主軸支持システムのベアリングの信頼性を向上

Sep 04, 2023

ニック・シャープリー著 | 2014 年 1 月 21 日

風力タービンのメインシャフトの動作には信頼性の高いベアリングが必要です。 一部のベアリング設計は早期に故障し、高額なメンテナンス修理が必要になることが知られています。 最近のベアリング設計のアップグレードと進歩により、信頼性が向上し、メインシャフトの安定性が確保されています。

ブラッドリー・ボールドウィン • 風力エネルギー担当部長 • ティムケン • www.timken.com

ティムケンの耐摩耗性 SRB は、せん断応力と凹凸の相互作用を軽減し、マイクロピッチングなどの摩耗から保護します。

モジュラー風力タービンの設計では、主軸の荷重を支え、支えるために自動調心ころ軸受 (SRB) が一般的に使用されます。 単一のメイン ベアリングとギアボックスの 2 つの反動トルク アームによってサポートされる 3 点マウントとして知られる単一の SRB 設計は、一般的に次のことを可能にするために選択されます。

• 短いナセルパッケージ• 高いシステムのたわみとミスアライメント• 商業的に経済的なサプライチェーン

残念ながら、一部のオペレーターは、一部の単一 SRB 設計で予想よりもはるかに早く現場で故障を経験し、耐用年数が大幅に短縮されました。 計画外の主軸ベアリングの交換は、風力発電所の運営者にとって交換費用として最大 45 万ドルの費用がかかり、財務パフォーマンスに明らかな影響を与える可能性があります。

要因 ラジアルSRBベアリングの高いスラスト荷重 : 正式な上限はありませんが、2列自動調心ころ軸受の許容スラスト対ラジアル荷重の従来の比は0.15～0.20です。 したがって、アキシアル荷重は 2 列ベアリングのラジアル反力の 15 ～ 20% にする必要があります。 一部のアプリケーションでは、この比率は 0.30 または 0.35 まで拡張される場合があります。 これが発生すると、さまざまな損傷モードが明らかになり、ベアリング列の脱着に関連します。 この脱着は、列間の荷重分散、ローラーのゆがみ、保持器の応力、過剰な発熱、ローラーの汚れに影響を与える可能性があります。 主軸の固定位置では、この比は 0.60 付近になることが多く、その結果、2 つの列のうち 1 つだけがラジアル荷重とスラスト荷重を支えることになります。 この不均等な反力により、ベアリングは本来の意図または設計どおりに動作しない可能性があります。

3 点マウント SRB 設計は、ギアボックス上のメイン シャフト ベアリングと 2 つの反動トルク アームをサポートします。

潤滑油膜の生成が不十分：一般に、主軸の軸受の使用条件は潤滑油膜の生成にとって理想的ではありません。 最大動作速度が約 20 rpm の場合、ベアリング表面の速度と潤滑膜の生成は、ローラーとレースの凹凸を分離した状態に保つには不十分である可能性があります。 さらに、ピッチとヨーのモーメントが変化すると、負荷ゾーンの位置と方向が常にほぼ瞬時に変化します。 これにより、潤滑膜の形成と品質が妨げられます。 ラジアルクリアランスの下で動作する 3 点マウント SRB ではシフトが加速され、マイクロピッチングやスミアリングのリスクが増加します。

2 列自動調心ころ軸受の許容スラスト対ラジアル荷重比が 0.15 を超えて 0.20 に増加すると、不均等な荷重分担が発生します。 風上のベアリング列が外れ、風下の列のみが荷重を支えることになります。

パフォーマンスを向上させるソリューションを設計する幸いなことに、市場では既存のタービンのアップグレードが容易に入手できるほか、新しいタービン プラットフォーム向けのより洗練されたエンジニアリング設計ソリューションも存在します。

3 点マウント SRB の摩耗の初期段階では、風下列の明確な摩耗経路によって設計された接触形状が侵食され、予測よりも高い軌道応力が発生し、ベアリングが故障する可能性があります。

既存タービンのSRBアップグレードある会社は、既存のフリートと直接交換するために、強化された表面仕上げと組み合わせて加工表面技術を使用した耐摩耗性 SRB を提供しています。 耐摩耗性ベアリングは、せん断応力と凹凸の相互作用を軽減することで、マイクロピッチングに対する軌道の保護を強化します。 加工された表面は、耐久性のある独自のタングステンカーバイド、アモルファス炭化水素コーティング (WC/aC:H) です。 一般に、WC/aC:H コーティングは HRC60 鋼よりも適度に硬く、厚さは 1 ～ 2 マイクロメートルで、鋼に対して滑るときの摩擦係数が低くなります。 ローラーの高度に設計された表面は、動作中に損傷した軌道を研磨して修復します。 表面仕上げが強化されると、潤滑膜の厚さが増し、凹凸接触の改善に役立ちます。 加工された表面は、摩耗の原因となる凹凸の相互作用と表面せん断応力を軽減します。 この利点により、計算上のベアリング寿命が延長され、転がりトルクも減少します。

TDO の急なレース角度は、適用されるピッチ モーメントとヨー モーメントに対抗するために、短い軸方向の空間に高い傾斜剛性を生み出します。 シールやグリースを追加することでベアリングを単体として機能させることもできます。

円すいころ軸受 (TRB) 設計の利点 TRB メインシャフト設計とプリロード特性により、パワートレインのパフォーマンスが向上します。 TRB は、システムの安定性と剛性、列間の負荷分散、予測されるローラーとレースの相互作用を確保するのに役立ちます。 この設計により、複数の円すいころ軸受構成も可能になります。

単体円すいころ軸受（2-TS）広く普及している 2-TS スタイルは、システム全体に 2 つの異なる TRB をプリロードできる経済的なテーパー ソリューションを提供します。 風上および風下のベアリング シリーズは、必要に応じて接触角とベアリング容量を調整することで、適用荷重に対応できるように設計されています。 有効中心が広範囲に及ぶため、ベアリングは通常、よりコンパクトで経済的になります。

単一の SRB 設計とは異なり、TDI は高い負荷容量に対応でき、均等な負荷分散を確保して摩耗を軽減します。

複列円すいころ軸受 (TNA、TDO、または TDI) 設計大径 TNA ベアリングは、コーン レース間にスペーサーを使用する場合に TDO とも呼ばれ、現場でのパフォーマンスと組み立ての容易さから魅力的なオプションとなっています。 急なレース角度により、短い軸方向の空間に高い傾斜剛性が生じ、加えられるピッチモーメントとヨーモーメントに対抗します。 別々の軸受コンポーネントをシールとグリースでユニット化して、取り扱いと取り付けを簡素化できます。 工場出荷時に設定されたプリロードにより、適切な取り付け設定が保証されます。 コンパクトな軸方向構造により、タービン設計者はナセルの全長を短縮できます。 タービンのサイズが大きくなるにつれて、ベアリングの直径も大きくなります (5MW の場合、外径約 3.2m)。 これらの設計は、直接駆動風力タービンに特に適していますが、ギア付き設計にも見られます。

予圧された単一の TDI は、単一の自動調心ころ軸受と比較して、高い負荷容量を提供し、ラジアル荷重とスラスト荷重の組み合わせを管理します。 TDI は、両方のベアリング列にわたる負荷分散を保証し、TDO 設計と比較して大きなシステムのミスアライメントを許容します。 さらに、ベアリングのプリロードにより、スミアリング、スキッド、マイクロピッチングが軽減されます。 場合によっては、モジュール式タービンでは TDI が SRB と直接交換されます。

2-TS メイン シャフト ベアリング配置は、コンパクトな設計で経済的なテーパー ソリューションを提供します。

全体的な持続可能性を向上させるという要求に端を発して、風力タービンの OEM とベアリングのメーカーは、より信頼性の高い主軸システムの設計に取り組んでいます。 エンジニアリングの進歩により、既存の球面 3 点マウント タービン設計のアップグレードが推進されました。 さらに、洋上タービンの信頼性要件により、予圧された円すいころ軸受の使用が増加しています。 メインシャフト設計におけるこれらの改善により、パワートレイン システム全体の信頼性が向上し、全体的な総所有コストの削減につながります。WPE

追加寄稿: トニー・フィエロ、ジェリー・フォックス、ラウレンティウ・イオネスク、ティエリー・ポンティウス、全員ティムケン。