해상 풍력 터빈이 베어링 설계에 얼마나 큰 어려움을 겪고 있는지

폴 드보르작 | 2018년 2월 23일

필립 슈미드, SKF 애플리케이션 엔지니어

필립 슈미트

2012년부터 총 전력 출력이 1기가와트(GW)를 초과하는 해상 터빈이 매년 유럽 해역에서 가동되고 있습니다. WindEUROPE에 따르면 유럽의 해상풍력은 2016년에 1,558MW의 추가 그리드 연결 용량이 설치되었습니다.

해상 터빈을 건설하는 데 따른 어려움에도 불구하고 적합한 육상 기반 부지가 점점 부족해지고 운영자가 해상 풍력의 더 큰 일관성을 활용하게 되면서 용량은 증가할 것으로 예상됩니다. 해상 터빈의 출력도 육상 터빈보다 더 큰 경향이 있습니다. WindEUROPE에 따르면 2016년에 설치된 해양 터빈의 평균 출력은 4.8MW였습니다. 9MW 이상의 용량을 가진 터빈은 현재 출시 단계에 있습니다. Vestas의 V164-9.5MW 개발이 대표적인 예입니다.

기어박스가 있는 일반 터빈은 두 개의 대형 베어링이 제공하는 2점 서스펜션을 자랑합니다. 이 배열은 6MW 범위의 터빈에 사용됩니다.

해상 풍력 터빈은 또한 드라이브트레인에 더 큰 힘을 가하는 더 긴 블레이드를 갖는 경향이 있습니다. 또한 구동계와 베어링은 염수 환경으로 인해 부식될 위험이 더 높습니다. 해상에서 유지 관리를 수행하는 것은 어렵고 잠재적으로 위험할 수 있으며 비용이 많이 들기 때문에 운영자는 유지 관리 방문 빈도를 줄이고 싶어 하며, 이로 인해 로터 베어링에 상당한 요구가 생기고 이러한 조건에서 장기간 안정적으로 계속 작동할 수 있는 능력이 요구됩니다.

터빈 로터 샤프트에는 네 가지 일반적인 베어링 설계 개념이 있습니다. 첫 번째는 로터 측에 토로이달 롤러 베어링이 있고 발전기 측에 구형 롤러 베어링이 있는 2점 서스펜션입니다. 이는 예를 들어 6MW 범주의 터빈에 사용됩니다.

더 높은 성능 등급의 경우 원통형 롤러 베어링과 복열 테이퍼 롤러 베어링을 결합한 비유측 및 위치 지정 베어링을 특징으로 하는 '강성' 베어링 배열을 사용하는 경향이 있습니다. 또는 SKF의 Nautilus와 같이 두 개를 하나의 베어링으로 ​​결합하거나 두 개의 조정된 테이퍼 롤러 베어링으로 ​​구성된 배열로 목적에 맞게 설계된 베어링이 있습니다. 모든 경우에 이러한 베어링의 설계, 구성 재료 및 기계적 기하학적 구조는 유지 관리 간격 사이에 안정적으로 작동하는 능력에 상당한 영향을 미칩니다.

일반 터빈은 3점 서스펜션으로 설계되었습니다. 대형 메인샤프트 베어링을 위한 한 지점과 기어박스 양쪽에 있는 다른 두 지점.

다른 베어링 기능도 주목을 받았습니다. 예를 들어 베어링 케이지는 일반적으로 가공된 황동이나 판금으로 만들어지며, 판금은 더 큰 베어링에서 더 자주 발견됩니다. 가능한 경우 케이지는 항상 일체형으로 설치되지만 더 큰 베어링의 경우 개별적으로 제조되어 서로 뒤에 배치되는 세그먼트 열로 구성될 수 있습니다. 모든 유형의 케이지는 내부 링 중심에 위치할 수 있으므로 마모가 적고 베어링의 사용 수명이 연장됩니다. 이는 해상 풍력 터빈과 관련된 경우 분명히 중요합니다.

기어박스 베어링도 업그레이드되었습니다. 최근 가장 중요한 발전 중 하나는 궤도에 흑색 산화를 일으키는 표면 화학적 처리입니다. 처리되지 않은 베어링과 비교하여 흑색 산화 베어링은 백색 에칭 균열로 인한 조기 베어링 고장 위험 감소, 일부 윤활유의 보다 공격적인 구성 요소에 의한 화학적 공격에 대한 저항성 향상, 수소 침투 감소, 부식에 대한 저항성이 향상되었습니다. 더욱이, 흑색 산화 베어링 표면은 마찰 감소, 미끄러짐 손상 위험 감소, 베어링 윤활 불량에 대한 내성 증가를 제공할 수 있습니다.

컷어웨이는 한 OEM이 로터 양쪽에 2점 서스펜션이 있는 직접 구동 구성을 처리하는 방법을 보여줍니다.