Växellådshaverier på landbaserade vindkraftverk

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

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

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

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 1300-1800rpm 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.

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.

Innehåll 1 Introduktion 1 2 Metod 2 3 Teknisk beskrivning av växellådans funktion 3 4 Växellådor till vindkraftverk i Sverige 5 4.1 Vindkraftverk klassificerade efter vindturbintillverkare... 5 4.2 Vindkraftverk klassificerade efter vindturbineffekt... 5 4.3 Prognoser och trender... 6 5 System och orsaksanalys 8 5.1 Standarder för växellådor... 8 5.2 Hypoteser från aktörer möjliga felorsaker... 8 5.3 Svensk felstatistik... 9 5.3.1 Orsakerna till driftstopp... 11 5.3.2 Statistik över reparationstider... 11 5.3.3 Kommentar om databasen... 13 5.4 Detaljerad orsaksanalys... 13 5.4.1 Fel på grund av drift- och övervakningsscenarier... 13 5.4.2 Fel på grund av smörjsystemets design... 14 5.4.3 Fel på grund av smörjsystemets funktioner... 16 5.4.4 Problem med oljeföroreningar... 18 5.4.5 Problem med oljans nedbrytning... 18 5.4.6 Fel på grund av dålig uppriktning... 19 5.4.7 Failure mode and effects analysis (FMEA)... 20 5.5 Exempel på livslängd och tillförlitlighet... 25 5.6 Kritiska synpunkter... 26 6 Upphandling 29 6.1 Branschens olika roller... 29 6.2 Teknisk kravspecifikation... 30 6.2.1 Kallt klimat... 30 6.2.2 Montering och installation i vindkraftverket... 30 6.3 Garanti... 30 6.3.1 Efter garanti... 31 6.3.2 Ny växellåda eller renovera befintlig vid haveri... 32 7 Förbättringsstrategier 33 7.1 Nya strategier... 33 7.2 Förebyggande underhåll... 33 7.3 Föroreningskontroll... 34 7.4 Övervakning... 34 8 Slutsatser 35 8.1 Livslängd på växellådor... 35 8.2 Åtgärder för längre livslängd... 35 8.3 Aktuella praktiska problem... 37 8.4 Rimlig livslängd på en växellåda... 37 8.5 Rekommendationer... 38 9 Referenser 39

Bilaga 1: Växellådans uppbyggnad 1

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 100 000 och 1 000 000 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

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 81400-4 [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

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 1200-1500rpm. Växellådans uppgift är att öka varvtalet cirka 75-100 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

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 1300-1800rpm. 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

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, 1997-2009 [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 500-999kW och ett mindre antal vindkraftverk på 2-3MW. 5

Figur 4: Vindkraftverk klassificerade efter vindturbineffekt, 1997-2009 [1]. 4.3 Prognoser och trender Enligt uppskattning från Svensk Vindenergi [6] förväntas det finnas ca 4 000 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 2007. 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

Tabell 1: Årligen nyinstallerade vindkraftverk [1]. 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 A kw A kw A kw A kw A kw A kw A kw 8 500 14 500 1 500 8 600 9 600 8 600 5 600 25 600 48 600 16 600 26 660 7 660 2 660 3 750 16 660 26 660 2 750 1 750 1 750 37 850 3 750 6 750 1 850 11 850 28 850 2 900 6 1500 2 1000 10 900 6 1500 1 1000 3 1500 1 1000 5 1500 4 1500 3 2000 1 2000 2004 2005 2006 2007 2008 2009 A kw A kw A kw A kw A kw A kw 4 600 2 750 7 800 23 800 13 800 12 800 2 750 11 800 1 850 1 850 7 850 2 850 15 850 12 850 6 1500/400 1 1000 1 900 1 1000 7 900 7 1500 3 2000 2 1800 2 1000 4 1500 7 1500 5 2000 20 2000 1 1750 1 1750 5 2000 2 2000/1000 1 1800 8 1800 A= Antal installerade vindkraftverk, kw= Effekten 48 2300 12 2000 61 2000 1 3000 11 2300 1 2300 16 2500 5 3000 7

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

Figur 5: Orsaker till växellådshaverier enligt vindkraftverksaktörer [3]. 5.3 Svensk felstatistik En översyn av alla växellådsfel i de svenska vindparkerna 1997-1999 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 2004. Enligt figur 7 utgör lager den mest kritiska komponenten under perioden 1997 till 2004. Under denna tidsperiod byggdes det flest 850kW vindkraftverk. 9

Figur 6: Felfrekvens för växellådans komponenter, 1997-1999 [1]. Figur 7: Felfrekvens för växellådans komponenter, 1997-2004 [1]. 10

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. 5.3.1 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, 1997-2004 [1]. 5.3.2 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 1997-1999. 11

Figur 9: Ledtider för haverier, 1997-1999 [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, 1997-1999 [1]. Figur 11: Ledtider för lindriga fel, 1997-1999 [1]. 12

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. 5.3.3 Kommentar om databasen Flera förändringar inom det svenska felrapportsystemet Vindstat har ägt rum de senaste 13 åren. Den första insamlingen av data 1997-1999 visar frekvens och driftstopp utan att specificera de komponenter som ingår i växellådan. I den andra insamlingen, 2000-2004, 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 2004. 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. 5.4.1 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

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

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 (1300-1800rpm) 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

Tabell 2: Några detaljerade skillnader inom växellådan [9]. Planetväxel Första Kuggväxeln Andra Kuggväxeln Önskvärt varv/min 30-80 200-300 1300-1800 Pitch linjehastighet [11] (m/s) 5-10 10-15 20-25 Önskvärd viskositet för kugghjul 320 220 100 (mm²/s) Önskvärd viskositet för lager (mm²/s) 220 100 10-20 5.4.3 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 10 000mm²/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 14. 16

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

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. 5.4.4 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. 5.4.5 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