풍력 발전소의 베어링 선택 및 계산

풍력 발전소의 베어링에 대한 요구 사항은 매우 높습니다. 따라서 베어링 선택 및 수명 계산 절차는 다른 응용 분야에서 베어링을 선택하는 것과 근본적으로 다릅니다.

산업용 베어링을 선택할 때 설계 엔지니어는 정의된 베어링 위치에 대한 베어링을 비교적 쉽게 선택할 수 있으므로 작업 필요한 경우 공급업체와 함께 회전 속도 및 토크, 반경 방향 및 축 방향 하중, 필요한 강성 및 예압 또는 클리어런스와 같은 매개변수를 기반으로 결정합니다. NSK와 같은 완전한 공급업체가 제공하는 광범위한 제품은 비정상적인 적용이나 특수한 작동 조건에서도 올바른 베어링을 항상 사용할 수 있음을 의미합니다. 그렇지 않은 경우 특수 맞춤형 베어링을 사용할 수도 있습니다.

정확한 요구사항
풍력 기술에서 베어링 선택에 이르는 절차는 기본적으로 베어링 수명이라는 단일 매개변수 때문에 근본적으로 다릅니다. 풍력 발전소 및 해당 발전소용 기어 제조업체는 베어링에 대해 20년(즉, 175,000시간)의 베어링 수명을 요구합니다. 이것은 이미 극단적인 값이지만 모든 요구 사항을 다루지는 않습니다. 또한 베어링에 작용하는 외부 하중은 바람으로 인해 매우 동적(즉, 불규칙)하다는 점을 고려해야 합니다. 더 자주 사용되는 해양 시설의 열악한 환경 조건은 또 다른 요인입니다. 바다 공기는 부식성이 강합니다. 발전기 설비의 경우 전기 부식도 고려해야 합니다. 마지막으로 풍력 발전 단지 운영자가 사용할 수 있는 서비스 옵션은 극도로 제한되어 있으며 베어링에 예정되지 않은 가동 중지 시간은 상당한 비용을 초래합니다.

평생 계산의 중요성
이러한 유형의 베어링의 수명을 계산하는 것만으로도 상당한 수준의 전문 지식이 필요합니다. 이것이 풍력 발전소용 베어링을 선택하는 것이 다른 사용 영역보다 복잡한 이유입니다. 수많은 매개변수를 고려해야 합니다. 애플리케이션 컨텍스트에서 베어링 하중과 회전 속도 외에도 설계 엔지니어는 베어링이 배치될 구조(예:샤프트 및 하우징의 구성, 재료 및 공차)를 고려해야 합니다.

이 데이터를 기반으로 먼저 기존의 표준화된 계산이 카탈로그 방법으로도 알려진 DIN ISO 281에 따라 이루어집니다. 매개변수는 베어링 하중, 회전 속도, 하중 용량 및 베어링 유형입니다. 추가 계산에서 오일의 온도, 윤활 및 순도와 같은 매개변수도 고려됩니다.

표준에서 요구하는 것보다 더 높은 정밀도
DIN ISO 281의 부록 4는 수정된 기준 수명을 계산하기 위한 기초로 단순화된 베어링 형상을 가정합니다. 대부분의 경우 이러한 종류의 계산이 적절합니다. 그러나 풍력 산업에서는 보다 정확한 값이 선호됩니다. NSK는 이를 위해 STIFF 소프트웨어를 개발했습니다. 베어링 수명을 계산할 때 STIFF는 정확한 내부 형상, 주행 간극 및 예압, 샤프트 베어링 시스템의 변형, 구름 요소와 베어링 궤도 사이의 하중 영역 및 하중 분포도 고려합니다.

이 모델에서 롤링 요소는 조각으로 나뉩니다. 개별 수정 참조 베어링 수명은 모든 슬라이스에 대해 결정됩니다. 총 베어링 수명에 대한 보다 현실적인 표시는 각 하중 케이스에 대한 시간 비율을 기반으로 합니다.

타겟 디자인 최적화
베어링 수명의 빠르고 정확한 계산 외에도 STIFF 소프트웨어를 사용하면 단기 버전 분석을 수행하여 기존 설계를 최적화할 수 있습니다. 또한 베어링의 특수 조정을 신속하게 테스트할 수 있습니다. 이 특별한 이점은 자주 활용됩니다. 맞춤형 베어링은 정확한 요구 사항 때문에 풍력 기술에서 종종 사용됩니다. 또한 강성 예측, 효율성 손실 추정 및 작동 안전성 조사는 베어링을 선택할 때 NSK Wind Energy 단위에서 추구하는 계산 목표의 일부입니다.

최우선 엔지니어링:고객과의 긴밀한 협력
이 영역에서 고려해야 하는 데이터의 양과 까다로운 베어링 수명 요구 사항을 감안할 때 이러한 프로젝트가 항상 고객과 긴밀한 협력 하에 실행된다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 엔지니어링과 함께 테스트도 중요한 역할을 합니다. NSK는 동적 하중과 동작을 시뮬레이션할 수 있는 베어링 테스트 장비를 설계했습니다. 여기에는 예를 들어 로터 부하에서 동적 힘과 모멘트를 가할 수 있는 대형 베어링 테스트 장비와 빠르게 회전하는 롤러 베어링에 대한 가속 및 감속 및 제동 절차를 시뮬레이션하기 위한 테스트 장비가 포함됩니다.

풍력 발전 기술을 위한 Super-TF 기술
베어링 설계 선택 외에도 재료 선택도 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 불리한 조건과 동적 하중에서 175,000시간의 베어링 수명은 특수 재료를 사용해야만 달성할 수 있습니다. 이것이 NSK가 극한의 작동 조건에 적합한 특수 재료를 개발하기 위해 다년간의 재료 전문 지식을 활용한 이유입니다. 그러한 개발 중 하나는 Super-TF 기술입니다. 이 기술은 특수 열처리 기술과 결합된 고순도 베어링 강을 사용하여 최적화된 잔류 오스테나이트 함량을 보장합니다. 이 재료는 베어링을 관통하는 모든 이물질이 기존 강철보다 재료에 더 적은 응력을 생성하도록 합니다. 그 결과 불순물에 의한 손상이 덜 발생합니다.

이 재질로 만들어지고 깨끗한 윤활제와 함께 사용되는 베어링은 수명이 약 2배입니다. Super-TF 기술은 풍력 기술에서 가장 많이 사용되는 베어링 유형 중 하나인 원통형 롤러 베어링과 테이퍼 및 구면 롤러 베어링과 같은 광범위한 베어링 유형에 사용할 수 있습니다.

다양한 유형의 베어링
메가와트 및 멀티 메가와트급의 현대식 풍력 발전소에서 다단 유성 기어 및 차동 기어는 주로 주 동력 전달 장치의 필요한 속도 감소를 제공합니다. 이 경우 설계 엔지니어는 적절한 베어링 유형뿐만 아니라 베어링 배열 유형도 결정해야 합니다. 고정 및 자유단 베어링이 있는 베어링 어셈블리, 조정 베어링 어셈블리 또는 부동 베어링 어셈블리를 사용할 수 있습니다.

모든 베어링 유형에는 특정 장점과 단점이 있습니다. 따라서 특히 축 방향에서 샤프트의 정확한 안내를 허용하는 조정된 베어링 어셈블리는 상호 장력의 위험이 있습니다. 따라서 축 방향 힘이 반경 방향 힘과 함께 적어도 한 방향으로 수용될 수 있도록 하는 테이퍼 롤러 베어링과 같은 베어링 어셈블리 유형을 여기에서 선택해야 합니다. 샤프트가 특정 거리만큼 축 방향으로 이동할 수 있는 부동 베어링 어셈블리에도 동일하게 적용됩니다. 고정 및 부동 베어링 어셈블리는 예를 들어 플래닛 캐리어 및 플래닛 휠용 베어링 설계에 사용됩니다.

메인 기어를 위한 새로운 디자인
더 높은 성능과 해양 시설에 대한 추세 외에도 새로운 드라이브 및 기어 설계는 설계 엔지니어에게 새로운 도전 과제를 안겨줍니다. NSK는 풍력 발전소 및 구동 부품 제조업체와 긴밀하게 협력하고 있습니다. 목표는 시장을 위한 새로운 설계(예:풍력 터빈의 효율성을 높이거나 나셀의 무게를 줄이는 것)를 신속하게 개발하고 사용자에게 경쟁 우위를 제공하는 것입니다. NSK는 풍력 산업을 위한 베어링 개발 분야에서 20년 이상의 경험을 갖고 있다는 장점이 있으며, 이는 풍력 부문 외부의 베어링 사용자에게도 혜택을 줍니다.

NSK 제품 및 서비스에 대한 자세한 내용은 www.nsk.com을 참조하십시오.