанции в районе, подверженном тайфунам, показал, что скорость распространения трещин в нижнем сварном шве башни достигает 0,5 мм/год, и через 5 лет требуется усиление.

3. Коррозионная усталость
При совместном воздействии солевого тумана и знакопеременных напряжений коррозионная усталостная долговечность фундамента башни в зоне заплеска морской воды сокращается на 60%. Ускоренные лабораторные испытания показали, что в 3,5% растворе NaCl предел усталости стали Q345 снижается с 280 МПа до 110 МПа, а скорость распространения трещин увеличивается в три раза.

4. Дефекты эксплуатации и обслуживания: совокупное влияние человеческого фактора

1. Сбой управления смазкой
Периодичность замены масла в редукторе превышает рекомендуемое значение (обычно 3–5 лет), что может привести к повышению кислотного числа масла (TAN) более 2 мгKOH/г, а отсутствие присадок может привести к микропиттинговой коррозии зубчатых передач. Пример ветроэлектростанции показывает, что задержка замены масла увеличивает частоту отказов редуктора на 40% и увеличивает расходы на техническое обслуживание на 2 миллиона юаней.

2. Недостаточное усилие предварительной затяжки болтов.
При ослаблении болта у основания лопасти из-за вибрации во время работы и снижении усилия предварительной затяжки до 60% от проектного значения скорость износа контактной поверхности от микродвижений увеличивается в 5 раз. Некоторое подразделение понесло прямой экономический ущерб в размере более 5 миллионов юаней из-за разрушения соединения между лопастями и ступицей из-за ослабления болтов.

3. Отклонение от центра превышает норму
При отклонении между главным валом и входным валом редуктора более чем на 0,05 мм муфта испытывает дополнительную радиальную нагрузку, что приводит к разрушению сепаратора подшипника. Статистика одной ветряной электростанции показывает, что при каждом увеличении отклонения от центрирования на 0,01 мм срок службы подшипника сокращается на 15%.

5. Технологическая эволюция и тенденции контроля износа

Для решения проблемы износа отрасль делает прорывы в следующих направлениях:

Модернизация материала: применение технологии нанопокрытия позволяет увеличить твердость поверхности лезвия на 300HV и увеличить срок службы лезвия от эрозии в 2 раза;

Интеллектуальный мониторинг: использование волоконно-оптических решетчатых датчиков для обеспечения онлайн-мониторинга подсчета частиц в масле коробки передач с предупреждением о неисправностях за 300 часов;

Цифровой двойник: Оптимизация конструкции башни с помощью виртуального моделирования увеличивает усталостную долговечность сварных швов на 40%;

Адаптивное управление: стратегия управления шагом, основанная на глубоком обучении с подкреплением, снижает колебания нагрузки в цепи передачи на 25%.

Износ ветряных турбин является результатом совокупного воздействия механических, экологических, материальных и эксплуатационных факторов, и его контроль должен осуществляться на протяжении всего жизненного цикла – от проектирования до производства и эксплуатации. Благодаря прорыву в области технологий мониторинга состояния и применению новых материалов, ветряные электростанции в будущем смогут перейти от «пассивного обслуживания» к «прогностическому», что значительно повысит надежность оборудования и эффективность выработки электроэнергии.