Nguyên nhân cơ bản gây ra hiện tượng hao mòn ở tua-bin gió là gì?

Nguyên nhân cơ bản gây ra sự hao mòn tuabin gió có thể là do sự tương tác của bốn yếu tố chính: ứng suất cơ học, xói mòn môi trường, mỏi vật liệu và lỗi bảo trì. Những yếu tố này tích tụ liên tục trong suốt chu kỳ vận hành 20-25 năm của tuabin gió, cuối cùng dẫn đến hao mòn và hỏng hóc các bộ phận chính. Phân tích sau đây sẽ được thực hiện từ các khía cạnh cụ thể:

hình ảnh
1、 Ứng suất cơ học: Tác động liên tục của tải trọng động

1. Biến động tải trọng khí động học: Trong quá trình quay, các cánh quạt chịu lực khí động học không đối xứng, đặc biệt là trong trường gió nhiễu loạn, khi tốc độ gió tức thời biến thiên có thể đạt ± 30% giá trị định mức. Lấy tổ máy Vestas V164-9.5MW làm ví dụ, mô men uốn tại gốc cánh quạt đơn có đường kính 164 mét có thể đạt 150MN·m ở tốc độ gió 12m/s, gây ra tải trọng va đập định kỳ lên các bộ phận truyền động như trục chính và hộp số, làm tăng tốc độ mòn mỏi của rãnh ổ trục và bề mặt răng bánh răng.

2. Sự kết hợp của lực hấp dẫn và lực quán tính
Trọng lượng của buồng động cơ trên đỉnh tháp vượt quá 300 tấn, tạo ra mô men quán tính trong quá trình chuyển động lệch hướng. Dữ liệu giám sát từ một trang trại điện gió ngoài khơi cho thấy cặp bánh răng của hệ thống lệch hướng cần chịu được tải trọng luân phiên hơn 10⁸ trong chu kỳ vận hành 20 năm, dẫn đến độ sâu rỗ bề mặt răng là 0,5mm và cuối cùng gây ra gãy bánh răng.

3. Chu kỳ bắt đầu dừng
Việc khởi động và dừng thường xuyên do biến động tốc độ gió gây ra mô-men xoắn tác động lên ổ trục xích truyền động. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng mỗi chu kỳ khởi động và dừng làm tăng độ mòn vi chuyển động của ổ trục hộp số thêm 0,2 μm. Sau tổng cộng 50.000 lần chạy, khe hở ổ trục mở rộng gấp ba lần giá trị ban đầu, gây ra rung động quá mức.

2、 Xói mòn môi trường: tác động hiệp đồng của nhiều trường vật lý

1. Xói mòn hạt

Ở sa mạc hoặc các trang trại gió ven biển, hàm lượng cát trong không khí có thể đạt tới 0,5mg/m³. Cạnh trước của cánh quạt sẽ chịu tác động của hơn 10 ¹⁰ hạt cát trong 20 năm hoạt động, dẫn đến độ dày lớp phủ bề mặt bị bong tróc là 0,3mm và hiệu suất khí động học giảm 5%. Dữ liệu sửa chữa cánh quạt của một trang trại gió Tây Bắc cho thấy khi độ sâu của hố xói mòn vượt quá 0,8mm, toàn bộ cánh quạt cần được thay thế.

2. Ăn mòn do phun muối

Nồng độ muối trong không khí tại các trang trại gió ngoài khơi cao gấp 10-20 lần so với trên đất liền, và clorua tạo thành ăn mòn điện hóa tại các khớp cánh quạt, với tốc độ ăn mòn hàng năm là 0,05 mm. Một cuộc khảo sát tại một trang trại gió ngoài khơi của Anh cho thấy 50% bu lông cánh quạt bị nứt do ăn mòn ứng suất, làm tăng nguy cơ cánh quạt bị bung.

3. Sự thay đổi nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm dẫn đến sự giãn nở và co lại do nhiệt của vật liệu, gây ra hiện tượng mài mòn vi mô tại điểm giao nhau của chân cánh quạt. Trong điều kiện nhiệt độ thay đổi từ -40℃ đến +50℃, tốc độ bong tróc bề mặt của cánh quạt lai sợi carbon-sợi thủy tinh đạt 0,01mm/năm. Sau 10 năm, diện tích bong tróc vượt quá 10%, dẫn đến giảm độ bền kết cấu.

3、Mỏi vật liệu: tác động tích lũy của hư hỏng vi mô

1. Mệt mỏi chu kỳ cao
Bánh răng hành tinh của hộp số cần chịu được hơn 10⁹ chu kỳ tải trong 20 năm hoạt động, và các vết nứt nhỏ xuất hiện ở ranh giới hạt bên trong của vật liệu. Phân tích tháo rời hộp số đơn vị 1,5 MW cho thấy tốc độ lan truyền vết nứt mỏi ở chân răng bánh răng hành tinh đạt 0,1mm/10⁶ chu kỳ, cuối cùng dẫn đến bong tróc bề mặt răng.

2. Mệt mỏi chu kỳ thấp
Tháp chịu ứng suất tạm thời vượt quá 20% tải trọng thiết kế ở tốc độ gió cực đại (chẳng hạn như 50m/giây), dẫn đến biến dạng dẻo ở khu vực hàn. Kết quả giám sát một trang trại điện gió ở khu vực dễ bị bão cho thấy tốc độ lan truyền vết nứt ở đường hàn đáy tháp đạt 0,5mm/năm, và cần gia cố lại sau 5 năm.

3. Mệt mỏi do ăn mòn
Dưới tác động kết hợp của hơi muối và ứng suất xen kẽ, tuổi thọ chống mỏi ăn mòn của móng tháp trong vùng nước biển bắn tung tóe bị rút ngắn 60%. Các thử nghiệm tăng tốc trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong dung dịch NaCl 3,5%, giới hạn mỏi của thép Q345 giảm từ 280 MPa xuống 110 MPa, và tốc độ lan truyền vết nứt tăng gấp ba lần.

4、 Lỗi vận hành và bảo trì: tác động tích lũy của các yếu tố con người

1. Lỗi quản lý bôi trơn
Chu kỳ thay dầu bôi trơn hộp số vượt quá giá trị khuyến nghị (thường là 3-5 năm), có thể khiến chỉ số axit của dầu (TAN) vượt quá 2mgKOH/g, và phụ gia bị hỏng có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn rỗ vi mô bánh răng. Nghiên cứu điển hình tại một trang trại điện gió cho thấy việc trì hoãn thay dầu làm tăng tỷ lệ hỏng hóc hộp số lên 40% và tăng chi phí bảo trì lên 2 triệu nhân dân tệ.

2. Lực siết bu lông trước không đủ
Khi bu lông ở gốc cánh quạt bị lỏng do rung động trong quá trình vận hành và lực siết trước giảm xuống còn 60% giá trị thiết kế, tốc độ mài mòn do chuyển động vi mô của bề mặt tiếp xúc tăng gấp 5 lần. Một đơn vị cụ thể đã chịu tổn thất kinh tế trực tiếp hơn 5 triệu nhân dân tệ do sự cố kết nối giữa cánh quạt và trục quạt do bu lông lỏng.

3. Độ lệch tâm vượt quá tiêu chuẩn
Khi độ lệch giữa trục chính và trục đầu vào của hộp số vượt quá 0,05mm, khớp nối sẽ chịu thêm lực hướng tâm, khiến lồng ổ trục bị vỡ. Thống kê từ một trang trại gió cho thấy cứ mỗi 0,01mm độ lệch tâm tăng lên, tuổi thọ ổ trục sẽ giảm 15%.

5、 Sự phát triển công nghệ và xu hướng kiểm soát hao mòn

Để giải quyết thách thức về hao mòn, ngành công nghiệp đang có những bước đột phá theo hướng sau:

Nâng cấp vật liệu: Áp dụng công nghệ phủ nano để tăng độ cứng bề mặt của lưỡi dao lên 300HV và kéo dài tuổi thọ chống xói mòn lên gấp 2 lần;

Giám sát thông minh: Triển khai các cảm biến mạng lưới sợi quang để giám sát trực tuyến việc đếm hạt dầu hộp số, với cảnh báo lỗi trước 300 giờ;

Bản sao kỹ thuật số: Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc tháp thông qua mô hình ảo, tuổi thọ chịu mỏi của mối hàn được tăng lên 40%;

Kiểm soát thích ứng: Chiến lược kiểm soát độ cao dựa trên học tăng cường sâu giúp giảm 25% biến động tải trong chuỗi truyền động.

Sự hao mòn của tuabin gió là kết quả của các tác động tổng hợp của các yếu tố cơ học, môi trường, vật liệu và vận hành, và việc kiểm soát cần được thực hiện xuyên suốt toàn bộ vòng đời thiết kế, sản xuất và vận hành. Với sự đột phá của công nghệ giám sát trạng thái và ứng dụng vật liệu mới, các trang trại gió sẽ đạt được sự chuyển đổi từ "bảo trì thụ động" sang "bảo trì dự đoán" trong tương lai, cải thiện đáng kể độ tin cậy của thiết bị và hiệu suất phát điện.