Sposób wykrywania uszkodzeń przekładni planetarnych turbin wiatrowych

Zespół:

Istota wynalazku

Wystarczy wybrać ulubioną stację radiową w telefonie komórkowym i chwila zastanowienia, aby podrapać się po głowie: jak to się dzieje, że wyświetlacz pokazuje około 100 mega Hertzów, a przecież wiemy, że słyszymy dźwięki tylko do 20 kilo Hertzów - częstotliwości tysiące razy mniejsze? Ten magiczny proces, zwany demodulacją jest procesem odwrotnym do modulacji, która ma miejsce, kiedy głos prezentera radiowego (również w zakresie do kilku kilo Hertzów) jest podawany na nadajnik radiowy. Zarówno dla odbiorcy, jak i dla prezentera, częstotliwość kanału radiowego służy tylko do wybrania stacji radiowej, lecz nie przekłada się na dźwięk słyszalny.

W swoim wynalazku, autorzy wykorzystali analizę modulacji sygnałów wywodzącą się z telekomunikacji do oceny stanu technicznego przekładni obiegowych w turbinach wiatrowych, ponieważ uszkodzenia tych części generują właśnie takie sygnały, tzw. sygnały zmodulowane. Badane przekładnie, ważące po kilkadziesiąt ton (tyle, co czołg), są jak gigantyczne przerzutki, które zamieniają powolne obroty łopat napędzanych wiatrem na sto razy szybsze obroty wału generatora. Z jednej strony przekładnia umożliwia produkcję prądu przez turbiny wiatrowe, z drugiej zaś jest jednym z jej najdroższych elementów. W turbinach wiatrowych takie przekładnie są stosowane głównie z dwóch powodów. Po pierwsze, oferują dużo lepszy stosunek masy do przełożenia niż typowe przekładnie równoległe, co pozwala zmniejszyć masę gondoli (miejsca, gdzie łopaty łączą się z wieżą) nawet o połowę. Po drugie, przekładnie obiegowe charakteryzują się dużą trwałością przy zmiennych obciążeniach, co jest niezbędne w przypadku turbin wiatrowych, które pracują tak, jak im zawieje wiatr.

Istotą wynalazku jest pionierska, trójwymiarowa mapa, która pokazuje bardzo szczegółowo, jak pracuje przekładnia obiegowa. Mapa zawiera oś czasu, położenia i intensywności energii sygnału drgań przypadającego na pracę zębów w danej chwili. W szczególności, mapa umożliwia wizualizację procesów modulacyjnych obecnych w sygnale drgań pochodzących od uszkodzeń przekładni, takich jak wykruszenie zęba, czy zużycie powierzchni ciernej. Aby skonstruować taką mapę należy zamontować czujnik drgań na obudowie przekładni i czujnik prędkości turbiny, zarejestrować sygnały oraz zebrać informacje o budowie przekładni od producenta. Nasz wynalazek mówi, w jaki sposób przetworzyć te dane, aby stworzyć mapę pracy przekładni.

Sercem metody jest algorytm, który polega na długotrwałym przedstawieniu energii odpowiednio przetworzonego sygnału drgań generowanego przez przekładnię obiegową w dziedzinie kąta bez uśredniania synchronicznego, które, jak dowiedli naukowcy, stanowiło główne ograniczenie dotychczas stosowanych metod. Wynalazek opiera się na odkryciu, że błędne założenie stałości cykli wielostopniowych modulacji było przyczyną utraty cennych informacji w dotychczas stosowanych metodach diagnozowania przekładni obiegowych.

Nasz wynalazek „Sposób wykrywania uszkodzeń przekładni planetarnych turbin wiatrowych" (nr UPRP P.396179), może być stosowany jako część każdego systemu monitorowania i diagnostyki turbin wiatrowych.

Korzyści z zastosowania wynalazku

Jak podaje czasopismo Wind Engineering, całkowity koszt wymiany przekładni planetarnej na turbinie wiatrowej może wynieść pół miliona Euro, co często przekracza jej roczny zysk. Zastosowanie wynalazku może pomóc znaleźć uszkodzenie na tyle wcześnie, aby można było je naprawić dużo mniejszym nakładem kosztów, wymieniając na przykład jedno łożysko. Dzięki temu, nie tylko oszczędza się na nowych częściach turbiny, ale również skraca się jej postój o kilka tygodni, a każda godzina pracy turbiny to zysk około 1000 zł. W przypadku dużych farm wiatrowych, podane liczby należy pomnożyć przynajmniej przez sto.

Drugą zaletą wynalazku jest zwiększenie bezpieczeństwa turbin wiatrowych. Gwałtowne uszkodzenie przekładni może spowodować uszkodzenie całej konstrukcji. Dzięki wczesnemu wykryciu uszkodzenia, możliwe jest uniknięcie niebezpiecznych awarii, jak ta w Rymanowie w ostatnich miesiącach, gdzie fragment turbiny spadł 200 metrów od masztu, w pobliżu drogi krajowej nr 28.

Potencjał komercjalizacyjny

Wynalazek naukowców może znaleźć praktyczne zastosowanie w monitorowaniu wszystkich typów maszyn z przekładniami obiegowymi. Jednak najważniejsza cechą wynalazku jest to, że umożliwia on ocenę stanu technicznego przekładni pracujących bardzo powoli w zmiennych warunkach eksploatacyjnych - właśnie takich, jak w turbinach wiatrowych. Wynalazek jest pionierską metodą w skali światowej.

Wynalazek naukowców z AGH żyje. Został wyróżniony przez Newsletter dla Przedsiębiorców AGH (grudzień 2012) i Gazetę Krakowską oraz doceniony przez innych badaczy, którzy powołują się na niego w swoich pracach. Ponadto, autorzy prezentowali wynalazek w programie TVP INFO Magazyn Akademicki (04.06.2013). Ważny dla naukowców jest również fakt, iż przedstawiciel jednego z największych światowych koncernów serwisujących turbiny wiatrowe, firmy Availon GmbH, wyraził zainteresowanie firmy prawem własności do wynalazku i prosił o materiały na jego temat.