Växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk

Transkript

1 Växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk Rapport Elforsk rapport 10:50 Andreas Horste och Idriss El-Thalji mars 2011

2 Växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk Rapport Elforsk rapport 10:50 Andreas Horste och Idriss El-Thalji mars 2011

3 Förord Bakgrunden till denna förstudie av växellådshaverier är många haverier och problem som uppträtt tidigt i livscykeln (5-10 år) på landbaserade vindkraftverk. I denna rapport redovisas insamlad data och analyser från förstudien. Arbetet har utförts av Andreas Horste vid AB Respond Industry samt Idriss El- Thalji vid Linnéuniversitetet. Projektet har genomförts inom ramen för vindkraftforskningsprogrammet Vindforsk-III som projektnummer V-315. Vindforsk-III finansieras av ABB, Arise Windpower, AQSystem, E.ON Elnät, E.ON Vind Sverige, EBL-kompetanse, Falkenberg Energi, Fortum, Fred. Olsen Renewables, Gothia Wind, Göteborg Energi, HS Kraft, Jämtkraft, Karlstads Energi, Luleå Energi, Mälarenergi, o2 Vindkompaniet, Rabbalshede Kraft, Skellefteå Kraft, Statkraft, Stena Renewable, Svenska Kraftnät, Tekniska Verken i Linköping, Triventus, Wallenstam, Varberg Energi, Vattenfall Vindkraft, Vestas Northern Europe, Öresundskraft samt Energimyndigheten. Värdefulla synpunkter på arbetet har erhållits från projektets referensgrupp bestående av Anders Björck från Elforsk AB, Hans Degerman från Skellefteå Kraft, Per Forsell från Skellefteå Energi Underhåll, Zhi Wang från Nätverket för Vindbruk, Thomas Stalin från Vattenfall, Thomas Lindkvist från E.ON Vind Sverige och Tim Sundström från SPM Instrument. Ytterligare samarbete har genomförts med Tekn. Dr. Izudin Dugic från Linnéuniversitet och VD Fredrik Lindahl från Slitevind. Stockholm april 2011 Anders Björck Programledare Vindforsk III El- och värmeproduktion, Elforsk

4

5 Sammanfattning Denna rapport presenterar resultatet av en förstudie omfattande växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk i Sverige. Målet med rapporten är att undersöka varför livslängden på växellådorna är för kort och vilka åtgärder ägaren kan utföra för att förlänga denna. Arbetsmetoden bygger på att samla in erfarenheter, data och rapporter från olika vindkraftsaktörer. Analyser av det insamlade materialet presenteras och diskuteras i rapporten. För att få en helhetsbild av problematiken för växellådor till vindkraftverk har alla rapporter från den svenska driftuppföljningen av vindkraft, Vindstat, analyserats och sammanställts. Därefter har djupare undersökningar gjorts med hjälp av intervjuer, besök, haverirapporter, servicerapporter och underlag från vindkraftsaktörer. Resultatet visar att växellådans design inte tar hänsyn till alla dess inre dynamiska laster. Överbelastningar leder till att kuggarna får metallisk kontakt med varandra, vilket i sin tur leder till föroreningar i oljan. I värsta fall sker kuggbrott i växellådan och totalhaveri uppstår. Det måste skapas en återkoppling mellan ägaren och tillverkaren för att förbättra befintlig växellådsdesign. Den mest utsatta komponenten i växellådan är HS-axeln som är ihopkopplad med generatorn. Eftersom den har ett högt varvtal på mellan rpm är lager till HS-axeln känsliga mot olja med hög viskositet. Vid kallstarter har oljan en mycket högre viskositet än normalt, vilket åstadkommer dålig smörjning och stort slitage på dessa lager. Förstudien visar att ett relativt stort antal haverier beror på att lager på HS-axeln havererar och påverkar andra komponenter i växellådan. Olika åtgärder kan vidtas för att förlänga livstiden på befintliga växellådor. För att minska onödigt slitage kan ägaren optimera smörjsystemet genom att kontrollera oljans kvalitet, filtreringens effektivitet och kallstartscykler samt kvalitetssäkra servicekontroller med avseende på uppriktning, förorening och slitage. För att förbättra livslängden ytterligare måste man demontera växellådan och byta utsatta delar mot nya optimerade komponenter, t.ex. lager och kuggar. Förstudien visar en erfarenhetsmässig livslängd för växellådor på 8-10 år. Utsatta delar i växellådan, t.ex. lager till HS-axeln, bör dock kontrolleras och bytas ut tidigare på grund av det höga slitaget. Vid upphandling av vindkraftverk bör därför inköp av ny växellåda eller renovering av befintlig växellåda inbegripas i kalkylen.

6 Summary This report presents the result of a pre-study made on gearbox failures in onshore wind turbines in Sweden. The aim of the report is to investigate why the lifetime of the gearboxes is so short and what kind of actions the owner can perform to extend the lifetime. The working method is based on collecting experience, data and reports from different wind power operators. An analysis of the collected material is presented and discussed in this report. To obtain the whole picture of the issue of wind turbine gearboxes all reports from the Swedish follow-up operation, Vindstat, have been analyzed and compiled. A deeper investigation has been made on the basis of information from interviews, visits, failure and service reports and data from windpower operators. The result shows that the gearbox design fails to take all the internal dynamic forces into consideration. Overcharge leads to metal contact between the gear teeth, which will contaminate the oil in the gearbox. The worst case scenario concerns gear-tooth fractures in the gearbox, which leads to total failure. There must be feedback cooperation between the owner and supplier to optimize the current gearbox design. The most vulnerable component in the gearbox is the HS shaft which is connected to the generator. Because of the high speed revolution of between 1300 and 1800 rpm the HS shaft bearings are sensitive to oil with high viscosity. At a cold start-up sequence the oil has a much higher viscosity than normal, which leads to big bearing wear problems for the HS shaft. The prestudy shows a relatively great number of failures caused by HS shaft bearings, simultaneously affecting other components in the gearbox. There are different measures available to extend the lifetime of existing gearboxes. To avoid unnecessary wear the owner could optimize the oil system by controlling the oil quality, filter efficiency and cold start-up sequences. One should also ensure the quality of the service regarding alignment, contamination and wear. To extend the lifetime even further it is necessary to disassemble the gearbox and replace vulnerable parts with new better optimized components, such as bearings and gears. The pre-study shows an experience-based lifetime for current gearboxes of 8-10 years. Vulnerable parts in the gearbox, for example bearings to the HS shaft, should be controlled and replaced earlier because of the wear situation. In a lifetime calculation the purchase of a new gearbox or repair of the existing one should be considered before signing a contract with the wind turbine supplier.

7 Innehåll 1 Introduktion 1 2 Metod 2 3 Teknisk beskrivning av växellådans funktion 3 4 Växellådor till vindkraftverk i Sverige Vindkraftverk klassificerade efter vindturbintillverkare Vindkraftverk klassificerade efter vindturbineffekt Prognoser och trender System och orsaksanalys Standarder för växellådor Hypoteser från aktörer möjliga felorsaker Svensk felstatistik Orsakerna till driftstopp Statistik över reparationstider Kommentar om databasen Detaljerad orsaksanalys Fel på grund av drift- och övervakningsscenarier Fel på grund av smörjsystemets design Fel på grund av smörjsystemets funktioner Problem med oljeföroreningar Problem med oljans nedbrytning Fel på grund av dålig uppriktning Failure mode and effects analysis (FMEA) Exempel på livslängd och tillförlitlighet Kritiska synpunkter Upphandling Branschens olika roller Teknisk kravspecifikation Kallt klimat Montering och installation i vindkraftverket Garanti Efter garanti Ny växellåda eller renovera befintlig vid haveri Förbättringsstrategier Nya strategier Förebyggande underhåll Föroreningskontroll Övervakning Slutsatser Livslängd på växellådor Åtgärder för längre livslängd Aktuella praktiska problem Rimlig livslängd på en växellåda Rekommendationer Referenser 39

8 Bilaga 1: Växellådans uppbyggnad 1

9 1 Introduktion Växellådan i ett vindkraftverk är en central komponent som kan orsaka långa driftstopp vid haveri. Det är också en oerhört kostsam operation att ersätta en havererad växellåda med en ny. Lyftkranen för att lyfta upp och ner en växellåda kostar flera tusen kronor i timmen och lyft kan bara ske vid gynnsamma vindhastigheter. Dessutom har lyftkranen en mycket hög etableringskostnad som kan variera mellan och kr beroende på vindkraftverkets omgivning och belägenhet. Bakgrunden till denna förstudie av växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk är de många haverier och problem som inträffat tidigt i livscykeln (5-10 år). Enligt leverantörer av vindkraftverk är den utlovade livslängden cirka 20 år. Serviceprotokollen från leverantörerna innehåller fortlöpande åtgärder under den beräknade livslängden men innefattar inte några byten av lager eller kugghjul. För att upprätthålla driftstatusen på växellådorna har ägarna tvingats till åtgärder som inte har omfattats av den vanliga servicen. Ägarna har fått genomföra reparationer eller byte av kuggar, axlar och lager för att hålla vindkraftverken i drift. I denna förstudie har problemet undersökts på bred front för att isolera viktiga orsaker till haverierna. Tre viktiga frågor ställts: 1) Varför är inte livslängden längre? 2) Vilka åtgärder kan utföras på befintliga växellådor för att förlänga livslängden? 3) Vad är en rimlig livslängd på en växellåda? 1

10 2 Metod Projektet är inriktat på vindkraftverk med växellådor som har en planetväxel och två efterföljande parallellsteg. De undersökta vindkraftverken är mindre än 2.0MW och installerade på land. Förstudien har delats in i tre faser: analysfas, bearbetningsfas och slutredovisningsfas. Under analysfasen samlades relevanta data in genom intervjuer med svenska aktörer, besök på vindkraftsparker och företag. Besök har gjorts hos Slitevind AB på Gotland, SKF Sverige AB Göteborg, Schaeffler Sverige AB Helsingborg, Skellefteå Energi Underhåll och Statkraft A/S i Norge. Ett flertal andra svenska kunder har lämnat driftuppgifter och data från olika vindkraftverk. En viktig del har varit haveriutredningar från tredjepartsaktörer, tillverkare och leverantörer. Totalt har 16 haverirapporter och flera servicerapporter från svenska vindkraftverk kritiskt granskats. Statistik från Vindstat [1] har analyserats och sammanställts. Den internationella standarden ISO [2] har analyserats och bedömts. Rapporten innehåller även en bildbank på skador från analyserade växellådor. Det har varit svårt att få tillgång till ritningar och data från leverantörer och tillverkare av vindkraftverk. Dock har några av företagen under EWEC 2010 [3] bidragit med intervjuer: Winergy, Hansen, Skellefteå Energi Underhåll, WinWinD, SKF, Vestas, Nordex, Romax, CC Jensen A/S, Stork Gears & Service och Mekanord. Bearbetningsfasen inkluderade en sammanställning och systematisk analys av inhämtat material. Naturliga och icke naturliga händelser analyserades genom användandet av Failure mode and effects analysis (FMEA), som är baserad på relevanta historisk data och information. Slutredovisningsfasen innehåller en skriftlig sammanställning av resultaten samt slutredovisning med särskild upprättad uppföljningsplan och utvärdering. 2

11 3 Teknisk beskrivning av växellådans funktion Ett vindkraftverks uppgift är att förvandla energin i vinden till el. Figur 1 visar hur ett vindkraftverk är uppbyggt för att åstadkomma detta. Vinden driver runt de tre rotorbladen som sitter fast i navet. På navet sitter en huvudaxel som är ihopkopplad med en växellåda. Efter växellådan är en generator ansluten som producerar el. Rotorbladen på ett vindkraftverk, t.ex. Vestas V80 2.0MW [4], snurrar med cirka 10-20rpm (varv per minut) vid en rotordiameter på 80m. Rotorns varvtal är beroende av vindkraftverkets rotordiameter; ju större rotordiameter desto lägre varvtal. För att kunna producera el måste generatorn snurra med ett varvtal på cirka rpm. Växellådans uppgift är att öka varvtalet cirka gånger till generatorn, oftast med hjälp av en planetväxel och två parallellsteg. På vindkraftverk större än cirka 2MW är trenden att två planetväxlar och ett parallellsteg används i växellådan. Ett vindkraftverk använder en så kallad högeffektsväxellåda på grund av de höga effekterna. Figur 1: Överblick över ett vindkraftverk med växellåda [5]. 3

12 En växellåda består av ett omslutande hus, lager, kugghjul, axlar, tätningar och växellådsolja. För att rena oljan ingår en filterkrets, både internt och externt. Den externa kretsen kräver ett finare filter på 3-5µm. För att klara av drift i kallt klimat ingår även ett värmesystem som kan värma upp oljan. Ett externt kylsystem är också installerat för att kunna kyla ner oljan vid höga temperaturer. En del växellådor har även en luftavfuktare med torkmedel, t.ex. salter, för att minska antalet vattenpartiklar i växellådan. Figur 2 visar vilka benämningar som används på delar i en växellåda med en planetväxel och två parallellsteg. Vänster sida (LS axel) är ihopkopplad med huvudaxeln och roterar med lågt varvtal på 10-20rpm. Planetväxeln ligger direkt på LS-axeln och består av ringhjul, planethjul och solhjul. Därefter följer det två parallellsteg på LSI-, HSI- och HS-axeln. Höger sida (HS axel) är ihopkopplad med generatorn och har ett varvtal på cirka rpm. LS-axel L=Låg (Low), S=hastighet (Speed), H=Hög (High) I=Mellan (Intermediate), R=Rotorsida (Rotor end), NR=Icke rotorsida (Non Rotor end) Figur 2: Växellåda med en planetväxel och två parallellsteg. 4

13 4 Växellådor till vindkraftverk i Sverige 4.1 Vindkraftverk klassificerade efter vindturbintillverkare För att förstå vilken drivlina som ska drivas och underhållas i framtiden analyserades data från den svenska driftuppföljningen av vindkraft, Vindstat. Figur 3 visar de installerade vindkraftverken i Sverige som ingår i Vindstat uppdelat på olika leverantörer. Vestas, som hade 47 % av marknaden mellan 1997 och 2009 och är en klart ledande aktör. Vestas vindkraftverk innehåller ett planetväxelsteg och två parallellsteg vilket är standard på de flesta växellådor under 2MW, se figur 2. Denna rapport är koncentrerad på detta utförande av växellådor. Enercon har 24 % av Sveriges installerade vindkraftverk men har ingen växellåda utan en lågvarvig generator kopplad direkt på huvudaxeln. Figur 3: Fördelningen av leverantörer från Vindstat, [1]. 4.2 Vindkraftverk klassificerade efter vindturbineffekt Växellådans utförande är beroende av växlingsförhållandet, som i sin tur är beroende av diametern på bladen. Därför är det värt att veta hur många procent det finns av olika storlekar, enligt figur 4. Figuren visar att Sverige har många äldre vindkraftverk med en effekt på kW och ett mindre antal vindkraftverk på 2-3MW. 5

14 Figur 4: Vindkraftverk klassificerade efter vindturbineffekt, [1]. 4.3 Prognoser och trender Enligt uppskattning från Svensk Vindenergi [6] förväntas det finnas ca installerade turbiner år 2020 i Sverige. För att få en mer realistisk bild av framtiden bör det beaktas att de nuvarande vindkraftverken bara förekommer i små storlekar. De flesta verksamma aktörer köper större turbinstorlekar än 0,5MW. Tabell 1 är baserad på svensk statistik över årliga nya turbiner. De tre senaste åren har majoriteten av nybyggda verk klart och tydligt rört sig om antingen 800kW eller 2-2,3MW. Detta kan bero på att större aktörer på sistone börjat investera i vindkraftverk. Underlag för att bedöma kvaliteten på växellådor till vindkraftverk med 2-3MW i Sverige är fortfarande svårt att hitta på grund av att dessa verk installerades i större skala först Dessutom har Vindstat bara fått in en del av de nya vindkraftverken i sitt register de senaste åren. Tabell 1 visar antalet installerade vindkraftverk i Sverige under varje år och vilka effektstorlekar de har. Det utmärkande är att ägaren huvudsakligen har valt storlekar i två olika nivåer de senaste åren. Antingen har man valt runt 2MW eller ett mindre på 850kW. Gemensamt för dessa storlekar är att de har ett planetsteg och två parallellsteg i växellådan. 6

15 Tabell 1: Årligen nyinstallerade vindkraftverk [1] A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw / / A= Antal installerade vindkraftverk, kw= Effekten

16 5 System och orsaksanalys Den vetenskapliga studien inleddes med att översiktligt samla in hypoteser från konstruktörer, tribologer, tillverkare, operatörer, leverantörer m.fl. för att få en helhetsbild. Dessa hypoteser djupstuderades senare med stöd av statistik som samlats in från Svenska vindkraftsparker för att definiera kritiska orsaker och hitta orsakssamband bland dem. Därefter har en fallstudie utförts på en av Sveriges äldsta vindparker för att definiera felorsaker och deras ursprung. 5.1 Standarder för växellådor Det förekommer standarder på flera nivåer: internationell standard, nationell standard samt företagsstandard. Den största andelen tillverkare inom vindkraftområdet väljer företagsstandarder. Vissa företag i länder som USA [7] och Tyskland [8] har börjat arbeta med egna företagsnormer för att etablera företagsstandarder som är bättre relaterade till verkligheten. De internationella normerna ligger fortfarande på en allmän nivå som inte är anpassad till olika platser och säsongsvariationer. Här finns ett behov för Sverige att komplettera med standarder för vårt nordiska klimat. 5.2 Hypoteser från aktörer möjliga felorsaker Växellådshaverier är svåra att beskriva eftersom de uppstått av många olika orsaker. Ett orsak-resultat-diagram kan bidra till att förstå de olika haveriorsakerna genom att ge en överblick över möjliga orsaker till sådana. Figur 5 visar resultatet av intervjuer från EWEC 2010 [3] med vindkraftverksaktörer. I huvudsak belyses beroende och oberoende orsaker. De svaga punkterna är växellådans design, felriktade komponenter, styrsystem, smörjsystem och överbelastning. Det innebär en ganska omfattande möjlig felorsaksbas som måste rangordnas. Förstudien avser att ge en bild av de punkter som är viktigast för ägaren att åtgärda på befintliga verk. 8

17 Figur 5: Orsaker till växellådshaverier enligt vindkraftverksaktörer [3]. 5.3 Svensk felstatistik En översyn av alla växellådsfel i de svenska vindparkerna visar att de vanligaste felen härrör från smörjsystemet, enligt figur 6. Vindkraftverken var på maximalt 600kW. Figur 7 visar den totala driftstoppstatistiken för de svenska vindkraftverken som ingår i driftuppföljningen mellan åren 1997 och Enligt figur 7 utgör lager den mest kritiska komponenten under perioden 1997 till Under denna tidsperiod byggdes det flest 850kW vindkraftverk. 9

18 Figur 6: Felfrekvens för växellådans komponenter, [1]. Figur 7: Felfrekvens för växellådans komponenter, [1]. 10

19 Lager representerar 80 % av felen vilket kan tyckas förvånande eftersom rullningslager verkar utföra ett relativt lätt arbete jämfört med kugghjul. Växlarna har en betydande glidning i tandkontakten och stora böjningsspänningar i tänderna. Rullningslager har under normal drift bara en rent rullande rörelse. Däremot arbetar rullningslager under hög belastningskontakt och är mottagliga för effekterna av små föroreningspartiklar i smörjmedlet. Detta kan mycket väl vara ett av skälen till att lagren ofta påverkas före kugghjulen. En annan orsak kan vara otillräcklig smörjning vid till exempel kallstarter Orsakerna till driftstopp Figur 8 visar tydligt att slitage är den främsta orsaken till inrapporterade fel. Om det är på grund av att de insamlade uppgifterna är för generella och att man samlar in alla felorsaker som slitage är osäkert. Det förekommer t.ex. ytslitage, brott och överbelastning, vilka är olika feltillstånd med specifika orsaker. För att få en bra bild över den insamlade databasen måste klassificeringen av olika sorters fellägen göras mer detaljerad. Figur 8: Orsaker till växellådans driftstopp, [1] Statistik över reparationstider Ledtider för felen har Vindstat huvudsakligen klassificerat i tre kategorier: haveri, allvarligt fel och lindrigt fel. Figurerna 9 till 11 visar medelvärdet på driftstopptimmarna från den svenska driftuppföljningen under åren

20 Figur 9: Ledtider för haverier, [1]. En förklaring till att figurerna 9 och 10 visar långa ledtider på lager är att det i växellådor till vindkraftverk sitter anpassade lager som oftast inte finns omedelbart tillgängliga hos tillverkaren. Detta kan leda till leveranstider på 4-8 månader för ägaren. Figur 10: Ledtider för allvarliga fel, [1]. Figur 11: Ledtider för lindriga fel, [1]. 12

21 När det uppstår problem med växellådor leder det ofta till mer omfattande haverier. Därför är staplarna för växellådor mindre i figurerna 10 och 11, vilka visar allvarliga och lindriga fel Kommentar om databasen Flera förändringar inom det svenska felrapportsystemet Vindstat har ägt rum de senaste 13 åren. Den första insamlingen av data visar frekvens och driftstopp utan att specificera de komponenter som ingår i växellådan. I den andra insamlingen, , visar rapporterna uppgifter om driftstopp och anger även mer detaljerat vilka de felaktiga komponenterna i växellådan är. Efter 2004 slutar felrapportsystemet att leverera detaljerade data. Det är därför svårt att analysera den faktiska nuvarande situationen för svenska vindkraftverk, deras tillförlitlighet och underhåll. En viktig fråga är hur man har bedömt varje enskilt fall när man har rapporterat orsaken till driftstoppet. Är det orsaken till haveriet som rapporterats eller enbart själva skadan? Vid insamlingen av data är skadans bedömning och utgångspunkt av signifikant betydelse. Såväl utformningen av rapporterna som rätt kunskap är nödvändig för en verklighetsförankrad databas. För att få en bättre problembild av Sveriges vindkraftverk måste databasen göras mer detaljerad än vad den har varit sedan Dessutom måste databasen byggas upp av utbildad personal som kan härleda orsaken till felen. 5.4 Detaljerad orsaksanalys Det första grundläggande steget för att fastställa tillförlitligheten och livslängden på en komponent är att iaktta ett representativt urval, en mängd av komponenter och att registrera felen inom en viss tidsram. De insamlade uppgifterna visar ett antal brister under den observerade tidsperioden. Det är inte det absolut antalet fel som har någon praktisk betydelse, för de måste alltid vara relaterade till den observerade populationsstorleken. Med felfrekvens avses den relativa frekvensen vid vilken en komponent eller ett system misslyckas under en given tidsram, uttryck i fel/minuter, timmar eller år. Det går också att fokusera på en viss tid i samband med distans, såsom fel/km (på fordonsområdet) eller fel per körcykler, t.ex. antalet brister efter en miljon varv (lager), etc. Det är inte ett absolut antal enheter som är intressanta utan ett relativt tal, relaterat till antalet av de observerade testade enheterna och till mängden av produkter Fel på grund av drift- och övervakningsscenarier Vissa händelser som t.ex. låg eller hög vindhastighet, övereffekt eller fel på rotorn kommer att leda till stopp genom aktivering av rotorstyrningens ytor (pitcha) eller genom bromsning. Att starta, stoppa, driva eller gå på tomgång är verkliga scenarier och måste beaktas vid utformningen av växellådan. Därför är det viktigt att förstå dessa scenarier och deras effekter på växellådans inre dynamik och beteende. 13

22 5.4.2 Fel på grund av smörjsystemets design Termisk instabilitet uppstår när en stor temperaturskillnad byggs upp mellan axeln inuti ett lager och huset som omger lagret. Denna ojämna värmeutvidgning orsakar förspänning och påverkar det interna glappet. Detta resulterar i ökad värmeutveckling vilket kommer att öka skillnaden i temperaturen. Detta skapar i sin tur en ond spiral som snabbt kan leda till termisk expansion och haveri. Denna mekanism är speciellt förknippad med höghastighetsaxlar och kommer troligen att inträffa kort tid efter start. Detta beror på att axeln har mycket mindre termisk massa än huset. Under uppvärmningen uppträder en differentierad temperatur naturligt. Skillnaden kan byggas upp till 30 graders skillnad under de första 10 driftsminuterna och sedan sjunka tillbaka till ca 10 graders skillnad när temperaturen stabiliserats. Olika orsaker till detta fel kan vara t.ex. höga hastigheter, snabb acceleration, felaktig smörjning, ihåliga axlar eller extern värme genom axeln. Det som nämnts ovan inträffar typiskt nog under uppstart, oftast i kallt väder. Dock kan det även hända senare under driften, kanske utlöst av högre värmeproduktion på grund av lager eller smörjningsförsämring. 14

23 Figur 12: Växellåda med ett planetsteg och två parallellsteg. Tabell 2 visar hur varje steg i växellådan medför specifika krav och när man väljer smörjolja på basis av ett av dem, påverkas de andra negativt. Andra komponenterna, till exempel lager, får då inte rätt smörjning. Resultatet visar stora skillnader i önskvärd viskositet för planetväxeln och andra kuggväxeln. Oftast används en viskositet på 320mm²/s i hela systemet vilket inte är optimalt för alla komponenter. Till exempel visar tabell 2 att andra kuggväxeln ( rpm) behöver en viskositet på 10-12mm²/s i oljan. En del oljesystem har separata oljekanaler till utsatta lager för att förbättra smörjningen. När oljesystemet pumpar in olja med för hög viskositet i ett lager uppkommer risk för haveri. Oljan hinner inte undan och det uppstår stora belastningar mellan rullarna och den inre och yttre ringen. En viskositet på 320mm²/s fungerar bra till kugghjulen i planetväxeln, hastigheten är långsammare. Tillverkaren har prioriterat vilken komponent som ska få den bästa smörjningen, vilket i växellådor till vindkraftverk gäller kuggarna i plantväxeln. 15

24 Tabell 2: Några detaljerade skillnader inom växellådan [9]. Planetväxel Första Kuggväxeln Andra Kuggväxeln Önskvärt varv/min Pitch linjehastighet [11] (m/s) Önskvärd viskositet för kugghjul (mm²/s) Önskvärd viskositet för lager (mm²/s) Fel på grund av smörjsystemets funktioner Variationer i arbetstemperaturen har stor inverkan på smörjningen. Trots intervjuer med vindkraftverksoperatörer, turbintillverkare, växellådstillverkare och lagerleverantörer har ingen lägsta arbetstemperatur framkommit. Exempelvis rekommenderar lagerleverantören en särskild arbetstemperatur baserad på en relativt lägre viskositet. Kugghjulsolja med en viskositet på 320mm²/s behöver en högre driftstemperatur för att kunna smörja lager på rätt sätt. För att få en bättre smörjning på lager med högre varvtal är en del lager försedda med oljekanaler i ytterringen. Genom oljetryck leds oljan in i lagret, vilket ger trycksmorda lager. Det kan också uppstå problem om inte oljan kommer ut från lagret på grund av för hög viskositet vilket kan orsaka högre friktion. Därför är det viktigt att oljan har rätt temperatur innan den kommer fram till respektive lager. För att värma upp och smörja växellådan används även munstycken som är placerade högt uppe i växellådan och sprutar olja över kuggar och planethjul. På grund av oljans temperaturberoende har en del tillverkande företag infört automatiserad temperaturreglering för att undvika felaktig drift. Ibland uppfyller inte den automatiserade temperaturregleringen växellådans eller lagertillverkarens krav. Figur 13 visar ett exempel på hur ett styrsystem kan påverka och kontrollera oljans temperatur i växellådan. På höger sida i figuren stiger oljetemperaturen och på vänster sida sjunker den. När temperaturen stiger till 55 C aktiveras fläkt 1 för att kyla ner oljan. Om inte fläkt 1 räcker finns det ytterligare två fläktar för att kyla växellådsoljan. När oljans temperatur sjunker till 5 C aktiveras en värmekrets inne i växellådan för att värma upp oljan. Vindkraftverket är i drift ända ner till en temperatur av -5 C i oljan, varefter verket stoppas. Värmekretsen är i detta fall fortfarande aktiverat och när temperaturen stiger till -2 C aktiveras driften av vindkraftverket. Exemplet visar att vindkraftverket kan vara i drift även om oljan mäter -4 C, vilket ger oljan en driftsviskositet på mer än mm²/s. Det utgör ingen god arbetsmiljö för lager som arbetar bäst i lägre viskositeter, 10-20mm²/s. Hur oljans viskositet är beroende av temperaturen visas i figur

25 Figur 13: Exempel från vindkraftverk på temperaturstyrning av oljesystemet, 2MW växellåda [12]. 17

26 Figur 14: Viskositetsdiagram på syntetisk växellådsolja 320mm²/s [13]. När arbetstemperaturen når 40 C har växellådsoljan en viskositet på 320mm²/s. Sjunker temperaturen till 0 C ändras viskositeten till cirka 7 500mm²/s, t.ex. när vindkraftverket står stilla på grund av för svag vind eller för kraftig vind i kallt klimat. Då uppstår en kallstartssituation som måste kontrolleras av styrsystemet Problem med oljeföroreningar Kontaminering (då oljan bär föroreningar som partiklar, smuts och vatten) av ett oljesystem leder till olika problem, t.ex. frekvent reparation av utrustning och minskad oljelivslängd. Det leder till sämre verkningsgrad och onödiga utgifter som dock kan förhindras. Genom att filtrera oljan på rätt ställen och med rätt filter hindrar man den från att sprida föroreningar i växellådan. Dock kommer inte filtreringen åt källan till problemet, vilken kan ligga i kuggar som är skadade eller lager som har skurit. I detta fall kommer oljan att fortsätta att bli kontamineras tills haveriet är ett faktum. Haveritidpunkten kan flyttas framåt i tiden med hjälp av bättre filtrering. Om kontamineringen beror på en yttre faktor som felaktig montering av växellåda eller reparation av kuggar på plats i växellådan hjälper en effektiv filtrering till att filtrera bort föroreningen Problem med oljans nedbrytning Oljans nedbrytning är ett problem både i smörj- och hydraulsystem. De vanligaste orsakerna är oxidering (syre), hydrolys (vatten) och termisk nedbrytning (hög temperatur) eller en kombination av alla tre. Nedbrytningen av oljan kan leda till att oljans flödesvillighet minskar. 18

27 Det innebär större friktion, nötning och förluster i växellådan. Dessutom minskar tillsatsernas prestanda varvid den försämrande processen kommer att påskyndas Fel på grund av dålig uppriktning Uppriktningsavvikelser påverkar både växlar och lager, även om vissa typer av lager (sfäriska rullager) är mindre känsliga. På grund av dålig uppriktning av axlarna bildas tidigt i livscykeln märken i ena änden av kuggtanden, se figur 15. I lager kan det uppstå gropfrätningar vilket resulterar i förslitning och skada i hållaren [14]. Figur 15: Kugghjulsuppriktning: A) Rätt position B) Fel position [15]. Det finns många orsaker till förskjutning, både statiska och dynamiska. De statiska förskjutningarna beror antingen på tillverkningsfel eller på installationsfel. Dynamiska förskjutningar beror på tillfälliga ändringar till följd av belastning eller termisk expansion. På stora växellådor där justering och uppriktning måste göras under monteringen kan det vara svårt att fysiskt kontrollera att axlarna är parallella. I dessa fall används märkfärg för att se till att tänderna har rätt position. Om enheten drivs med vridmoment i båda riktningarna är det viktigt att kontrollera tandens yta i båda riktningarna. Det är nämligen fullt möjligt att axlarna är feljusterade på ett sådant sätt att de ger god tandkontakt i ena riktningen men svår ändbelastning i den andra. Under förstudien har olika åtgärder utförda av tillverkare granskats vid reparationer av växellådor. Det har bland annat visat sig att erkända tillverkare ibland vänder på kugghjulen i planetväxeln, t.ex. den yttre kuggkransen och planethjulen. Detta har gjorts för att återanvända den tidigare obelastade sidan av kuggen. Det är fysiskt möjligt att vända kugghjulen eftersom kuggarna är raka i planetväxeln. Släpsidan av kuggen är obelastad på grund av att vindkraftverk bara snurrar åt ett håll, vilket betyder att kuggarna bara belastas på drivsidan av kuggen. Emellertid är det riskabelt att återanvända ett kugghjul på detta sätt. Har det uppstått stora skador på kuggarna bör man inte återanvända kugghjulet. Det är svårt att avgöra om det har skett en sprickbildning eller andra följdskador som kan begränsa livslängden. Att kunna förutsäga livslängden är önskvärt, och ifall man monterar ett kugghjul med större skador är det svårt att bedöma den förväntade livslängden. Det är oerhört dyrt att åtgärda fel i vindkraftsväxellådor och därför krävs en lång förväntad livslängd. 19

28 En naturlig optimering är att minimera antalet steg i en växellåda. Det leder dock ibland till mycket långa och smala axlar som ofta integreras med kugghjulen. Dessa axlar drabbas av relativt stora böjningar och även torsionsvridningar, vilket framgår av figur 16. Vid granskning av ritningar till växellådor för vindkraftverk är detta ganska vanligt. Vindkraftsväxellådor med varma lokala processer kan lida av förskjutning p.g.a. termisk tillväxt. Den varma sidan av växellådan expanderar mer, vilket resulterar i att axelcentrumavståndet ökar på den sidan. Dessa avvikelser tenderar att ha större effekt på större enheter. Detta beror på att den precision som krävs för kontakt mellan kuggarna, eller lagerlinjärheten, inte varierar konstant med storleken. Dessutom är det svårare att uppnå detta med stora enheter. Figur 16: Nedböjning orsakar förskjutning och lokala belastningar [16] Failure mode and effects analysis (FMEA) FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) är en systematisk metod för att förutsäga möjliga fel, utvärdera felens konsekvenser och genom poängsättning föreslå vilka åtgärder som bör genomföras för att hindra att felen uppträder. Analysen delas upp i tre steg: 1) Systemdefinition och funktionsuppbyggnad 2) Felmekanismer och deras beskrivning 3) Identifiering av felmekanismer 20

29 Steg 1) Systemdefinition och funktionsuppbyggnad: Bilaga 1 visar huvudfunktionerna och deras fysiska komponenter i hierarkisk ordning. Den visar också att vindkraftsleverantörer använder COTS (Commercial off the shelf) produkter från hyllan, vilka alltså lagerhålles kommersiellt, något som kan påverka tillförlitligheten negativt på grund av prisprioriteringar. Steg 2) Felmekanismer och deras beskrivning: I steg 1 definierades växellådans system i termer av funktionella och fysiska komponenter. Tabell 3 visar en sammanställning av 8 utvalda haverirapporter. Tabellen visar komponenter vars haveri är orsak till skadan, RC (root-cause), och även komponenter som har påverkats, E (effected), på grund av detta. En enskild komponent i systemet påverkar ofta andra komponenter vid haveri. Därför är det viktigt att stoppa driften direkt vid indikationer om problem och åtgärda eventuella fel i växellådan innan det sprider sig till andra komponenter. 21

30 Tabell 3: Sambandstabell över orsaksfel och påverkade komponenter [17]. Haverirapporter Komponenter Planetsteg LS-axel P P Planetaxel 1 P P Planetaxel 2 P P Planetaxel 3 P P Yttre kuggring P P P Planethjul 1 P P P Planethjul 2 P P P Planethjul 3 P P P Solhjul P P P LS-R-lager P P LS-NR-lager P P P1-R-lager O P P P1-NR-lager O P P P2-R-lager O P P P2-NR-lager O P P P3-R-lager P P P3-NR-lager P P 1:a Parallellsteget LSI-axel HSI-axel P P LSI-kugghjul P HSI-kugghjul P P LSI-R-lager O P LSI-NR-lager P O HSI-NR-lager P HSI-R-lager P 2:a Parallellsteget HS-axel HS-kugghjul HS-R-lager HS-NR-lager 3:e Parallellsteget (två generatorer) HSS2-axel HSS2-kugghjul P HSS2-NR-lager O O HSS2-R-lager O O O O O O O: Orsak, P: Påverkade Steg 3) Identifiering av felmekanismer: Resultatet från steg 2 visar att lager utgör en kritisk komponent. I vissa fall är även slutresultatet förödande med ett stort antal skadade komponenter. Från haverirapporter som analyserades i föregående steg presenteras bilder och identifiering i tabellerna 4 och 5. 22

31 Tabell 4: Lagerskador i växellådor till vindkraftverk [17] Innerring: Primär utmattningsspricka Innerring: Sekundär utmattningsspricka Ytterring: Milt slitage från stillastående rullningslager Cylindrisk rulle: Flagning orsakad av ineffektiv smörjning Cylindrisk rulle: Glidning orsakad av ineffektiv smörjning Ytterring: Utmattning och flagning orsakad av ineffektiv smörjning Innerring: Orimliga laster på en sida Innerring: Gropfrätning orsakad av kontinuerlig kontakt mellan ojämnheterna på metallytor som följer varandra under rotation Innerring: Orimliga laster på två sidor Innerring: Allvarliga gropar med några punktfrätningsfenomen Innerring: Allvarliga gropar Ytterring: Mediumgropar Innerring: Gropar efter överbelastning och förorenad olja Innerring: Utmattning Lagerläge: Rotation av lagrets ytterring i lagerläget 23

32 Tabell 5: Kuggskador i växellådor till vindkraftverk (18) Slitage i planethjulet Frakturer på solhjul Tandfraktur på HSIkugghjul Frakturer på HSSkugghjul Frakturer på HSS-kugghjul Frakturer på HSIkugghjul Lagerhaverierna har orsakats av en kombination av flera faktorer. De haverirapporter som har studerats visar att de inre dynamiska lasterna är större än vad växellådan är dimensionerad för. Det har även förekommit olämpligt smörjmedel för många komponenter, t.ex. fel viskositet. Vid haveri utförs en analys av varje enskild komponent i växellådan. På basis av tidigare steg analyseras de kritiska komponenterna i tabellerna 6 och 7. I tabell 6 analyseras lagerkomponenter från tabell 3 som har varit grundorsaken till respektive haveri. Tabell 7 visar en analys av kuggar som har utgjort grundorsaken i de andra fallen. Växellådans smörjmedel framträder som en gemensam nämnare i tabellerna. Det behöver dock inte innebära att problemen försvinner om man byter till en annan typ av smörjolja. Om till exempel växellådan är underdimensionerad kommer slitage av kuggar och lager att förorena oljan med partiklar, oavsett vilken olja man använder. 24

33 Tabell 6: Lageranalys av kritiska komponenter från haverirapporter [17]. Tabell 7: Kugganalys av kritiska komponenter från haverirapporter [17]. 5.5 Exempel på livslängd och tillförlitlighet Tabell 8 visar tiden mellan haverier i olika växellådor för samma plats och säsong. Uppgifterna har samlats in på en av Sveriges vindkraftsparker mellan 1995 och 2009 [18]. Följande observationer kan diskuteras och utredas närmare: Det råder skillnader mellan stora och små turbiner. Tiden mellan första och andra felet är kortare än tiden före det första. Växellådor med två generatorer verkar sannolikt ha fler fel än växellådor med en generator. En del växellådor är mer tillförlitliga än andra i svenska förhållanden. En del av växellådorna repareras, vilket innebär att det måste finnas renoveringsföretag för att tillfredsställa ägarens behov. Lager på höghastighetsaxeln (utgående axel) står för de huvudsakliga felen som resultat av fel design och driftantagande. 25

34 Tabell 8: Felstatistik och deras tid mellan felen [18]. Effekt kw Datum Tid till haveri (månad) Orsak Åtgärder Installation Kuggbrott Ersättning av kugghjul Installation Lager i planetväxeln Ersättning av växellåda Installation Oljud och vibrationer Ersättning av växellåda, garanti Installation Oljud och vibrationer Ersättning av växellåda, garanti Installation HS-lager Ersättning av växellåda Installation HS-lager Ersättning lager och planethjul Oljud Ersättningsväxellåda utan 300 kw generator Installation Oljud och vibrationer Byte HSI lager Lagerhaveri Ersättningsväxellåda utan 300 kw generator Installation Koppling mellan växellåda och generator Ersättning av växellåda Kuggfraktur Ersättning av växellåda HSI-lager Ersättningsväxellåda utan 300 kw generator Installation HS-lager Ersättningsväxellåda utan 300 kw generator Oljud och vibrationer Ersättning av växellåda, garanti HS-lager och HSI-lager Ersättning av växellåda HS-lager Ersättning HS-lager 5.6 Kritiska synpunkter Förstudien visar ett flertal fall där flera vindkraftstillverkare tillsammans med växellådstillverkare har misslyckats med att dimensionera växellådorna på rätt sätt. Det finns överbelastningsfall där kuggar har gått av och lager som har skurit på grund av felaktig lagertyp eller smörjning, se tabellerna 4 och 5. Studien visar även några fall där komponenterna inte uppfyller rätt kvalitet, t.ex. slaggprodukter i kuggar, felaktiga lagerlägen och lager som har varit felmonterade. 26

35 Möjliga orsaker till haverier: Uppriktning: Uppriktningsfel startar från rotoraxeln och överförs genom hela växellådan via tre växellådssteg med ett stegvis växande varvtal. Det leder till felaktiga belastningsfall för ingående komponenter. Därför blir livslängden kortare än beräknat. Problem med vibrationsanalys för övervakningssystem: När delar i växellådan roterar kan vibrationens inverkan tydligt observeras, särskilt på höghastighetsaxlar, på grund av höga varvtal. Planethjulen i en planetväxel är dock svåra att mäta vibrationen på. I detta fall kan givaren inte få direkt kontakt med planethjulen utan måste gå via den yttre kransen. Det ger inte lika bra mätvärden till övervakningsutrustningen. Det är svårt att få en skadebild på lagren i planethjulen när övervakningen inte visar hur vibrationerna utvecklas över tid. Smörjoljan: Oljan är transportör av olika partiklar. Det kan medföra att föroreningar sprids från en komponent till andra komponenter. Oljans viskositet vid kallstarter är en viktig punkt som måste optimeras. Avbrutna eller skadade komponenter: Eftersom växellådans komponenter är innefattade i ett slutet system kan en felaktig komponent påverka övriga komponenter. Till exempel visar figur 17 tydligt hur effekterna av ett lagerhaveri påverkar växellådans alla komponenter. Reparatören måste i vissa fall ersätta alla lager och kugghjul på grund av en enda komponents haveri. Figur 17: Påverkan från en komponent på hela växellådan [19]. 27

36 Figur 17 visar tydligt varför antalet driftstopp är mycket stort och tiden för underhåll är mycket hög. På grund av en enda felaktig komponent måste ett antal andra komponenter också ersättas. Ett annat exempel från en av haverirapporterna [17] är när två trasiga tänder från en höghastighetsaxel flög till den mellanliggande axeln och in mellan kugghjulen. De trasiga tänderna bröt ytterligare två tänder på ett annat kugghjul. Det visar vilka konsekvenser växellådans design kan ha. Därför är det viktigt att alla ingående komponenter håller samma höga kvalitet rakt igenom och har en lång förväntad livslängd. 28

37 6 Upphandling Detta avsnitt är baserat på erfarenheter från AB Respond Industry och är avsedd att vara till hjälp vid en upphandling med fokus på växellådan. Vid upphandlingen av ett vindkraftverk är kanske inte växellådan det första man tänker på. Det är emellertid en dyr komponent som skapar långa driftsstopp vid ett haveri. Vissa grundbaserade faktorer bör utredas före en upphandling. Det är viktigt att påpeka att alla punkter som diskuteras i detta avsnitt bör bekräftas skriftligt innan man skriver kontrakt med en vindkraftsleverantör. Växellådans livscykel 1: Montering och kontroll av växellådan före leverans 2: Frakt av växellåda till kund 3: Montering och installation 4: Driftstart och start av garantiperiod 5: Underhåll och service under garantiperioden 6: Övertagande efter garantiperioden 7: Underhåll och service efter garantiperioden 8: Reparation eller återvinning 6.1 Branschens olika roller Branschen representeras av fyra kategorier: ägaren, leverantören, tillverkaren och eftermarknaden. Ägaren har det totala ansvaret för hela vindkraftverket inklusive service och underhåll. Ett vindkraftverk är först och främst en maskin. Den ska producera el och vara i drift kontinuerligt. För att kunna investera köpet av en maskin fordras en kravspecifikation. Denna måste användas som grund för upphandlingen av vindkraftverket. Ju mer tid som läggs ner före en order, desto bättre förutsättningar har ägaren att nå sina mål. Ägarens eget ansvar inträder vid första driftstimmen, inte när garantin går ut. När ägaren tar över service och underhåll efter garantin måste denne vara fullt insatt i verkets egenskaper och trender. Under livstiden måste service utföras enligt instruktioner och anpassas efter vindkraftverkets nuvarande kondition. För att fatta rätt beslut under livstiden behöver ägaren kunskap samt förmåga att ta rätt beslut i rätt tid. Skador eller misstänkta sådana kan snabbt förvärras om inte rätt beslut tas vid respektive tillfälle. Om ägaren följer detta är förutsättningarna goda för en längre livstid för ingående komponenter och för hela växellådan. Leverantören har ansvar för att leverera en produkt som uppfyller ägarens önskemål och för att samverka med underleverantörernas specificerade produkter för ändamålet. Ägarens önskemål är inte alltid lag, utan leverantören måste begränsa och utveckla olika områden för att hitta en optimal lösning för alla parter. Många olika faktorer är beroende av varandra, och när marknaden expanderar kraftigt är det ibland svårt att ta hänsyn till vilka konsekvenser åtgärder och optimeringar innebär. Här har leverantören ansvar för att kontrollera de komponenter som tillverkaren levererar, inte bara den enskilda komponentens funktion utan också att komponenten fungerar i det tänkta systemet. Leverantören följer de certifieringar som finns 29

38 och uppfyller dessa. Det är marknadens ansvar att utveckla och förbättra certifieringarna efter verkligheten. Därför är det viktigt att ta vara på erfarenheter av äldre vindkraftverk och optimera nya vindkraftverk efter nya indata. Tillverkaren (underleverantören) levererar komponenter eller delsystem till leverantören enligt dennes produktspecifikation. Stämmer leverantörens data med verkligheten kommer tillverkaren att producera en bra komponent till vindkraftverket. Är kraven på produkterna för lågt ställda blir komponenten underdimensionerad för sitt ändamål. Eftermarknadens aktörer har en viktig roll att fylla. Ägarens möjlighet att välja olika vägar vid olika investeringar skapar en trygghet på marknaden. Rätt kompetens och utbildning är nyckelord för att eftermarknaden ska kunna uppfylla de krav som ställs. Vid upphandlingen av ett nytt vindkraftverk är det viktigt att undersöka tillgången till en eftermarknad för att säkerhetsställa valmöjligheterna för driften. 6.2 Teknisk kravspecifikation Vid upphandling av vindkraftverk bör ägaren kräva detaljerade listor på vilka lager, kuggar och andra slitagedelar som sitter i växellådan. Tillgång till ritningar och annan dokumentation är en klar fördel. Detta är av yttersta vikt när garantiperioden tar slut och ägaren tar över ansvaret för service och underhåll. Ägaren styr sina valmöjligheter efter garantiperioden redan vid upphandlingen, vilket är viktigt att klargöra från början. Utan rätt dokumentation får ägaren svårt att planera service och reparationer efter garantiperioden Kallt klimat Eftersom klimatet i Sverige är relativt kallt bör arbetstemperaturen för växellådan klargöras. Hur klarar växellådan ett kallt klimat och inom vilka intervaller ska temperaturen på oljan befinna sig inom för att minska slitaget? Här råder tyvärr en gråzon idag som måste utredas av branschen inom en snar framtid Montering och installation i vindkraftverket När växellådan installeras i vindkraftverket riktas den och kontrolleras mot generatorn och huvudaxeln från navet. Det är av yttersta vikt att detta kontrolleras och justeras med jämna mellanrum under hela livslängden. Växellådan är ofta upphängd i dämpande gummimaterial som slits med tiden och påverkar uppriktningen. Är inte växellådan i rätt läge påverkas kuggar och lager negativt. 6.3 Garanti Under garantiperioden åligger det leverantören att utföra service på och kontrollera slitaget i växellådan. Det medger dock inte att ägaren är passiv. Ägaren måste vara aktiv under denna period med att samla in data och kunskap för att vara beredd vid övertagandet efter garantiperioden. 30

39 Har man bestämt att man ska ha ett övervakningssystem på lager och kuggar bör detta vara installerat från första driftdagen. Ägaren behöver denna övervakningsinformation under och efter garantiperioden för att kunna göra rätt bedömningar och ta rätt beslut. Dessutom ser man trender och växellådans vibrationsutveckling under garantiperioden. Avviker den från normalt uppträdande bör växellådan kontrolleras innan ägaren tar över ansvaret efter garantiperioden. Oljeanalyser ska utföras under garantiperioden för att visa utvecklingen av växellådans slitage. Den bör innehålla partikelräkning, viskositet, vatteninnehåll, syranivåer och partikelidentifikation. Det finns olika gränsvärden för antalet partiklar och storlek. Den internationella standarden ISO beskriver vilken renhet på oljan som krävs vid ett oljeprov enligt ISO 4406/2000. Under växellådans livslängd utgörs gränsen för 100ml olja av klasserna (-/16/13). Klass 16 på andra positionen visar att antalet partiklar större än 6µm, ska vara inom intervallet Klass 13 på sista positionen representerar partiklar större än 14µm och intervallet För att oljeprovet ska vara rättvisande är det bäst att ta oljan från den externa kretsen (offline), mellan pumpen och filtret, vid arbetstemperatur. Där finns normalt den mest kontaminerade oljan och ett bra resultat visar att hela systemet är godkänt Efter garanti Innan garantiperioden går ut rekommenderas ägaren ha en genomgång tillsammans med leverantören. Den bör innehålla analys av följande poster: 1: Kontroll av utbytta reservdelar. Varför gick de sönder? Ska de finnas i lager? 2: Genomgång av oljeproverna. Hur ser utvecklingen ut? 3: Data från övervakningssystemet. Hur ser utvecklingen ut? 4: Uppriktning och kontroll av växellådan. Hur ser upphängningen ut? 5: Optisk kontroll inuti lådan: kuggar, lager och olja. Det som bör uppmärksammas är negativa trender och huruvida någon komponent avviker från normalt slitage. För att kunna bedöma detta på rätt sätt behövs tillgång till bra data från första driftsdagen och rätt ifyllda serviceoch underhållscheman. Det går att köpa service- och driftlösning av serviceföretag eller ha egna anställda som tar hand om den dagliga servicen för att sedan hyra extern hjälp för specialkompetens. Den bästa lösningen beror oftast på storleken hos vindkraftsparken och den egna kompetensen. Ägaren måste dock alltid ha en teknisk grundförståelse för hur vindkraftverken fungerar och vad som krävs av service och underhåll före upphandlingen. Alternativet är att anlita en projektör som hjälper till vid upphandlingen och värderar olika leverantörer. Finns det serviceprotokoll och rekommendationer från leverantören efter garantiperioden? Det är en mycket viktig fråga som måste klargöras före kontraktsskrivning för att få rätt kalkyl. 31

40 6.3.2 Ny växellåda eller renovera befintlig vid haveri Något som ägaren bör tänka på redan vid upphandling är eftermarknaden. Många frågor dyker upp när en växellåda havererar. Vid ett haveri kan oftast en enkel besiktning avgöra vad som är mest lönsamt, att köpa en ny växellåda eller renovera den befintliga. Det går även i vissa fall att renovera lager och kuggar beroende på skadans art. Vad som är viktigt vid upphandling är alla praktiska detaljer runtomkring. Har man en större vindkraftspark med många vindkraftsverk med samma växellåda kan det vara befogat att ha en extra växellåda på lager för att snabbt kunna återställa driften och renovera den havererade lådan. Här är några frågor som bör kontrolleras innan order av vindkraftverk sker: Utbyteslåda 1: Var kan man köpa en utbyteslåda? (Leverantör, tredje part) 2: Vad kostar den och vad är det för leveranstid? 3: Vilka garantier gäller för en utbyteslåda? 4: Är utbyteslådan en renoverad eller helt ny växellåda? Reparation 1: Vem kan reparera den växellåda som levereras till vindkraftverket? (Leverantör, tredje part) 2: Kan kunden eller tredje part köpa delar till växellådan? (Mekaniska delar, lager, kuggar, smörjkomponenter etc.) 3: Finns det tillgång till ritningar eller annat underlag? 32

41 7 Förbättringsstrategier 7.1 Nya strategier För att utveckla strategier utifrån befintliga fel och deras grundorsaker utvärderas alla data som samlats in: Skriftlig bevisning och servicehistoria. Uttalanden från aktörer. Skriftliga beskrivningar, skisser och foton. Kugghjulsgeometri och mönsterkontakt. Konstruktionsberäkningar. Laboratoriedata för material och smörjmedel. 7.2 Förebyggande underhåll Förebyggande underhåll är en underhållsstrategi för att öka tillförlitligheten i maskiner och utrustning. Det centrala temat handlar om att styra korrigerande åtgärder mot orsakerna, inte mot symtomen. En typisk förebyggande underhållsstrategi omfattar tre steg: (1) Ett kvantifierbart mål eller en norm för den grundläggande orsaken till problem (t.ex. ett mål angående vätskans renhetsnivå för ett smörjmedel). (2) Att genomföra ett underhållsprogram för att kontrollera orsakens tillstånd inom en målnivå (t.ex. rutinmässig uteslutning eller avlägsnande av föroreningar i olja) (3) Rutinmässig övervakning av den grundläggande orsaken med hjälp av en mätteknik (t.ex. partikelräkning) för att kontrollera att den aktuella nivån ligger inom målet. Inspektion av växellåda 1. Vibrationsnivåer 2. Uppriktningsvillkor 3. Lagervillkor 4. Kuggvillkor 5. Oljevillkor 6. Övergripande växellådsvillkor 7. Drifttimmar, energiproduktion och drifttemperatur Inspektion av smörjningssystem 1. Ändra serviceintervall, baserade på viskositet, vattenhalt, syratal, fasta föroreningar, tillsatsutarmning 2. Analysgränser 3. Lagringsförfaranden 4. Tömma och spola för att avlägsna föroreningar 5. Tillgänglighet för byte av filter 6. Användning och anslutningar för bärbara filtreringssystem 7. Metoder för dränering av olja 8. Transportera olja till nacell 9. Fylla växellådan med olja i nacell 10. Förebygga förorening vid påfyllning 33

42 7.3 Föroreningskontroll En förorening är ett ämne som går in i ett system och påverkar funktionen hos systemets vätska och komponenter. Fasta partiklar, vatten och olika gaser (främst luft) som förs in i eller finns i växellådan har en mekanisk eller kemisk påverkan på oljan. Vätskan måste skyddas och övervakas från föroreningar genom ett omfattande kontrollprogram med tre huvudpunkter: Förebyggande av flytande föroreningar. Avlägsnande av föroreningar. Tillståndskontroll av oljan. Att känna till föroreningarna och deras ursprung ger ledtrådar till hur de kan uteslutas eller hur man kan försöka neutralisera deras effekter. Föroreningar kan ha byggts in på grund av tillverknings- och underhållsprocesser eller komma in i ett system samtidigt som delar är öppna under konstruktion eller reparation. Dessutom kan de internt genereras som ett resultat av systemets funktion, till exempel slitagepartiklar, blandningar av kemiska reaktioner eller ämnen som härrör från nedbrytning av vätskor eller tillsatser. Den vanligaste ingången för förorening från atmosfären är antingen genom ventilation och ofullständiga packningar eller genom andra oplanerade öppningar under normal användning av utrustningen. Detta inkluderar tillsats av olja under påfyllning initialt eller i drift. OEM-företag, Original Equipment Manufacturers, kommer att tillhandahålla sin egen utrustning och särskilda krav för mål och gränser för föroreningar som framgår av underhållshandböcker eller servicemeddelanden. Målet är att: Minimera föroreningspartiklar som genereras internt Minimera förorening som tillsätts under service och underhåll 7.4 Övervakning Vid en vanlig industrimaskin står det en operatör som undermedvetet bevakar maskinen. Utan automatisk driftövervakning är en växellåda i ett vindkraftverk helt obevakad. Ett driftövervakningssystem kan analysera till exempel varvtal, vibrationer och värme. Resultatet från intervjuer, rapporter och data visar klart och tydligt vilken positiv betydelse driftövervakning har. I de fall där driftövervakningen har varit automatisk och utbildad person har tagit del av informationen har överlag rätt beslut tagits och förhindrat vidare skador. Det uppträder dock fall där driftsystemet har varnat men beslutet har varit att fortsätta driften, vilket har orsakat totalhaveri. Rätt utbildning för att tolka driftövervakningssystemet är oerhört viktigt. Det finns vindkraftverk utan övervakningssystem, vilket kan leda till att växellådan får fler följdskador innan fel upptäcks. Olika områden måste kontrolleras vid driftövervakning: vibrationer, stötimpulser, värme, partikelräknare, vindmätning etc. Dock har metodernas effektivitet inte omfattats i denna förstudie. 34

43 8 Slutsatser 8.1 Livslängd på växellådor Figur 5 visar de orsaker till problem med växellådor som vindkraftsaktörer uppmärksammat. Enligt vår uppfattning kan problemen ordnas i fem huvudkategorier, här ordnade efter betydelse: 1. Växellådsdesign 2. Överbelastning 3. Smörjsystem 4. Uppriktning i växellådan 5. Operatörstrategier Designen är av fundamental betydelse och grunden till en bra växellåda. Överbelastningarna sker på grund av felkonstruktion och underdimensionering av växellådan. Det skapar problem med axlar som böjs och lager som överbelastas, vilket förorenar oljan. Det har ingen betydelse hur bra smörjsystem man har om det hela tiden kommer nya föroreningar på grund av dålig design. Finns det synliga spån i filter eller magnetpluggar är det något allvarligt fel, oavsett om det är under inkörningsperioden eller senare i drift. Smörjsystemen är inte anpassade för kallstarter i kallt klimat. Systemen tillåter för låg arbetstemperatur för att det ska vara rimligt för att lagren ska få rätt smörjning, vilket leder till att lager på utgående axel är överrepresenterade i haverirapporterna. Det ska tilläggas att dessa växellådor följer certifieringsstandarder vilket betyder att certifieringarna måste optimeras för kallt klimat. En viktig parameter är ett mycket lågt ingående varvtal som man behöver växla upp cirka gånger. Att kompromissa genom att ge samma växellådsolja till alla lager och kuggar i växellådan påverkar de komponenter som har högst varvtal negativt. Separata oljor till olika axlar och lager kan vara en lösning i framtiden, men samtidigt måste växellådans vikt hållas minimal. 8.2 Åtgärder för längre livslängd Ägarens möjligheter att förlänga livstiden på befintlig installerad växellåda kan sammanfattas i dessa punkter: Optimera smörjsystem och kallstarter (temperatur, filtrering, olja, startprocedur) Driftövervakning (temperatur, vibrationer, varvtal, vind) Servicekontroller (uppriktning, förorening, slitage) Förebyggande underhåll (felorsaker) Vid reparation byter man utsatta delar mot nya optimerade komponenter istället för standardkomponenter (lager, kuggar). 35

44 Ägaren är till viss del begränsad till åtgärder som är möjliga inom växellådans design. För att utföra ytterligare ändringar kan det vara nödvändigt att demontera och justera växellådan. En statuskontroll, där växellådan inspekteras, bör utföras före övertagandet av vindkraftverket och före garantiperiodens slut. Kallstarter är ett problem som går att förbättra med olika åtgärder. Det går att optimera rutiner vid kallstart t.ex. reducera varvtalet och anpassad lasten innan växellådan har uppnått rätt arbetstemperatur. Annars är risken att rullarna i lagret glider mot rullbanan istället för att rulla. Vid konstruktionen av växellådan måste lagerstorleken och typen anpassas till den minsta driftlasten i växellådan för att motverka glidning i lagret. Glidningseffekten påverkas av följande: Lagerdesign och storlek Hastighet Acceleration Förändringshastigheten från obelastat till belastat tillstånd Oljans faktorer, kvantitet, viskositet, temperatur och tillsatser Här finns det möjlighet att optimera driften och ersätta vissa komponenter med nya som är anpassade för kallt klimat. Det finns nya lagertyper som är utvecklade för att förhindra glidning vid kallare klimat t.ex. tube roller bearings från FAG [20]. Driftövervakningen är viktig och direkt avgörande för att kunna bedöma växellådans status. Förstudien har visat många fall där övervakningen har hindrat stora haverier och istället isolerat skadan. Utan driftövervakning bedöms statusen på växellådan oftast vid respektive servicetillfälle. Det är riskabelt att vänta så länge mellan kontrollerna. För att kunna förlänga livstiden utanför den befintliga fysiska ramen måste växellådan modifieras fysiskt. Ibland går det att optimera en växellåda genom optimering av lagerlägen, kuggar eller nya lager, vid en reparation eller renovering. Utvecklingen går hela tiden framåt och under den tid som växellådan är i drift sker förbättringar. Sådana kan implementeras senare vid en reparation eller renovering av växellådan. Det grundläggande är att leverantören gör en ny design och utvecklar växellådan efter de problem som uppstår på äldre växellådor. Ett praktiskt exempel på optimering är när växellådor med två utgångar, kW, ersätts med en växellåda utan 300kW, se tabell 8. Om det sker överbelastningar i växellådan beror det på felaktig design. Tillverkaren måste då ta mer hänsyn till de ingående dynamiska krafterna. Tillverkare av växellådor har avancerade verktyg och analyseringsmetoder, men ändå visar förundersökningen många fall där kuggar har varit överbelastade med följd att kuggar bryts av och orsakar stora följdfel. En återkoppling från ägaren till tillverkaren är nödvändig för att uppdatera indata till befintliga beräkningsmetoder och analysverktyg. Enligt intervju med Thomas Stalin från Vattenfall AB uppstår det problem när växellådstillverkaren får otillräcklig information från vindkraftsleverantören på grund av bland annat garantitvister. 36

45 8.3 Aktuella praktiska problem Några praktiska problem som förekommer idag: Kallt klimat (temperaturstyrning, snö och is) Driftövervakning (planethjulen) Tillgänglighet (växellåda) Historik (databas) När man bygger vindkraftverk måste man ta hänsyn till var den ska installeras. Klimatet påverkar vindkraftverket olika beroende på om det installeras i kallt klimat eller varmt klimat. Förstudien visar att antalet haverier, som orsakats av planetväxeln, är relativt få. Det innebär att vindkraftverk på land som har en växellåda med en planetväxel inte visar något stort behov av att förbättra övervakningen av planethjulen. Däremot kan växellådor till 3-5MW vindkraftverk med dubbla planetväxlar vara ett aktuellt område, speciellt offshore. I dessa råder ett större behov av att hitta en bättre lösning för övervakningen av planethjulen. Tillgängligheten till växellådan är begränsad uppe i maskinhuset, vilket kan medföra att man måste montera ner växellådan vid reparation av HS-axeln. Vid mindre växellådor (<3MW) kan det gå att lyfta ur parallellstegen uppe i nacellen, HS- och HSI-axeln. Dock kan det vara svårt att upprätthålla en ren monteringsmiljö som inte tillför några föroreningar inne i växellådan. Därför kan det vara bättre att utföra reparationerna i en kontrollerad verkstadsmiljö. 8.4 Rimlig livslängd på en växellåda Data och analyser visar på en erfarenhetsmässig livslängd för växellådan på 8-10 år. Dock bör det påpekas att reparationer av växellådan på utgående axel är mer regel än undantag under dessa 8-10 år. Utsatta delar i växellådan är speciellt HS NR-lager och HS R-lager. För att kunna upprätta en rättvisande kalkyl för inköp av vindkraftverk bör man därför räkna med att renovera befintlig växellåda eller köpa en ny växellåda under verkets livstid. Att utveckla en växellåda med längre verklig livstid är en utmaning som kantas av krav på: låg vikt, storlek och hårt arbetsklimat. Bättre återkoppling och analys av indata till växellådor krävs för att kunna säkerhetsställa en längre livstid. Återkopplingen är oerhört viktig för att tillverkare och leverantörer ska kunna förbättra och optimera växellådan efter verkliga resultat. För att kunna räkna fram en kostnadseffektiv växellåda behöver man tillgång till alla kostnader och beräkningar. Detta har inte varit möjligt i denna förstudie utan måste utredas vidare i nära samarbete med en öppen leverantör. 37

46 8.5 Rekommendationer I ett fortsatt projekt vore det intressant att jämföra växellådor som har varit i drift i kallt klimat med sådana i varmare klimat. Är det någon skillnad på felfrekvensen och vad kan det bero på? En annan intressant jämförelse vore mellan vindkraftverk som har varit i drift på land och vindkraftverk till havs. Planethjulen i en växellåda har varit föremål för diskussion vid övervakningsfrågor. Det beror på att planethjulens lager omges av kuggar från alla håll, vilket innebär en svårtydlig mätsignal som måste tolkas genom övervakning av den yttre kuggkransen som omger planethjulen. Detta medför en osäkerhet och en svårbedömd situation när inte kontakten till mätpunkten är störningsfri. Är haverier av planethjulen stokastiska (slumpmässiga) eller uppfattas situationen på detta vis på grund av otillräckliga trendanalyser och bristfällig dokumentation? Området är idag en punkt som borde undersökas och klargöras för att säkra eventuella brister i framtiden. Vid större vindkraftverk, 3MW och större, blir det ännu viktigare, då dessa har två planetsteg i växellådan. Något som inte ingått i förstudien är hur beräkningarna för dimensionering av växellådan ser ut. Vilka säkerhetsfaktorer används och hur ser utvecklingen ut över tid? Det är dock svårt att få tillgång till sådana beräkningar från leverantörer. Förstudien visar att resultatet av dessa beräkningar inte är tillfredsställande med avseende på en lång förväntad livslängd. 38

47 9 Referenser [1] Driftuppföljning Vindkraft. Driftuppföljning Vindkraft Sammanställning av tidigare 13 rapporter. [Online] den 8 Februari [2] ISO, Wind Turbines, part 4. Design and specification of gearboxes [3] Aktörer. EWEC Europe s premier wind energy event. Warzawa : El-Thalji, Idriss, den April [4] Vestas. Vestas Wind. V MW. [Online] den 23 Februari [5] Vestas, Wind Systems A/S. [6] Svensk Vindenergi. Svensk Vindenergi - Regeringens Energiuppgörelse. [Online] den 3 Juni [7] Bradley, Bill. Gear Technology Magazine. An International Wind Turbine Gearbox Standard. [Online] den 3 Februari [8] Dinnes, Hans-Peter. ESS KISSsoft GmbH. Wind turbine gearbox certification. [Online] den 3 Februari [9] SKF Manual Beräkningar Linnèuniversitetet. Växjö : u.n., [10] Ritning från växellådstillverkare. Sekretessbelagd information om tillverkare. [11] Budynas, R. G. and J. K. Nisbett (2008). Shigley's mechanical engineering design, McGraw-Hill. Pitch linjehastighet, lägsta växlad fot per minut (FPM) = 0,262 x hastighet (drevets rpm) x drevets diameter (inches). [12] Vindkraftsleverantör, 2 MW Växellåda. Temperaturstyrning av växellådans oljesystem Sekretessbelagd information om tillverkare. [13] Preem, Petroleum AB. Meropa 320. [Online] a27cf/543646ec5db12aafc125783b006ca48e/$file/viskdiagram_meropa_320.doc [14] Polak, Sandy. Neale Consulting Engineers Ltd. Gearbox and Gear System problems. [Online] den 6 April [15] Machinery Lubrication. How to Analyze Gear Failures. [Online] den 28 Februari [16] Neale Consulting Engineers Ltd. Gearbox & Gear System problems. [Online] den 6 April [17] Tillverkare och haverikonsulter. 16 Haverirapporter Sekretessbelagd information om tillverkare. [18] Rapporter, från en vindkraftspark. Sverige Sekretessbelagd information. [19] Utdrag. Haverirapport från tillverkare Sekretessbelagd information om tillverkare. 39

48 [20] FAG, Industrial Services GmbH. Schaeffler Group Wind Energy FAG Tube Roller Bearing. [Online] den 02 November mmunication/press/husumwindenergy2010/schaeffler_husumwindenergy201 0_Press_Kit.pdf 40

49 Bilaga 1: Växellådans uppbyggnad 1

50 2

51 3

52 4