W ostatnich latach można zaobserwować tendencję do zwiększania świadomości w zakresie globalnej ochrony środowiska, a także rosną oczekiwania wobec energetyki wiatrowej jako odnawialnego źródła energii. Chociaż turbina wiatrowa jest projektowana na 20 lat pracy, istnieje kilka trendów technologicznych poprawiających efektywność wytwarzania energii, takich jak większe jednostki i wdrażanie na morzu. W rezultacie problemem stała się złożoność i koszt wymiany części podczas konserwacji. W związku z tym wymagana jest-wysoka niezawodność łożysk instalowanych w turbinach wiatrowych1). Łożyska wału głównego turbiny wiatrowej przenoszą obciążenia zewnętrzne od sił wiatru oraz ciężaru łopat i układu napędowego (rys.1). Dlatego też łożyska baryłkowe, które mają wyższą nośność i większą tolerancję na błędy montażowe w porównaniu do innych typów łożysk, zostały wykorzystane w zastosowaniach na głównym wale turbin wiatrowych. Jednakże, uszkodzenia powierzchniowe, takie jak zużycie i łuszczenie, zostały potwierdzone jako główna przyczyna awarii łożysk baryłkowych wału głównego turbiny wiatrowej. Dlatego konieczne są środki zaradcze, które pozwolą skrócić-przestoje związane z wymianą podzespołów. Tym razem firma NSK opracowała i wprowadziła na rynek-wysokiej niezawodności łożysko baryłkowe do głównego wału turbiny wiatrowej, oferujące dużą nośność i doskonałą odporność na uszkodzenia powierzchni (rys.2)1).

Łożyska głównego wału turbiny wiatrowej muszą wytrzymywać zmienne obciążenia powodowane przez wiatr oraz ciężar łopat i układu napędowego. Ponieważ stosowane są duże obciążenia promieniowe i osiowe, wymagana jest bardzo duża nośność. Jednocześnie stosuje się je przy bardzo niskich prędkościach obrotowych, wynoszących około 10–20 min-1. Dlatego też przewiduje się, że w łożyskach głównego wału turbiny wiatrowej trudno będzie uzyskać wystarczające utworzenie filmu olejowego. Co więcej, głównym wyzwaniem związanym z łożyskiem baryłkowym jest to, że jego właściwa struktura umożliwia ślizganie się pomiędzy elementami tocznymi a powierzchniami bieżni pierścieniowej, co może prowadzić do szybkiego pogorszenia właściwości powierzchniowych w wyniku kontaktu metalu-z metalem. W rezultacie poważnym problemem jest podatność na uszkodzenia powierzchni, takie jak zużycie i łuszczenie2).

W tym nowo opracowanym produkcie zastosowano koszyk typu ECA-ze specjalnym kształtem kieszeni, który eliminuje potrzebę stosowania pierścienia prowadzącego. Konwencjonalnie standardowe łożyska baryłkowe (typ CA-, rys. 3) były wyposażone w pierścienie prowadzące do prowadzenia koszyka, nowo opracowane łożyska baryłkowe (typ ECA-, rys. 4) nie mają tych pierścieni prowadzących. Eliminuje to ślizganie się pomiędzy pierścieniem prowadzącym a klatką, redukując powstawanie metalicznych cząstek zużywających się. Ponadto poprzez optymalizację kształtu klatki słupki klatki zostały cieńsze, a jednocześnie zwiększono wytrzymałość klatki. W rezultacie zmieniono konstrukcję wewnętrzną łożyska, zwiększając rozmiar i liczbę elementów tocznych, co skutkuje wyższą nośnością i niższym naciskiem kontaktowym1).

Wiadomo, że uszkodzenia powierzchni powstają w wyniku wgnieceń spowodowanych ciałami obcymi w środowiskach, w których powstają zanieczyszczenia, takie jak cząstki metaliczne ulegające zużyciu. NSK opracowała technologię zmniejszającą koncentrację naprężeń powodowanych przez wgniecenia w obecności ciał obcych, poprzez optymalizację ilości austenitu szczątkowego. Ponadto w oparciu o tę technologię opracowano unikalną technologię obróbki materiału i cieplnej firmy NSK (Super-TF™), która zwiększa całkowitą ilość austenitu szczątkowego przy jednoczesnej poprawie twardości powierzchni poprzez dodanie odpowiedniej ilości pierwiastków węglikowych-(chromu, molibdenu) do stali, a następnie poddanie jej specjalnej obróbce cieplnej3). Dzięki zastosowaniu tej technologii w pierścieniach wewnętrznych i zewnętrznych tego nowo opracowanego produktu uzyskano lepszą odporność na zużycie powierzchni bieżni w porównaniu ze standardowymi łożyskami stalowymi-łożyskowymi-.

Elementy toczne są pokryte-powłoką DLC (diament-podobną-węgla) o wysokiej twardości i grubości kilku mikrometrów. W opracowanej specyfikacji produktu specjalna warstwowa struktura zapewnia zarówno przyczepność do materiału bazowego, jak i twardość powłoki, poprawiając tym samym trwałość powłoki (rys.6). Powłoka DLC zapobiega degradacji powierzchni spowodowanej kontaktem metalu pomiędzy elementami tocznymi a powierzchniami bieżni, gdy tworzenie się filmu olejowego jest niewystarczające. Przyczynia się to również do zmniejszenia wzrostu siły stycznej pomiędzy elementami tocznymi a powierzchnią bieżni. W rezultacie zużycie powierzchni bieżni zostanie zmniejszone do mniej niż jednej-jednej dziesiątej w porównaniu ze standardowymi-produktami niepowlekanymi.

NSK opracowała łożysko baryłkowe do głównego wału turbiny wiatrowej, które zapewnia wysoką-niezawodność i trwałość nawet przy niskiej prędkości obrotowej i warunkach dużego obciążenia. Osiągnięto to poprzez zmianę konstrukcji łożyska wewnętrznego za pomocą nowego typu koszyka oraz zastosowanie technologii materiałów, obróbki cieplnej i powlekania. Kluczową cechą tego nowego produktu jest to, że osiąga on około 1,3 razy dłuższą trwałość łożyska w porównaniu z konwencjonalnymi produktami standardowymi, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia do mniej niż jednej-dziesiątej. Sprzedaż tego produktu rozpoczęła się w czerwcu 2024 roku dla turbin wiatrowych w Ameryce Północnej. NSK będzie w dalszym ciągu rozwijać swoją działalność, głównie na rynku wtórnym, przyczyniając się do stabilnej pracy turbin wiatrowych w miarę ich powiększania się i przenoszenia na morzu.