Plăcuță de frână pentru turbină eoliană: tot ce trebuie să știți despre selecție, performanță și întreținere

De ce plăcuțele de frână pentru turbinele eoliene nu seamănă cu nimic cu plăcuțele de frână pentru mașini

O plăcuță de frână pentru aplicații de turbine eoliene este o componentă de frecare foarte proiectată, proiectată să funcționeze în condiții care sunt fundamental diferite - și mult mai solicitante - decât cele găsite în sistemele de frânare ale mașinilor auto sau industriale. Plăcuțele de frână ale turbinei eoliene trebuie să se oprească în mod fiabil și să mențină un ansamblu rotor care poate cântări câteva tone și se poate învârti la o viteză de rotație semnificativă, într-un mediu expus la variații extreme de temperatură, umiditate ridicată, aer sărat și sarcini mecanice generate de evenimentele de oprire de urgență. Consecințele defecțiunii frânei la o turbină eoliană sunt catastrofale - un rotor necontrolat în condiții de vânt puternic poate distruge nacela, doborî turnul și poate crea pericole serioase de siguranță pentru personal și proprietatea înconjurătoare.

Spre deosebire de plăcuțele de frână pentru automobile care sunt proiectate pentru evenimente de frecare scurte repetate sub sarcini relativ previzibile, plăcuțele de frânare ale turbinelor eoliene trebuie să funcționeze în mod fiabil în două moduri de funcționare foarte diferite: frânare de menținere cu uzură redusă în stări normale de parcare sau întreținere și frânare de urgență de mare energie în timpul defecțiunilor rețelei, defecțiuni ale sistemului de control sau evenimente extreme de vânt. Materialul de frecare, designul plăcii de suport, compatibilitatea etrierului și cerințele de management termic pentru plăcuțele de frână ale turbinelor eoliene reflectă toate aceste cerințe unice, iar selectarea, instalarea și întreținerea plăcuțelor corecte este o responsabilitate critică pentru operatorii de turbine eoliene și echipele de întreținere.

Rolul sistemelor de frânare în siguranța turbinelor eoliene

Turbinele eoliene sunt echipate cu mai multe mecanisme independente de frânare ca parte a unei arhitecturi de siguranță stratificate cerute de standardele internaționale, inclusiv IEC 61400-1. Înțelegerea unde se încadrează plăcuțele de frână în acest sistem de frânare mai larg ajută la clarificarea cerințelor funcționale specifice aplicate materialului de frecare și designului plăcuțelor.

Sistemul de frânare principal de pe majoritatea turbinelor eoliene moderne cu axă orizontală este frânarea aerodinamică - împingerea palelor rotorului în poziția de slăbire pentru a elimina forța de antrenare aerodinamică și a permite rotorului să încetinească în mod natural. Frânarea aerodinamică este metoda normală de oprire în timpul opririlor planificate și este cea mai eficientă abordare din punct de vedere energetic, deoarece transformă energia cinetică înapoi în forță aerodinamică controlată, mai degrabă decât în ​​căldură. Cu toate acestea, frânarea aerodinamică singură nu poate opri complet rotorul sau îl ține staționar și poate fi indisponibilă în timpul defecțiunilor sistemului de pas sau defecțiunilor rețelei atunci când se pierde puterea hidraulică sau electrică a actuatoarelor de pas.

Sistemul de frânare mecanică - în care plăcuțele de frână ale turbinei eoliene își fac treaba - servește ca mecanism de oprire secundar și final. Este cuplat după ce frânarea aerodinamică a redus viteza rotorului la un nivel sigur pentru intervenția la frânarea mecanică sau ca frână de urgență atunci când frânarea aerodinamică nu este disponibilă. Frâna mecanică funcționează și ca frână de parcare, ținând rotorul staționar în timpul accesului la întreținere, înlocuirea componentelor și inspecțiile. În acest rol de frână de parcare, plăcuța de frânare a turbinei eoliene suferă sarcini de strângere statice susținute mai degrabă decât evenimente de frecare dinamice, ceea ce impune cerințe diferite asupra rezistenței la compresiune a materialului și rezistenței la fluaj și priză.

Tipuri de sisteme de frânare mecanică care folosesc plăcuțe de frână pentru turbine eoliene

Sistemele de frânare mecanică ale turbinelor eoliene sunt proiectate în jurul mai multor configurații diferite, fiecare necesitând plăcuțe de frână cu geometrii specifice, caracteristici de frecare și interfețe de montare. Cele mai comune modele de sisteme de frânare găsite în turbinele eoliene sunt:

Frâne cu disc cu arbore de mare viteză

Cea mai răspândită configurație de frână mecanică în turbinele eoliene cu angrenaje poziționează discul de frână pe arborele de mare viteză între ieșirea cutiei de viteze și intrarea generatorului. Frânarea pe arborele de mare viteză permite unui ansamblu de frână mai mic și mai ușor să genereze același cuplu de oprire la rotor pe care ar trebui să îl producă un ansamblu mult mai mare pe arborele principal de viteză mică - raportul de transmisie multiplică cuplul de frânare efectiv la rotor. Plăcuțele de frână ale arborelui de mare viteză funcționează la viteze de rotație mai mari și, prin urmare, trebuie să gestioneze generarea de căldură prin frecare mai eficient decât alternativele arborelui cu viteză mică. Etrierul de frână cu disc – hidraulic sau electromecanic – presează perechi de plăcuțe de frână ale turbinei eoliene pe ambele fețe ale discului rotativ pentru a genera forță de strângere și cuplu de frecare.

Frâne cu disc cu arbore principal de viteză mică

Turbinele eoliene cu antrenare directă — care elimină cutia de viteze prin conectarea directă a rotorului la un generator cu magnet permanent de diametru mare — necesită frânare direct pe arborele principal de viteză mică sau pe rotorul generatorului. Frânele cu arbore de viteză redusă trebuie să genereze un cuplu foarte mare la viteze de rotație mici, necesitând discuri de frână mai mari, forțe de strângere mai mari și plăcuțe de frână cu materiale cu coeficient de frecare ridicat care pot susține forțele normale ridicate fără uzură sau deformare excesivă. Tampoanele din aceste sisteme sunt de obicei mai mari ca suprafață decât plăcuțele arborelui de mare viteză și trebuie să mențină o performanță constantă de frecare la viteze mici de alunecare, unde unele materiale de frecare prezintă un comportament de alunecare.

Sisteme de frânare Yaw

Pe lângă frânarea rotorului, turbinele eoliene folosesc plăcuțe de frână în sistemul de rotire - mecanismul care rotește nacela pentru a înfrunta rotorul în vânt. Plăcuțele de frână de rotație aplică frecare de strângere la inelul de rotire din partea de sus a turnului pentru a menține nacela în poziție împotriva momentelor de rotire induse de vânt, când sistemul de antrenare nu se rotește activ. Plăcuțele de frână de orientare suferă în principal sarcini statice de reținere cu evenimente rare de frecare dinamică în timpul rotației nacelei. Cerințele materialelor subliniază coeficientul de frecare static ridicat, rezistența la alunecare, rata scăzută de uzură în serviciul de menținere statică și rezistența la coroziune din mediul turnului expus.

Compozițiile materialelor de frecare utilizate în plăcuțele de frână ale turbinelor eoliene

Materialul de frecare - compusul lipit de placa de suport care intră în contact cu discul de frână - este elementul cel mai critic din punct de vedere tehnic al unui plăcuță de frânare a turbinei eoliene . Compoziția materialului de frecare determină coeficientul de frecare, rata de uzură, stabilitatea termică, comportamentul la zgomot și compatibilitatea cu materialul discului de frână. Materialele de frecare a plăcuțelor de frână ale turbinei eoliene se împart în mai multe categorii, fiecare având caracteristici de performanță distincte:

Cerințe cheie de performanță pentru plăcuțele de frânare ale turbinelor eoliene

Plăcuțele de frână ale turbinelor eoliene trebuie să satisfacă un set exigent de cerințe de performanță care reflectă condițiile unice de funcționare și criticitatea de siguranță a sistemelor de frânare ale turbinelor eoliene. Următoarele cerințe sunt esențiale pentru orice specificație a plăcuțelor de frână pentru turbină eoliană:

• Coeficient de frecare stabil în intervalul de temperatură de funcționare: Coeficientul de frecare trebuie să rămână în intervalul specificat de la temperaturile ambiante reci – care pot scădea sub -30°C în parcurile eoliene cu climă nordică – până la temperaturile ridicate generate în timpul evenimentelor de frânare de urgență. Variabilitatea coeficientului de frecare afectează direct reproductibilitatea distanței de oprire și a cuplului de frânare, care sunt parametri critici pentru siguranță în proiectarea sistemului de control al turbinei.
• Capacitate termică adecvată pentru evenimente de frânare de urgență: O oprire de urgență de la viteza maximă de funcționare necesită ca frâna să absoarbă întreaga energie cinetică de rotație a ansamblului rotorului sub formă de căldură în disc și plăcuțe. Materialul de frecare trebuie să absoarbă această energie fără a-și depăși temperatura maximă de serviciu, ceea ce ar provoca degradarea materialului, decolorarea prin frecare sau crăparea plăcuțelor. Capacitatea termică este determinată de volumul plăcuței, conductivitatea termică a materialului de frecare și distribuția căldurii dintre plăcuță și disc.
• Rezistența la geam și pierderea prin frecare statică: În serviciul frânei de parcare, în care plăcuța este prinsă de disc sub sarcină statică pentru perioade lungi de timp fără alunecare, unele materiale de frecare dezvoltă un strat de suprafață vitrata care reduce coeficientul lor de frecare dinamică atunci când este necesară frânarea. Plăcuțele de frână ale turbinei eoliene trebuie să reziste la vitraj și să-și mențină performanța de frecare specificată după perioade lungi de reținere statică.
• Rezistenta la coroziune in medii exterioare: Turbinele eoliene funcționează în medii exterioare diverse și adesea dure - site-uri marine offshore, locații de coastă, climat tropical umed și climat nordic rece - toate acestea expun sistemul de frânare la umiditate, sare, cicluri de umiditate și temperaturi extreme. Materialele de frecare care conțin componente metalice trebuie să reziste la coroziune care ar modifica chimia suprafeței și ar compromite performanța de frecare.
• Durată lungă de viață pentru a minimiza intervalele de întreținere: Turbinele eoliene sunt de obicei situate în locații îndepărtate sau greu accesibile - pe munți, offshore sau în rețele mari de parcuri eoliene - unde accesul la întreținere este costisitor și consuma mult timp. Durata de viață a plăcuțelor de frână trebuie să fie suficientă pentru a se alinia cu intervalele de întreținere programate de 6-12 luni sau mai mult, minimizând numărul de evenimente de acces neprogramate necesare pentru înlocuirea plăcuțelor.
• Compatibilitate cu materialul discului: Materialul de frecare trebuie să fie compatibil cu materialul discului de frână - de obicei fontă cenușie, fontă ductilă sau oțel - pentru a atinge coeficientul de frecare specificat fără uzură excesivă a discului, fisurarea termică a suprafeței discului sau preluarea suprafeței care modifică comportamentul de frecare în timp. Perechea de frecare trebuie validată împreună ca sistem, nu doar individual.

Mecanisme de uzură a plăcuțelor de frână în aplicații cu turbine eoliene

Înțelegerea modului în care se uzează plăcuțele de frână ale turbinelor eoliene ajută echipele de întreținere să prezică intervalele de înlocuire, să identifice modele anormale de uzură care indică probleme ale sistemului și să optimizeze parametrii de funcționare care influențează durata de viață a plăcuțelor. Uzura plăcuțelor de frânare a turbinei eoliene are loc prin mai multe mecanisme distincte care pot acționa simultan sau pot domina în diferite faze de funcționare.

Uzură abrazivă

Uzura abrazivă apare atunci când particulele dure - fie din materialul de frecare în sine, de pe suprafața discului de frână, fie din cauza contaminarii mediului - zgârie și îndepărtează materialul de pe suprafața plăcuței în timpul contactului de alunecare. În aplicațiile cu turbine eoliene, uzura abrazivă este mecanismul principal de uzură în regim de echilibru în timpul evenimentelor normale de frânare. Rata de uzură de la abraziune este influențată de raportul de duritate dintre materialul de frecare și disc, de forța normală aplicată, de viteza de alunecare și de prezența particulelor abrazive dure în zona de contact. Menținerea finisajului adecvat al suprafeței discului și prevenirea contaminării ansamblului de frână cu nisip, nisip sau resturi metalice de la alte componente reduce rata de uzură abrazivă.

Degradarea termică

Când generarea de căldură prin frecare în timpul unui eveniment de frânare depășește capacitatea termică a materialului de frecare, componentele liantului organic din plăcuțele nemetalice se descompun, provocând o reducere bruscă a coeficientului de frecare cunoscută sub numele de fade și pierderea accelerată a materialului de pe suprafața plăcuțelor. Evenimentele repetate de degradare termică reduc progresiv grosimea efectivă și integritatea structurală a materialului de frecare. Materialele metalice sinterizate și de frecare din metalurgia pulberilor sunt semnificativ mai rezistente la degradarea termică decât materialele organice, făcându-le alegerea preferată pentru frânarea de urgență de mare energie în turbinele eoliene mari.

Uzură corozivă

În mediile turbinelor eoliene offshore și de coastă, umiditatea încărcată cu sare atacă componentele metalice din materialul de frecare și suprafața discului de frână. Produsele de coroziune de pe suprafața discului acționează ca abrazivi care accelerează uzura plăcuțelor atunci când este aplicată frânarea, iar coroziunea din placa de suport a plăcuțelor poate determina desprinderea materialului de frecare de pe suportul de oțel - un mod de defecțiune catastrofal. Specificarea materialelor de frecare cu formulări de rezistență la coroziune îmbunătățită și asigurarea etanșării adecvate a ansamblului etrierului de frână împotriva pătrunderii umezelii sunt strategiile principale de atenuare a uzurii corozive în aplicațiile în mediu dure.

Inspecția, înlocuirea și întreținerea plăcuțelor de frână ale turbinelor eoliene

Având în vedere natura critică pentru siguranță a sistemelor de frânare mecanică a turbinelor eoliene, inspecția și întreținerea plăcuțelor de frână trebuie efectuate sistematic în conformitate cu programul de întreținere al producătorului de turbine și cu recomandările furnizorului sistemului de frânare. Următoarele practici sunt esențiale pentru menținerea fiabilității sistemului de frânare pe toată durata de viață a turbinei.

• Măsurare regulată a grosimii: Grosimea plăcuțelor de frână este indicatorul principal de uzură și trebuie măsurată la fiecare vizită de întreținere programată. Majoritatea furnizorilor de plăcuțe de frână pentru turbine eoliene specifică o grosime minimă admisă a plăcuței - de obicei 5-8 mm de material de frecare deasupra plăcuței de suport - sub care plăcuța trebuie înlocuită. Măsurați grosimea plăcuței în mai multe puncte de pe suprafața plăcuței pentru a detecta uzura neuniformă care poate indica o aliniere greșită a etrierului sau o distribuție neuniformă a forței de strângere.
• Inspecție vizuală pentru fisurare, delaminare și geam: Inspectați suprafața de frecare pentru fisuri - care indică suprasolicitare termică - delaminarea materialului de frecare de pe placa de suport și geam - o suprafață netedă, lucioasă care indică faptul că materialul de frecare a fost supraîncălzit și liantul a migrat la suprafață. Oricare dintre aceste condiții necesită înlocuirea imediată a tamponului, indiferent de grosimea rămasă.
• Verificarea discului de frana: Inspectați suprafața discului de frână la fiecare înlocuire a plăcuțelor pentru uzură, fisuri de căldură (fisurare prin oboseală termică vizibilă ca o rețea de fisuri de suprafață), uzură excesivă și coroziune. Un disc foarte uzat sau crăpat la căldură va deteriora rapid noile plăcuțe de frână și este posibil să nu ofere o performanță constantă de frecare. Înlocuiți discurile care prezintă fisuri termice mai adânci decât crăpăturile superficiale ale suprafeței sau uzură caneluri mai adânci decât specificațiile de grosime minimă ale producătorului.
• Inspecție și lubrifiere etrier: Etrierul de frână trebuie să aplice o forță de strângere uniformă pe toată suprafața plăcuței pentru o uzură uniformă a plăcuțelor și un cuplu de frecare constant. Inspectați știfturile sau ghidajele de glisare ale etrierului pentru coroziune, blocare sau uzură care cauzează înclinarea etrierului în timpul aplicării frânei. Lubrifiați știfturile de ghidare a etrierului cu un lubrifiant rezistent la apă, la temperaturi ridicate, specificat pentru utilizarea sistemului de frânare — nu utilizați unsoare de uz general care poate contamina suprafețele de frecare.
• Procedura de așternut după înlocuire: Plăcuțele noi de frână trebuie să fie așezate după instalare pentru a stabili un contact complet între suprafața plăcuței noi și suprafața discului. Urmați procedura de fixare a frânelor specificată de OEM-ul turbinei sau furnizorul de frâne - de obicei o serie de aplicații controlate de frânare cu energie scăzută la sarcină în creștere progresivă - înainte de a readuce sistemul de frânare în funcțiune pentru serviciul de frânare de urgență. Omiterea procedurii de așternure duce la o performanță inițială redusă a frecării și modele inegale de uzură a plăcuțelor.
• Utilizați tampoane specificate de OEM sau echivalente certificate: Înlocuiți întotdeauna plăcuțele de frână ale turbinei eoliene cu componente specificate de OEM-ul turbinei sau cu produse care au fost certificate independent ca echivalente prin testare conform acelorași specificații de frecare și durabilitate. Utilizarea plăcuțelor de înlocuire necertificate pentru a reduce costurile este o economie falsă care riscă deficiența performanței sistemului de frânare și potențiale incidente de siguranță și poate anula certificarea și acoperirea de asigurare a turbinei.

Selectarea plăcuțelor de frână de schimb pentru turbinele eoliene: ce trebuie verificat

Atunci când se aprovizionează plăcuțe de frână de schimb pentru turbinele eoliene – fie prin canalul de service OEM sau de la furnizori terți de materiale de frecare – verificarea următoarelor criterii tehnice și de calitate protejează împotriva riscurilor semnificative de performanță insuficientă a sistemului de frânare în serviciul critic pentru siguranță:

• Date despre coeficientul de frecare pe întregul interval de temperatură: Solicitați date de testare care arată coeficientul de frecare în funcție de temperatură din condiții ambientale reci și până la temperatura maximă de serviciu așteptată, generate pe un aparat de testare a frecării standardizate, cum ar fi o mașină Chase sau un dinamometru la scară maximă. Verificați dacă coeficientul de frecare rămâne în specificațiile de proiectare ale sistemului de frânare în întreaga gamă — nu acceptați numai valorile nominale ale temperaturii camerei.
• Certificare de rezistență la compresiune și rezistență la forfecare: Materialul de frecare trebuie să reziste la sarcina de compresiune aplicată de pistonul etrierului fără deformare permanentă (setată), iar legătura dintre materialul de frecare și placa de suport trebuie să reziste forțelor tăietoare generate în timpul frânării cu energie înaltă fără delaminare. Solicitați de la furnizor datele testului de certificare pentru ambele proprietăți.
• Precizia dimensională și specificațiile plăcii de suport: Verificați dacă dimensiunile plăcuței de înlocuire - suprafața materialului de frecare, grosimea, materialul plăcii de suport, modelul de găuri și hardware - se potrivesc exact cu specificațiile OEM. Abaterile dimensionale afectează potrivirea etrierului, distribuția forței de strângere și compatibilitatea senzorului de uzură. Confirmați că placa de suport din oțel și tratamentul suprafeței îndeplinesc specificațiile OEM pentru protecția împotriva coroziunii.
• Certificarea managementului calitatii: Furnizorii de plăcuțe de frână pentru turbine eoliene critice pentru siguranță ar trebui să dețină cel puțin certificarea de management al calității ISO 9001, cu IATF 16949 sau standarde de calitate echivalente pentru automobile, de dorit pentru producătorii cu disciplina de producție pentru a îndeplini în mod constant specificațiile materialelor cu frecare strânsă. Confirmați că se menține trasabilitatea completă a lotului de la materia primă până la tamponul finit.