En los próximos diez años, el mercado de energía eólica marina de China se desarrollará rápidamente. En vista de las duras condiciones de trabajo de la energía eólica marina, los rodamientos del eje principal de la energía eólica requieren mayor densidad de potencia, confiabilidad y vida útil. El estado actual y la dirección de desarrollo futuro de la tecnología de rodamientos para husillos para energía eólica se explican principalmente desde los aspectos del diseño, los materiales, el tratamiento de superficies y la tecnología de los rodamientos.
1. Tendencias de desarrollo del mercado de energía eólica marina y unidades de megavatios a gran escala
El "Informe global sobre energía eólica marina 2020" publicado por el Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC) predice que para 2030, la capacidad instalada mundial de energía eólica marina crecerá de los 29,1 GW actuales a 234 GW, y la región de Asia y el Pacífico se convertirá en el mercado más importante. El 9 de septiembre de 2021, se publicó el Informe mundial sobre energía eólica marina 2021 en el puerto de Shoreham, Reino Unido. La capacidad instalada mundial de energía eólica marina en 2020 fue de 6,1 GW, ligeramente inferior a los 6,24 GW de 2019, pero GWEC predice que 2021 será un récord para la capacidad instalada mundial de energía eólica marina.
El informe predice que bajo la actual política de energía eólica, el mundo agregará 235 GW de capacidad instalada de energía eólica marina en los próximos diez años, lo que equivale a 7 veces la capacidad instalada de energía eólica marina existente. Esta previsión supone una revisión al alza del 15% respecto al informe de 2020.
En 2020, mi país alcanzará más de 3GW de nueva energía eólica marina conectada a la red, convirtiéndose por tercer año consecutivo en el mayor mercado de energía eólica marina del mundo. El mercado europeo mantiene un crecimiento constante. Los Países Bajos ocupan el segundo lugar en el mundo con casi 1,5 GW de nueva capacidad instalada, y Bélgica ocupa el tercer lugar (706 MW).
Según el último informe de la Agencia Internacional de Energía (AIE) y la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), si se quiere controlar el aumento de la temperatura global dentro de 65.438±0,5 ℃, la energía eólica marina instalada a nivel mundial La capacidad en 2050 debe alcanzar los 2000 GW, pero la capacidad instalada actual es menos del 2% de este objetivo, y la capacidad instalada prevista en 2030 es solo el 65438±03% de este objetivo.
2. El estado de desarrollo y la tecnología de los rodamientos para energía eólica marina.
Debido a las condiciones especiales de funcionamiento de los aerogeneradores marinos, los cojinetes del eje principal deben instalarse a decenas de metros sobre el nivel del mar. El transporte, la instalación y la sustitución son extremadamente incómodos y costosos. Al mismo tiempo, el entorno en el que se encuentran los rodamientos de las turbinas eólicas marinas es muy duro, incluida la corrosión causada por los tifones y la alta humedad del aire. Por lo tanto, alto rendimiento, alta confiabilidad y larga vida son cualidades esenciales de los rodamientos para husillo. En la actualidad, los rodamientos para husillos de energía eólica dependen principalmente de las importaciones. Entre los fabricantes de rodamientos para husillos de turbinas eólicas de renombre internacional se encuentran principalmente la sueca SKF, la alemana Schaeffler y la estadounidense Timken. y dominar el mercado global. Todavía existe una gran brecha entre los rodamientos de energía eólica de mi país y los países extranjeros, principalmente en términos de materiales, diseño, tratamiento de superficies, nivel de proceso, equipos de proceso, etc.
2.1 Diseño de los cojinetes del eje principal de la energía eólica marina
En la actualidad, los cojinetes del eje principal de las turbinas eólicas soportan principalmente la mayor parte de la fuerza radial, la fuerza axial y el momento flector generados por el viento externo. en la cadena de transmisión y transmite un par estable al extremo de alta velocidad de la turbina eólica. Por lo tanto, la capacidad de carga, la confiabilidad y la vida útil de los rodamientos de husillo son indicadores muy críticos. Al mismo tiempo, cuando el cojinete del husillo en el extremo de posicionamiento enfrenta una gran fuerza axial o un impacto axial, su rigidez axial determinará su desplazamiento axial bajo la acción de una fuerza externa, lo que tendrá un gran impacto en la estabilidad de la tensión interna del caja de cambios.
Con el aumento continuo en el nivel de megavatios de la energía eólica marina, es difícil aumentar la capacidad de carga, la confiabilidad y la vida útil en un espacio limitado, ya sea con soporte de un solo punto o de doble punto. Al mismo tiempo, existen problemas como carga excéntrica unidireccional, vibración del sistema y condiciones de lubricación insuficientes.
La mayoría de las turbinas eólicas instaladas actualmente adoptan una estructura de soporte de cojinete del eje principal. El cojinete del eje principal generalmente se divide en soporte de dos puntos y soporte de tres puntos.
Figura 1 Diseño representativo de los rodamientos de husillo
2.1.1 Solución técnica del rodamiento de rodillos a rótula del eje principal
Rodamiento de rodillos a rótula del extremo flotante del extremo de posicionamiento El soporte de dos puntos La forma es la forma de disposición más típica, en la que el cojinete del extremo de posicionamiento juega un papel importante. No solo debe cumplir con los principales requisitos de carga de cargas radiales y axiales, sino que también debe tener un cierto rendimiento de alineación (generalmente superior a 0,3). También requiere un funcionamiento estable y de bajo costo durante 20 años. Las soluciones técnicas existentes son las siguientes:
1) Optimización de la estructura interna
En la actualidad, la estructura existente de grandes rodamientos de rodillos a rótula se muestra en la Figura 2. Según la forma estructural del espaciador intermedio, se puede dividir en diseño de espaciador intermedio fijo, espaciador intermedio flotante y sin diseño de espaciador intermedio.
En comparación con el diseño de espaciadores flotantes y no espaciadores, el espaciador fijo puede aumentar efectivamente la rigidez axial y reducir la distancia de movimiento axial bajo la acción de la fuerza axial, reduciendo así efectivamente el impacto de la fuerza axial en la caja de cambios. Al mismo tiempo, el espaciador medio fijo puede limitar eficazmente el ángulo de giro de los elementos rodantes durante el movimiento. La ventaja del diseño sin espaciadores intermedios es que el espacio interno se puede utilizar completamente para diseñar elementos rodantes y ángulos de contacto más grandes, aumentando así su capacidad de carga axial.
Figura 2 Tipo estructural de rodamiento de rodillos a rótula grande
2) Aumente aún más el valor del coeficiente de carga dinámica nominal b m del rodamiento de rodillos.
Según ISO 281, el valor de b m se define como "el factor de clasificación de carga dinámica para materiales y cualidades de procesamiento de uso común contemporáneo" 2, que se utiliza para calcular la clasificación de carga dinámica básica. En cuanto al valor de b m, debido a las diferencias en los métodos de fundición de materiales y los niveles de fabricación de los rodamientos, los diferentes fabricantes suelen proporcionarlos basándose en la verificación experimental o la experiencia. Rodamientos de rodillos esféricos, acero refinado según lo definido por ISO 2865438 (acero desgasificado al vacío +0,0-1,15, acero refundido con electroescoria (acero refinado de alta calidad) es aproximadamente 1,2-1,5.
Para productos de rodamientos de gran tamaño, con la mejora de los métodos de fundición de materiales y los niveles de fabricación, el uso de acero para rodamientos de mayor pureza y la tecnología de súper acabado de anillos y elementos rodantes han mejorado en gran medida la superficie y la calidad interna de varias partes del rodamiento, han mejorado el estado de fricción y lo hacen. Es posible aumentar el coeficiente b m, mejorando así la capacidad de carga general y la vida útil del rodamiento hasta cierto punto.
3) Intervalo de control del juego de compresión
El juego del rodamiento tiene un. Impacto significativo en la vida útil del rodamiento y la vida útil. La confiabilidad tiene un gran impacto. Una holgura excesiva del rodamiento reducirá el número total de rodillos transportados por el rodamiento durante el funcionamiento e intensificará el desgaste por picadura de los rodillos. Si la holgura es demasiado pequeña, el rodamiento generará fácilmente calor por fricción, aumentará la temperatura, dañará la película de aceite y; incluso atascarse en casos severos.
Debido al amplio rango de juego de control del grupo de juego estándar, especialmente para rodamientos grandes utilizados en energía eólica, un único grupo de juego estándar a menudo alcanza más de 0,2 mm, mientras que el juego axial es superior a 1 mm. Para rodamientos confiables, si es demasiado grande para aplicaciones de energía eólica con requisitos de alto rendimiento, es fácil causar fallas tempranas debido a un juego de trabajo insatisfactorio. Un rango de juego grande también tendrá un impacto negativo en el rendimiento de alineación de los rodamientos de rodillos esféricos. .
Por lo tanto, en la aplicación de husillos de energía eólica, considerando la economía del procesamiento real, a menudo se recomienda utilizar la mitad del espacio estándar como espacio de energía eólica, o seleccionar un espacio especial basado en el espacio real. datos de la aplicación.
Figura 3 Tabla de holgura sugerida para rodamientos de rodillos a rótula para energía eólica
4) Cambiando los elementos rodantes
Los rodillos a rótula se modifican, normalmente de forma logarítmica La curva es una curva modificada común que puede evitar eficazmente la generación de tensión en los bordes, optimizar la distribución uniforme de la tensión de contacto, reducir el valor PV del factor de fricción y reducir el riesgo de desgaste prematuro.
¿Figura 4? Comparación de valores de PV entre elementos rodantes modificados y no modificados
5) Diseño de rodamiento asimétrico 3
Al establecer que los ángulos de contacto de las dos filas de rodillos sean diferentes, el uno- forma en que se puede satisfacer la capacidad de carga Requerir. En comparación con la estructura simétrica tradicional, este diseño puede mejorar efectivamente la capacidad de carga axial y la rigidez del rodamiento bajo el mismo tamaño total, evitando así efectivamente el riesgo de que otra fila de rodillos se deslice hasta cierto punto. Para aplicaciones de energía eólica, a menudo se eligen los rodamientos de la serie 240 porque pueden diseñarse con ángulos de contacto más grandes para aumentar la capacidad de carga axial. El diseño asimétrico puede aprovechar al máximo la dirección unidireccional de la fuerza del viento y mejorar la viabilidad de aumentar el ángulo de contacto hacia el lado de la caja de cambios. Como se muestra en la figura, los rodamientos de la serie 240 se pueden reemplazar por rodamientos de la serie 230 para reducir el tamaño del rodamiento.
Figura 5 Rodamiento de rodillos a rótula de diseño asimétrico
El diseño de rodamiento asimétrico proporciona a los fabricantes de turbinas eólicas rodamientos de mayor rendimiento sin cambiar la estructura principal existente. Se ha tomado una nueva dirección, reduciendo así en gran medida el. Costo y dificultad de nuevos modelos o actualizaciones de modelos existentes.
6) Jaula de hierro dúctil
Para los rodamientos de rodillos a rótula utilizados en grandes husillos de turbinas eólicas, las jaulas de latón mecanizadas son fáciles de procesar, tienen buenas propiedades mecánicas y son ampliamente reciclables. Se utiliza debido a sus propiedades autolubricantes. Entre ellos, el latón al plomo se utiliza ampliamente en jaulas debido a su bajo costo y buena procesabilidad. Sin embargo, las piezas de latón con plomo tienen problemas de lixiviación de plomo durante su uso, lo que puede causar fácilmente contaminación ambiental. Las jaulas de latón con plomo ya no estarán disponibles en un futuro próximo, mientras que el latón sin plomo enfrenta mayores presiones de costos. La prioridad inmediata fue encontrar un material que pudiera reemplazar la jaula de latón existente.
En la actualidad, Schaeffler ha desarrollado una jaula de hierro dúctil adecuada para rodamientos de rodillos a rótula de gran tamaño, que presenta mejores propiedades mecánicas y costes de fabricación considerables.
Figura 6 Jaula de Hierro Dúctil
Debido a la mayor resistencia a la fatiga del material, se puede agregar una cierta cantidad de elementos rodantes al diseño original de la jaula de latón, hasta cierto punto. aumentar la capacidad de carga y la vida útil del rodamiento. Al mismo tiempo, en el pasado, el diseño de jaulas de latón en energía eólica utilizaba principalmente rodamientos de la serie 240/241. Debido a su gran ancho, la jaula a menudo se instala dentro del rodamiento después de pasar por el diámetro mínimo del anillo exterior del rodamiento. El diámetro exterior de la jaula no puede ser demasiado grande, de lo contrario no se puede instalar sin problemas. Al mismo tiempo, no puede ser demasiado pequeño, de lo contrario la resistencia de la jaula será baja y fácilmente fallará prematuramente. Las jaulas de hierro dúctil pueden reducir el riesgo de problemas de resistencia después de que el diámetro exterior se reduce hasta cierto punto.
2.1.2 Solución técnica de rodamientos de rodillos cónicos del eje principal
Para turbinas eólicas marinas de grandes megavatios, elija rodamientos de rodillos cónicos dobles con mejor posicionamiento axial y mayor carga. Se ha convertido en una tendencia de la industria. Además de las soluciones técnicas existentes, como los rodamientos de rodillos a rótula, incluida la modificación adecuada de los rodillos para reducir el riesgo de tensión en los bordes y mejorar aún más el coeficiente bm de la capacidad de carga, los rodamientos de rodillos cónicos enfrentarán mayores desafíos, principalmente después del procesamiento de grandes tamaños. Es difícil, la precisión del procesamiento es difícil de garantizar, la estructura de la jaula es compleja, el proceso de tratamiento térmico es complejo y la eficiencia de producción es baja. Frente a los desafíos, las soluciones técnicas existentes son las siguientes:
1) Optimización estructural de la jaula
La gran estructura de jaula de rodillos cónicos existente se muestra en la siguiente figura.
Figura 7 Rodamientos de rodillos cónicos de diferentes tipos estructurales
Las características de la jaula de acero mecanizada son alta precisión de procesamiento, gran espacio de lubricación, carga en caliente del dispositivo de calentamiento auxiliar del conjunto del rodamiento, y el costo general es alto.
La característica más importante de la jaula de pasador pasante es que puede aprovechar al máximo el espacio circunferencial para llenar más rodillos y maximizar la carga. Su espacio de lubricación es limitado, especialmente las superficies de diámetro interior de los pasadores. y los rodillos suelen estar mal lubricados, lo que puede provocar un desgaste anormal. En segundo lugar, la tecnología de procesamiento es complicada, los elementos rodantes deben nitrocarburarse y el costo total también es muy alto.
Las jaulas segmentadas tienen las características de fácil montaje, baja dificultad de producción y alta eficiencia. Sin embargo, actualmente, debido a que generalmente no existe un dispositivo de conexión entre segmentos, solo se pueden usar en rodamientos de rodillos cónicos de dos hileras. .
2) Selección del proceso de tratamiento térmico
El enfriamiento por inducción continuo puede prevenir eficazmente las grietas blancas en rodamientos de gran tamaño y tiene las ventajas de una pequeña deformación de la pieza de trabajo, una alta estabilidad dimensional, y alta eficiencia de producción. Después del enfriamiento de la superficie, la férula tiene una mayor dureza superficial y una mayor tenacidad al impacto del núcleo. La mayor dificultad en la actualidad es que los parámetros de los cabezales de endurecimiento por inducción de diferentes tamaños no se pueden predecir con precisión y requieren pruebas continuas para determinarlos, lo que resulta en un largo ciclo de desarrollo.
2.2 Materiales de los rodamientos de aerogeneradores marinos
Los materiales son un factor importante que afecta directamente al rendimiento final del rodamiento. Debido a los requisitos especiales de fiabilidad de la energía eólica marina, los requisitos de calidad para los materiales de soporte utilizados son muy altos. Como todos sabemos, los principales factores que afectan la calidad del acero para rodamientos son el contenido de oxígeno, los carburos, la segregación y las inclusiones.
Las inclusiones en el acero están estrechamente relacionadas con el contenido de oxígeno y aumentan a medida que aumenta el contenido de oxígeno. El contenido de inclusiones determina básicamente la vida a fatiga por contacto del acero para rodamientos. En la actualidad, los fabricantes internacionales de acero representados por la japonesa Sanyo y la sueca OVAKO han controlado el contenido de oxígeno del acero tradicional por debajo de 5×10-6. Sobre esta base, las dos empresas desarrollaron acero para rodamientos de pureza ultra alta (acero EP) y acero para rodamientos isotrópico (acero IQ) mejorando el proceso de fundición de pureza ultra alta e incluso controlaron el contenido de oxígeno del acero a (2 -3 ) × 10. Además, para cumplir con los requisitos de rendimiento especiales de los rodamientos, como larga vida útil, alta precisión y resistencia a altas temperaturas, los países extranjeros han desarrollado sucesivamente acero especial para rodamientos tratado térmicamente (acero SHX) y material para rodamientos de baja densidad (60NiTi). , acero para rodamientos de alta temperatura CSS-42L, acero para rodamientos Cronidur 30 de alta resistencia a la corrosión y otros nuevos materiales para rodamientos.
En el futuro, las acerías nacionales deberán acortar la brecha con los países extranjeros, mejorar aún más la limpieza del acero para rodamientos y reducir el contenido y el tamaño de las inclusiones en el acero mediante la optimización del proceso y mejorar aún más la calidad. uniformidad de los carburos, reducir y eliminar la precipitación en fase líquida, los carburos en forma de red y en forma de banda; mejorar aún más el tamaño de grano de la estructura de la matriz y refinar aún más el tamaño de grano del acero para cojinetes; reducir aún más la porosidad central, los agujeros de contracción centrales y; El componente central se segrega para mejorar la uniformidad de la estructura macroscópica.
2.3 Tratamiento superficial de rodamientos de turbinas eólicas marinas
Las tecnologías de recubrimiento de superficies incluyen deposición física de vapor (PVD), deposición química de vapor (CVD), pulverización catódica por radiofrecuencia (RF), pulverización de iones ( PSC), revestimiento químico, etc. , que puede mejorar la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga de contacto de las piezas del rodamiento y reducir el coeficiente de fricción de la superficie. En la actualidad, según las tendencias técnicas de varios de los principales fabricantes de rodamientos, los revestimientos utilizados principalmente en los rodamientos de husillo para energía eólica son los siguientes:
2.3.1 Revestimiento negro
Después del tratamiento con revestimiento negro Los rodamientos tendrán un mejor rendimiento operativo y una ligera resistencia a la corrosión y al desgaste, mientras que el revestimiento proporcionará una mayor resistencia al agrietamiento por corrosión blanca (WEC). En el pasado, en el uso real de la energía eólica terrestre, la superficie de los elementos rodantes a menudo se trataba con una capa negra. Sin embargo, después de que los aerogeneradores se trasladaron de la tierra al mar, debido a las condiciones de trabajo más complejas y duras, algunas personas sugirieron que tanto los casquillos como los elementos rodantes deberían ennegrecerse.
Recubrimiento DLC
El recubrimiento DLC es un recubrimiento súper duro con propiedades muy similares al recubrimiento de diamante, como dureza, resistividad y conductividad térmica extremadamente altas. 5. Este recubrimiento puede reducir la fricción y el desgaste en condiciones de fricción mixta, mejorar en gran medida la vida útil y la resistencia al desgaste de los rodamientos y evitar el desgaste adhesivo (manchas) de los rodamientos de rodillos causado por el deslizamiento entre las superficies de contacto de los rodamientos.
2.3.3 Revestimiento de cromo duro de la columna
El revestimiento se adhiere principalmente a la superficie del diámetro interior del anillo interior, lo que puede proporcionar una alta resistencia al desgaste (alta dureza), especialmente propenso a la fricción. . Superficies de contacto corroídas.
Recubrimiento de fosfatación
Este recubrimiento se utiliza a menudo en la superficie del diámetro exterior de los rodamientos de extremo flotante, principalmente para mejorar la lubricación de emergencia y la protección contra el desgaste. Por ejemplo, para evitar la corrosión por contacto o por fricción, la resistencia a la corrosión se puede mejorar temporalmente mediante un correspondiente tratamiento posterior de pasivación o lubricación.
2.4 Estado actual de la fabricación nacional de rodamientos para energía eólica marina
En comparación con los países extranjeros, el nivel de fabricación de rodamientos para energía eólica nacional todavía está muy por detrás, especialmente los rodamientos de grandes megavatios están sujetos a Limitaciones en el equipo y la tecnología de procesamiento. A medida que las empresas con inversión extranjera continúan aumentando su demanda de localización de productos de alta gama, los principales fabricantes de rodamientos también están acelerando el proceso de localización. Por ejemplo, el Grupo Schaeffler tiene cuatro fábricas en Nanjing, especializadas en la producción de grandes rodamientos para energía eólica, que pueden procesar rodamientos de rodillos a rótula, rodamientos de rodillos cilíndricos y rodamientos de rodillos cónicos con diámetros exteriores de 800 a 2000 mm y superiores a 2000 mm respectivamente. Al introducir tecnología y equipos de producción extranjeros a gran escala, hemos logrado la producción en masa de múltiples variedades de rodamientos.
La mejora de los niveles de producción nacional contribuirá al rápido desarrollo del mercado nacional de energía eólica. Al tiempo que se garantiza que la calidad del producto cumpla con los más altos estándares de energía eólica, se puede lograr una entrega rápida y costos más bajos, asegurando a los clientes. en la mayor medida.
3 Conclusión
En la actualidad, las condiciones especiales de aplicación de la energía eólica marina han impuesto mayores requisitos en cuanto a capacidad de carga, fiabilidad y vida útil. En el caso de los rodamientos de gran tamaño en la energía eólica marina, es posible mejorar en el futuro aspectos como el diseño, los materiales, los tratamientos superficiales y los procesos del rodamiento. Para el diseño de rodamientos, es necesario mejorar aún más la capacidad de carga general, incluidas mejores características estructurales, incluida la optimización del contacto, la forma estructural y la selección de materiales de la jaula, especialmente los rodamientos de rodillos cónicos, cómo simplificar la tecnología de procesamiento y los métodos de tratamiento térmico. etc. En cuanto a los materiales, la forma de acortar la brecha con los países extranjeros incluye mejorar aún más la limpieza del acero para rodamientos, reducir el contenido y el tamaño de las inclusiones en el acero y mejorar la uniformidad de los carburos. Para el tratamiento de superficies, desarrollar una mejor tecnología de tratamiento de superficies, incluida la forma de resolver los problemas de fricción límite y lubricación después de la intervención de contaminantes externos.