Năng lượng & Môi trường

Các yếu tố gây hỏng hộp số tuabin gió

Các yếu tố gây hỏng hộp số tuabin gió

Bảo trì tuabin gió có thể bao gồm nhiều hoạt động khác nhau nhưng một trong những vấn đề chính liên quan đến việc sửa chữa hoặc thay thế hộp số tuabin gió, những hộp số này thường hỏng sớm trước khi chúng hoàn thành tuổi thọ 20 năm. Một số dự án gió có tỷ lệ thất bại lên đến 50% trong vòng một vài năm. Do đó, điều này làm tăng chi phí do tăng thời gian ngừng hoạt động, tăng cường bảo trì và xây dựng lại và thay thế hộp số.

Một trong những lý do giải thích cho điều này là thực tế ngành công nghiệp này còn quá mới so với các ngành công nghiệp khác, nhưng nó cũng có thể đi xuống tốc độ phát triển tuabin gió với các thiết kế ngày càng lớn hơn được tung ra thị trường. Hiểu biết kém về tải của tuabin là một yếu tố khác cũng như một vấn đề đang nổi lên với hiện tượng nứt trục trong các ổ trục tuabin.

Vào năm 2007, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) đã thành lập Tổ chức Hợp tác Độ tin cậy Hộp số NREL để đánh giá lý do tại sao xảy ra lỗi hộp số và cách giải quyết vấn đề. Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Albuquerque cũng đang xem xét vấn đề này. Kết quả của việc này là sự sẵn lòng chia sẻ dữ liệu kết quả với công chúng nhiều hơn, trong khi trước đây ngành công nghiệp này hơi miễn cưỡng làm như vậy. Lợi thế của việc làm như vậy là nó cho phép ngành công nghiệp giải thích cho công chúng những gì họ đang làm để giúp giảm chi phí năng lượng gió.

Ví dụ, trong những năm trước, thử nghiệm quy mô lớn rất tốn kém, vì vậy các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) có xu hướng tiến hành các thử nghiệm ngắn thay thế, và không nhiều trong số đó. Tuy nhiên, việc thử nghiệm hiện nay đã mở rộng hơn, thường diễn ra trên các gian hàng thử nghiệm lớn và do đó cũng khắt khe hơn.

Giai đoạn 1 thử nghiệm hộp số tuabin gió tại NREL [Nguồn ảnh: NREL]

Kiến thức về cách các hộp số tuabin gió phản ứng với tải hiện đã được cải thiện rất nhiều, thường là nhờ vào phần mềm thiết kế được phát triển bởi các công ty như Romax Technology, có trụ sở tại Troy, Michigan, đã sản xuất một gói phần mềm có tên là Romax Wind. Được trang bị phần mềm như vậy, các kỹ sư có thể đánh giá chính xác hơn nhiều ứng suất đặt lên bánh răng và ổ trục và điều này có nghĩa là chúng được đặt tốt hơn nhiều để có thể phát triển các tuabin gió đàn hồi hơn.

Ví dụ, hiện đã trở nên khá rõ ràng rằng phần lớn các sự cố hỏng hộp số tuabin gió, chiếm 76% các sự cố, là do hỏng các ổ trục, mặc dù tất nhiên đây không phải là vấn đề duy nhất. Nứt trục trong ổ trục là một trong những nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc đó.

Ngoài hiện tượng nứt trục trong ổ trục, việc nhiễm bẩn chất bôi trơn với các hạt sắc nhọn có thể dẫn đến hỏng hóc do rỗ ​​các con lăn ổ trục. Nó bắt đầu dưới dạng vi rỗ, còn được gọi là nhuộm màu xám hoặc mờ sương vì màu sắc gây ra bởi sự hiện diện của các vết nứt cực nhỏ thường quá nhỏ để có thể nhìn thấy được nhưng chung quy lại khiến bề mặt có màu xám. Khi đó bề mặt con lăn yếu đi dẫn đến mất khả năng chịu độ chính xác. Các chất gây ô nhiễm thường là các vật liệu như cát, rỉ sét, vụn từ quá trình gia công, bụi mài và bắn tung tóe và các mảnh vụn do mài mòn. Thật không may, hầu hết các hạt này không thể được lọc ra khỏi chất bôi trơn.

Các đốm đen là chất gây ô nhiễm trong dầu [Nguồn ảnh: NREL]

Hộp số tốc độ cao thường có tỷ lệ hỏng hóc cao. Các kỹ sư có xu hướng lắp chúng vào các tuabin gió vì điều này cho phép họ cũng lắp đặt các máy phát điện nhỏ, do đó giảm chi phí trả trước. Xu hướng hiện nay đang chuyển dần sang việc lắp các hộp số tốc độ trung bình. Chúng có ít bánh răng và vòng bi hơn và do đó đáng tin cậy hơn nhiều, nhưng chúng cũng đắt hơn. Tuy nhiên, hộp số tốc độ trung bình có thể tăng số lượng tuabin hoạt động cùng một lúc, do đó tăng lượng năng lượng sạch tạo ra và tạo ra hàng nghìn việc làm trong thiết kế, chế tạo và vận hành.

Nhiều hộp số bị hỏng do tôi luyện mài. Điều này xảy ra khi nhiệt độ của một bộ phận của bánh răng vượt quá nhiệt độ tôi luyện của thép mà nó được chế tạo. Điều này, đến lượt nó, làm giảm độ cứng và do đó sức mạnh của nó. Để chống lại điều này, các OEM đang yêu cầu các nhà cung cấp của họ kiểm tra các bánh răng về độ mài mòn. Một quy trình được gọi là khắc nital có thể được sử dụng để xác định sự khác biệt về cấu trúc vi mô trong các bộ phận, do đó cho phép xác định các khu vực bị hư hỏng do gia công hoặc mài đốt. Nếu những khu vực đó không được làm mát đúng cách, chúng có thể quá nóng. Chúng sẽ xuất hiện sẫm màu hơn trong thử nghiệm khắc nital so với những vùng không bị hư hại.

Việc bao gồm một hạt lạ trong một bánh răng làm tăng ứng suất. Nếu nó đủ lớn và đủ gần với bề mặt tiếp xúc đang hoạt động, nó sẽ làm cho bánh răng bị hỏng sớm. Biện pháp khắc phục cho điều này là kiểm tra không phá hủy như kiểm tra siêu âm mảng theo giai đoạn giúp giảm số lượng 'tạp chất' và do đó số lượng hỏng hóc bánh răng.

Trở lại vấn đề nứt trục đã đề cập trước đó, đây là nguyên nhân thường xuyên dẫn đến hỏng hộp số tuabin. Nứt trục trong ổ trục thường xảy ra dưới dạng các vết nứt dài trên vòng trong của ổ trục. Nó đôi khi được gọi là 'vết nứt trắng khắc' vì các vùng trắng không đều xuất hiện trên các bề mặt chịu lực khi chúng được khắc và kiểm tra hóa học bằng cách sử dụng các hình ảnh hiển vi. Đó là một vấn đề nan giải khiến hộp số của tất cả các nhà sản xuất và ổ lăn hình trụ đặc biệt dễ bị tổn thương. Xử lý nhiệt trong quá trình sản xuất có thể làm trầm trọng thêm vấn đề ở chỗ, việc làm mát không đồng đều có thể gây ra ứng suất cục bộ dẫn đến nứt. Một hình thức xử lý nhiệt cụ thể được gọi là thấm cacbon có thể giúp giảm sự xuất hiện của vết nứt dọc trục trong ổ trục. Điều này liên quan đến việc thành phần được đặt trong lò khí quyển carbon, sau đó là làm nguội và tôi luyện, tạo ra một lõi carbon thấp cứng và một lớp vỏ carbon cao cứng.

Tốc độ cao và hư hỏng bánh răng giai đoạn trung gian [Nguồn ảnh: NREL]

Nứt cũng có thể xảy ra do sự biến đổi không đều của Austenit thành Mactenxit. Mactenxit là một dạng thép rất cứng. Sự biến đổi mactenxit xảy ra khi làm nguội các kim loại cụ thể và thường khi làm nguội austenit đến nhiệt độ phòng. Austenit là một dạng thù hình của sắt, dạng thù hình là thuộc tính của một số nguyên tố hóa học tồn tại ở hai hoặc nhiều dạng khác nhau trong cùng một trạng thái vật lý. Ví dụ, các dạng thù hình của cacbon bao gồm kim cương, than chì, graphene và fullerene. Ngoài Austenit, hai dạng thù hình khác của sắt là sắt alpha (ferit) và sắt delta. Austenit còn được gọi là sắt gamma. Nếu quá trình chuyển đổi Austenit thành Mactenxit không đồng đều, nó có thể gây ra các tốc độ nguội khác nhau, do đó dẫn đến sự phát triển, co ngót và biến dạng xoắn gây nứt.

Nứt trục vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng một giải pháp khác, ngoài xử lý nhiệt bằng cacbon hóa trường hợp, có thể là lớp phủ oxit đen trên vòng bi. Điều này có thể cải thiện các đặc tính cấu trúc của thép được sử dụng để chế tạo vòng bi đồng thời thải ra hydro. Điều này rất quan trọng vì hydro có thể làm cho thép trở nên giòn. Các nguồn cung cấp hydro có thể bao gồm dầu hộp số, độ ẩm trong dầu và các chất phụ gia dầu khác nhau. Một nguồn khác có thể là phóng tĩnh điện từ hệ thống điện hoặc hệ thống bôi trơn có thể chiết xuất hydro từ nước và dầu trong hộp số.

Mặc dù hỏng hộp số thực sự là một vấn đề dai dẳng trong lĩnh vực gió, sự hiểu biết về những vấn đề này luôn được cải thiện và cùng với đó là độ tin cậy của tuabin gió.


Xem video: ĐIỆN GIÓ TRỤC ĐỨNG CHUẨN BỊ CHO NHỮNG CUỘC THỬ NGHIỆM 30 (Tháng Sáu 2021).