Влияние баланса на долговечность и производительность компонентов ветровой энергии

Критическая роль баланса в надежности и производительности ветровых турбин

Поскольку энергия ветра продолжает расширяться как краеугольный камень глобального портфеля возобновляемых источников энергии, современные турбины стали выше, лопасти длиннее и трансмиссии более сложными. 10 МВт оффшорная турбина может выситься более чем на 150 метров с роторами, превышающими 200 метров в диаметре. В этих масштабах даже небольшой дисбаланс во вращающихся компонентах может усиливаться до тяжелых динамических нагрузок, сокращая срок службы компонентов на годы и сокращая годовое производство энергии. Понимание физики дисбаланса и реализация строгих протоколов балансировки больше не является дополнительной задачей технического обслуживания - это фундаментальное требование к проектированию, которое непосредственно влияет на экономику ветропарка и устойчивость.

Баланс относится к распределению массы вокруг оси вращения. Когда каждый элемент вращающегося узла — лопасти, концентратор, главный вал, коробка передач, ротор генератора — имеет свой центр массы, выровненный с осью вращения, система работает плавно. Любое отклонение вводит центробежные силы, которые циклируют на частоте вращения, передают вибрации через гондолу, башню и фундамент. Со временем эти вибрации ускоряют усталость в болтах, подшипниках, зубцах передач и ламинатах лопасти и могут вызвать дорогостоящее незапланированное простои. Эта статья обеспечивает углубленное изучение того, как баланс влияет на долговечность и производительность компонентов энергии ветра, охватывающих типы дисбаланса, чувствительность конкретных компонентов, методы измерения и коррекции и экономический случай для точной балансировки.

Основы дисбаланса роторов в ветровых турбинах

Дисбаланс в роторе ветровой турбины в первую очередь подразделяется на три категории: статический дисбаланс, парный дисбаланс и динамический дисбаланс.Каждый тип генерирует различные модели вибрации и требует конкретных стратегий коррекции.

Статический дисбаланс

Статический дисбаланс возникает, когда центр массы одного лопасти или весь ротор сборки смещен вдоль одного радиального направления, как если бы вес был прикреплен к одной стороне. Это условие обнаруживается с ротором в покое — тяжелое пятно будет вращаться ко дну. Во время вращения статический дисбаланс производит силу вибрации один раз за оборот (1P) в том же направлении, что и дисбаланс. В ветровых турбинах статический дисбаланс часто возникает из-за производственных допусков, разницы в массе лопасти или неравномерной аккреции льда.

Пара дисбалансов

Пара дисбаланса является динамическим состоянием, когда две равные массы размещаются на 180 градусов друг от друга в двух разных плоскостях, создавая момент качения или скручивания без чистой статической силы. Центр массы ротора остается на оси, но распределение массы вызывает колебания ротора. Это производит вибрацию 1P, которая изменяет фазу от одного подшипника к другому - например, вверх / вниз на переднем подшипнике и бок-бок на заднем подшипнике. Дисбаланс пары является общим в длинных, гибких роторах и может возникнуть в результате асимметричных смещений шага лопасти или производственных ошибок в сборке узла.

Динамический дисбаланс

Динамический дисбаланс является наиболее общим случаем, сочетающим как статические, так и парные компоненты, так что центр массы смещен и основные оси инерции наклонены относительно оси вращения. На практике почти все реальные дисбалансы являются динамическими. Коррекция динамического дисбаланса требует измерений по меньшей мере в двух плоскостях вдоль пролета ротора, как правило, в центре и в середине лопасти в зависимости от доступности компонентов. Расширенное программное обеспечение балансировки теперь использует методы коэффициента влияния или модальную балансировку для достижения допусков остаточного дисбаланса ниже 0,5 мм/с RMS для крупных ветровых турбин.

Влияние на ключевые компоненты ветровой энергии

Условия равновесия влияют на каждую вращающуюся часть трансмиссии. В следующих разделах подробно описывается, как дисбаланс ухудшает конкретные компоненты и какие механизмы отказа чаще всего наблюдаются в полевых условиях.

Лезвия

Лезвия являются наиболее заметными и наиболее аэродинамически чувствительными элементами ветровой турбины. Массовый дисбаланс между лопастями (или внутри одного лопасти) генерирует центробежные силы, которые увеличиваются с квадратом скорости вращения. Для типичного 50-метрового лопасти, вращающегося со скоростью 12 оборотов в минуту, масса дисбаланса всего в 1 кг, расположенная в 30 метрах от узла, создает центробежную силу около 500 Н - достаточно, чтобы вызвать заметную вибрацию. За 20-летний срок службы конструкции турбины эти циклические нагрузки могут превышать предел усталости композитных ламинатов, что приводит к появлению трещин на краю, расщеплению края и снижению аэродинамической эффективности. Дисбаланс лезвия также возбуждает резонансные режимы башни, увеличивая усталостные повреждения у основания башни и фундамента.

Полевые исследования показывают, что несбалансированный ротор может увеличить моменты изгиба корня лопасти на 10-15%, непосредственно сокращая срок службы лопасти на 3-5 лет. Регулярные измерения массы лопасти и CG (центр тяжести) во время производства в сочетании с балансировкой инерции на месте с использованием регулируемых весов наконечника в настоящее время являются стандартной практикой для крупных OEM-производителей. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) опубликовала обширные руководящие принципы по балансировке лопастей и мониторингу структурного здоровья.

Основные подшипники и вал

Основной подшипник поддерживает ротор и должен выдерживать высокие радиальные и осевые нагрузки от дисбаланса. Несбалансированный ротор накладывает синусоидальную радиальную нагрузку на подшипник, который циклически движется один раз за оборот. Эта циклическая нагрузка предотвращает стабильную плёнку смазки, приводя к образованию микропиттинга, сплайтинга и преждевременному отказу подшипника. Неисправности подшипников являются одной из трех основных причин простоя ветровой турбины, часто требуя замены, которая может стоить 100 000 - 200 000 евро за турбину и недели отключения. Правильная балансировка может снизить основные динамические нагрузки подшипника до 40%, значительно продлевая срок службы смазки и целостность дорожки.

Баланс также влияет на основной вал. Взбивание вала — вибрационная нестабильность — более вероятно, когда ротор несбалансирован в момент с несоответствием вала. Удаление компонента 1P посредством динамической балансировки устраняет первичный источник возбуждения, позволяя трансмиссии плавно работать в диапазоне скоростей.

Gearbox

Возможно, коробка передач является наиболее подверженным отказу компонентом в современной турбине. Данные отрасли из базы данных Windpower Engineering & Development показывают, что отказы коробки передач составляют примерно 20% основных замен компонентов и часто приводят к страховым претензиям, превышающим 250 000 евро. Силы дисбаланса от ротора распространяются непосредственно в вал коробки передач с низкой скоростью, вызывая перекосы сетки передач и неравномерную нагрузку на зубья на первой планетарной стадии. Это увеличивает контактное напряжение и скорость скольжения, ускоряя потрескивание и прокалывание зубьев передач.

Динамический дисбаланс создает крутящий момент пульсации на 1P, который может возбуждать крутильную естественную частоту трансмиссии, производя высокочастотные вибрации, которые резонируют через корпус коробки передач. Со временем эти крутильные колебания могут ослаблять крепления, взламывать крепления коробки передач и даже вызывать переломы солнечной передачи. Было показано, что балансировка поля ротора после регулировки шага лопасти или после капитального ремонта снижает уровни вибрации коробки передач на 30-60%, непосредственно переводя на меньшее количество передач коробки передач и отказов подшипников.

генератор

В прямоприводном или шестерённом генераторе дисбаланс ротора вызывает вибрацию ротора генератора относительно статора, снижая равномерность воздушного зазора. Даже десятые доли миллиметрового колебания могут вызывать несбалансированное магнитное притяжение (UMP), что дополнительно усиливает вибрацию и создаёт петлю положительной обратной связи. Это приводит к увеличению потерь меди, перегреву и деградации изоляции. В генераторах индукции с двойным питанием (DFIG) вызванная дисбалансом вибрация может вызывать износ кольца скольжения и повреждение коммутатора, требуя дорогостоящих замен каждые 3-5 лет. Смягчение дисбаланса ротора снижает UMP и помогает поддерживать эффективность генератора выше 96% на протяжении всего срока службы.

Система Яу и Башня

Дисбаланс влияет не только на вращающиеся части. Периодическая вибрация, передаваемая через гондолу, возбуждает подшипники и приводные механизмы рыскания, ускоряя износ в зубцах кольца рыскания и тормозных колодках. Кроме того, вибрационные режимы башни - особенно первый и второй режимы изгиба - сильно связаны с роторами 1P и 3P (три за революцию ротора с тремя лезвиями). Сбалансированный ротор уменьшает ускорение на вершине башни, что снижает усталостные повреждения в оболочке башни и затворах фундамента. Это особенно важно для морских турбин, где осмотр и ремонт башни дороги и зависят от погоды.

Методы измерения и коррекции баланса

Эффективное балансирование требует систематического подхода, сочетающего аналитическое прогнозирование, измерение поля и точное размещение веса.На разных этапах жизни турбины используются следующие методы.

Балансировка производства

Во время производства каждый лопасти статически и динамически сбалансированы индивидуально на специально построенных установках. Лопасти взвешиваются и измеряется их центр тяжести. Записываются балансирующие серийные номера, и лопасти сопоставляются в наборы с минимальным изменением массы - обычно в пределах 0,5-1 процента от средней массы. Сборки хабов также сбалансированы как единица с использованием расчетов момента массы. Однако одни только допуски производства не могут гарантировать идеальный баланс в условиях эксплуатации, поскольку углы наклона лопасти, накопление льда, эрозия и старение вносят дисбаланс с течением времени.

Балансировка поля

Балансировка поля корректирует дисбаланс ротора после установки и во время работы. Общие процедуры включают:

Балансировка поля обычно снижает вибрацию гондолы на 50-80%. Одно тематическое исследование на турбине мощностью 2 МВт показало, что баланс поля 2-плана снизил вибрацию коробки передач с 4,5 мм / с до 1,2 мм / с и устранил резонанс при 13,5 об/мин. Производство мощности турбины увеличилось на 2%, поскольку были устранены проезды системы защиты из-за вибрации.

Автоматизированные системы балансировки

Новые технологии включают в себя активные системы балансировки, которые развертывают внутренние подвижные массы или микрорегулировки шага лопасти, чтобы компенсировать дисбаланс в режиме реального времени. Хотя они еще не распространены, эти системы испытываются на морских турбинах, где ручное вмешательство дорого. Они обещают поддерживать оптимальный баланс на протяжении всего срока службы турбины, несмотря на эрозию лопастей, обледенение или ползучесть материала.

Экономическое влияние правильного баланса

Финансовые выгоды от строгого балансирования выходят далеко за рамки снижения затрат на ремонт. Повышение надежности приводит к повышению доступности, более предсказуемому производству энергии и снижению бюджетов операций и технического обслуживания (O & M). Исследование 2019 года Национальной лабораторией Лоуренса Беркли показало, что снижение на 5% отказов трансмиссии (достижимое путем балансировки) может увеличить чистую приведенную стоимость ветряной электростанции на 1,5-2,5% в течение 20-летнего жизненного цикла. Для ветряной электростанции мощностью 100 МВт это представляет собой 1-2 миллиона евро дополнительного дохода.

Кроме того, сбалансированные компоненты позволяют турбинам работать на более высоких уровнях мощности без запуска вибрационных сокращений. Многие операторы ветряных электростанций сообщают, что после комплексной кампании по балансировке ротора средняя мощность увеличивается на 0,5-1,5% из-за снижения мощности, вызванной системой управления. Учитывая, что одна турбина мощностью 3 МВт генерирует около 7000-8000 МВтч в год, повышение урожайности на 1% добавляет 5 000-8 000 евро на турбину ежегодно при типичных соглашениях о покупательной способности.

Балансировка также снижает потребление запасных частей. Интервалы восстановления Gearbox могут быть увеличены с 7 до 10 лет, если вибрация трансмиссии поддерживается ниже 2 мм/с. Замена основных подшипников может быть отложена на 3-5 лет. Каждый год продленного срока службы снижает Уровнированную стоимость энергии (LCOE) и улучшает банковскую способность турбины для финансирования проекта.

Заключение

Баланс не является единственным атрибутом, достигнутым на заводе — это динамическое состояние, которое должно поддерживаться на протяжении всего срока эксплуатации ветровой турбины. Дисбаланс является основным фактором вибрации, усталости и преждевременного отказа в лопастях, коробках передач, генераторах и структурных компонентах. Современные методы балансировки поля в сочетании с строгим контролем качества производства могут резко снизить эти риски. Данные ясны: инвестиции в точность балансировки дают прямую отдачу в более высоком производстве энергии, более низких затратах на техническое обслуживание и длительное долговечность компонентов.

По мере того, как размеры турбин продолжают расти, а отрасль движется к машинам мощностью 15+ МВт, штрафы за плохой баланс становятся еще более серьезными. Будущее энергии ветра будет все больше полагаться на передовые датчики баланса, прогнозную аналитику и, возможно, активные системы управления обратной связью, которые обеспечивают идеально сбалансированный ротор. На данный момент операторы установок и сервисные команды должны принять систематические программы балансировки, основанные на вибрационной тенденции и запланированных корректировках веса. Ветер дует сильнее для тех, кто поддерживает плавный поворот своих турбин.