یاتاقان توربین بادی

چالش‌های عملیاتی برای توربین‌های بادی، چه مربوط به افزایش قدرت و اندازه توربین، شرایط آب و هوایی شدید، بارهای سنگین و یا مکان‌های دوردست و بسیاری موارد دیگر باشد، می‌تواند دلهره‌آور باشد. به نوبه خود، پیشرفت‌های قابل توجه در طراحی، مواد و مهندسی رولبیرینگ ها، باعث افزایش عملکرد، قابلیت اطمینان و عمر مفید در تمام قسمت های توربین‌ بادی شده است. برخی از نوآوری‌های اخیر در فن‌آوری‌های یاتاقان توربین بادی نشان می‌دهند که تا چه حد در برآورده کردن نیازهای عملیاتی و بهبود بهره‌وری و سودآوری توربین‌های بادی، چه در خشکی و چه در فراساحل، تکامل یافته‌اند.

چالش‌های اصلی برای یاتاقان‌ها عبارتند از:

قابلیت اطمینان به علت دسترسی محدود در ارتفاع زیاد و یا بودن در میان دریا
طول عمر بالا به علت ذات نوسانی نیرو های وارده به انها
افزایش میزان مقاومت در برابر خستگی
پوشش و یا بافت جدید سطح برای کاهش نرخ خوردگی و سایش
گریس یا روغن مناسب برای دوره تعمیر و نگه داری طولانی تر
توسعه قابلیت مانیتورینگ آفلاین و آنلاین وضعیت یاتاقان‌ها

راه حل سنتی و متداول در طراحی محور و یاتاقان استفاده از دو یاتاقان مجزا بر روی بستر است که از چهارچوبی جوشکار شده با تیر های عرضی و طولی تشکیل شده است. در این طراحی توربین بادی از بخش های مجزایی(مدولار) تشکیل می شود. محور اصلی به عنوان یک عضو سنگین و گران قیمت به روش آهنگری یا ریخته گری ساخته می شود در تولیدات با تیراژ پایین سادگی این طرح و امکان استفاده از جعبه دنده ها و یاتاقان های استاندارد موجب مزیت آن می شود. ولی مدولار بودن این توربین، موجب افزایش طول سازه، در نتیجه افزایش وزن بستر توربین می شود و وزن کل مجموعه در تولیدات با تیراژ بالا، عامل مهمی در تصمیم گیری محسوب می شود.

یاتاقان توربین بادی — طرح محور انتقال نیرو با جعبه دنده با چهار نقطه تعلیق

طرح محور جعبه دنده با سه نقطه تعلیق

در این طرح یاتاقان های داخلی با جعبه دنده ترکیب می شوند. با این طرح از طول محور کاسته می شود که تاثیر ان در کاهش وزن بستر و مجموعه محسوس است. مزیت دیگر این که در این طرح هنوز استفاده از جعبه دنده های استاندارد امکان پذیر است.

طرح ترکیب محور با جعبه دنده

در این طرح روتور مستقیما توسط جعبه دنده ساپورت می شود و به این ترتیب ابعاد توربین کاهش قابل ملاحظه ای پیدا می کند. از این روش تاکنون در توربین های متوسط و کوچک استفاده شده است. ایراد این طرح طراحی خاص جعبه دنده و عدم امکان استفاده از جعبه دنده استاندارد است. در مقابل ابعاد بستر توربین کاهش قابل ملاحظه ای پیدا می کند.

روتور با محور ثابت با دو سری یاتاقان

این طرح به منظور اجتناب از ماهیت تناوبی بارگذاری خمشی و بارهای دینامیکی وارد شده به محور ابداع شده است. در این طرح روتور توسط یک محور ثابت نگه داشته می شود. این محور ثابت مستقیما به فلنج بدنه ناسل متصل می گردد و میتواند وزن مجموعه روتور را تحمل کند. این طرح بخصوص برای توربین های بدون جعبه دنده مناسب است.

روتور با محور ثابت با یک سری یاتاقان

در این طراحی که برای توربین های بادی محرک مستقیم(بدون جعبه دنده) استفاده می شود، از یاتاقان هایی استفاده می شود که نیرو های خمشی و محوری را نیز تحمل می کند. از این رو دو ردیف یاتاقان، با یک ردیف یاتاقان اسلوبیرینگ جایگزین می شود. این طراحی می تواند طول، وزن و هزینه های محور انتقال نیرو را کاهش دهد. این طراحی نیازمند سرعت دوران پایین است که در توربین های بادی محرک مستقیم با ابعاد بزرگ، تامین می شود.

یاتاقان توربین بادی برند SKF

یاتاقان ناتیلوس(SKF Nautilus) یک رولبرینگ مخروطی دو ردیفه است. همه بارهای روتور توسط یک یاتاقان منفرد حمل می شوند، نه بر روی یک آرایش سنتی دو بلبرینگ که در آن یاتاقان ها در مکان های مختلف قرار دارند. بلبرینگ SKF Nautilus فرصتی برای افزایش گزینه های یکپارچه سازی، مانند نصب مستقیم آن در داخل جعبه دنده، یا حذف جعبه دنده ارائه می دهد. این امر طراحی محور انتقال قدرت را فشرده می کند که می تواند وزن و هزینه های مرتبط را کاهش دهد.

اسلوبیرینگ ها برای محور یاو و محو پره ها در توربین بادی استفاده می شود. این یاتاقان ها نیز با طراحی منحصر به فرد خود می توانند نیرو های محوری و خمشی زیادی را تحمل کنند. در نتیجه به صورت منفرد، جایگزین دو ردیف یاتاقان سنتی شده اند. یاتاقان هایی که برای محور یاو استفاده می شوند می توانند دنده داشته باشند تا به وسیله موتور بتوان ان را به گردش واداشت.

اسلوبیرینگ با استقامت بالا

اسلوبیرینگ (slewing bearings) در طول تاریخ خود، طیف وسیعی از کاربردها را در صنایع مختلف از جمله توربین‌های بادی تجهیز کرده‌اند. این یاتاقان ها از یک حلقه داخلی و یک حلقه بیرونی تشکیل شده اند که یکی از آنها معمولاً با یک دنده درگیر است. آنها همراه با سوراخ های اتصال در هر دو حلقه، انتقال بهینه نیرو را با اتصال ساده و سریع بین اجزای دستگاه مجاور امکان پذیر می کنند.

شیار های یاتاقان(bearing raceways)، همراه با عناصر غلتشی و قفس ها(cages) یا اسپیسرها، بارهایی را تحمل می کنند که به صورت منفرد یا ترکیبی، در هر جهتی وارد می شوند. در میان کاربردهای معمولی توربین، اسلوبیرینگ به عنوان یاتاقان‌های گام(pitch bearings) برای تنظیم موقعیت پره برای شرایط مختلف باد یا به عنوان یاتاقان‌های یاو(yaw bearing) برای قراردادن ناسل در جهت باد استفاده می‌شوند. این دسته از یاتاقان ها از هندسه داخل یاتاقان در cages و raceways برای کاهش اصطکاک و افزایش عملکرد توربین و کنترل گام بهره می برند. کاهش اصطکاک به اثربخشی و کارایی سیستم گام، برای به حداکثر رساندن تولید انرژی کمک می کند.

به عنوان یک مزیت اضافه، یک کاسه نمد(seal material) منحصر به فرد، ساخته شده از پلی اورتان، مقاومت بهتری در برابر اوزون، اشعه ماوراء بنفش و آب نمک در مقایسه کاسه نمد پایه نیتریل معمولی ایجاد می کند، در نتیجه سایش را کاهش می دهد و طول عمر نسبتاً طولانی تری را ارائه می دهد. کاسه نمد به گونه‌ای طراحی شده است که حساسیت کمتری نسبت به تغییر شکل حلقه در حین کار داشته باشد تا عملکرد آب‌بندی تحت بارهای زیاد مناسب باشد و نشت گریس و ورود آب کاهش یابد، که منجر به دوام بیشتر و هزینه‌های نگهداری کمتر می‌شود.

سیستم یاتاقان خود تراز

در کاربردهای صنعتی معمولی، یک سیستم یاتاقان باید ناهمراستایی(misalignment)، انحنای شفت(deflections) و انبساط حرارتی شفت ها را در خود جای دهد. برای مقابله با ناهمراستایی و انحنای شفت، مهندسان طراح معمولاً از یک آرایش یاتاقان متشکل از دو یاتاقان خود تراز (Self-aligning) یا دو یاتاقان کروی(spherical roller bearings) استفاده می کنند. با این حال، انبساط حرارتی یک شفت موضوع پیچیده‌تری است که یکی از یاتاقان‌ها باید یک یاتاقان «مکان‌دار(locating)» و دیگری یک یاتاقان «غیر مکان‌دار(non-locating)» باشد.

در بیشتر موارد، یاتاقان مکان دار باید در هوزینگ(housing) و روی شفت محکم شود. در مقابل، یاتاقان مکان دار باید بتواند به صورت محوری(axial) روی جایگاه(seat) خود در هوزینگ حرکت کند. برای دستیابی به این حرکت، حلقه بیرونی یاتاقان باید با اتصال لق(loose fit) نصب شود و فضای کافی برای حرکت در جهت محوری داشته باشد. با این حال، اتصال لق، تحت شرایط بار خاص، می‌تواند به حلقه یاتاقان اجازه دهد که خزش کرده(creep) و به جایگاه هوزینگ آسیب برساند. این امر سایش(wear) را تسریع می‌کند، ارتعاش را افزایش می‌دهد و پشتیبانی از شافت در جهت شعاعی را کمتر فراهم می‌کند. علاوه بر این، هنگامی که یاتاقان مکاندار در هوزینگ حرکت می کند، این حرکت مقدار قابل توجهی اصطکاک ایجاد می کند که سپس باعث ایجاد لرزش، نیروهای محوری در سیستم یاتاقان و گرما می شود که همگی باعث کاهش عمر مفید یاتاقان می شوند.

یک جایگزین مؤثر برای این چیدمان معمولی و مشکل‌ساز «مکاندار/غیر مکان‌دار» که برای توربین‌های بادی مناسب است، سیستمی است که از یک یاتاقان کروی خود تراز در موقعیت مکان‌دار و یک یاتاقان حلقوی CARB (compact aligning roller bearing) در موقعیت غیر مکان دار استفاده می‌کند.

یاتاقان CARB یک یاتاقان شعاعی خود تراز است که می تواند هم ناهمراستایی و هم جابجایی محوری شفت در داخل یاتاقان را به طور همزمان تحمل کند. این کمک می کند تا خطر بارهای محوری از بین برود، قابلیت اطمینان بهبود یابد و سطح مقطع یاتاقان کوچکتر از حد استاندارد باشد.

بلبرینگ‌های CARB ظرفیت حمل بار بسیار بالا، دقت بالا، اصطکاک کم و مقاومت در برابر سایش را نشان می‌دهند که منجر به کاهش نویز و لرزش و ارتقای قابلیت اطمینان و عمر طولانی‌تر می‌شود. آنها ویژگی های طراحی را از چندین نوع بلبرینگ معمولی ادغام می کنند. آنها می توانند ناهماهنگی (شبیه به رولبرینگ کروی) را در خود جای دهند، انبساط محوری شفت (شبیه به رولبرینگ استوانه ای(cylindrical roller bearing)) را تنظیم کنند و ظرفیت بار را به دلیل غلتک های خود هدایت کننده(self-guiding) طولانی (مشابه رولبرینگ های سوزنی(needle)) به حداکثر برسانند.

یک سیستم یاتاقان خود تراز که ترکیبی از رولبرینگ کروی و CARB است، می‌تواند در مقایسه با آرایش‌های معمولی به طراحی یک توربین بادی سبک‌تر و فشرده‌تر کمک کند. مالکان و اپراتورها می توانند از کاهش وزن برج و فونداسیون و قابلیت اطمینان بیشتر بهره مند شوند که می تواند منجر به کاهش هزینه های نگهداری و بهره برداری شود.

یاتاقان های محور اصلی در زنجیره محرک

زنجیره محرک توربین بادی از یکی از سه مفهوم استفاده می کنند: توربین با جعبه دنده، توربین هیبریدی و توربین بدون دنده (محرک مستقیم). زمانی توربین ها دارای جعبه دنده استاندارد بودند درحالی که گرایش به سمت توربین های محرک مستقیم با فناوری آهنربای دائمی(permanent magnet) است که نسبتا سبک تر و فشرده تر هستند. مجموعه راهکار برای یاتاقان محور اصلی با معرفی رولبرینگ های کروی که به صراحت برای شفت های اصلی توربین بادی طراحی شده اند، به طور قابل توجهی گسترش یافته است. یاتاقان های مخصوص کار سنگین(heavy-duty bearings) می توانند قابلیت اطمینان و عمر بلبرینگ را به طور قابل توجهی بهبود بخشند و به نوبه خود هزینه انرژی (LCOE) را کاهش دهند.

این یاتاقان‌های جدید به خانواده بلبرینگ‌های سفت پیشرفته(stiff bearings) سری ناتیلوسSKF می‌پیوندند که ظرفیت بار بالایی را با حداقل اصطکاک در زنجیره محرک توربین ارائه می‌کنند. این راه کار برای تحمل بارهای سنگین و پیچیده طراحی شده است، این یک راه حل تک یاتاقان(single bearing solution) است که بر اساس رولبرینگ های مخروطی دو ردیفه(double row tapered roller bearings)، پشت به پشت چیده شده است. این دو ردیف دستگاه را به صورت محوری قفل می کنند و سفتی(stiffness) بسیار بالایی را ارائه می دهند. طراحی فشرده یاتاقان به کاهش ابعاد و وزن ناسل و هزینه های تولید کمک می کند. پیشرفت‌های اخیر شامل قفس تقسیم‌بندی شده پیشرفته(enhanced segmented cage)، حلقه داخلی پیچ‌دار(bolted inner ring)، واحدهای آب بند شده و پیش‌گریس‌شده(pre-greased) و حفاظت در برابر خوردگی است.

یاتاقان توربین بادی اکسید سیاه

یاتاقان های توربین بادی باید دماها، سرعت ها و بارهای بسیار متفاوت را تحمل کنند، به علاوه قرار گرفتن در معرض آلاینده ها، از جمله رطوبت و مواد شیمیایی. این شرایط می تواند طول عمر یاتاقان را محدود کند و هزینه های عملیاتی و نگهداری را افزایش دهد. یک راهکار نوآورانه، عملیات سطحی اکسید سیاه (black oxide)، می تواند انواع یاتاقان های توربین بادی را حفاظت کند. پوشش اکسید سیاه را می توان برای همه انواع یاتاقان های حیاتی در سیستم های توربین بادی استفاده کرد.

این عملیات سطحی روی حلقه ها و یا غلتک های بلبرینگ اعمال می شود. این فرآیند – شامل یک واکنش شیمیایی در لایه سطحی فولاد بلبرینگ – در یک محلول نمک آبی قلیایی در دماهای مشخص انجام می شود. حداکثر 15 مرحله غوطه وری مختلف، یک لایه سطحی نازک و سیاه تیره ایجاد می کند که عملکرد قابل توجهی را برای طیف وسیعی از انواع یاتاقان ها و اندازه ها در توربین های بادی (تا قطر 2.2 متر و تا 1000 کیلوگرم برای هر جزء یاتاقان) ارائه می دهد.

بلبرینگ‌های اکسید سیاه می‌توانند با افزایش مقاومت در برابر خوردگی، زمان کارکرد توربین را افزایش دهند. شامل: بهبود عملکرد در شرایط کم روغن کاری؛ محدود کردن خطر خوردگی فریتینگ(fretting)، میکروپیتینگ(micropitting) و ترک خوردگی؛ کاهش آسیب احتمالی ناشی از افزودنی های روغن؛ و کاهش اثرات اصطکاک و سایش. انواع یاتاقان‌های مناسب برای پوشش شامل یاتاقان‌های مخروطی، استوانه‌ای، کروی، و حلقوی CARB، می باشد.

برای کسب اطلاعات بیشتر مقالات زیر را مطالعه بفرمایید.