Nové výzvy pro ložiska rotoru 8MW kategorie turbín pobřežních elektráren

Nové výzvy pro ložiska rotoru 8MW kategorie turbín pobřežních elektráren

Britský projekt „Round 3“ pobřežní 33GW elektrárny přináší novou generaci turbín.

Autor:
Matthias Hofmann,
samostatný aplikační inženýr, Aplikační kompetenční středisko SKF, Schweinfurt, Německo

Válečková ložiska Soudečková ložiska Kuželíková ložiska Zásobování elektřinou, plynem a vodou

Souhrn

SKF má potřebné schopnosti v oblasti ložisek rotoru pro 8MW kategorii, aby dokázala splnit uvedené nároky. Nabídka různých hnacích systémů se bude v budoucnosti dále rozšiřovat. Skupina SKF, která má výrobní závody na celém světě, chce být partnerem konstruktérů, výrobců a provozovatelů větrných turbín. V těchto závodech ­pracují odborníci na vývoji nových hnacích ústrojí od koncepcí až po sériovou výrobu.

Turbíny pro nově projektovanou pobřežní 33GW elektrárnu ve Velké Británii mají neobyčejně dlouhé listy rotoru – až 90 m. Náboj a listy dohromady váží cca 220 tun. Vyložení náboje vzhledem ke středu věže je poměrně velké, a tedy vytváří dostatečný prostor pro ohyb konců listů. Vývoj je zaměřen na co nejlehčí a nejkompaktnější hnací ústrojí, které by snížilo celkové náklady na strojní vybavení a montáž.

Skupina SKF nabízí široký výběr ložisek uložení rotoru pro různé koncepce hnacího ústrojí, aby umožnila dosáhnout optimální výkonnosti s ohledem na konstrukci turbíny a nejnižší možné provozní náklady.

Soudečková ložiska v převodových turbínách
V kategorii 5MW turbín se již prosadila dvoubodová zavěšení s toroidním ložiskem (CARB) a soudečkovým ložiskem v samostatných ložiskových tělesech (obr. 1). Ložisko CARB je použito jako axiálně volné ložisko. Axiální pohyb umožňují ložiskové kroužky bez vodicích přírub. Menší soudečkové ložisko, které zajišťuje axiální vedení hřídele, se nachází na straně generátoru ve vhodné vzdálenosti od ložiska CARB. Vůle v ložiskách této velikosti vyžaduje, aby v budoucnosti byl aplikován spíše holistický, dynamický přístup k celému hnacímu ústrojí. Vůle má například vliv na ložiska unášeče planetové převodovky a upevnění převodovky.

Obr. 1: Uložení s axiálně volným ložiskem CARB a axiálně vodicím soudečkovým ložiskem

Obr. 1: Uložení s axiálně volným ložiskem CARB a axiálně vodicím soudečkovým ložiskem

Naklápěcí ložiska vyrovnávají velmi účinně výrazný průhyb hřídele, úhlovou nesouosost a nesouosost obou ložiskových těles. Vzájemné naklopení kroužků umožňuje ložisku vždy zaujmout takovou polohu, v níž je zatížení rovnoměrně rozloženo po celé šířce valivých těles (obr. 2). Ložisko si zachovává velmi vysokou únosnost i při natočení nebo axiálním posunutí valivých těles.

Vzhledem k prokazatelným úspěchům se dvoubodové zavěšení s ložiskem CARB a soudečkovým ložiskem uplatní i v nové 8MW modulární převodové turbíně. K uložení dutého hřídele lze použít ložisko CARB s průměrem díry 1700 až 1800 mm a soudečkové ložisko s dírou o průměru 1200 až 1300 mm. SKF nabízí v těchto velikostech ložiska CARB a soudečková ložiska „příští generace“. Tato ložiska se vyznačují podstatně zlepšenými výkonnostními parametry z hlediska odolnosti, provozních vlastností a dynamické únosnosti. Na zlepšení výkonnosti se podílí neobyčejně kvalitní ocel s vyšší únavovou pevností, optimalizované tepelné zpracování X-Bite a rovnoměrné rozložení zatížení v ložisku.

Skupině SKF rovněž připadl náročný úkol nabídnout pro ložiska uvedených rozměrů individuálně vyrobená ložisková tělesa. Tato tělesa, která byla navržena na základě provozních zatížení a deformace, zajišťují optimální rozložení zatížení (obr. 3). Tělesa mohou být opatřena kontaktními nebo labyrintovými těsněními SKF v závislosti na zvoleném způsobu mazání plastickým mazivem nebo olejem (bude uvedeno na trh zanedlouho).

Obr. 2: Rozložení napětí nejvíce zatížených valivých těles ložiska CARB C39/1700 a soudečkového ložiska 240/1320 při extrémním zatížení – 7MW projekt

Obr. 2: Rozložení napětí nejvíce zatížených valivých těles ložiska CARB C39/1700 a soudečkového ložiska 240/1320 při extrémním zatížení – 7MW projekt

Obr. 3: „Pružný“ výpočetní model SKF Bearing Beacon pro ložisko CARB C39/1700 a soudečkové ložisko 240/1320, která jsou umístěna v samostatných ložiskových tělesech – 7MW projekt.

Obr. 3: „Pružný“ výpočetní model SKF Bearing Beacon pro ložisko CARB C39/1700 a soudečkové ložisko 240/1320, která jsou umístěna v samostatných ložiskových tělesech – 7MW projekt.

Tuhá ložiska používaná v převodových turbínách
Tato konstrukce využívá válečkové ložisko a dvouřadé kuželíkové ložisko (obr. 4). Takové řešení se s úspěchem prosadilo již před mnoha lety v turbínách bez ­převodovky. Tato konstrukce nabízí zajímavé možnosti pro uložení hlavních ložisek – dokonce i pro 8MW převodové turbíny s modulárním hnacím ústrojím.

Nároky na přesnost výroby, tolerance tvaru a polohy obou opěrných ploch pro vnější kroužky ložisek jsou neobyčejně vysoké ve srovnání s uložením s naklápěcími ložisky. Uložení ložisek rotoru vyžaduje dlouhé společné ložiskové těleso, v němž jsou vyrobeny obě opěrné plochy pro vnější ložiskové kroužky na jedno upnutí, aby nevznikla radiální nesouosost (obr. 5).

Výpočetní software SKF SimPro Expert umožňuje zkoumat deformaci hřídele rotoru a ložiskových těles včetně opěrné konstrukce z hlediska faktorů, které mají nepříznivý vliv na zatíženou oblast a nesouosost ložisek.

Zkušenosti ukazují, že konstrukce tělesa musí být optimalizována a oběžné dráhy ložisek musí být profilovány tak, aby hranové přepětí bylo sníženo na přijatelnou úroveň. Pokud jsou požadovány průměry díry větší než 1700 mm, v zásadě jsou používána jednořadá a dvouřadá válečková ložiska se štíhlými valivými tělesy a optimálně navrženými klecemi. Taková ložiska jsou vhodná i pro 8MW turbíny.

Dvouřadé kuželíkové ložisko v uspořádání čely k sobě je vhodné pro axiální vedení hřídele na vnitřní straně generátoru. V případě ložisek s velkým průměrem díry (> 1000 mm) je rovněž nutné zvážit, zda z konstrukčního hlediska nejsou vhodnější ložiska v provedení TDI (s neděleným vnitřním kroužkem) místo dvou jednořadých kuželíkových ložisek.

Na rozdíl od „pružného“ uložení s ložiskem CARB a soudečkovým ložiskem může být „tuhé“ uložení s válečkovým ložiskem a kuželíkovými ložisky poněkud kompaktnější (kratší).

Obr. 4: Uložení s dvouřadým válečkovým ložiskem a dvouřadým kuželíkovým ložiskem, které umožňuje dosáhnout poněkud kompaktnější (kratší) konstrukce.

Obr. 4: Uložení s dvouřadým válečkovým ložiskem a dvouřadým kuželíkovým ložiskem, které umožňuje dosáhnout poněkud kompaktnější (kratší) konstrukce.

Obr. 5: Společné ložiskové těleso pro uložení rotoru s dvouřadým válečkovým ložiskem a dvouřadým kuželíkovým ložiskem – 5MW projekt

Obr. 5: Společné ložiskové těleso pro uložení rotoru s dvouřadým válečkovým ložiskem a dvouřadým kuželíkovým ložiskem – 5MW projekt

Souměrné uspořádání ložisek se dvěma jednořadými kuželíkovými ložisky namontovanými zády k sobě je rovněž považováno za „tuhé“ dvoubodové zavěšení v převodových turbínách a turbínách bez převodovky. Individuálně navržená jednořadá kuželíková ložiska s průměrem díry cca 2200 mm s různými stykovými úhly a únosnostmi umožňují vyrobit poměrně kompaktní ložiskovou jednotku pro uložení rotoru velikosti XXL s dutým hřídelem rotoru a jednodílným tělesem pro 8MW turbínu (obr. 6).

Také v tomto případě představují kompaktnost a nízká hmotnost klíčové faktory. V počátečních fázích konstrukce je tedy nutné posoudit celé uložení z hlediska možností montáže, tuhosti, deformací a vlivů na předpětí obou kuželíkových ložisek. Vzhledem k relativně malému prostoru mezi ložisky v uspořádání zády k sobě a velkému průměru kroužků je třeba vzít v úvahu ztrátu předpětí a následný vliv na trvanlivost ložisek. To představuje výzvu a v tomto uložení by mohl přechod na mazání olejem zajistit vhodný způsob regulace teploty (tepelné roztažnosti) předepjatého systému ložisek rotoru.

Ložiska SKF Nautilus v převodových turbínách
V několika uplynulých letech byla vyrobena velmi kompaktní hnací ústrojí s polo-integrovanými ložisky SKF Nautilus pro výkonové třídy od 2 do 6 MW s rotorem o průměru cca 125 m. V tomto případě byla konstrukce hlavního rámu osazena ložiskem pro přenos momentového zatížení v přední části gondoly (obr. 7). Všechny síly a ohybové momenty jsou optimálně přenášeny z hřídele rotoru ložiskem rotoru do hlavního rámu turbíny. Ložisko pro přenos momentového zatížení je namontováno na krátké hřídeli rotoru mezi nábojem a převodovkou.

Obr. 6: Uložení se dvěma zvlášť vyvinutými jednořadými kuželíkovými ložisky v poměrně kompaktní jednotce velikosti XXL.

Obr. 6: Uložení se dvěma zvlášť vyvinutými jednořadými kuželíkovými ložisky v poměrně kompaktní jednotce velikosti XXL.

Obr. 7: Uložení s polo-integrovaným ložiskem SKF Nautilus, které umožnilo vytvořit kompaktní hnací ústrojí

Obr. 7: Uložení s polo-integrovaným ložiskem SKF Nautilus, které umožnilo vytvořit kompaktní hnací ústrojí

Použití dvouřadého kuželíkového ložiska v uspořádání zády k sobě spolu s velkým průměrem umožňuje dosáhnout velké vzdálenosti mezi průsečíky zatěžovacích přímek s osou ložiska, a tedy ložisko přenáší velké klopné momenty. Stykový úhel 45° a poměrně malý vrcholový úhel povrchových přímek kuželíků, které se protínají ve vrcholu, zajišťují čistě valivý styk po celé šířce valivých těles na oběžných drahách ložiska bez škodlivého prokluzování. Provedení segmentové klece SKF poskytuje potřebnou flexibilitu pro zvládnutí výchylek velkého systému při velkých zatíženích.

V případě rotorů o průměru až 180 m v plánované 8MW kategorii je vzdálenost středu náboje od středu věže ještě větší, a tedy je zajištěn dostatečný prostor pro ohyb konců listů. To tedy znamená, že gondola má dostatečnou délku pro umístění modulárního hnacího ústrojí s uložením se dvěma ložisky a převodovky s připojovací přírubou. Pokud by bylo použito ložisko SKF Nautilus, je výhodné zkrátit vyložení náboje, aby vzdálenost připojovacího bodu náboje od ložiska pro přenos momentu byla co nejkratší a aby se těžiště převodovky s hmotností 80 až 110 tun nacházelo co nejblíže středu věže anebo za ním.

Totéž platí pro koncepce 8MW hybridních turbín, v nichž celé hnací ústrojí (ložisko rotoru, převodovka a generátor) tvoří jedinou jednotku. Při zabudování ložiska rotoru do převodovky je důležité zabránit vlivu deformací v ložisku rotoru a souvisejících konstrukcích na navazující převodový stupeň (planetový). Tím bude zajištěno, že na vstupní hřídel hnacího ozubeného kola bude působit pouze hnací moment (jmenovitý moment až 10 000 kNm) a nebude nepříznivě ovlivněn přesný záběr ozubených kol.

Ložisko SKF Nautilus v přímých pohonech
Volba typů ložisek a jejich uložení má vliv na celkovou deformaci i tuhost hnacího ústrojí, a tedy na konstrukci generátoru z hlediska síly magnetu, hmotnosti a zajištění vzduchové mezery v generátoru. Zmenšení vzduchové mezery o pouhý 1 mm může přinést obrovské úspory a výrazné zvýšení účinnosti turbíny v průběhu celé provozní životnosti.

Kromě koncepcí uložení rotoru se dvěma kuželíkovými ložisky nebo dvouřadým kuželíkovým ložiskem a válečkovým ložiskem na nepohyblivém čepu se ve světě stále více prosazuje uložení s ložiskem pro přenos momentu (obr. 8). Ložisko pro přenos momentu působí jako hlavní spojovací článek mezi nábojem a pomaluběžným generátorem, který je umístěn před věží (“bug generator”).

Obr. 8: Uložení s ložiskem SKF Nautilus mezi nábojem s listy a generátorem

Obr. 8: Uložení s ložiskem SKF Nautilus mezi nábojem s listy a generátorem

Varianty s ložiskem SKF Nautilus pro přenos momentového zatížení vyžadují podrobné rozpracování výkonnosti ložiska a optimalizaci vzduchové mezery generátoru (výstřednost, průhyb, úhlová výchylka) vzhledem k deformaci celé konstrukce. Kromě toho je třeba vzít v úvahu rovněž velmi pragmatické požadavky na zajištění přístupu při výměně těsnění, doplňování plastického maziva a odstraňování použitého maziva. K tomuto účelu ­nabízí SKF odpovídající velkorozměrová těsnění v neděleném i děleném provedení.

Pokud mají být splněny standardy pro větrné turbíny SKF a požadavky předpisů DNV-GL pro certifikaci větrných turbín, ložisko musí mít vysokou statickou a dynamickou únosnost, aby splnilo požadavek na zajištění dvacetiletého provozu.

8MW třída bude vyžadovat ještě vyšší únosnost ložisek, která bude zajištěna použitím větších valivých těles a průřezů ložiskových kroužků. Výrobci turbín žádají společnost SKF, aby pokračovala ve vývoji modernizovaných ložisek včetně nových těsnění pro mazání olejem a mazacích systémů, které budou splňovat fyzická omezení.

Obr. 9: Nová generace ložiska SKF Nautilus

Obr. 9: Nová generace ložiska SKF Nautilus

Související obsah