Nya utmaningar för rotorlagren i offshore-vindkraftverk på 8 MW

Nya utmaningar för rotorlagren i offshore-vindkraftverk på 8 MW

Vindparken ”Round 3” utanför Storbritanniens kust på 33 GW representerar en ny generation offshore-vindkraftverk.

Författare:
Matthias Hofmann,
SKF senior application engineer, Application Competence Centre, Schweinfurt, Tyskland

Cylindriska rullager Sfäriska rullager Koniska rullager El-, gas- och vattenförsörjning

Sammandrag

SKF står väl rustat inför de utmaningar som hänger samman med rotorlager i 8 MW-kategorin. Utbudet av drivlinor kommer att breddas ytterligare i framtiden. SKF ser sig som en partner till konstruktörer, tillverkare och operatörer av vindturbiner, med tillverkningsanläggningar över hela världen. Experter bistår i utvecklingen av nya driv­linor, från koncept till serieproduktion vid dessa anläggningar.

Turbinerna till det nya brittiska offshoreprojektet på 33 GW har extremt långa rotorblad, upp till 90 meter. Nav och blad väger totalt cirka 220 ton. Navet sitter relativt långt ut från tornet, detta för att ge tillräckligt utrymme för bladspetsarna att böjas bakåt. Ett mål är att utveckla drivlinor som är så lätta och kompakta som möjligt, något som skulle minska totalkostnaden för utrustning och installation.

För att ge bästa möjliga prestanda baserat på turbintyp, och lägsta möjliga driftkostnad, har SKF ett brett utbud av rotorlager för olika drivlinekoncept.

Sfäriska rullager i vindturbiner med växel
I 5 MW-kategorin har tvåpunktslagringar med ett toroidrullager (CARB) och ett sfäriskt rullager i separata lagerhus blivit den etablerade lösningen (fig. 1). CARB-lagret är en rent frigående lagring. Den axiella rörelsefriheten ges av de flänslösa lagerringarna. Det mindre sfäriska rullagret, som utgör styrande lagring, sitter på generatorsidan, på lämpligt avstånd från CARB-lagret. Lager av denna storlek har ett visst glapp. I ­framtiden kommer det att behövas en mer holistisk, dynamisk strategi för hela drivlinan. Detta gäller såväl för planethållarlagren i växeln som för växel­fästena.

Fig. 1: Lagerarrangemang med ett frigående CARB-lager

Fig. 1: Lagerarrangemang med ett frigående CARB-lager och ett styrande sfäriskt rullager.

De självinställande lagren kompenserar effektivt för axelutböjning, uppriktningsfel och inbördes förskjutningar hos de båda lagerhusen. Genom sina självinställande egenskaper intar lagren en position där belastningen fördelas jämnt längs rullarnas hela längd (fig. 2). Lagringarna har mycket hög bärförmåga, även vid snedställning och axiell förskjutning.

Tvåpunktslagringen med CARB-lager och sfäriskt rullager har gett mycket goda resultat och är den självklara kandidaten för den nya växelförsedda vindturbinen på 8 MW. I kombination med en hålaxel går det att använda ett CARB-lager med håldiameter 1 700 till 1 800 mm och ett sfäriskt rullager med håldiameter 1 200 till 1 300 mm. SKF erbjuder även ”nästa generations” CARB-lager och sfäriska rullager för sådana axeldimensioner. Dessa lager har fått betydligt högre prestandavärden sett till hållbarhet, driftegenskaper och dynamisk bärförmåga. Dessa förbättrade prestanda har sin grund i stål av mycket hög kvalitet som ger högre utmattningshållfasthet, optimerad X-Bite-värmebehandling och jämn belastningsfördelning inom lagret.

För lager av den här storleken åtar sig SKF uppgiften att specialkonstruera individuella lagerhus. De ska ge optimal lastfördelning genom hänsyn till driftbelastningarna och de deformationer som uppstår i lagerhus (fig. 3). Vidare kan SKFs kontakttätningar eller labyrinttätningar integreras beroende på om fett- eller (för framtiden) oljesmörjning används.

Fig. 2: Spänningsfördelning på de hårdast belastade rullarna i ett CARB-lager C39/1700 och ett sfäriskt rullager 240/1320 vid ett extremt belastningsfall, 7 MW-projektet.

Fig. 2: Spänningsfördelning på de hårdast belastade rullarna i ett CARB-lager C39/1700 och ett sfäriskt rullager 240/1320 vid ett extremt belastningsfall, 7 MW-projektet.

Fig. 3: ”Flexibel” beräkningsmodell med SKF Bearing Beacon för ett CARB-lager C39/1700 och ett sfäriskt rullager 240/1320 monterade i separata enlagerhus, 7 MW-projektet.

Fig. 3: ”Flexibel” beräkningsmodell med SKF Bearing Beacon för ett CARB-lager C39/1700 och ett sfäriskt rullager 240/1320 monterade i separata enlagerhus, 7 MW-projektet.

Stela lager i växelförsedda turbiner
Konstruktionen bygger på ett cylindriskt rullager och ett tvåradigt koniskt rullager (fig. 4). Arrangemanget är beprövat sedan flera år i växellösa turbiner. Lösningen bjuder på intressanta möjligheter för huvudlagerarrangemang – även för 8 MW-turbiner med växel och modulär drivlina.

Tillverkningsprecisionen – form- och lägestoleranserna för båda lagrens ytterringslägen – är mycket krävande jämfört med lösningen med självinställande lager. Arrangemanget kräver ett långt gemensamt rotorlagerhus där båda lagerlägena tillverkas i samma uppspänning, för att eliminera radiell förskjutning (fig. 5).

Med hjälp av beräkningsprogramvaran SKF SimPro Expert går det att undersöka deformationen av rotoraxel och lagerhus, inklusive den bärande stommen, och söka faktorer som kan ­inverka menligt på belastningsområdet och lageruppriktningen.

Erfarenheten visar att husets konstruktion måste optimeras och lagrens löpbanor profileras för att reducera kantspänningar till en rimlig nivå. Generellt gäller att en- och tvåradiga cylindriska rullager med tunna rullar och optimalt utformade hållare är det rätta valet för lager med håldiametrar över 1 700 mm, avsedda för 8 MW-turbiner.

Tvåradiga koniska rullager är lämpliga att montera i X-anordning som styrande lagring på den inre generatorsidan. För stora håldiametrar (över 1000 mm) är det också nödvändigt att på ett konstruktivt sätt granska möjligheten av ett lager i TDI-konfiguration (gemensam innerring) som ett möjligt alternativ till två enradiga koniska rullager.

I jämförelse med det ”flexibla” arrangemanget med CARB-lager och sfäriska rullager kan ett ”stelt” arrangemang med cylindriska och koniska rullager utformas något mer kompakt (kortare).

Fig. 4: Lagring med ett tvåradigt cylindriskt rullager och ett tvåradigt koniskt rullager, vilket resulterar i en något kompaktare (kortare) konstruktion.

Fig. 4: Lagring med ett tvåradigt cylindriskt rullager och ett tvåradigt koniskt rullager, vilket resulterar i en något kompaktare (kortare) konstruktion.

Fig. 5: Gemensamt rotorlagerhus med ett tvåradigt cylindriskt rullager och ett tvåradigt koniskt rullager, 5 MW-projektet.

Fig. 5: Gemensamt rotorlagerhus med ett tvåradigt cylindriskt rullager och ett tvåradigt koniskt rullager, 5 MW-projektet.

Ett arrangemang med två styrande lagringar (”cross-located”), med två enradiga koniska rullager i O-anordning, betraktas också som en ”stel” tvåpunktsupphängning i turbiner med och utan växel. Baserat på två individuellt konstruerade enradiga koniska rullager med håldiametrar på cirka 2 200 mm, med olika tryckvinklar och med olika bärförmågor, går det att ta fram en relativt kompakt rotorlager­enhet i XXL-format för en 8 ­MW-turbin, baserad på en gjuten hålaxel för rotorn och ett odelat hus (fig. 6).

Kompakthet och viktminskning är också viktiga ämnen i sammanhanget. Det är därför nödvändigt att undersöka hela lagerarrangemanget med avseende på monteringsalternativ, styvhet, deformation och påverkan av förspänningen hos de båda koniska rullagren i ett tidigt skede av konstruktionsarbetet. På grund av det relativt lilla utrymmet mellan lagren i O-anordning och den stora ringdiametern måste förlusten av förspänning beaktas, liksom den därav följande inverkan på lagerlivslängden. Det är en utmaning, och övergång till oljesmörjning kan vara en lämplig åtgärd för att få möjlighet att påverka temperaturnivån (värmeutvidgningen) i det förspända rotorlagersystemet.

SKF Nautilus-lager i turbiner med växel
Under senare år har det kommit fram mycket kompakta drivlinor med ett halvintegrerat SKF Nautilus-lager i vindturbiner i effektklasserna 2–6 MW med en rotordiameter på cirka 125 meter. I detta fall omsluter turbinstommen momentlagret i framänden av gondolen (fig. 7). Alla krafter och böjmoment överförs optimalt från rotoraxeln via rotorlagret till turbinstommen. Momentlagret sitter på en kort rotoraxel, mellan navet och växeln.

Fig. 6: Lagerarrangemang med två individuellt konstruerade enradiga koniska rullager, en relativt kompakt enhet i XXL-format.

Fig. 6: Lagerarrangemang med två individuellt konstruerade enradiga koniska rullager, en relativt kompakt enhet i XXL-format.

Fig. 7: Lagerarrangemang med ett halvintegrerat SKF Nautilus-lager, vilket resulterar i en kompakt drivlina.

Fig. 7: Lagerarrangemang med ett halvintegrerat SKF Nautilus-lager, vilket resulterar i en kompakt drivlina.

Detta tvåradiga koniska rullager i O-anordning, tillsammans med den stora lagerdiametern, ligger till grund för det stora lagertryckcentrum som tar upp och överför stora tippmoment. Den interna kontaktvinkeln på 45° och den relativt lilla vinkeln hos de koniska rullarna som möts i centrumpunkten ger ren rullkontakt med löp­banan över rullens hela längd, utan att några skador på grund av rullglidning uppstår. Konstruktionen med SKFs segmenterade hållare ger den flexibilitet som krävs för att hantera stora strukturella utböjningar under tung belastning.

Vid rotordiametrar upp till 180 meter, som blir aktuella i den kommande 8 MW-kategorin, måste navet sitta ännu längre ut från tornet, för att ge tillräckligt utrymme för bladspetsarna att böjas bakåt. Det innebär i sin tur att det finns tillräckligt med utrymme i gondolen för en modulär drivlina med ett tvålagerarrangemang och en flänsmonterad växel. Vid användning av SKF Nautilus är det lämpligt att förkorta navets överhäng för att hålla avståndet mellan navlagret och momentlagret så kort som möjligt och för att tillåta tyngdpunkten hos växeln, som väger 80 till 110 ton att verka nära eller bortom tornets centrumlinje.

Detsamma gäller hybridturbinkoncept på 8 MW där hela drivlinan (rotorlager, växel och generator) integreras till en enhet. När man integrerar ett rotorlager i växeln är det viktigt att frikoppla deformationerna i rotorlagret och omgivande strukturer från det efterföljande (planet-) växelsteget. Detta säkerställer att det drivande kugghjulets ingående axel har ett rent drivmoment (upp till 10 000 kNm nominellt) och att det precisa kuggingreppet inte störs.

SKF Nautilus-lager i turbiner utan växel
Valet av lagertyper och deras arrangemang har betydelse för den totala deformationen och för styvheten i drivlinan. Därför påverkar det även generatorns elektriska konstruktion i form av magneternas attraktionskraft och massa samt möjligheten att upprätthålla generatorns luftgap. Om generatorns luftgap kan minskas med bara 1 mm betyder det enorma kostnadsbesparingar och en imponerande ökning av turbinens verkningsgrad under hela dess brukbarhetstid.

Förutom lösningen med två koniska rullager, eller den med ett tvåradigt koniskt rullager och ett cylindriskt rullager för rotorn, som oftast monteras på en stationär axeltapp, håller versionen med momentlager på att bli allt vanli­gare över hela världen (fig. 8). Momentlagret fungerar som en central länk mellan navet och en långsamtroterande generator, som är placerad framför tornets mittlinje (”bug generator”).

Fig. 8: Arrangemang med ett SKF Nautilus-lager mellan bladnavet och generatorn.

Fig. 8: Arrangemang med ett SKF Nautilus-lager mellan bladnavet och generatorn.

Momentlagervarianterna av SKF Nautilus kräver detaljerad analys av förväntade lagerprestanda och optimering av generatorns luftgap (excentricitet, utböjning, vinkelavvikelse), med tanke på deformation av hela konstruktionen. Dessutom måste vissa mycket pragmatiska överväganden göras avseende lösningens tillgänglighet för att byta tätningar, fylla på smörjfett och tömma ut förbrukat fett. SKF erbjuder motsvarande stora tätningar, i såväl odelat som delat utförande.

För att uppfylla SKFs standarder för vindenergiprodukter och externa DNV-GL-krav för certifiering av vindkraftverk krävs höga statiska och dynamiska bärighetstal – lagren ska fungera felfritt i minst 20 år.

8 MW-klassen kommer att behöva ännu högre bärighetstal på grund av sina större rullar och kraftigare ringsektioner. SKF har fått i uppdrag att vidareutveckla lageruppgraderingar, inklusive nya tätningar för oljesmörjning samt smörjsystem, med hänsyn tagen till aktuella fysiska begränsningar.

Fig. 9: Den nya generationen SKF Nautilus-lager.

Fig. 9: Den nya generationen SKF Nautilus-lager.

Relaterat innehåll