풍력 터빈의 케이스 침탄 베어링 사례

May 27, 2023

폴 드보르작 | 2016년 12월 19일

롭 버디, RBB 엔지니어링 사장리처드 브룩스, Timken Co. 풍력 에너지 애프터마켓 관리자

편집자 주: 이 기사는 11월 2일에 발표된 웹캐스트를 기반으로 하며 여기에서 다시 볼 수 있습니다: https://goo.gl/KGglfR

풍력 터빈 기어박스의 두 베어링에 대한 실제 분석 사례를 통해 일부 베어링이 다른 베어링보다 오래 지속되는 이유에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 여기 사례 연구에서는 풍력 터빈 OEM이 특정 모델의 약 500MW 단위를 제작했습니다. 약 6년 전만 해도 500개의 터빈 중 일부는 1년이 채 안 된 것이었고 일부는 조금 더 오래된 것이었습니다. 가장 나이 많은 함대 리더는 연구 당시 6세였습니다. 모델의 기어박스는 두 공급업체의 중간 베어링을 사용했습니다. 우리는 이들을 공급업체 A와 공급업체 B라고 부르겠습니다. 그들은 또한 두 공급업체의 메인 베어링을 사용했으며 이를 공급업체 C와 공급업체 D라고 부릅니다.

메인 베어링이 기어박스에 통합되었습니다. 메인 베어링 중 절반은 공급업체 C에서, 절반은 공급업체 D에서 가져왔습니다. 다행히도 연구 결과에는 500개가 넘는 터빈이 포함되었습니다. 중간 베어링의 절반은 한 공급업체에서 나왔습니다.

베어링의 신뢰성이 매우 다른 것으로 밝혀지면 일부 사람들은 놀랄 수도 있습니다. 일부 중간 베어링과 일부 메인 베어링에서는 고장률이 높았습니다. 이러한 실패율은 근본 원인 분석, 즉 RCA를 시작했습니다.

중간 베어링

중간 베어링은 NJ2334였습니다. 이는 ISO 지정 및 표준 카탈로그 베어링입니다. 이론적으로는 거의 모든 주요 제조업체로부터 해당 베어링을 구입할 수 있습니다. 공급업체 A와 공급업체 B 베어링은 거의 동일했습니다.

첨부된 표는 두 베어링의 관련 설계 데이터 중 일부를 보여줍니다. 내부 직경은 동일하고 외부 직경은 동일합니다. 롤러의 수는 동일합니다. 롤러 직경은 롤러 길이와 동일합니다. 따라서 거의 모든 측면에서 공급업체 A 베어링은 공급업체 B 베어링과 동일합니다.

그들이 다른 부분은 열처리였습니다. 공급업체 A 베어링은 케이스 침탄 처리되었으며 공급업체 B 베어링은 경화 처리되었습니다.

그러나 공급업체 A 베어링(침탄 케이스)을 사용하는 기어박스에서는 단 한 번의 고장만 발생했습니다. 그 실패율은 1%도 채 되지 않았습니다. 공급업체 B 베어링(경화 처리)을 사용한 기어박스의 고장률은 16%였으며 평균 고장 시간은 27,200시간이었습니다. RCA의 일환으로 우리는 공급업체 A 베어링에 신뢰성 이점을 제공하는 베어링의 차이점을 파헤치고 이해하고 싶었습니다.

오른쪽 이미지는 베어링 링의 단면을 보여줍니다. 이는 irWEA 또는 불규칙한 흰색 에칭 영역을 보여줍니다. 이는 이러한 화이트 에칭 균열 실패와 관련된 구조를 알려주는 것입니다.

이 실패 형태 또는 실패의 모습을 고려하십시오. 중간베어링의 경우 첨부된 이미지와 같은 크랙이 많이 발생하였습니다. 이것이 풍력 터빈 기어박스 고장의 주요 원인 중 하나인 축 균열 고장 모드입니다. 분해 시 거의 항상 왼쪽에 표시됩니다.

오른쪽 이미지는 베어링 링의 단면을 보여줍니다. 이는 irWEA 또는 불규칙한 흰색 에칭 영역을 보여줍니다. 이는 이러한 화이트 에칭 균열 실패와 관련된 구조를 알려주는 것입니다.

우리는 또한 각각에 존재하는 잔류 응력을 조사했습니다. 슬라이드의 어두운 곡선은 케이스 침탄 베어링의 베어링 링의 잔류 응력을 보여주는 반면, 점선은 경화 베어링의 베어링 링 소멸까지의 잔류 응력을 보여줍니다. 링 표면에는 두 베어링 모두 압축 잔류 응력이 있었습니다. 이는 연삭 공정의 인공물이지만 표면 바로 아래를 보면 분석 결과 케이스 침탄 베어링이 상대적으로 큰 압축 잔류 응력을 갖고 있음을 알 수 있습니다. 이러한 응력은 균열을 막는 역할을 하며 신뢰성 이점을 제공합니다.