에너지 및 환경

풍력 터빈 기어 박스 고장 요인

풍력 터빈 기어 박스 고장 요인

풍력 터빈 유지 보수는 다양한 활동을 포괄 할 수 있지만 주요 문제 중 하나는 풍력 터빈 기어 박스의 수리 또는 교체와 관련이 있습니다. 풍력 터빈 기어 박스는 종종 수명이 20 년이되기 전에 조기에 고장납니다. 일부 풍력 프로젝트는 몇 년 내에 최대 50 %의 실패율을 경험합니다. 결과적으로 가동 중지 시간 증가, 유지 보수 및 기어 박스 재 구축 및 교체를 통해 비용이 증가합니다.

그 이유 중 하나는 해당 산업이 다른 산업에 비해 너무 새롭다는 사실이지만, 더 큰 디자인이 시장에 출시되면서 풍력 터빈 개발 속도에 뒤 떨어질 수도 있기 때문입니다. 터빈 부하에 대한 이해 부족은 터빈 베어링의 축 방향 균열과 관련된 새로운 문제인 또 다른 요인입니다.

2007 년에 National Renewable Energy Laboratory (NREL)는 기어 박스 고장이 발생하는 이유와 문제를 해결하는 방법을 평가하기 위해 NREL Gearbox Reliability Collaborative를 설립했습니다. 앨버 커키의 샌디 아 국립 연구소도이 문제를 검토하고 있습니다. 그 결과 결과 데이터를 일반 대중과 공유하려는 의지가 더 커졌지 만 이전에는 업계가이를 꺼려했습니다. 이렇게하면 업계가 풍력 발전 비용을 낮추기 위해 무엇을하고 있는지 대중에게 설명 할 수 있다는 장점이 있습니다.

예를 들어, 지난 몇 년 동안 대규모 테스트는 비용이 많이 들었 기 때문에 OEM (Original Equipment Manufacturer)은 대신 ​​짧은 테스트를 수행하는 경향이 있었으며 그 중에는 그다지 많지 않았습니다. 그러나 테스트는 이제 더 광범위하고 일반적으로 대형 테스트 스탠드에서 진행되므로 더욱 엄격합니다.

NREL에서 풍력 터빈 기어 박스의 1 단계 테스트 [이미지 출처 : NREL]

풍력 터빈 기어 박스가 부하에 어떻게 반응하는지에 대한 지식은 이제 크게 향상되었습니다. Romax Wind라는 소프트웨어 패키지를 생산 한 미시간 주 트로이에 기반을 둔 Romax Technology와 같은 회사에서 개발 한 설계 소프트웨어 덕분입니다. 이러한 소프트웨어를 갖춘 엔지니어는 기어와 베어링에 가해지는 응력을 훨씬 더 정확하게 평가할 수 있으며 이는보다 탄력적 인 풍력 터빈을 개발할 수있는 위치에 훨씬 더 적합하다는 것을 의미합니다.

예를 들어, 고장의 76 %를 차지하는 풍력 터빈 기어 박스 고장의 대부분이 베어링 고장으로 인한 것이라는 것이 분명 해지고 있습니다. 물론 이것이 유일한 문제는 아닙니다. 베어링의 축 방향 균열은 이러한 고장의 주요 원인 중 하나입니다.

베어링의 축 방향 균열 외에도 날카로운 입자가있는 윤활유의 오염은 베어링 롤러의 구멍을 통해 고장을 일으킬 수 있습니다. 그것은 일반적으로 너무 작아서 그 자체로는 보이지 않지만 표면이 회색을 채택하도록 만드는 미세한 균열의 존재로 인해 발생하는 색상 때문에 회색 얼룩 또는 프로스팅이라고도 알려진 미세 구멍으로 시작됩니다. 그러면 롤러 표면이 약해져 정밀 공차가 손실됩니다. 오염 물질은 일반적으로 모래, 녹, 기계 가공으로 인한 칩, 연마 먼지 및 튄 자국과 마모로 인한 파편과 같은 물질입니다. 불행히도 이러한 입자의 대부분은 윤활유에서 걸러 낼 수 없습니다.

다크 스팟은 오일의 오염 물질입니다 [이미지 출처 : NREL]

고속 기어 박스는 종종 높은 고장률을 겪습니다. 엔지니어들은 풍력 터빈에 설치하는 경향이 있었는데, 이로 인해 소형 발전기도 설치하여 초기 비용을 낮출 수 있었기 때문입니다. 추세는 이제 중속 기어 박스의 설치로 더욱 이동하고 있습니다. 이들은 기어와 베어링이 적기 때문에 훨씬 더 안정적이지만 더 비쌉니다. 그럼에도 불구하고 중속 기어 박스는 한 번에 작동중인 터빈의 수를 늘릴 수 있으므로 생성되는 청정 에너지의 양을 늘리고 설계, 제조 및 운영에서 수천 개의 일자리를 창출 할 수 있습니다.

연삭 템퍼링으로 인해 많은 기어 박스가 고장납니다. 이것은 기어의 일부 온도가 그것이 만들어진 강철의 템퍼링 온도를 초과 할 때 발생합니다. 이것은 차례로 경도와 강도를 감소시킵니다. 이에 대응하기 위해 OEM은 공급 업체에 기어의 연마 성질을 확인하도록 요구하고 있습니다. 니탈 에칭이라는 프로세스를 사용하여 부품의 미세 구조 차이를 식별하여 가공 또는 연삭 화상으로 손상된 영역을 식별 할 수 있습니다. 이러한 영역이 제대로 냉각되지 않으면 과열 될 수 있습니다. 손상되지 않은 영역보다 니탈 에칭 테스트에서 더 어둡게 나타납니다.

기어에 이물질이 포함되면 스트레스가 증가합니다. 충분히 크고 활성 접촉면에 충분히 가까우면 기어가 조기에 고장날 수 있습니다. 이에 대한 해결책은 위상 배열 초음파 테스트와 같은 비파괴 테스트로 '내포물'수와 이에 따른 기어 고장 수를 줄이는 데 도움이됩니다.

앞서 언급 한 축 균열 문제로 돌아 가면 이것은 터빈 기어 박스 고장의 일반적인 원인입니다. 베어링의 축 방향 균열은 일반적으로 베어링의 내부 링에 긴 균열의 형태로 발생합니다. 베어링 표면을 화학적으로 에칭하고 현미경 사진을 사용하여 검사 할 때 나타나는 불규칙한 흰색 영역 때문에 '화이트 에칭 균열'이라고도합니다. 모든 제조업체의 기어 박스를 괴롭히는 문제이며 원통형 롤러 베어링이 특히 취약합니다. 제조 중 열처리는 불균일 한 냉각으로 인해 국소 응력이 발생하여 균열이 발생할 수 있다는 점에서 문제를 악화시킬 수 있습니다. 케이스 침탄으로 알려진 특정 형태의 열처리는 베어링의 축 방향 균열 발생을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 여기에는 구성 요소가 탄소 대기 용광로에 배치 된 후 담금질 및 템퍼링이 포함되어 강화 된 저탄소 코어와 단단한 고 탄소 쉘을 제공합니다.

고속 및 중간 단계 기어 손상 [이미지 출처 : NREL]

오스테 나이트가 마르텐 사이트로 불균등하게 변형되어 균열이 발생할 수도 있습니다. 마르텐 사이트는 매우 단단한 형태의 강철입니다. 마르텐 사이트 변형은 특정 금속을 냉각 할 때 그리고 종종 오스테 나이트가 실온으로 냉각 될 때 발생합니다. 오스테 나이트는 철의 동소체이며 동소체는 동일한 물리적 상태에서 둘 이상의 다른 형태로 존재하는 일부 화학 원소의 특성입니다. 예를 들어, 탄소 동소체에는 다이아몬드, 흑연, 그래 핀 및 풀러렌이 포함됩니다. 오스테 나이트 외에도 철의 다른 두 동소체는 알파 철 (페라이트)과 델타 철입니다. 오스테 나이트는 감마 철이라고도합니다. 오스테 나이트에서 마르텐 사이트로의 변형이 균일하지 않으면 냉각 속도가 달라져서 성장, 수축 및 뒤틀림으로 인해 균열이 발생할 수 있습니다.

축 방향 균열은 아직 완전히 이해되지 않았지만 케이스 침탄 열처리 외에 또 다른 해결책은 베어링의 흑색 산화물 코팅 일 수 있습니다. 이것은 베어링을 만드는 데 사용되는 강철의 구조적 특성을 향상시키는 동시에 수소를 제거 할 수 있습니다. 이것은 수소가 강철을 부서지게 만들 수 있기 때문에 중요합니다. 수소 공급원에는 기어 박스 오일, 오일 내 수분 및 다양한 오일 첨가제가 포함될 수 있습니다. 또 다른 소스는 기어 박스의 물과 오일에서 수소를 추출 할 수있는 전기 또는 윤활 시스템의 정전기 방전 일 수 있습니다.

기어 박스 고장은 실제로 풍력 부문에서 지속적인 문제이지만 이러한 문제에 대한 이해는 항상 향상되고 있으며 풍력 터빈의 신뢰성도 향상되고 있습니다.


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