터빈 부품: 베어링

Aug 24, 2023

조슈아 스몰리 | 2015년 6월 16일

사진 제공: 팀켄

풍력 터빈에서 베어링은 어디에 사용됩니까?

베어링은 요 베어링, 피치 베어링, 발전기 등 나셀 전체의 여러 위치에서 사용되지만 메인 샤프트와 기어박스의 베어링이 가장 문제가 됩니다.

메인 샤프트 베어링의 모듈식 풍력 터빈 설계에서는 일반적으로 직경이 1m가 넘는 구형 롤러 베어링(SRB) 장치를 사용합니다. 설계자는 단일 SRB 설계를 선택하는 경우가 많습니다. 하나는 단일 메인 베어링으로 ​​지원되고 기어박스 반력을 전달하는 두 개의 토크 암이 지원됩니다.

적어도 두 가지 요인이 메인 샤프트 베어링의 조기 고장에 영향을 미칩니다. 하나는 방사형 SRB에 대한 높은 추력 하중입니다. 공식적인 최대 제한은 없지만 2열 구형 롤러 베어링에 허용되는 추력 대 반경방향 하중의 일반적인 비율은 0.15에서 0.20 사이입니다. 두 번째는 윤활막 생성이 불충분하다는 것입니다. 일반적으로 주축 베어링의 작동 조건은 윤활막 생성에 적합하지 않습니다. 최대 작동 속도가 약 20rpm인 경우 베어링 표면 속도와 윤활막 생성이 롤러-레이스 돌기를 분리하기에 충분하지 않을 수 있습니다.

예압을 갖춘 테이퍼 롤러 베어링(TRB) 메인 샤프트 설계도 파워트레인 성능을 향상시킬 수 있습니다. TRB는 시스템 안정성과 강성, 행 간 부하 공유, 예측된 롤러-레이스 상호 작용을 보장하는 데 도움이 됩니다. 이 설계에서는 여러 가지 구성이 가능합니다.

그 중 하나는 널리 보급된 단일 테이퍼 롤러 베어링이 두 개의 서로 다른 TRB로 전체 시스템에 예압을 가할 수 있는 경제적인 설계를 제공한다는 것입니다. 풍하향 베어링 시리즈는 필요에 따라 접촉각과 베어링 용량을 조정하여 적용 부하를 수용할 수 있습니다. 광범위한 유효 중심을 사용하면 베어링은 일반적으로 더 컴팩트합니다.

큰 직경의 테이퍼 롤러 베어링의 또 다른 구성은 콘 레이스 사이에 스페이서를 사용합니다. 이는 현장 성능과 조립 용이성을 기반으로 매력적인 옵션이 되었습니다. 가파른 레이스 각도는 적용된 피치 및 요 모멘트에 대응하기 위해 짧은 축 공간에서 높은 기울기 강성을 생성합니다. 별도의 베어링 구성품에는 씰과 그리스가 포함되어 있어 취급과 설치가 간편합니다. 공장에서 설정된 예압은 올바르게 장착된 설정을 보장합니다.

세 번째 구성에서는 단일 예압 테이퍼 롤러 베어링이 단일 SRB에 비해 높은 하중 용량을 제공하고 방사형 추력 하중 조합을 관리합니다. 단일 예압은 두 베어링 열 전체에 걸쳐 하중 공유를 보장하고 콘 레이스 사이에 공간이 있는 설계에 비해 더 큰 시스템 정렬 불량을 허용합니다.

베어링은 풍력 터빈 기어박스에도 사용됩니다. 한 서비스 회사는 특정 기어박스 모델에 특별한 설계 약점이 있다고 말합니다. 즉 유성 기어에 경화 레이스가 있는 4열 원통형 베어링을 사용하는 것입니다. 이는 해당 분야에 최적의 베어링 구성이 아닙니다. 회사는 이러한 기어박스를 재제조할 때 코팅된 롤러가 있는 케이스 침탄 내부 레이스 베어링을 사용하는 것이 가장 좋다고 덧붙였습니다. 여기 코팅도 텅스텐 카빈 버전입니다.

또한, 개별 열의 간격을 변경하면 하중 공유가 향상되어 베어링 성능이 더 길어집니다. 이는 또한 기어박스 바닥에 쌓인 잔해로 인해 흔히 발생하는 케이스 균열 오류를 방지할 수도 있습니다. 또한 고속 및 중간 위치에서는 케이스 침탄 코팅 베어링을 사용해야 합니다. 이러한 간단한 업그레이드로 기어박스의 전반적인 성능이 크게 향상되어 수명이 크게 연장될 수 있습니다.

베어링 하중에 대한 이해가 높아진 덕분에 기어박스 신뢰성이 지난 10년 동안 눈에 띄게 향상되었습니다. 한 회사는 재구축된 기어박스를 5년 동안 보증하는 반면, 일부 OEM 보증은 2년만 보증합니다. 메인 샤프트 및 기어박스 베어링 재설계 추세는 이러한 장치의 예상치 못한 고장으로 인해 발생했습니다. 계획되지 않은 메인 샤프트 베어링 교체로 인해 운영자는 최대 450,000달러의 비용을 지출할 수 있으며 재무 성과에 명백한 영향을 미칠 수 있습니다.