Насколько большие морские ветряные турбины представляют собой сложную конструкцию подшипников

Пол Дворжак | 23 февраля 2018 г.

Филипп Шмид, инженер по применению, SKF

Филипп Шмид

С 2012 года морские турбины общей мощностью более одного гигаватта (ГВт) ежегодно вводятся в эксплуатацию в европейских водах. По данным WindEUROPE, в 2016 году в Европе было установлено 1558 МВт дополнительной мощности, подключенной к сети.

Несмотря на проблемы со строительством морских турбин, ожидается, что их мощность будет расти по мере того, как подходящих наземных площадок становится все меньше, а операторы пользуются преимуществами более стабильного ветра на море. Выходная мощность морских турбин также обычно выше, чем у их наземных аналогов. По данным WindEUROPE, средняя мощность морских турбин, установленных в 2016 году, составила 4,8 МВт. Турбины мощностью 9 МВт и более сейчас находятся на стадии запуска – разработка Vestas V164-9,5 МВт является ярким примером.

Стандартная турбина с коробкой передач оснащена двухточечной подвеской на двух больших подшипниках. Устройство используется на турбинах мощностью 6 МВт.

Морские ветряные турбины также имеют более длинные лопасти, что создает большую нагрузку на трансмиссию. Кроме того, трансмиссии и их подшипники подвергаются большему риску коррозии из-за воздействия соленой воды. Проведение технического обслуживания на море сложно, потенциально опасно и дорого, поэтому операторы стремятся сократить частоту посещений для технического обслуживания, что предъявляет значительные требования к подшипникам ротора и их способности продолжать надежно функционировать в таких условиях в течение длительного времени.

Существует четыре общих концепции конструкции подшипников для валов роторов турбин. Первый представляет собой двухточечную подвеску с тороидальным роликоподшипником со стороны ротора и сферическим роликоподшипником со стороны генератора. Это используется, например, для турбин мощностью 6 МВт.

Для более высоких классов производительности тенденцией является использование «жесткой» подшипниковой системы, состоящей из стопорного и фиксирующего подшипников, сочетающих в себе цилиндрический роликоподшипник и двухрядный конический роликоподшипник. В качестве альтернативы можно использовать специально разработанный подшипник, объединяющий два подшипника в один, например Nautilus компании SKF, или устройства, состоящие из двух отрегулированных конических роликоподшипников. В любом случае конструкция, конструкционные материалы и механическая геометрия этих подшипников будут оказывать значительное влияние на их способность надежно функционировать между интервалами технического обслуживания.

Типовая турбина имеет трехточечную подвеску. Одна точка для большого подшипника первичного вала и две другие точки по обе стороны коробки передач.

Другие особенности подшипников также привлекли внимание. Например, сепараторы подшипников обычно изготавливаются из обработанной латуни или листового металла, причем последний чаще встречается в подшипниках большего размера. По возможности сепараторы всегда устанавливаются цельными, но для подшипников большего размера они могут состоять из рядов сегментов, которые изготавливаются индивидуально и располагаются один за другим. Все типы сепараторов могут быть центрированы по внутреннему кольцу, что приводит к меньшему износу и, таким образом, продлевает срок службы подшипника, что, безусловно, важно для морских ветряных турбин.

Подшипники коробки передач также подверглись модернизации. Одним из наиболее важных последних достижений является химическая обработка поверхности, в результате которой дорожка качения подвергается черному окислению. По сравнению с необработанными подшипниками, подшипники с черным окислением могут предложить ряд преимуществ для применения в ветряных турбинах, включая снижение риска преждевременного выхода подшипника из строя, вызванного белыми трещинами травления, большую стойкость к химическому воздействию со стороны более агрессивных компонентов некоторых смазочных материалов, более низкое проникновение водорода, и улучшенная стойкость к коррозии. Более того, черные окисленные поверхности подшипников могут обеспечить снижение трения, снижение риска повреждения при скольжении и большую устойчивость к плохой смазке подшипников.

На разрезе показано, как один OEM-производитель использует конфигурацию с прямым приводом и двухточечной подвеской по обе стороны от ротора.