12 www.AT-aandrijftechniek.nl september 2013 AT AANDRIJFTECHNIEK

Betrouwbaarheid en falen vanwindturbines (2): lagers en bladen

Horizonvervuiling, geluidsoverlast, afbrekende rotorbladen en gesneuvelde

tandwielkasten en vermogenselektronica hebben het imago van windtur-

bines geen goed gedaan. Maar de windmolenindustrie heeft goed gekeken

naar die fouten en lost de een na de ander op. Dit voorjaar organiseerde VDI-

Wissensforum in Hamburg het symposium ‘Reliability and failure analyses

of wind turbines’ waarin het technisch falen werd besproken. In dit tweede

artikel nemen we de lagers en de rotorbladen onder de loep.

[tekst] Ad Spijkers

goede berekeningsmethoden en -nor-men; ook steken lagerfabrikanten veel energie in het testen van hun producten.In lagers kunnen verschillende soorten fouten optreden:1. micropitting: aan het oppervlak geïniti-

eerde vermoeiing die het gevolg is van interactie van verschillende factoren. Voor lagers zijn er helaas geen normen die micropitting beschrijven en richtlij-nen geven voor de berekening. Timken gaat uit van de in eigen huis opge-bouwde kennis, onder meer voor

goede smering, de juiste staalsoorten (en de puurheid daarvan), het voorkó-men van piekbelastingen en een goede oppervlakteafwerking;

2. plastische deformatie. Dit kan optreden door verkeerde handling (opslag, ver-pakking, montage). Om dit te onder-vangen heeft Timken de verpakking en de instructies voor opslag en montage verbeterd;

3. beschadiging van kooien. Deze secun-daire schade is vooral het gevolg van overbelasting van de kooibruggen en is te voorkomen door finite elementen-analyse, betere dimensionering, opti-malisatie van het ontwerp (vóór pro-ductie) en betere smering;

4. schades die controversieel zijn (bijvoor-beeld brittle flaking en radiale en axiale cracking, niet aan de oppervlakte geïni-tieerde vermoeiing);

5. corrosie. Dit kan overal en in elke vorm voorkomen. Het moge duidelijk zijn dat het in offshore toepassingen een groter

V oor complexe machines zoals wind-

turbines is een vergaande samenwerking in de hele keten nodig. Zo’n keten is bij-voorbeeld exploitant – windturbinefa-briek – tandwielkastfabriek – lagerfabriek – staalfabriek. Een andere keten is exploi-tant – windturbinefabriek – rotorfabriek – materiaalfabriek. En bij dit alles zijn ook advies- en engineeringbureaus, certifica-tie-instituten en verzekeringsmaatschap-pijen betrokken. Tijdens dit congres kwa-men alle schakels in de keten naar voren. Wij beperken ons in dit deel over lagers en rotorbladen tot de technische merites.

LagerschadesLagers zijn kritische factoren voor be-trouwbaarheid en rendement van wind-turbines. Ze moeten aan hoge eisen vol-doen (qua belasting, omgeving, toerental-len, schokken). Lagerfabrikanten steken veel tijd en geld in de ontwikkeling van verbeterde lagerconcepten. Ze richten hun aandacht vooral op de lagering van de hoofdas en van tandwielkasten. Helaas hanteren bouwers en gebruikers van windturbines nogal wat, onderling soms sterk afwijkende, normen en richtlijnen, bleek uit de presentatie van Guillaume Badard en Douglas Lucas van The Timken Company.Vermoeiing is een bekende vorm van la-gerschade, met name als gevolg van pit-ting, spalling en zich herhalende wisse-lende belastingen. Gelukkig bestaan er

Vermoeiing vaak

oorzaak lagerschade

Elektrisch systeem

Tandwielkast

Generator

Hydraulica

Kruisysteem

Aanpassing rotorhoek

Rotor

Sensoren

Elektrische besturingen

Hoofdas/-lager

Windvaan/anemometer

Luchtrem

Mechanische rem

0 5 10 15 20 25 30

Jaarlijkse faalfrequentie (%)Stilstandtijd (x 10.000 u)

Engelse onderzoekers hebben de frequentie van het aantal storingsoorzaken en de stil-

standtijden die daarvan het gevolg zijn in kaart gebracht en geanalyseerd (bron: NREL)

12-13,15_windturbines2.indd 12 26-08-13 11:59

13

TECHNIEK Mechanisch

www.AT-aandrijftechniek.nlSEPTEMBER 2013 AT AANDRIJFTECHNIEK

Betrouwbaarheid en falen vanwindturbines (2): lagers en bladen

probleem is dan on-shore. Corrosie kan onder meer het gevolg zijn van kleine trillingen en relatieve axiale bewegin-gen. De oplossing moet worden ge-zocht in smering, voorgespannen la-gers, betere handling en onderhoud, het regelmatig laten draaien van de applicatie, regelmatige controle en het voorkómen van te dunne smeerfi lms. ‘Fretting corrosion’ ontstaat door be-weging tussen twee oppervlakken. Maar de belangrijkste oorzaak van cor-rosie is uiteraard vocht, wat vooral pro-blemen oplevert bij sterk wisselende weers- en bedrijfsomstandigheden (zoals bij offshore windturbines). Dit is moeilijk tegen te gaan; de beste tegen-maatregelen zijn regelmatige inspectie (optische controle), bewaking van smeermiddelen en een goede (en gefi l-treerde!) be- en ontluchting;

6. ‘adhesive wear’ is het gevolg van onvol-doende gesmeerde oppervlakken. Er zijn diverse oorzaken mogelijk en daarom ook diverse tegenmaatregelen. Slijtvaste coatings kunnen een optie zijn.

Windturbines zijn voor lagerfabrikanten een lastige markt, met veel potentiële scha-degevallen. ‘Catalogusberekeningen’ zijn niet voldoende; er zijn dermate veel facto-ren in het spel dat een systeembenadering, samenwerking in de keten en veel testen noodzakelijk zijn. Timken bouwde zelfs speciale testlaboratoria voor grote lagers.

MateriaalonderzoekDr. Ling Wang is verbonden aan het Natio-nal Centre for Advanced Triboloby (nCATS) aan de University of Southampton. Dit centrum is sinds een jaar of drie actief in onderzoek aan windturbines, met name naar het falen van tandwielkasten en het optreden van ‘white structure flaking’. Deze verschijnselen komen ook in andere takken van de industrie voor, maar de ge-volgen zijn dan niet zo kostbaar. De uni-versiteit is daarbij (uiteraard) vooral geïn-teresseerd in de wetenschappelijke bena-

dering van de problematiek.De betrouwbaarheid van windturbine subsystemen wordt bepaald door de fre-quentie van het aantal faalmomenten (in %) en de stilstandtijd (uren). Momenteel telt het Verenigde Koninkrijk zo’n 3.700 windturbines, waarvan bij 15 procent (zo’n 550 stuks) problemen met de tand-wielkast optraden, wat het land jaarlijks meer dan 175 miljoen euro kost. Uitval-lende tandwielkasten zorgen niet voor de hoogste storingsfrequentie (dat doen elektrische systemen), maar ze worden wel als de meest serieuze oorzaak be-schouwd door de hoge kosten en lange stilstandtijd die het gevolg zijn.De oorzaak van het uitvallen van lagers in tandwielkasten blijkt meestal te maken te hebben met uitlijnfouten, vervuiling en de aanwezigheid van slijtagedeeltjes in smeermiddelen, niet voorziene belastin-gen, trillingen en schokken en onvolko-menheden in de smering. Uit onderzoek komen de volgende oorzaken van slijtage bij lagers voor tandwielkasten in turbines naar voren:1. micropitting: laag lambda-regime

(ruwe oppervlakken) in combinatie met vervuiling van het smeermiddel;

2. smearing (bevuilen) en scuffi ng (sto-ten). Deze worden veroorzaakt door het glijden van het rolelement over de lagerbaan tijdens grenssmering of ge-mengde smering;

3. false brinelling: lage lambdasmering, door de constructie veroorzaakte tril-lingen. De oplossingen hiervoor liggen in de smering: maak gebruik van een geschikte viscositeit voor de basisolie, zorg voor een hoge reinheid (vermijd verontreiniging) en gebruik goede anti-slijtage additieven;

4. schade door elektrische vlambogen. Hierbij treden stromen met hoge fre-quenties op, die door rolelementen worden opgewekt in de aspassingen. Ook hier moet de oplossing worden ge-zocht in de smering: maak gebruik van droge oliën met een hoge diëlektrische sterkte;

5. slijtage en scheurtjes door white struc-ture fl aking (WSF). Dit afbladderen be-treft microstructurele veranderingen in het staal, die mogelijk transiënte me-chanische bedrijfscondities en water-stofbrosheid veroorzaken.

White structure fl akingHet vervelende van WSF is dat het op min-der dan 1,5 mm onder het oppervlak op-treedt (dus niet direct zichtbaar is) en on-voorspelbaar is. Het fenomeen wordt al meer dan twintig jaar onderzocht, en niet alleen in deze applicatie. De oorzaken zijn echter nog steeds onderhevig aan debat en onderzoek.

Veel onderzoek gebeurt binnen bedrijven, die hun problemen het liefst binnenshuis houden. Er is weinig literatuur beschik-baar. Onder meer NSK heeft wat resulta-ten gepubliceerd en concludeerde dat WSF wordt beïnvloed door smeermiddel, slip, statische elektriciteit en materiaal. Het wordt geïnitieerd aan het oppervlak, maar wordt bevorderd door de aanwezig-heid van waterstof. De Universiteit van Southampton is twee jaar geleden een

Uitlijnfouttandwiel

Smering(slijtagedeeltjes)Niet voorziene

belastingen

Resonantetrilling

Thermischeinstabiliteit

Verontreinigingvan buitenaf

Productie-fouten

Start-koppels Overige

19%

19%13%

9%

9%

9%19%6% 3%

Er zijn verschillende oorzaken die leiden tot het uitvallen van lagers in tandwielkasten in

windturbines (bron: Polak, S.: Gearbox & gear system problems, Plant & Works, 1999)

Storingsfrequentie

en stilstandtijd

bepalen kosten

Staalfabrikanten

steken veel tijd en

geld in ontwikke-

ling van zuivere

staalsoorten en in

kwaliteitscontrole

en beheersing van

hun productiepro-

cessen (foto: Ovako)

12-13,15_windturbines2.indd 13 26-08-13 11:59

15

TECHNIEK Mechanisch

www.AT-aandrijftechniek.nlsEpTEmbEr 2013 AT AANDRIJFTECHNIEK

onderzoek gestart naar driedimensionale netwerken van haarscheurtjes. Dr. Wang presenteerde tijdens het congres enkele belangrijke conclusies uit dit onderzoek, waarbij ze lagers heeft getest op een tweerollenbank. De onderzoekers conclu-deerden dat WSF wordt geregeld door de contactdruk, rolcycli en indringend water-stof. Ze konden in lang niet alle situaties vernette haarscheurtjes opwekken; de drempel voor het ontstaan wordt bepaald door de combinatie van de drie.Het verschijnsel treedt vooral op bij snelle en middelsnel draaiende assen. De in-vloed van gediffundeerd waterstof uit echte windturbineapplicaties is niet dui-delijk. Eer een monster vanuit de applica-tie in het laboratorium is aangekomen, is de eventueel aanwezige waterstof al uit het monster gediffundeerd. Smeermidde-len zonder waterstof verminderen het ver-schijnsel wel, maar gaan het niet volledig tegen.

Geschikte staalsoortenOvako maakt veel soorten staal voor la-gers en doet onderzoek naar contact- en structurele vermoeiing, vooral wanneer die optreedt bij belastingen beneden de gecalculeerde breukgrens. Patrik Ölund, hoofd van de onderzoek- en ontwikke-lingsafdeling van deze Zweedse staalfabri-kant, gaf uitleg over hoogzuivere staal-soorten voor rollagers, tandwielonderde-len en hydraulische cilinders.

Contactvermoeiing komt veel voor bij la-gers, tandwielen, kamrollen en kamwie-len. Ze zijn vaak zichtbaar als donkere vlekken aan het oppervlak. Het afbraak-proces wordt versterkt door de aanwezig-heid van defecten die fungeren als span-ningsversterkers. De vraag voor Ovako is dus: hoe beperken, verminderen en voor-komen we dat?Structurele vermoeiing komt veel voor in toepassingen die onderhevig zijn aan trekspanningen, zoals tandwielen, drijf- en krukassen en dieselinjectoren. De zui-verheid van de staalsoorten heeft invloed op de eigenschappen van het materiaal, met name op de structurele vermoeiing. Ovako probeert de eigenschappen in alle richtingen gelijk te maken, zodat één (zwakkere) richting niet bepalend is voor de sterkte van het materiaal en het hieruit

vervaardigde product. De onderneming werkt aan zeer zuivere staalsoorten voor de windturbinemarkt, inclusief typen van omgesmolten staal. Daarbij is het vooral zaak om insluitingen te voorkomen.

Schade aan rotorbladenDr. Ing. Wolfgang Holstein is zelfstandig deskundige op het gebied van nieuwe materialen. Hij heeft onder meer exper-tise opgedaan in de windturbinemarkt en adviseert investeerders en banken en ana-lyseert schades voor verzekeringsmaat-schappijen.De meeste rotorbladen worden gemaakt uit een met vezels versterkt composietma-teriaal, vaak een thermoharder. De bladen voor turbines tot 1 MW zijn vrij eenvou-dig, die voor 1 MW tot 3 MW worden het meest gebruikt en daarover is ook de meeste kennis aanwezig. Rotorbladen voor meer dan 3 MW zijn het zwaarst be-last en daardoor het meest complex. Schade kan worden veroorzaakt door con-structie en vervaardiging (productie gere-lateerde uitval) en door de wisselwerking tussen onderdelen van de installatie tij-dens bedrijf (locatie gerelateerde uitval). Beide komen voor. Als het misgaat, is er altijd discussie over de oorzaak en dat be-tekent kassa voor schade-experts en advo-caten.De kwaliteit van bladen wordt sterk be-paald door de verwerking bij de rotorpro-ducent. Productie van rotorbladen vergt een kritisch en goed bewaakt proces en deskundig personeel. Maar geen enkel blad is identiek aan een ander, dus elk blad kan anders reageren bij belasting.

Een rotorblad zal, in tegenstelling tot ver-mogenselektronica, niet exploderen bij blikseminslag. Het zal wel zwakker wor-den en mogelijk deformeren.Er kunnen verschillende soorten schades optreden. Typische verschijnselen zijn de-laminatie, scheurvorming, insluitingen, porositeit, erosie, splitsen en loslaten van hechtlagen aan de kern, slechte uitlijning en hechting van vezel en bindmiddel, on-juiste uitharding en teveel aan vezels of hars. Ook degradatie van het oppervlak (‘chalking’) komt weleens voor en ook dit is meestal voer voor schade-experts, ad-vocaten en rechters.Ook in Spanje is veel expertise over rotor-bladen aanwezig, bleek uit de presentatie van Dr. Jorge Camacho van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad CSIC. Hij heeft onder meer onderzoek verricht naar het gebruik van ultrasone technieken voor onderzoek aan deze bladen. Dat is niet gemakkelijk aangezien er geen sprake is van homogeniteit door het materiaal heen, van een hoge gevraagde resolutie en van enorme oppervlakken. De hoge resolutie is echter noodzakelijk voor het opsporen van kleine defecten die in de loop der tijd groter kunnen worden. Een aantal nieuwe beeldverwerkingstechnie-ken helpt daarbij. Phased-Array probes vereenvoudigen en versnellen de inspec-tie (scan) bij behoud van een hoge resolu-tie. Nieuwe signaalverwerkingsmethoden helpen bij het zoeken naar gebroken ver-sterkingsvezels. Fasecoherentie-beeldver-werking vermindert de ruis in met vezels versterkte materialen waardoor het con-trast wordt verbeterd en defecten sneller zijn op te sporen.In het derde en laatste deel komen de elektrische problemen van windturbines aan de orde.

InlichtingenVDI Wissensforum GmbH, tel.: (+49) 211 621 42 01, www.vdi-wissensforum.deAgencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Cien (CSIC), tel.: (+34) 91 568 14 00, www.csic.esHMS Sachverständige Berlin, tel.: (+49) 3320 463 00 07, www.hms-technologie.deOvako AB, tel.: (+46) 86 22 13 00, www.ovako.comThe Timken Company, tel.: (+33) 389 21 44 44, www.timken.comUniversity of Southampton, National Centre for Advanced Triboloby (nCATS), tel.: (+44) 2380 59 28 71, www.southampton.ac.uk/ncats

Rotorschade geeft

altijd discussie

Als een rotorblad sneuvelt, is er altijd discussie over de oorzaak.

Dat is voer voor schade-experts, advocaten en rechters (foto: Wind

Turbine Solutions)

12-13,15_windturbines2.indd 15 26-08-13 11:59