Ngành năng lượng gió đang chịu áp lực liên tục để giảm chi phí điện năng bình quân (LCoE) và đang dựa vào các thiết kế truyền tải mới để giải quyết vấn đề này. Mật độ mô-men xoắn của hộp số phải được tăng lên để hạn chế trọng lượng của vỏ máy và giảm kích thước của các bộ phận lớn nhất để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển chúng [1]. Để đạt được điều này, kích thước tổng thể của tất cả các bộ phận, bao gồm cả ổ lăn, phải được giảm hơn nữa mà không ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế.

Hộp số tuabin gió hiện đại tích hợp nhiều bánh răng hành tinh. Mật độ mô-men xoắn được tăng lên bằng cách tăng số lượng bánh răng hành tinh. Điều này phân bổ mô-men xoắn trên nhiều điểm tiếp xúc ăn khớp hơn, cho phép đường kính của bánh răng hành tinh và bánh răng vành nhỏ hơn. Những xu hướng thiết kế mới này đã dẫn đến việc giảm đáng kể kích thước hộp số, nhưng cũng làm giảm không gian dành cho ổ trục đỡ các bánh răng hành tinh (Hình 1).

Nhu cầu về các giải pháp ổ bi lăn chắc chắn

Ổ trượt thủy động rất tốt để giảm kích thước của bộ truyền động hành tinh hơn nữa. Tuy nhiên, tùy thuộc vào điều kiện hoạt động, tốc độ quay và hình dạng hình học của bộ truyền động hành tinh, chẳng hạn như tỷ lệ chiều rộng trên đường kính, ổ lăn có thể cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí với độ tin cậy đã được chứng minh. Do đó, cần có các thiết kế ổ lăn mới có khả năng chịu được tải trọng và áp suất tiếp xúc cao hơn để góp phần tăng mật độ mô-men xoắn.

Một lập luận quan trọng khác ủng hộ việc phát triển các giải pháp ổ trục mới cho hộp số tuabin gió là nhu cầu cải thiện độ tin cậy và độ bền chống lại các chế độ hỏng hóc phổ biến trong thực tế, chẳng hạn như hỏng hóc sớm do nứt pha trắng (WEC) [2] hoặc rỗ vi mô [4].

Bài viết này dành riêng cho vòng bi SKF DuraPro dùng trong hộp số tuabin gió, kết quả của một dự án phát triển mẫu vòng bi mới đáp ứng các tiêu chí sau:

• Tăng tuổi thọ định mức của vòng bi để bù lại việc giảm kích thước.
• Tăng cường khả năng chống chịu đối với các lỗi thường gặp trong hộp số tuabin gió.

Vòng bi SKF DuraPro dùng cho hộp số tuabin gió

Ổ trục SKF DuraPro dành cho hộp số tuabin gió được phát triển để đáp ứng những yêu cầu cao nhất cho ứng dụng ổ trục này. Nó được sản xuất từ ​​thép ổ trục được lựa chọn kỹ lưỡng và trải qua quá trình xử lý nhiệt hóa học để cải thiện các đặc tính bề mặt và lớp phủ bên dưới của các bộ phận.

Đánh giá hiệu suất

Kiểm tra độ bền ổ trục

Một loạt các thử nghiệm đã được tiến hành, bao gồm các điều kiện tải trọng rất cao, rãnh lăn được tạo rãnh sẵn, màng bôi trơn đầy đủ và chế độ bôi trơn nghèo. Các vết lõm được tạo sẵn gây ra sự tập trung ứng suất cục bộ trên bề mặt, làm giảm hiệu quả bôi trơn. Bảng 1 tóm tắt các thông số của các thử nghiệm này.

Tất cả các kết quả thử nghiệm độ bền được tổng hợp thành biểu đồ Weibull chuẩn hóa, được thể hiện trong Hình 3. Hình này minh họa sự cải thiện hiệu suất đáng kể đạt được với vòng bi SKF DuraPro cho hộp số tuabin gió so với mô hình tham chiếu. Dấu sao (*) biểu thị tuổi thọ ISO/TS 16281:2008 đã được sửa đổi cho vòng bi SKF DuraPro cho hộp số tuabin gió (xem phần 4). Các thông số của mô hình được lựa chọn sao cho tuổi thọ danh nghĩa lý thuyết gần với giới hạn dưới của _khoảng tin cậy tuổi thọ L10h .

Khả năng chống lại sự hư hỏng sớm do nứt pha trắng (WEC)

Mặc dù việc thực hiện các biện pháp tăng cường độ bền, chẳng hạn như lớp phủ oxit đen, đã làm giảm đáng kể số lượng hỏng hóc ổ trục sớm [6], thị trường vẫn đang tìm kiếm các giải pháp mạnh mẽ hơn. Nhu cầu này áp dụng cho cả thị trường hậu mãi, để giải quyết các vấn đề hỏng hóc sớm trong các mô hình hiện có, và cho việc sản xuất các thiết kế hộp số mới, vì giới hạn chính xác của các điều kiện hoạt động trong trường hợp hỏng hóc ổ trục sớm vẫn chưa được biết đầy đủ [6].

Một số yếu tố góp phần gây ra hỏng hóc sớm do nứt pha trắng đã được xác định [4]. Nhiều thử nghiệm đã được phát triển để xác minh độ bền của các giải pháp ổ trục. SKF sử dụng một bệ thử nghiệm tái tạo các hỏng hóc sớm bằng cách tạo ra ứng suất kéo cao [7]. Trong ứng dụng, các ứng suất kéo cao này có thể được tạo ra do lắp ráp không đúng cách, độ lệch tâm hướng tâm của đường kính trục hoặc biến dạng của chỗ đặt ổ trục. Trên bệ thử nghiệm, ổ trục được gắn trên một trục có các gờ nhân tạo mà đỉnh của chúng tạo ra ứng suất kéo cao trong các rãnh lăn (Hình 4). Ngay cả dưới áp suất tiếp xúc khoảng 1,5 GPa tại điểm tiếp xúc của ổ trục, tương ứng với điều kiện hoạt động bình thường trong hộp số tuabin gió, các hỏng hóc sớm vẫn xảy ra sau một thời gian tương đối ngắn, với hình dạng rất giống với các hỏng hóc được quan sát trong thực tế (Hình 4).

Sáu ổ trục SKF DuraPro dùng cho hộp số tuabin gió đều được thử nghiệm trong điều kiện giống hệt nhau và không phát hiện lỗi nào, như thể hiện trong sơ đồ ở Hình 5. Tất cả các thử nghiệm đều bị dừng lại sau 1.600 giờ hoặc hơn. Các ổ trục thép xử lý nhiệt tiêu chuẩn bị hỏng sau trung bình 178 giờ.

Các mẫu vòng bi SKF DuraPro có tuổi thọ mới dành cho hộp số tuabin gió.

Ngành công nghiệp năng lượng gió yêu cầu đánh giá tuổi thọ danh nghĩa của vòng bi dựa trên ISO/TS 16281:2008 [10]. ISO/TS 16281:2008 và ISO 281:2007 không cho phép tính toán tuổi thọ của các giải pháp vòng bi hiệu suất cao. Do đó, SKF đã phát triển một phương pháp để tích hợp hiệu suất của vòng bi SKF DuraPro cho hộp số tuabin gió vào mô hình tuổi thọ được sửa đổi của ISO/TS 16281:2008. Phương pháp này dựa trên sự gia tăng tải trọng động kết hợp với sự gia tăng hệ số sửa đổi tuổi thọ _ISO α .

Theo tiêu chuẩn ISO 281:2007, công thức tính α _ISO như sau:

Theo Ioannides et al. [11], tác dụng có lợi của các phương pháp xử lý nhiệt tiên tiến và cải thiện độ hoàn thiện bề mặt có thể được tính đến trong mô hình ISO bằng cách thêm các số đặc trưng thích hợp vào α _ISO . Để kết hợp sự cải thiện hiệu suất của vòng bi SKF DuraPro cho hộp số tuabin gió, các yếu tố Ψ _{_rlmt} , phản ánh hiệu ứng Explorer, và Φ _{_HDB} , phản ánh tác dụng bổ sung của thép được cải tiến và xử lý nhiệt, đã được thêm vào α _ISO :

Dựa trên các thử nghiệm độ bền được trình bày ở trên, có thể xác định được hàm điều chỉnh Ψ _rlmt  và Φ _HDB .

Vòng bi SKF DuraPro dành cho hộp số tuabin gió kết hợp các vật liệu có đặc tính được cải thiện ở cả lớp bên trong và bề mặt. Do đó, Mô hình Tuổi thọ Vòng bi Tổng quát SKF (GBLM) [8], phân tách các tác động trên bề mặt và lớp bên trong (xem Hình 6), là mô hình tuổi thọ phù hợp nhất để phản ánh hiệu suất vượt trội một cách thực tế nhất. Công thức cơ bản của mô hình SKF GBLM như sau:

Phần của phương trình tương ứng với lớp con, được biểu diễn bằng tích phân thể tích, có thể được giải quyết bằng các kỹ thuật liên quan đến mỏi tiếp xúc lăn [8]. Đối với phần tương ứng với bề mặt, được biểu diễn bằng tích phân diện tích, nó cho phép xem xét các chế độ hỏng hóc liên quan đến mỏi bề mặt. Nó cũng kết hợp mô hình hóa đặc tính thiết kế ổ trục giúp cải thiện độ bền bề mặt, như trong ứng dụng quan tâm. Phương pháp này đã được áp dụng thành công cho việc tính toán tuổi thọ của ổ trục lai [9] và sẽ được mở rộng cho ngày càng nhiều sản phẩm SKF khác.

Sau khi các yếu tố khác nhau của mô hình thời gian mới được xác định dựa trên các thử nghiệm thời gian được mô tả ở trên, thời gian sử dụng định mức của vòng bi SKF DuraPro dành cho hộp số tuabin gió có thể được xác định.

Quá trình cập nhật và xác nhận các mô hình thời gian sửa đổi theo tiêu chuẩn ISO/TS 16281:2008 và SKF GBLM cho vòng bi SKF DuraPro dùng trong hộp số tuabin gió đã được DNV kiểm toán thành công.

Việc kéo dài tuổi thọ ổ trục phụ thuộc vào điều kiện hoạt động thực tế. Hình 7 minh họa mức kéo dài trung bình thu được trong một số ví dụ tính toán cho các giai đoạn khác nhau của một hộp số điển hình. Tuổi thọ ít nhất dài hơn gấp bốn lần. Hiệu suất được cải thiện cả trên bề mặt và bên trong cho phép kéo dài đáng kể tuổi thọ định mức trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau.

Đóng góp của vòng bi SKF DuraPro vào hộp số tuabin gió trong việc tăng mật độ mô-men xoắn.

Kích thước của ổ đỡ hỗ trợ bộ truyền động hành tinh quyết định kích thước tối thiểu của bộ truyền động này. Do đó, bất kỳ sự giảm kích thước nào của ổ đỡ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước của bộ truyền động hành tinh và, do đó, đến kích thước của bánh răng vành, và từ đó ảnh hưởng đến mật độ mô-men xoắn của bộ truyền động.

Phần này minh họa, thông qua một ví dụ ứng dụng, đóng góp của vòng bi SKF DuraPro cho hộp số tuabin gió trong việc tăng mật độ mô-men xoắn với vòng bi hành tinh nhỏ hơn có cùng tuổi thọ định mức. Giải pháp dựa trên

Hộp số hành tinh tuabin gió 6 MW hiện đại được hỗ trợ bởi ổ lăn hình trụ bốn hàng, rãnh lăn vòng ngoài được tích hợp vào bánh răng. Yêu cầu của khách hàng bao gồm tuổi thọ định mức 30 năm, theo tiêu chuẩn IEC 61400-4 [10] và giảm đường kính rãnh lăn vòng ngoài.

Hình 8 cho thấy có thể giảm kích thước ổ bi mà vẫn duy trì được tuổi thọ định mức tương đương. Vạch đầu tiên biểu thị tuổi thọ định mức của ổ bi ban đầu. Vạch thứ hai biểu thị sự gia tăng tuổi thọ đạt được khi ổ bi này được thay thế bằng ổ bi SKF DuraPro dành cho hộp số tuabin gió. Vạch thứ ba cho thấy tuổi thọ của mô hình ổ bi được tối ưu hóa với giải pháp SKF DuraPro dành cho hộp số tuabin gió. Đường kính rãnh ngoài giảm 25%, từ 460 mm xuống 350 mm, trong khi tuổi thọ định mức vẫn nằm trong yêu cầu của khách hàng.

Việc giảm chiều cũng có thể thực hiện được ở các vị trí khác trong hệ số nhân:

• Tùy thuộc vào cấp độ truyền động hành tinh, nhà sản xuất bộ nhân sẽ tìm cách giảm đường kính hoặc chiều rộng của ổ trục (điều này quan trọng hơn đối với các cấp độ tốc độ cao hơn).
• Trên trục tốc độ cao, việc giảm kích thước nhờ ổ bi SKF DuraPro dành cho hộp số tuabin gió sẽ giúp giảm nguy cơ hư hỏng do trượt, trong đó quán tính của cụm con lăn đóng vai trò quan trọng.

Kết luận

Thép được tối ưu hóa và quy trình xử lý nhiệt được sử dụng cho vòng bi SKF DuraPro dùng trong hộp số tuabin gió mang lại những ưu điểm đã được chứng minh:

• Việc giảm kích thước ổ trục và bánh răng lên đến 25% dưới cùng tải trọng đã giúp tăng tuổi thọ mỏi lên gấp 5 lần ở bề mặt và lớp bên dưới.
• Các yêu cầu về độ tin cậy vượt trội và tuổi thọ từ 30 đến 40 năm đã được đáp ứng và tuổi thọ định mức chưa từng có trong ngành này đã được tính đến thông qua việc sửa đổi tiêu chuẩn ISO/TS 16281:2008 và sắp tới là mô hình SKF GBLM, đồng thời được DNV chứng nhận.
• Độ tin cậy được nâng cao trong thực tế nhờ khả năng chống chịu tốt hơn với các điều kiện vận hành khắc nghiệt đặc trưng của hộp số tuabin gió.

Hơn nữa, khả năng chống chịu tốt hơn của vòng bi SKF DuraPro dành cho hộp số tuabin gió đối với các lỗi thường gặp trong hộp số tuabin gió giúp giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch và chi phí sửa chữa. Giải pháp này giúp ngăn ngừa tình trạng hỏng vòng bi sớm trong quá trình vận hành.

Liên Hệ Tư Vấn