Dynamic Analysis and Reliability Prediction of Wind Turbine Gearbox Under Uncertain Excitation Conditions

أصبحت طاقة الرياح حجر الزاوية في التحول العالمي نحو الطاقة النظيفة، حيث تنتشر التوربينات الضخمة على طول السواحل والسهول لالتقاط قوة الهواء غير المرئية. ومع ذلك، فإن الرياح شريك لا يمكن التنبؤ به؛ فهي تهب في هبات، وتغير اتجاهها، وتتفاوت قوتها من لحظة إلى أخرى. ويخلق هذا التباين تحديًا معقدًا للآلات التي تسخرها. فداخل كل توربين رياح يوجد قلب ميكانيكي حيوي: صندوق التروس (التروس). يعمل هذا التجميع الثقيل من التروس والأعمدة كمترجم، حيث يأخذ الدوران البطيء والقوي للشفرات الضخمة ويسرعه لتدوير مولد كهربائي. ولأن الرياح لا تهب أبدًا باستمرارية مثالية، يتعرض صندوق التروس باستمرار لأحمال متغيرة وقوى التوائية. وإذا أصبحت هذه القوى شديدة للغاية أو تذبذبت بشكل جامح، يمكن للمكونات المعدنية أن تتعرض للإجهاد، أو التصدع، أو الفشل، مما يؤدي إلى إصلاحات مكلفة وفقدان في إنتاج الطاقة. لطالما سعى المهندسون لتوقع متى وكيف قد تحدث حالات الفشل هذه بدقة، لكن القيام بذلك يتطلب فهمًا ليس فقط للآلة نفسها، بل أيضًا للطبيعة الفوضوية للرياح التي تحركها.

قام فريق من الباحثين من جامعات في تونس والسعودية بتطوير طريقة جديدة للنظر في هذه المشكلة من خلال ربط النقاط بين الظروف الجوية غير المستقرة والإجهاد الفيزيائي داخل صندوق التروس. وبدلاً من افتراض أن الرياح تهب بسرعة ثابتة يمكن التنبؤ بها، عاملوا الرياح كمتغير له نطاق خاص من الاحتمالات، مع التركيز بشكل خاص على عاملين رئيسيين: سرعة الرياح والزاوية التي تصطدم بها شفرات التوربين. وباستخدام نموذج حاسوبي مفصل لتوربين رياح بقدرة 1.5 ميجاوات، قاموا بمحاكاة كيفية ترجمة ظروف الرياح المتغيرة هذه إلى قوى التوائية، أو عزم دوران، على نظام نقل الحركة. كان هدفهم هو إيجاد المزيج المحدد من سرعة الرياح والزاوية الذي يدفع النظام إلى نقطة الانهيار، وهي عتبة تُعرف باسم "حالة الحد" (limit state). ومن خلال تحديد هذه الظروف الحرجة، تمكنوا بعد ذلك من دراسة كيفية سلوك صندوق التروس عندما يعمل عند حافة الأمان تمامًا.

وجد الباحثون أن الوضع الأكثر خطورة يحدث عندما تهب الرياح بسرعة تقارب 11 مترًا في الثانية وتصطدم بالشفرات بزاوية تبلغ حوالي 16 درجة. عند هذا المزيج المحدد، يدخل التوربين في منطقة حرجة يبدأ فيها تدفق الهواء بالانفصال عن الشفرات، وهي ظاهرة تُعرف باسم "الانهيار الديناميكي الهوائي" (aerodynamic stall). في هذه الحالة، تصبح القوى المؤثرة على الشفرات حساسة للغاية؛ حيث يمكن للتغيرات الطفيفة في سرعة الرياح أو اتجاهها أن تسبب تحولات كبيرة ومفاجئة في عزم الدوران المنقول إلى التروس. وحسبت الدراسة احتمالية وصول النظام إلى هذه الحالة الخطرة تحت افتراضات مختلفة حول سلوك الرياح. وفي السيناريو الأكثر حرجًا الذي اختبروه، كانت هناك فرصة تقارب 16 بالمائة أن يعمل التوربين في هذه المنطقة الخطرة، وهي نسبة انخفضت بشكل كبير عندما كانت ظروف الرياح أقل حدة. واستخدم الفريق ثلاثة مناهج رياضية مختلفة للتحقق من هذه الأرقام، واتفقت المناهج الثلاثة بشكل وثيق، مما منحهم الثقة في النتائج.

بمجرد تحديد ظروف الرياح الحرجة هذه، قام الباحثون بتغذيتها في نموذج ديناميكي لنظام نقل الحركة بأكمله لمعرفة ما يحدث فعليًا داخل الآلة. واكتشفوا أن طريقة استجابة التوربين لهذه الإجهادات تتغير أثناء الانتقال من الدوار (الروتور) إلى المولد. فالدوار الضخم وعمود السرعة المنخفضة المتصل به يمتلكان قدرًا كبيرًا من الوزن والقصور الذاتي، مما يجعلهما يعملان كعازل يخفف من الصدمات الأولية للرياح. ومع ذلك، عندما تنتقل الطاقة عبر صندوق التروس وصعودًا عبر الأعمدة نحو المولد، يتغير السلوك. تبدأ سرعة دوران عمود المولد في التذبذب بشكل أكثر وضوحًا، حيث ترتفع وتنخفض مع نقل التروس للقوى غير المنتظمة. وعلى العكس من ذلك، يصبح عزم الدوران، أو قوة الالتواء، أقل تباينًا أثناء انتقاله نحو المولد. وهذا يعني أنه بينما يدور المولد بشكل غير منتظم، فإن إجهاد الالتواء على الأعمدة يتم تخفيفه، وهو تفصيل مهم لفهم أين يمكن أن يتراكم التآكل والتهالك.

ولفهم الإيقاع الطبيعي للنظام، حلل الفريق أيضًا كيفية اهتزاز نظام نقل الحركة عندما يُترك ليعمل من تلقاء نفسه. ووجدوا أن المجموعة بأكملها لها خمس طرق متميزة للحركة أو الاهتزاز. إحدى هذه الطرق هي دوران صلب وبسيط حيث يدور كل شيء معًا، ولكن الطرق الأربع الأخرى هي أنماط مرنة حيث تلتوي أجزاء مختلفة من النظام ضد بعضها البعض عند ترددات محددة. وتتراوح هذه الترددات الطبيعية من حوالي 1.4 هرتز، وهي حركة دحرجة بطيئة، وصولاً إلى ما يقرب من 32 هرتز، وهو اهتزاز أسرع بكثير. إن معرفة هذه الترددات المحددة أمر حيوي لأنه إذا تطابقت قوى الرياح معها، فقد تتضخم الاهتزازات وتسبب ضررًا. وأظهرت الدراسة أن الاهتزازات ذات التردد المنخفض تتضمن حركة النظام بأكمله معًا، بينما تكون الاهتزازات ذات التردد الأعلى أكثر موضعية، وتؤثر على أقسام محددة من التروس والأعمدة.

تكمن القيمة القصوى لهذا العمل في قدرته على ربط الطبيعة غير المتوقعة للرياح مباشرة بالسلامة الميكانيكية للتوربين. فمن خلال إظهار الظروف الجوية التي من المرجح أن تسبب الفشل وكيفية استجابة الآلة لها، يقدم الباحثون صورة أوضح للمهندسين المصممين لأنظمة أكثر موثوقية. ويشير نهجهم إلى أن الموثوقية لا تتعلق فقط ببناء تروس أقوى، بل بفهم الظروف البيئية المحددة التي تدفع تلك التروس إلى حدودها القصوى. وتوفر هذه الرؤية المتكاملة، التي تجمع بين إحصاءات الطقس والديناميكا الميكانيكية، طريقة أكثر واقعية للتنبؤ بموعد احتياج التوربين للصيانة أو متى يحتاج التصميم إلى تعديل. ومع استمرار نمو توربينات الرياح لتصبح أكبر وأكثر قوة، سيكون هذا الفهم الدقيق للتفاعل بين الرياح الفوضوية والآلة الصلبة أمرًا ضروريًا للحفاظ على استمرار إمدادات الطاقة وخفض التكاليف.