風力タービンのギアボックスにどのようなジャーナルベアリングが貢献するか

May 24, 2023

ポール・ドヴォルザーク著 | 2017 年 4 月 27 日

最近の国立再生可能エネルギー研究所のプログラムでは、ジャーナル ベアリングを備えた 1 MW ギアボックスの耐久性を評価しました。 結果は、より幅広い用途とより信頼性の高いギアボックスにとって心強いものです。

技術者が 4 つのジャーナル ベアリングを使用してギアボックスを組み立てます。

風力タービンのギアボックスにまだ遊星段階でアップグレードされたローラー ベアリング配置が取り付けられていない場合は、新しいベアリング設計の方が耐荷重が大きいため、すぐに修理されることになります。 最近の設計の好みには、予圧されたテーパー ローラー ベアリングや、遊星歯車に統合された軌道を備えた円筒ローラーが含まれます。 しかし、これらの構成でも、最終的には転がり接触疲労により剥離損傷が発生し、交換が必要になります。 ジャーナルベアリングを備えたギアボックスは、風力タービンが課す過酷な条件によりよく耐えることができるでしょうか?

次世代ギアボックスの目標の 1 つは、ドライブトレインの効率を高めることです。

NREL と Romax Technology のエンジニア、およびその他の業界パートナーは最近、エネルギーの平準化コストの削減を目的とした次世代のギアボックス、発電機、および電力コンバーター技術をテストする米国エネルギー省支援プロジェクトを完了しました。 ギアボックスのレイアウトには、フレックス ピンとジャーナル ベアリング技術が組み込まれており、遊星負荷の分担が改善され、この低速高負荷用途におけるジャーナルの理解が深まりました。 このプロジェクトでは、ドライブトレインが設計、構築され、国立風力技術センターのダイナモメーターでテストされました。

Romax Insight のエンジニアリング担当グローバル副社長である Ashley Crowther 博士は、NREL で最近開催されたドライブトレイン信頼性共同会議で、有望なテスト結果を発表しました。 プログラムの目標は、風力産業を前進させる次世代のドライブトレインを提案することでした。 「私たちは、効率を向上させながらシステムのコストとメンテナンスを削減することを目的とした技術をテストするために、風力産業向けの高度なギアボックスの配置を検討していました。」と彼は言いました。 風力ギアボックスのジャーナル ベアリングは一般的ではありませんが、最近ではヨーロッパのギアボックスの相手先ブランド供給メーカー (OEM) によっていくつか提供されています。

以前の NREL プロジェクトでは、メイン シャフトが 2 つのテーパー ベアリングで支持され、中速発電機を含む、改造用のドライブトレインを提供しました。 従来のギアボックスは、フレキシブル ピンまたはフレックス ピンに取り付けられた 4 つの遊星を備えた 1 段ジャーナル ベアリングを備えたギアボックスに置き換えられました。 費用対効果を考慮して、テスト用ギアボックスは 1 段でしたが、コンセプト調査中に、NREL のプログラム リーダー、ジョン ケラー氏は、チームが一連の比率を検討し、エネルギー コストを最も低く抑えることができるのは、次の 2 段ギアボックスであることが分かったと述べました。比率は30くらい。

図の A 断面図は、スピンドルを支持するサン ギアとフレックス ピン、および遊星を支持するジャーナル ベアリングを示しています。

スピンドル内のフレックスピンにより、遊星負荷の変化に応じてスピンドルがわずかに移動します。 ジャーナルベアリングが各スピンドルに取り付けられています。

この用途では、遊星はジャーナル材料上の油の薄膜上で回転し、リングは静止しています。 素材はヨーロッパのメーカーが独自に開発した特殊合金でコーティングされたスチールです。

ギアボックスのひずみゲージからのプロットは、負荷の増加とともに負荷分担が改善され、定格トルクではほぼ均等な負荷分散になることが示されました。

フレックス ピンの目的は、4 プラネット システムを通じて負荷分散を改善することです。 3 本脚のスツールがこれに例えられます。 3本の脚すべてが地面に接地しているため、スツールは揺れません。 しかし、4本脚のスツールは、脚が硬いと簡単に揺れてしまう可能性があります。 同様に、3 つ以上の惑星を持つ惑星系では、惑星の負荷が不均等に分担される可能性があります。 システムのたわみ、小さなクリアランス、および製造時の誤差 (通常は許容範囲内) はすべて、不均一な荷重分散の大きさに影響します。 しかし、システムにある程度の柔軟性があれば、スツールの各脚にバネがあり、常に 4 本の脚で静止するようなものになります。 フレックス ピンは、4 プラネット システムでそれを行う方法を提供します。 以前の記事 (http://tinyurl.com/bearings-journal または WPE&D 2016 年 5 月) では、ギアボックスの再構築について詳しく説明しています。

利点と課題

スピンドル上の遊星が上下に移動または並進できるように、ピンは曲がることができます。 フレックス ピンは新しいコンセプトではなく、Romax は以前にもこれらのギアボックスを設計しましたが、これにより設計が改善され、よりコンパクトなギアボックスをジャーナル ベアリングと組み合わせることが可能になります。

負荷に応じて油温は上昇しましたが、温度は許容範囲内に留まりました。

ジャーナル ベアリングのもう 1 つの利点は、転動体ベアリングと比較してシンプルであるため、コストが低いことです。 クラウザー氏のチームはまた、この種のベアリングは部品点数が少ないため信頼性が向上するのではないかと疑っているが、依然として長期間の耐久性テストと現場試験が必要である。 ただし、この設計により部品点数が大幅に削減され、その点で信頼性が向上するはずです。 たとえば、この設計では、各惑星から 2 ～ 4 列のベアリング (設計に応じて) が削除され、1 つのベアリングに置き換えられます。 ジャーナルベアリングは、

粒子数は、開始と停止をシミュレートした 1 年間を通じて安定していました。

重量も軽減され、プリロードされた設計よりも組み立てが簡単です。 「したがって、ジャーナルベアリングには多くの利点がありますが、現時点では確かにジャーナルやローラーに好意的ではありません」とクラウザー氏は述べました。

デザイン面でも課題はあります。 たとえば、しまりばめはピンをキャリアに保持し、ピンとスピンドルを組み合わせたものもしまりばめです。 フィットの剛性と、それがシステムレベルのモデルに及ぼす影響を理解することが重要です。 シミュレーション ソフトウェアでこれらすべての項目をモデル化することは課題であり、改善が推奨される領域です。

フレックスピン

フレックスピンはギアを浮かせるため、トルクとともに負荷が増加するとピンが曲がります。 シャフト上のカップルにより、スピンドルはわずかに移動するため、トルクは各惑星でほぼ等しくなるように調整されます。 スピンドルは傾きません。 それは重要です。 4遊星設計による負荷分散によりトルク変動を吸収し、歯面のズレを軽減します。 棒グラフのトルク対負荷の結果は、417 kNm が定格負荷に近く、各惑星の相対負荷が 1 に近いことを示しています。

潤滑

潤滑システムはベアリングにオイルを供給する必要がありました。 オイルの供給はメインシャフトハウジングを通ってキャリアに入り、ピンを通ってスピンドルを上って遊星に達します。 回転ユニオンを使用すると、オイルを静止セクションから遊星または回転セクションに圧送できます。

ここには課題があります。 「古いドライブトレインを改造することによる制約のため、希望する圧力を完全に得ることができませんでした。回転によって圧力変動も発生しました。しかし、よく知られたギアボックス オイルを使用して 1 bar の圧力を生成し、かなりうまく機能しました。清浄度を維持するために、 「このシステムでは、8.5 ミクロンと 3 ミクロンのフィルターを使用しました。さらに、理想的な粘度を得るためにオイルを 55°C に維持するために加熱しました。これにより、ジャーナルへの流量は約 0.5 ～ 4 リットル/分になりました。」とクラウザー氏は述べています。

ジャーナル設計は、他のジャーナル ベアリング アプリケーションと比較して比較的遅い速度で実行されます。 「ドライブトレインの5°の傾きによる荷重のアキシャル成分を考慮してジャーナルベアリングの設計パラメータを計算しましたが、一般的なギアのねじれ角による大きな荷重はありませんでした。その後、ラジアル荷重がギアに加わりました。」ギアの噛み合い力によるジャーナルの影響や、ギアの圧力角や製造時の偏差による若干の小さな負荷も考えられます」とクラウザー氏は述べています。

ジャーナルをモデル化するには、ギアの傾きを含むたわみ、特にそれが遊星歯車の噛み合いの傾きにどのように影響するかを理解する必要がありました。 「私たちはフィルムの剛性を計算しました。それは研究でしたが、その作業や他の作業から、Romax Technology は Romax Designer 用のモデリング開発をいくつか行いました。私たちはジャーナルの幅全体の圧力分布を研究しました。最終的には、次のことができました。適切な剛性計算を行って設計を完成させてください」と Crowther 氏は述べています。

計装

設計の機能を確認するには、多くのパラメータを測定する必要がありました。 耐久性は、分解時およびオイル中の破片のパーティクルカウンターによって判断されました。 「機能面では、適切な圧力、低温の走行温度、コンポーネントのひずみなどの物理的測定値を収集できるかどうかを知りたかったのです。ギアボックスにはピンの端で温度と圧力が計測されており、良い情報が得られました」ジャーナルがどのように運営されていたかについては」と彼は語った。 フレックスピンのひずみゲージで曲がりを測定し、ピンが適切に動作していることを検証しました。 これにより、4 つのピン間の負荷分散も検証されました。

機能テスト

前のグラフ、トルク対負荷は、負荷分散が非常に良好になる低トルクおよび定格トルクでの負荷を示しています。 低トルクでは、ベアリングやギアにかかる応力が低いため、不均一な分担は問題になりません。 しかし、トルクが増加すると、負荷も均等になります。 「それらの相対負荷は 0.95 ～ 1.05 で、これは非常に良好です。4 つの遊星を備え、フレックス ピンを使用しない従来のギアボックスを設計する場合、負荷分担係数は約 1.25 が適切です。フレックス ピンにより、ギアボックスの小型化または信頼性の向上が可能になります。」 、または中間でトレードオフを考慮して設計することもできます」とクラウザー氏は言いました。

もう一つの重要な性能基準である歯の荷重分布は、歯のマーキングコンパウンドと歯根のひずみゲージを使用して評価されました。 ひずみゲージ測定により歯の荷重分布を計算することができ、これが適切であると考えられました。 「片側にわずかな接触が見られました。スピンドルの締まり嵌めに対するフレックスピンの剛性をモデル化するという困難な要因がその原動力でした。もし生産に入るなら、次のギアボックスを簡単に修正するでしょう。」と彼は言いました。

「負荷係数 KHß は要件を満たしていました」と Crowther 氏は述べています。 「これは主負荷を超えるピーク負荷であり、トルクが増加するにつれて値が減少するため、定格トルクに向かって改善しますが、さらに改善する可能性があります。」と彼は言いました。

性能テストでは、すべてが安定するまで、負荷がかかった状態でギアボックスを定常状態で実行しました。 「温度はかなり涼しかったです。熱電対の 1 つが負荷ゾーンにあり、もう 1 つが負荷ゾーン外にあり、温度はほぼ同時に上昇しましたが、ギアボックスが停止する温度よりもはるかに低かったです。そのため、ベアリングは冷却され、摩耗は少なくなりました。サンプのメンテナンスヒーターを使用した場合の油温が何よりも油温を上昇させる要因でした」とクラウザー氏は結論づけた。

国際標準化機構 (ISO) 規格に合わせて設定されたパーティクル カウンター (ビン) は耐久性テストの一部であり、1 年間の起動と停止に相当する約 5,000 サイクルを実施しました。 そのテストを通じて、粒子数は安定したままでした。 「スタートストップテスト中、この部品を摩耗させるような粒子の発生は見られませんでした。それは良かったです。摩耗はかなり低かったです。分解では、機能テストと耐久性テストの基準から摩耗が最小限であることも明らかになりました」とクラウザー氏は述べました。 。

限られた予算の中で、チームは 2 つのテストに落ち着きました。1 つはスタートストップで、これにはトルク負荷なしで 10 秒間で停止状態から 10 rpm までの運転を 5,000 サイクル行うというものでした。 このアプローチでは、約 21 時間で約 1 年間の運用をシミュレートします。

ディザリングテスト中にオイルポンプを停止しても、ジャーナルベアリングは熱くなりませんでした。

これらのテストの後には、ディザリング テスト、つまりギアボックスの振動が続きました。 「この後者のテストは、アイドル状態または微風時のタービンをシミュレートし、タービンの寿命のうち数千時間に相当する可能性があります。そのため、ディザリングテストは低速回転をシミュレートしました。低速回転ではジャーナルを持ち上げる膜厚や圧力が発生しないため、これは重要です」 「ベアリングは境界潤滑状態、つまり表面が互いにこすり合う状態で動作しました。目標は、ボックスがどれだけ耐えられるかを確認することでした」とクラウザー氏は語った。

最後に、油圧を使わずに運転するように要求されました。 「そこで、何が起こるかを確認するために、バーを1本も持たずに石油の供給を止めた。そしてその後、分解作業を行った」と彼は語った。

オイルなし + ディザリング テストでは、ギアに予想される歯の損傷が発生しました。 このような損傷は、同様の状況ではどのギアボックスにも発生しますが、ジャーナルベアリングにはほとんど磨耗がありませんでした。

分解中に、チームはジャーナルの損傷やギアのその他の摩耗を探しました。 転動体ベアリングのようにジャーナルの中を見ることはできないため、テスト中にギアボックスのボアスコープを使用して損傷を探すことはできませんでした。

「ギアはオイルなしで動作させた結果、この過酷なディザリング テストではそれほど良好なパフォーマンスを発揮しませんでした」とクラウザー氏は報告しました。 「ひどいフレッチング腐食が見られました。この耐久性テストは、ギアに重大な損傷を与えるほどひどいものでした。これは、ジャーナルにとって、これがどれほど過酷なテストであったかを示しています。なぜなら、風力タービンのギアボックスであれば、この種のフレッティング腐食が発生するギアが見られるからです。」そのようなテストを実行しました」とクラウザー氏は語った。

許容可能なジャーナルベアリング摩耗と不良ジャーナルベアリング摩耗の標準基準 (ベアリング表面に一連の暗い帯がある写真) を使用して、チームが結果を判断または評価します。 「思い出してください。ジャーナルベアリングは転がり接触疲労寿命ではなく摩耗によって破損します。荷重は直線上になく、広い領域に分散するためです。」とクラウザー氏は言いました。

同氏は、チームが分解したところ、ジャーナルとスピンドルに若干の磨耗が見られたが、軽微で許容範囲内であると判断したと報告した。

他のテストも続いた。 1 つはオイル供給なしで、± 0.5°、2 Hz で 54,000 サイクル、もう 1 つは 25% オイル流量で 1 時間ディザリングし、次にオイル流量ゼロで 6 時間ディザリングしました。

加速ディザリング – ゼロオイル流量のグラフはポンプ圧力を示しています。 「ジャーナルベアリングが熱くなるだろうと思っていたので、油温は興味深いものでしたが、そうではありませんでした」とクラウザー氏は語った。 「オイルポンプを再度オンにすると、ベアリングに摩耗で溜まっていた可能性のあるゴミが出てきて、カウントが少し上がりました。」

ジャーナルベアリングは許容範囲内の摩耗を示し、非常に良好に機能しました。 コーティング材料 (~20 µm) が摩耗した後、軟銅層 (厚さ~700 µm) が露出しました。 また、重力の関係で少し片側に偏ってしまいます。

ジャーナルベアリングに見つかった小さな損傷は、この用途での顕著な可能性を示しています。

クラウザー氏は、業界へのいくつかの推奨事項で締めくくりました。

• 輸送中、組立中、待機中、運転停止中、長期停止中などの期間中、ある程度の潤滑を維持します。

• タービン OEM がギアボックス OEM と協力して、長期評価のためにより多くのジャーナル ベアリング ギアボックスを稼働させるよう奨励します。

• OEM へのサプライチェーンを開発し、ジャーナルを発行するサプライヤーを認定し、必要な数量を決定します。

• 新しい認証計算と設計手法を開発する

• 実証テストや長期間のフィールドパフォーマンスを大量に拡張する

• 状態の監視と検査の基準を策定する

• 膜厚を測定し、分析を検証する

• 締まりばめのモデリングと検証を改善する

WINERGY はすでに大型ギアボックスにジャーナルベアリングを使用しています

ギアボックス メーカー Winergy は、ジャーナル ベアリングが他のいくつかの重工業でもその利点を証明していることを認識していました。では、なぜ風力産業でもそうではないのでしょうか? 同社は昨年、2013年3月以来、ジャーナルベアリングを備えた2MWギアボックスのプロトタイプがスウェーデンのVestas V90タービンで稼働していると発表した。

最近では、Winergy 社の広報担当者である Tobias van der Linde 氏は、ジャーナル ベアリングを備えた Vestas タービンはまだ稼働中であり、良好な性能を発揮していると報告しました。 一方、同社はさらに 2 台のギアボックスを 2 ～ 3 MW クラスおよび他のタービン メーカー向けに稼働させています。 2017 年にはさらにいくつかの試運転が予定されています。

Van der Linde はまた、同社が 2018 年末までに稼働開始予定の将来のマルチメガワット洋上タービン用のジャーナルベアリングギアボックスを構築およびテストしていると報告しています。

同社はギアボックスに関する技術データを共有していないが、ローラーベアリングを備えたギアボックスと比較して、オイル供給システムなどの周辺機器に変更は必要ないと述べた。 また、オイルの需要が増加することはなく、ベアリングの温度は定格出力で一定に保たれ、すべてのテストでベアリングに摩耗がないことが示されています。 ジャーナル ベアリングは、Winergy ギアボックスおよび HybridDrive で使用できます。