Pro ložiska používaná v turbínách větrných elektráren jsou klíčové dva faktory: výkon turbíny a požadavek na dlouhou životnost i za nepříznivých podmínek. To platí zvláště pro příbřežní elektrárny, u nichž se používají stále výkonnější turbíny. NSK proto nedávno začala vyrábět ložiska pro turbíny o výkonu 9,5 MW a již nyní vyvíjí ložiska pro větrné turbíny příbřežních elektráren o výkonu 12 MW.
Není to ovšem jen výkon, který klade na ložiska větrných elektráren velké požadavky. U moře bývá velká rychlost větru, a proto jsou rotor a následně celý mechanismus turbíny vystaveny velkému statickému i dynamickému namáhání. V pobřežních větrných turbínách musí hlavní ložiska odolávat zatížení až 1 MN, v příbřežních ještě více.
Prodlužující se životnost
Rostou také požadavky na trvanlivost a životnost ložisek větrných elektráren. Pro pobřežní elektrárny výrobci obvykle udávají, že ložiska musí mít životnost 175 000 hodin, tj. 20 let. Ovšem vzhledem k vyšším investičním nákladům a obtížnému přístupu k příbřežním elektrárnám je u nich požadována životnost 25 let, což je pro velké dynamické namáhání obtížně splnitelná podmínka.
Hlavní ložiska
Je zřejmé, že na výběr ložisek má největší vliv jejich zatížení. Ve větrných turbínách s přímým náhonem se jako hlavní ložiska stále častěji používají dvouřadá kuželíková ložiska. Ve srovnání s válečkovými ložisky, která se často používala dříve, mají kuželíková ložiska výhodu nastavitelného předpětí, které umožňuje dosahovat velké tuhosti mechanismu. Tato ložiska mají vnitřní průměr až 2,7 m, což klade velké požadavky na koncepci jejich konstrukce i výroby.
U turbín s převodovkou je hmotnost dílů navíc kompenzována skutečností, že generátor může být menší. Existují různé přístupy k návrhu hlavních ložisek turbín v každé výkonnostní třídě. Turbíny do výkonu 5 MW obvykle využívají soudečková ložiska, zatímco u turbín o výkonu 6 MW a větším se dává přednost sestavě dvou kuželíkových ložisek nebo jednomu dvouřadému kuželíkovému ložisku v kombinaci s ložiskem válečkovým.
Integrovaná ložiska
U větrných turbín s převodovkou se v současné době nejčastěji používá dvou- nebo třístupňová planetová převodovka. Často jde o kombinaci jednoho stupně s planetovými koly a druhého s ozubenými koly se šikmými zuby. Již několik let se trend ubírá směrem k tzv. integrovaným planetovým převodovkám. Pro tyto převodovky vyvinula společnost NSK (v těsné spolupráci s výrobci převodovek) víceřadá kuželíková a válečková ložiska bez vnějšího kroužku. Jako vnější oběžná dráha valivých prvků v tomto případě slouží díry v planetových kolech.
V některých případech se používají také čtyřřadá integrovaná válečková ložiska. V kombinaci se čtyřmi planetovými koly v jednom převodovém stupni tak jedna sada ložisek představuje celkem šestnáct řad valivých prvků. Aby byla všechna ložiska zatěžována rovnoměrně, musí mít díry v planetových kolech i jimi opsaný průměr velmi vysokou přesnost.
Dalším trendem je vybrat všechna ložiska pro celou turbínu od jednoho dodavatele. Tato tendence trhu byla jedním ze specifických důvodů, proč se firma NSK, ačkoliv už po celých uplynulých dvacet let vyvíjela a vyráběla různé typy ložisek pro převodovky i generátory, rozhodla rozšířit svou nabídku o obchodní jednotku Wind Business Unit.
Výzkum bíle naleptaných trhlin (WEC)
Vzhledem k velikosti ložisek potřebných pro příbřežní větrné elektrárny a jejich obtížné dostupnosti je tento segment průmyslu velmi citlivý na riziko poškození a selhání ložisek. Technické studie pomohly odstranit téměř všechny typické podoby poškození ložisek. Například pokročilé metody konstrukce v kombinaci s vysokou úrovní čistoty oceli zaručují, že u ložisek větrných elektráren bylo v podstatě zcela odstraněno klasické únavové selhání ložisek.
V jedné oblasti ale stále probíhá výzkum: je to poškození bíle naleptanými trhlinami – WEC (White Etching Crack). Tyto trhliny jsou známkou poškození ložiska a objevují se při jeho provozu relativně brzo. Typickými příznaky poškození jsou bílé struktury pod oběžnou dráhou valivých těles (odtud má poškození svůj název), které vedou k vytvoření trhlin a nakonec k selhání ložiska.
Přesná příčina vzniku WEC nebyla dlouho známa, ačkoliv řady experimentů ukázaly, že by mohlo jít o důsledek pronikání vodíku do struktury materiálu. Nedařilo se však vysvětlit, odkud se vodík v materiálu bere.
Další výzkumné práce se proto zaměřily na to, jak může při provozu ložiska vznikat vodík. Původní domněnka byla, že vodík pochází z uhlovodíků používaných jako mazivo a z jeho aditiv; tato teorie byla nakonec prokázána výskytem typických příznaků poškození, které se podařilo reprodukovat v laboratoři s určitými typy olejů a maziv.
V důsledku toho společnost NSK vyvinula nový materiál, který vykazuje větší odolnost proti pronikání vodíku do struktury oceli a proti tvorbě trhlin způsobených vodíkovým zkřehnutím. Protože laboratorní testy byly úspěšně dokončeny, přistoupilo se nyní k provozním zkouškám ložisek z nového materiálu.
Využití sledování stavu ložisek
V důsledku požadavků na odolnost a dlouhou životnost jsou ložiska v mechanismech větrných turbín vhodným kandidátem na uplatnění systémů sledování stavu zařízení CMS (Condition Monitoring System). Jejich snímače, umístěné externě nebo integrované do ložisek, trvale sledují jejich stav. Včas tak jsou detekovány a vyhodnoceny všechny anomálie, které ukazují na poškození ložiska.
Moderní CMS používané v příbřežních větrných elektrárnách detekují anomálie v provozu dostatečně včas, aby podle výsledků mohla být naplánována údržba turbíny. NSK předpokládá, že tyto systémy mají na trhu velký potenciál. (29.10.2018)
Obr. Umístění ložisek hlavního rotoru ve větrné turbíně bez převodovky
