สาเหตุพื้นฐานของการสึกหรอของกังหันลมคืออะไร?

สาเหตุพื้นฐานของการสึกหรอของกังหันลมสามารถอธิบายได้จากปฏิสัมพันธ์ของปัจจัยหลัก 4 ประการ ได้แก่ ความเครียดเชิงกล การกัดเซาะจากสภาพแวดล้อม ความล้าของวัสดุ และข้อบกพร่องในการบำรุงรักษา ปัจจัยเหล่านี้จะสะสมอย่างต่อเนื่องตลอดวงจรการทำงานของกังหันลม 20-25 ปี ซึ่งท้ายที่สุดนำไปสู่การสึกหรอและความล้มเหลวของส่วนประกอบสำคัญ การวิเคราะห์ต่อไปนี้จะดำเนินการจากมิติเฉพาะ:

ภาพ
1、 ความเครียดเชิงกล: แรงกระแทกต่อเนื่องของภาระแบบไดนามิก

1. ความผันผวนของแรงทางอากาศพลศาสตร์: ในระหว่างกระบวนการหมุน ใบพัดจะรับแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่ไม่สมมาตร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสนามลมปั่นป่วน ซึ่งการเปลี่ยนแปลงความเร็วลมในขณะนั้นอาจสูงถึง ± 30% ของค่าที่กำหนด ยกตัวอย่างเช่น Vestas V164-9.5MW โมเมนต์ดัดที่โคนใบพัดเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 164 เมตร สามารถสูงถึง 150 ล้าน·เมตร ที่ความเร็วลม 12 เมตร/วินาที ก่อให้เกิดแรงกระแทกเป็นระยะๆ บนชิ้นส่วนส่งกำลัง เช่น เพลาหลักและกระปุกเกียร์ เร่งการสึกหรอจากความล้าของรางลูกปืนและผิวฟันเฟือง

2. การเชื่อมโยงระหว่างแรงโน้มถ่วงและแรงเฉื่อย
น้ำหนักของห้องเครื่องที่ส่วนบนสุดของหอคอยมีน้ำหนักมากกว่า 300 ตัน ทำให้เกิดโมเมนต์ความเฉื่อยระหว่างการเคลื่อนที่แบบหันเห ข้อมูลการตรวจสอบจากฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งแห่งหนึ่งแสดงให้เห็นว่าชุดเฟืองของระบบหันเหต้องทนต่อแรงกระทำสลับกันมากกว่า 10⁸ ครั้งในรอบการทำงาน 20 ปี ส่งผลให้มีรอยหลุมที่ผิวฟันเฟืองขนาด 0.5 มิลลิเมตร และท้ายที่สุดอาจทำให้เฟืองแตกหักได้

3. วงจรเริ่มหยุด
การสตาร์ทและหยุดบ่อยครั้งที่เกิดจากความผันผวนของความเร็วลม ส่งผลให้เกิดแรงบิดกระแทกของลูกปืนโซ่ส่งกำลัง การทดลองแสดงให้เห็นว่าในแต่ละรอบการสตาร์ทและหยุด การสึกหรอจากการเคลื่อนที่ขนาดเล็กของลูกปืนกระปุกเกียร์จะเพิ่มขึ้น 0.2 ไมโครเมตร หลังจากการทำงานทั้งหมด 50,000 ครั้ง ระยะห่างของลูกปืนจะขยายเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่าของค่าเริ่มต้น ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนมากเกินไป

2. การกัดเซาะสิ่งแวดล้อม: ผลกระทบร่วมกันของสนามทางกายภาพหลายแห่ง

1. การกัดกร่อนของอนุภาค

ในทะเลทรายหรือฟาร์มกังหันลมชายฝั่ง ปริมาณทรายในอากาศอาจสูงถึง 0.5 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ขอบด้านหน้าของใบพัดจะได้รับผลกระทบจากอนุภาคทรายมากกว่า 10 ¹⁰ ตลอดระยะเวลาการใช้งาน 20 ปี ส่งผลให้ชั้นเคลือบผิวหลุดลอกหนา 0.3 มิลลิเมตร และประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ลดลง 5% ข้อมูลการซ่อมแซมใบพัดของฟาร์มกังหันลมแห่งหนึ่งทางตะวันตกเฉียงเหนือแสดงให้เห็นว่าเมื่อความลึกของหลุมกัดเซาะเกิน 0.8 มิลลิเมตร จำเป็นต้องเปลี่ยนใบพัดทั้งหมด

2. การกัดกร่อนจากละอองเกลือ

ความเข้มข้นของเกลือในอากาศของฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งสูงกว่าพื้นดินถึง 10-20 เท่า และคลอไรด์ก่อให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าที่ข้อต่อใบพัด โดยมีอัตราการกัดกร่อนต่อปีอยู่ที่ 0.05 มิลลิเมตร จากการสำรวจฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งแห่งหนึ่งในอังกฤษพบว่าสลักเกลียวใบพัด 50% เกิดรอยแตกเนื่องจากการกัดกร่อนจากความเค้น ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงที่ใบพัดจะหลุดออก

3. การสลับอุณหภูมิ
ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างกลางวันและกลางคืนนำไปสู่การขยายตัวและหดตัวของวัสดุเนื่องจากความร้อน ส่งผลให้เกิดการสึกหรอแบบไมโครโมชั่นที่บริเวณรอยต่อของรากใบพัด ภายใต้อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงจาก -40 ถึง +50 องศาเซลเซียส อัตราการหลุดลอกของใบมีดไฮบริดคาร์บอนไฟเบอร์ไฟเบอร์กลาสจะสูงถึง 0.01 มม. ต่อปี หลังจากผ่านไป 10 ปี พื้นที่หลุดลอกจะเกิน 10% ส่งผลให้ความแข็งแรงของโครงสร้างลดลง

3. ความล้าของวัสดุ: ผลสะสมของความเสียหายในระดับจุลภาค

1. ความเหนื่อยล้าจากรอบสูง
เฟืองดาวเคราะห์ของกระปุกเกียร์ต้องทนทานต่อรอบการรับน้ำหนักมากกว่า 10 รอบ ตลอดระยะเวลาการใช้งาน 20 ปี และเกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็กที่ขอบเกรนภายในของวัสดุ การวิเคราะห์การถอดประกอบของกระปุกเกียร์ขนาด 1.5 เมกะวัตต์ แสดงให้เห็นว่าอัตราการขยายตัวของรอยแตกร้าวจากความล้าที่รากฟันของเฟืองดาวเคราะห์มีค่าสูงถึง 0.1 มม./10 รอบ ซึ่งท้ายที่สุดนำไปสู่การลอกของผิวฟัน

2. ความเหนื่อยล้าจากรอบการทำงานต่ำ
หอคอยต้องรับแรงเค้นชั่วคราวเกิน 20% ของน้ำหนักบรรทุกที่ออกแบบไว้ที่ความเร็วลมสูงสุด (เช่น 50 เมตร/วินาที) ส่งผลให้เกิดการเสียรูปถาวร (Plastic Deformation) ในบริเวณรอยเชื่อม จากการตรวจสอบฟาร์มกังหันลมในพื้นที่เสี่ยงพายุไต้ฝุ่นพบว่าอัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวที่รอยเชื่อมด้านล่างของหอคอยสูงถึง 0.5 มิลลิเมตร/ปี และจำเป็นต้องเสริมเหล็กหลังจากผ่านไป 5 ปี

3. ความล้าจากการกัดกร่อน
ภายใต้การทำงานร่วมกันระหว่างการพ่นเกลือและแรงเค้นสลับกัน อายุความล้าจากการกัดกร่อนของฐานหอคอยในบริเวณที่น้ำทะเลสาดกระเซ็นลดลง 60% การทดสอบเร่งในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าในสารละลายโซเดียมคลอไรด์ 3.5% ขีดจำกัดความล้าของเหล็ก Q345 ลดลงจาก 280 MPa เหลือ 110 MPa และอัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวเพิ่มขึ้นสามเท่า

4. ข้อบกพร่องในการดำเนินงานและการบำรุงรักษา: ผลกระทบสะสมจากปัจจัยด้านมนุษย์

1. ความล้มเหลวในการจัดการการหล่อลื่น
การเปลี่ยนน้ำมันหล่อลื่นกระปุกเกียร์เกินค่าที่แนะนำ (ปกติ 3-5 ปี) ซึ่งอาจทำให้ค่ากรดน้ำมัน (TAN) สูงเกิน 2 มก. KOH/กรัม และความล้มเหลวของสารเติมแต่งอาจนำไปสู่การกัดกร่อนแบบหลุมขนาดเล็กของเฟืองเกียร์ กรณีศึกษาจากฟาร์มกังหันลมแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนถ่ายน้ำมันล่าช้าจะเพิ่มอัตราความล้มเหลวของกระปุกเกียร์ขึ้น 40% และเพิ่มต้นทุนการบำรุงรักษาขึ้น 2 ล้านหยวน

2. แรงขันน็อตเบื้องต้นไม่เพียงพอ
เมื่อสลักเกลียวที่โคนใบเลื่อยคลายตัวเนื่องจากแรงสั่นสะเทือนขณะใช้งาน และแรงขันเบื้องต้นลดลงเหลือ 60% ของค่าที่ออกแบบไว้ อัตราการสึกหรอจากการเคลื่อนที่ระดับไมโครของพื้นผิวสัมผัสจะเพิ่มขึ้น 5 เท่า หน่วยงานหนึ่งได้รับความสูญเสียทางเศรษฐกิจโดยตรงกว่า 5 ล้านหยวน เนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างใบเลื่อยและดุมล้อล้มเหลวเนื่องจากสลักเกลียวหลวม

3. การเบี่ยงเบนจากจุดศูนย์กลางเกินมาตรฐาน
เมื่อความเบี่ยงเบนระหว่างเพลาหลักและเพลาอินพุตของกระปุกเกียร์เกิน 0.05 มม. คัปปลิ้งจะรับแรงในแนวรัศมีเพิ่มเติม ทำให้กรงลูกปืนแตก สถิติจากฟาร์มกังหันลมแห่งหนึ่งแสดงให้เห็นว่าทุกๆ ความเบี่ยงเบนจากจุดศูนย์กลางที่เพิ่มขึ้น 0.01 มม. จะทำให้อายุการใช้งานของลูกปืนสั้นลง 15%

5. วิวัฒนาการทางเทคโนโลยีและแนวโน้มการควบคุมการสึกหรอ

เพื่อรับมือกับความท้าทายด้านการสึกหรอ อุตสาหกรรมกำลังพัฒนาไปในทิศทางต่อไปนี้:

การอัพเกรดวัสดุ: การนำเทคโนโลยีการเคลือบนาโนมาใช้เพื่อเพิ่มความแข็งของพื้นผิวของใบมีดเป็น 300HV และยืดอายุการกัดกร่อนเป็น 2 เท่า

การตรวจสอบอัจฉริยะ: การใช้เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกแบบกริดเพื่อให้สามารถตรวจสอบการนับอนุภาคของน้ำมันเกียร์แบบออนไลน์ได้ โดยมีการเตือนล่วงหน้าถึงข้อผิดพลาดได้ 300 ชั่วโมง

ฝาแฝดทางดิจิทัล: การปรับปรุงโครงสร้างหอคอยด้วยการสร้างแบบจำลองเสมือนจริง ทำให้อายุการใช้งานของความล้าจากการเชื่อมเพิ่มขึ้น 40%

การควบคุมแบบปรับตัว: กลยุทธ์การควบคุมระดับเสียงที่อาศัยการเรียนรู้การเสริมแรงเชิงลึกช่วยลดความผันผวนของโหลดในสายส่งไฟฟ้าลง 25%

การสึกหรอของกังหันลมเป็นผลมาจากปัจจัยทางกล สิ่งแวดล้อม วัสดุ และการดำเนินงานร่วมกัน การควบคุมกังหันลมจึงต้องดำเนินไปตลอดวงจรชีวิตการออกแบบ การผลิต และการดำเนินงาน ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีการตรวจสอบสถานะและการประยุกต์ใช้วัสดุใหม่ๆ ฟาร์มกังหันลมจะสามารถเปลี่ยนจาก "การบำรุงรักษาแบบพาสซีฟ" ไปสู่ ​​"การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์" ในอนาคต ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์และประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีนัยสำคัญ