메인 샤프트 지지 시스템의 베어링 신뢰성 향상

Sep 04, 2023

작성자: Nic Sharpley | 2014년 1월 21일

풍력 터빈의 메인 샤프트는 작동을 위해 안정적인 베어링이 필요합니다. 일부 베어링 설계는 조기에 실패하여 유지 보수 수리 비용이 많이 드는 것으로 알려져 있습니다. 최근 베어링 설계의 업그레이드와 발전으로 신뢰성이 향상되고 메인 샤프트 안정성이 보장됩니다.

Bradley Baldwin • 풍력 에너지 GM • Timken • www.timken.com

팀켄의 내마모성 SRB는 전단 응력과 돌기 상호 작용을 줄여 마이크로피팅과 같은 마모를 방지합니다.

모듈식 풍력 터빈 설계에서는 일반적으로 주축 하중을 지지하고 전달하기 위해 구형 롤러 베어링(SRB)을 사용합니다. 단일 메인 베어링과 기어박스의 반동 토크 암 2개로 지지되는 3점 마운트로 알려진 단일 SRB 설계는 일반적으로 다음을 허용하도록 선택됩니다.

• 더 짧은 나셀 패키지• 높은 시스템 편향 및 정렬 불량• 상업적으로 경제적인 공급망

불행하게도 일부 운영자는 일부 단일 SRB 설계로 인해 예상보다 훨씬 일찍 현장 오류를 경험했으며 이로 인해 서비스 수명이 크게 단축되었습니다. 계획되지 않은 메인 샤프트 베어링 교체로 인해 풍력 발전소 운영자는 교체 비용을 최대 450,000달러까지 절감할 수 있으며 재무 성과에 명백한 영향을 미칠 수 있습니다.

기여 요인 방사형 SRB 베어링의 높은 추력 하중 : 공식적인 최대 한계는 없지만, 2열 구형 롤러 베어링에 대한 허용 스러스트 대 레이디얼 하중의 비율은 일반적으로 0.15에서 0.20 사이입니다. 따라서 축방향 하중은 2열 베어링 반경 방향 반력의 15~20%만 되어야 합니다. 일부 응용 프로그램에서는 이 비율이 0.30 또는 0.35까지 늘어날 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 다양한 손상 모드가 명백해지며 이는 베어링 열의 분리와 관련됩니다. 이러한 분리는 열 사이의 하중 분포, 롤러 스큐, 리테이너 응력, 과도한 열 발생 및 롤러 번짐에 영향을 미칠 수 있습니다. 메인 샤프트 고정 위치에서 이 비율은 종종 0.60 부근에 있으며 이는 반경 방향 및 추력 하중을 지지하는 두 열 중 하나만 발생합니다. 이러한 불평등한 반응으로 인해 베어링이 원래 의도하거나 설계된 대로 작동하지 않을 수 있습니다.

3점 마운트 SRB 설계는 기어박스에 있는 메인 샤프트 베어링과 두 개의 반동 토크 암을 지원합니다.

부적절한 윤활막 생성: 일반적으로 주축 베어링의 작동 조건은 윤활막 생성에 이상적이지 않습니다. 최대 작동 속도가 ~20rpm인 경우 베어링 표면 속도와 윤활막 생성이 롤러-레이스 돌기를 분리된 상태로 유지하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 또한, 피치 및 요 모멘트의 변화는 부하 구역의 위치와 방향을 지속적이고 거의 즉각적으로 이동시킵니다. 이는 윤활막의 형성과 품질을 방해합니다. 방사형 클리어런스에서 작동하는 3점 마운트 SRB에서는 변속이 가속화되고 마이크로피팅이나 번짐 위험이 증가합니다.

2열 구형 롤러 베어링에 허용되는 추력 대 반경방향 하중 비율이 0.15에서 0.20으로 증가하면 불균등한 하중 공유가 발생합니다. 바람이 불어오는 방향의 베어링 열은 고정되지 않고 바람이 불어가는 방향의 열만 지지 하중을 받게 됩니다.

성능 향상을 위한 설계 솔루션다행스럽게도 기존 터빈 시장에는 쉽게 업그레이드할 수 있을 뿐만 아니라 최신 터빈 플랫폼을 위한 보다 정교한 엔지니어링 설계 솔루션이 있습니다.

3점 마운트 SRB의 마모 초기 단계에서 풍하측 열의 뚜렷한 마모 경로가 설계된 접촉 형상을 침식하여 예상보다 높은 궤도 응력과 잠재적인 베어링 고장을 초래할 수 있습니다.

기존 터빈에 대한 SRB 업그레이드 기존 장비와의 직접 교환을 위해 한 회사는 향상된 표면 마감 처리와 함께 공학적 표면 기술을 사용하는 내마모성 SRB를 제공합니다. 내마모성 베어링은 전단 응력과 돌기 상호 작용을 줄여 마이크로피팅에 대한 궤도 보호를 강화합니다. 엔지니어링된 표면은 내구성이 뛰어나고 독특한 텅스텐 카바이드, 비정질 탄화수소 코팅(WC/aC:H)입니다. 일반적으로 WC/aC:H 코팅은 두께가 1~2 마이크로미터인 HRC60 강철보다 적당히 단단하며 강철과 미끄러질 때 마찰 계수가 낮습니다. 롤러의 고급 엔지니어링 표면은 작동 중 손상된 궤도를 연마하고 수리합니다. 향상된 표면 마감으로 윤활막의 두께가 증가하여 돌기 접촉이 개선됩니다. 가공된 표면은 마모를 유발하는 돌기 상호 작용과 표면 전단 응력을 줄입니다. 이점은 계산된 베어링 수명을 늘리고 롤링 토크를 감소시키는 결과를 가져옵니다.