Arborele principal al unei turbine eoliene are nevoie de un rulment fiabil pentru o funcționare eficientă. Unele soluții constructive de rulmenți s-au defectat prematur, ducând la reparații costisitoare. Îmbunătățirile și progresele recente în proiectarea rulmenților sporesc fiabilitatea și asigură stabilitatea în funcționarea arborelui principal. Selectarea unui rulment adecvat este benefică pentru performanța generală a turbinei eoliene.
Modelele de turbine eoliene cu construcţie modulară utilizează frecvent rulmenţi radiali oscilanţi cu role butoi pe două rânduri pentru lăgăruirea și preluarea sarcinilor arborelui principal. Modelul de turbină eoliană care folosește un singur rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri pentru arborele principal, cunoscut ca și construcţia cu lăgăruire în 3 puncte de sprijin, în care arborele principal este susţinut de un singur rulment principal și de cele două braţe de torsiune ale multiplicatorului de turaţie cu angrenaje planetare, este ales de obicei pentru a permite:
- Un ansamblu constructiv al nacelei cu lungime redusă
- Deformări și dezalinieri mai mari în lanţul cinematic de transmisie a puterii mecanice al turbinei eoliene
- Un lanţ de aprovizionare cu componente, pentru construcţia și întreţinerea turbinei, economic din punct de vedere comercial.
Din păcate, unii operatori de turbine eoliene au avut parte de defectarea în exploatare a rulmenţilor radiali oscilanţi cu role butoi, din echiparea arborilor principali, cu mult mai devreme decât se așteptau, ceea ce a redus în mod semnificativ durata de viaţă. Înlocuirea neplanificată a rulmentului arborelui principal îi poate costa pe operatorii de ferme pentru producerea energiei eoliene până la 450.000 de dolari pentru o turbină, având un impact evident asupra performanţei financiare.
- FIGURA 1. Soluția constructivă cu lăgăruire în 3 puncte susține arborele principal printr-un rulment și prin două brațe de torsiune ale multiplicatorului de turație cu angrenaje.
- FIGURA 2. Distribuirea sarcinii în mod inegal între rândurile de role are loc atunci când raportul dintre sarcina axială admisibilă și sarcina radială pentru rulmentul radial oscilant cu role butoi pe două rânduri crește peste intervalul 0,15 până la 0,20. Rândul de role al rulmentului, orientat în direcția opusă vântului, devine descărcat și acest lucru face ca sarcina să fie preluată doar de rândul de role orientat în direcția vântului
Factorii contribuitori
Sarcină axială mare acționând asupra unui rulment radial oscilant cu role butoi: Deși nu există o limită oficială maximă, raportul, general acceptat, între sarcina axială admisibilă și sarcina radială pentru rulmenţii radiali oscilanţi cu role butoi pe două rânduri, este cuprins între 0,15 și 0,20. Prin urmare, sarcina axială ar trebui să fie între 15 și 20% din valoarea sarcinii radiale ce acţionează asupra unui rulment radial oscilant cu role butoi pe două rânduri. În unele aplicaţii industriale, acest raport poate, însă, atinge 0,30 sau chiar 0,35. Când se întâmplă acest lucru, anumite moduri de defectare devin evidente și sunt legate de descărcarea unuia din cele două rânduri de role ale rulmentului. Această descărcare poate afecta distribuţia sarcinii între rânduri, poate duce la înclinarea rolelor, apariţia de tensiuni în colivia rulmentului, generarea excesivă de căldură și patinarea rolelor. În cazul rulmentului din poziţia fixă a arborelui principal, acest raport este adesea în vecinătatea valorii de 0,60, fapt ce face ca numai unul din cele două rânduri de role ale rulmentului radial oscilant cu role butoi să preia sarcina radială și pe cea axială. Cu această încărcare inegală, rulmentul poate să nu funcţioneze așa cum a fost proiectat sau conceput iniţial.
Generare de peliculă de lubrifiant inadecvată: În general, condiţiile de funcţionare a rulmentului arborelui principal nu sunt ideale pentru generarea peliculei de lubrifiant între role și căile de rulare. Cu o turaţie maximă de operare de ~ 20 rot./min, viteza liniară a suprafeţelor de rulare ale rulmentului și generarea peliculei de lubrifiant pot fi insuficiente pentru a menţine separarea asperităţilor de la contactul rolă-cale de rulare.
În plus, momentele de răsturnare și de giraţie, care se modifică continuu, schimbă în mod constant și aproape instantaneu poziţia și direcţia zonei de încărcare în rulment.
- FIGURA 3. În primele etape de uzură a rulmenților de arbore principal din turbinele cu lăgăruire în 3 puncte, traseul distinct de uzură al rândului de role orientat în direcția vântului poate modifica geometria proiectată pentru contactul rolelor cu calea de rulare, conducând la apariția de tensiuni pe calea de rulare mai mari decât cele previzionate și la eventuala defectare a rulmentului.
Acest lucru întrerupe formarea și afectează negativ calitatea peliculei de lubrifiant. Schimbarea poziţiei și direcţiei zonei de încărcare în rulment este accelerată în cazul rulmenţilor turbinei cu lăgăruire în 3 puncte, întrucât aceștia funcţionează cu joc radial, crescând riscul de micro-exfoliere a suprafeţelor sau de patinare a rolelor.
Soluţii de proiectare constructivă pentru îmbunătăţirea performanţei
Din fericire, există îmbunătăţiri disponibile pentru turbinele existente, precum și soluţii sofisticate de proiectare constructivă pentru noile platforme tehnice de turbine eoliene.
Îmbunătăţiri ale soluţiei constructive de rulment radial oscilant cu role butoi pentru turbinele existente
Pentru înlocuirea directă a rulmentului de arbore principal din fermele de turbine eoliene existente, o companie producătoare de rulmenţi oferă un rulment radial oscilant cu role butoi cu două rânduri, rezistent la uzură (WR – Wear Rezistant), care utilizează o tehnologie de acoperire specială a suprafeţelor, în combinaţie cu finisaje îmbunătăţite ale suprafeţelor de lucru. Rulmenţii rezistenţi la uzură (WR) au căile de rulare protejate împotriva micro-exfolierilor, prin reducerea semnificativă a tensiunilor de forfecare și a interacţiunilor între micro-asperităţile suprafeţelor de lucru.
Acoperirea de suprafaţă, special concepută, este compusă dintr-un strat de acoperire, durabil și unic, de hidrocarbură amorfă, întărită cu carbură de tungsten (WC/aC:H). În general, acoperirile de suprafaţă de tipul WC/aC:H, au duritatea mai mare decât a oţelulului, care are în jur de 60 HRC, o grosime a stratului de acoperire de 1 până la 2 micrometri și un coeficient scăzut de frecare cu oţelul.
Cu o acoperire de suprafaţă concepută special pentru role, stratul depus are drept scop să șlefuiască și să repare căile de rulare amprentate în timpul funcţionării rulmentului. Finisarea îmbunătăţită a suprafaţelor de lucru mărește și grosimea peliculei de lubrifiant, ajutând la îmbunătăţirea separării micro-asperităţilor suprafeţelor de lucru.
Acoperirea de suprafaţă de tipul WC/aC:H micșorează interacţiunile între micro-asperităţile suprafeţelor aflate în contact și scade tensiunile de forfecare care provoacă uzura acestora.
- FIGURA 4. Rulmentul radial oscilant cu role butoi Timken WR reduce tensiunile de forfecare și interacțiunile între micro-asperitățile suprafețelor aflate în contact, fapt care le protejează împotriva anumitor tipuri de uzură, cum ar fi micro-exfolierea.
Aceste beneficii duc la creșterea duratei de viaţă a rulmentului WR și la micșorarea momentului de rezistenţă la rotire din rulment.
Beneficiile soluţiilor constructive de rulmenţi radiali axiali cu role conice
O soluţie constructivă de rulment radial axial cu role conice, fabricat cu pretensionare, va îmbunătăţi performanţa lanţului cinematic de acţionare a turbinei eoliene. Rulmenţii radiali axiali cu role conice contribuie la asigurarea stabilităţii și rigidităţii sistemului de lăgăruire, a distribuţiei sarcinii între rândurile rulmentului și a interacţiunii role-căi de rulare preconizate. Soluţia constructivă permite, de asemenea, folosirea de multiple configuraţii ale rulmenţilor radiali axiali cu role conice.
Rulmenţi radiali axiali cu role conice pe un rând, montaţi în pereche (2-TS)
- FIGURA 5. Dispunerea în pereche (2-TS) a rulmenților radiali axiali cu role conice pe un rând pentru arborele principal oferă o soluție economică și dimensional compactă.
Montajul în pereche a doi rulmenţi radiali axiali cu role conice pe un rând oferă o soluţie tehnică economică, permiţând montarea cu pretensionare a doi rulmenţi cu dimensiuni de gabarit diferite. Rulmenţii orientaţi în direcţia vântului, precum și cei orientaţi în direcţia opusă vântului, sunt proiectaţi să optimizeze preluarea sarcinilor din aplicaţie, prin alegerea, atât a unghiului de contact între role și căile de rulare, cât și a sarcinii de bază, în funcţie de necesitate. Având distanţă mare între centrele efective de aplicare a sarcinilor, rulmenţii au, de obicei, dimensiuni de gabarit mai reduse, fiind mai economici.
- FIGURA 6. Unghiurile obtuze, alese pentru contactul între rolele și inelele unui rulmentcu role conice tip TDO, contribuie la creșterea rigidității într-un spațiu axial scurt, pentru a contracara momentele de răsturnare și de girație aplicate. De asemenea, rulmentul poate fi construit ca un ansamblu unitar, având încorporate garnituri de etanșare și unsoare.
Rulmenţi radiali axiali cu role conice pe două rânduri (TNA, TDO sau TDI)
Rulmentul radial axial cu role conice pe două rânduri tip TNA, agabaritic, denumit și TDO, când este utilizat un distanţier între inelele interioare, a devenit o opţiune atractivă pentru lagărul arborelui principal, datorită performanţei sale reale în funcţionare și a instalării ușoare în turbina eoliană. Unghiurile obtuze, alese pentru contactul între role și inele, contribuie la creșterea rigidităţii într-un spaţiu axial scurt, pentru a contracara momentele de răsturnare și de giraţie care acţionează asupra rulmentului arborelui principal. Componentele rulmentului, disponibile ca piese separate, pot fi asamblate într-o construcţie unitară, împreună cu garnituri de etanșare și cu unsoare, pentru a simplifica manipularea și instalarea. Pretensionarea rulmentului din fabrică asigură o instalare corectă în aplicaţie, din punct de vedere al jocului în funcţionare.
Soluţia constructivă, compactă axial, oferă proiectanţilor turbinei șansa de a reduce lungimea totală a nacelei. Rulmentul crește în diametru pe măsură ce crește dimensiunea turbinei (diametrul exterior de aproximativ 3,2 m pentru o turbină de 5 MW). Aceste soluţii constructive de rulmenţi sunt îndeosebi potrivite pentru turbine eoliene cu acţionare directă, dar se găsesc și în modele de turbine cu multiplicator de turaţie.
- FIGURA 7. Spre deosebire de un rulment radial oscilant cu role butoi, un rulment radial axial cu role conice pe două rânduri, tipTDI, poate prelua sarcini mari și asigura distribuția egală a acestora între cele două rânduri de role, fapt care determină scădere auzurii în rulment.
Rulmentul radial axial cu role conice pe două rânduri tip TDI, fabricat cu pretensionare, oferă o sarcină de bază ridicată și gestionează eficient combinaţia de sarcini radiale și axiale, în comparaţie cu rulmentul radial oscilant cu role butoi.
Rulmentul radial axial cu role conice pe două rânduri tip TDI asigură preluarea sarcinii pe ambele rânduri de role și o toleranţă mai bună la dezalinierile ce apar în sistemul de lăgăruire, în comparaţie cu tipul TDO. În plus, pretensionarea prealabilă a rulmentului, în fabrica producătoare, ajută la ameliorarea derapărilor, alunecărilor și micro-exfolierilor dintre role și căile de rulare ale inelelor. În unele cazuri, un rulment tip TDI poate înlocui direct un rulment radial oscilant cu role butoi, în cazul turbinelor cu construcţie modulară.
Rezumat
Ca urmare a cerinţei de îmbunătăţire a sustenabilităţii generale, producătorii de turbine eoliene și producătorii de rulmenţi lucrează pentru proiectarea unor sisteme de lagăre pentru arbori principali mai fiabile. Progresele din domeniul ingineriei au făcut posibile îmbunătăţiri ale soluţiilor constructive de rulmenţi radiali oscilanţi cu role butoi existente în turbinele cu montaj în 3 puncte de sprijin. În plus, cerinţele de fiabilitate pentru turbinele aflate în largul mării au sporit cererea de utilizare a rulmenţilor radiali axiali cu role conice pretensionaţi. Aceste îmbunătăţiri aduse soluţiilor de lăgăruire a arborilor principali pot spori fiabilitatea întregului lanţ cinematic de acţionare și pot determina scăderea costului general de operare a unei turbine eoliene.
