Часть мировых энергетических проблем можно решить за счёт энергии ветра.

Как полагают многие энергетики, в некоторых регионах ветер может обеспечивать до 50 % потребностей в электричестве. В Европе 50%-го показателя планируется достичь к 2050 г., а в США к 2030 г. предполагается приблизиться к 20%-ой отметке.

Но процесс преобразования энергии ветра в механическую, а затем – в электрическую энергию сопряжён со значительными трудностями.

Ветряная турбина – это сверхсложное устройство с высочайшими требованиями к точности, температурному режиму, уровню влажности, механическим, силовым и вибрационным нагрузкам.

Одна из важнейших проблем связана с надёжностью турбинных редукторов. Срок службы многих из них не превышает и трёх лет.

«Сегодня редукторы ветротурбин не выдерживают своего 20-летнего проектного срока эксплуатации», — поясняет инженер-испытатель Джероен ван Дам из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL).

Выход редукторов из строя ведет к большим расходам. Редуктор – это один из самых дорогостоящих элементов турбинной установки. Его преждевременный отказ еще повышает эту стоимость за счет простоев турбины, внепланового техобслуживания, ремонта, замены и восстановления оборудования, а также увеличения гарантийного резерва.

Подобные трудности, как говорит ван Дам, носят общеотраслевой характер и не связаны с каким-либо конкретным производителем или единичным технологическим процессом. «Должно быть, мы упустили что-то важное при проектировании редукторов», – полагает он.

С целью повышения надёжности ветряных турбин на базе NREL в 2007 г. было сформировано объединение Gearbox Reliability Collaborative, в состав которого вошли учёные, представители университетского сообщества, владельцы и операторы турбин, консультанты и производители подшипников, в том числе – компания SKF. Министерство энергетики США предоставило необходимые ресурсы, включая испытательный объект площадью 700 кв. м с динамометром на 2,5 МВт для проверки турбин.

Инженерно-консалтинговая компания McNiff Light Industries, специализирующаяся на ветроэнергетических системах, является членом этой группы. Президент компании Брайан МакНифф участвовал в проекте по выработке Американской ассоциацией ветряной энергетики плана по увеличению доли ветроэнергетики в общем объёме энергоснабжения до 20%.

Группой, рассказывает ван Дам, было создано два идентичных редуктора, находящихся в общем пользовании (в целях предупреждения проблем с правами интеллектуальной собственности и правилами конфиденциальности). Устройства подвергаются комплексным проверкам, направленным на определение природы физических процессов, приводящих к поломке оборудования.

В ходе динамометрических испытаний определяется крутящий момент, изгиб и нагрузка, а при полевых исследованиях изучаются вопросы, связанные с турбулентностью.

«Мы используем эти данные для оценки и дальнейшего совершенствования моделей, – объясняет ван Дам. – Также мы создали базу данных о неисправностях, куда владельцы, операторы и специалисты-ремонтники могут вносить сведения о выходе редукторов из строя».

Ван Дам отмечает, что хотя исследователи ещё не выявили конкретной причины несоответствия редукторов проектным срокам службы, в ходе реализации проекта было накоплено много ценной информации, позволяющей более глубоко понять процессы, происходящие внутри редуктора ветряной турбины. Благодаря этой информации исследовательская группа теперь может более эффективно моделировать поведение редуктора.

«В общей сложности, – говорит ван Дам, – задействовано более 130 каналов сбора данных, в частности – о деформациях внутри подшипников планетарного редуктора, давлении на зубья шестерён, прогибах вала».

В будущем группа исследователей сосредоточится на обработке полученной информации и определит дальнейший план мероприятий по проведению полевых и динамометрических тестов.

«Возможно, потребуется внесение небольших изменений в конструкцию редукторов для изучения эффекта этих изменений, – говорит ван Дам, – а также применение дополнительных контрольно-измерительных приборов и режимов нагрузки. Мы надеемся, что полученные нами сведения будут учтены при разработке международных стандартов по проектированию и испытанию редукторов».

BEAST и Orpheus в помощь

Являясь партнёром объединения Gearbox Reliability Collaborative при Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, SKF предоставила группе два своих специализированных инструмента моделирования – BEAST и Orpheus.

Грег Зиммерман из подразделения разработки и испытания продукции в SKF Aeroengine North America говорит, что эти инструменты позволяют инженерам оценивать эксплуатационные параметры редукторов на макро- и микроуровнях, включая динамометрические характеристики подшипников качения и их взаимодействие с редукторами и редукторными системами.

«Хотя многие программные пакеты для технических приложений позволяют моделировать подшипниковые системы, большин