Enhanced test strategy of pitch bearing based on detailed motion profile

Abstract

Modern horizontal axis wind turbines exclusively use pitch regulation to effectively control rotational speed and power production. This is generally achieved by controlling the angle of blades during operation. Pitch bearings which allow the rotation between blades and hub are subjected to high bending moments whilst oscillating at low speeds and small oscillation amplitudes. The oscillating nature means that the bearing’s grease is likely to be squeezed out of the raceway/rolling element contacts leading to a breakdown of the lubricant film that separates the bearing components. Such harsh operating conditions may accelerate oscillation wear damage while still maintaining rolling contact fatigue damage as one of the basic failure modes. Pitch bearing test methodology during the turbine development stage is yet to be standardized. However, many past endurance test attempts have focused more on rolling contact fatigue failure under a single constant oscillation amplitude and test load condition. This study suggests an enhancing pitch bearing test strategy that brings the detailed pitch bearing motion profiles over various turbine operating scenarios into a controlled test environment for a more robust pitch bearing test. The suggested process can be utilized for any turbine, however as a demonstration, this article presents how the suggested methodology is applied to a 7 MW wind turbine acquired by ORE Catapult for research and demonstration purposes.

Zusammenfassung

Moderne Windkraftanlagen mit horizontaler Achse verwenden ausschließlich die Pitch-Regulierung, um die Drehzahl und die Stromerzeugung effektiv zu steuern. Dies wird im Allgemeinen durch Steuern des Schaufelwinkels während des Betriebs erreicht. Gleitlager, die die Drehung zwischen Schaufeln und Nabe ermöglichen, sind hohen Biegemomenten ausgesetzt, während sie bei niedrigen Geschwindigkeiten und kleinen Schwingungsamplituden schwingen. Die oszillierende Natur bedeutet, dass das Fett des Lagers wahrscheinlich aus den Kontakten zwischen Laufbahn und Wälzkörper herausgedrückt wird, was zu einem Zusammenbruch des Schmierfilms führt, der die Lagerkomponenten trennt. Solche rauen Betriebsbedingungen können den Oszillationsverschleißschaden beschleunigen, während der Rollkontaktermüdungsschaden als einer der grundlegenden Fehlermodi beibehalten wird. Die Prüfmethode für Pitch-Lager während der Turbinenentwicklungsphase muss noch standardisiert werden. Viele vergangene Dauertestversuche haben sich jedoch mehr auf das Versagen der Rollkontaktermüdung unter einer einzigen konstanten Schwingungsamplitude und Testlastbedingung konzentriert. Diese Studie schlägt eine verbesserte Strategie für Pitch-Lager-Tests vor, die die detaillierten Pitch-Lager-Bewegungsprofile über verschiedene Turbinenbetriebsszenarien in eine kontrollierte Testumgebung für einen robusteren Pitch-Lager-Test bringt. Das vorgeschlagene Verfahren kann für jede Turbine verwendet werden. In diesem Artikel wird jedoch als Demonstration dargestellt, wie die vorgeschlagene Methodik auf eine 7-MW-Windkraftanlage angewendet wird, die von ORE Catapult zu Forschungs- und Demonstrationszwecken erworben wurde.