Cuscinetti di ultima generazione per turbine eoliche

15/01/2014

Aspettative sempre più elevate in termini di durata di esercizio e affidabilità e forte pressione sui costi: questa è la situazione attuale che caratterizza il settore dei cuscinetti per il settore eolico. Con l’aiuto di alcuni esempi, il seguente articolo mostra come uno dei principali produttori mondiali stia sviluppando cuscinetti di ultima generazione per questo tipo di applicazioni.

A prima vista, le notizie che arrivano dal settore eolico possono sembrare contraddittorie. L’anno scorso sono state installate turbine con una capacità di 40 GW in tutto il mondo e, in futuro, si prevede una crescita ulteriore per il settore. Di fatto, l’introduzione di tecnologie offshore ha dato vita a un mercato completamente nuovo. Tuttavia, allo stesso tempo, i principali fornitori e produttori di turbine specializzati in energia eolica stanno annunciando programmi rigidi per la riduzione dei costi. Gli esperti si aspettano di assistere a un ulteriore consolidamento tra i fornitori.

La pressione sui costi e l’impatto sul settore
La spiegazione di questa evidente contraddizione è che, nonostante il settore sia in crescita, ci si aspettava un incremento ancora maggiore. Di conseguenza ora la capacità è sostanzialmente in eccesso. Questo genera una forte pressione sui prezzi che sta coinvolgendo anche i fornitori. Per uno dei principali produttori di cuscinetti per turbine eoliche ciò significa che i progetti di ricerca e sviluppo devono continuare a soddisfare le aspettative estremamente elevate del settore in termini di durata di esercizio dei cuscinetti in condizioni operative avverse con significative sollecitazioni dinamiche. Allo stesso tempo, i team di Ricerca & Sviluppo devono tenere conto dei costi legati a ogni progetto di sviluppo e di miglioramento in fase iniziale e devono produrre un’analisi chiara dei vantaggi in termini di costi.

Dov’è il potenziale per l’innovazione?
Sicuramente le aziende che operano nel settore eolico accolgono le innovazioni che possono abbattere i costi senza compromettere l’affidabilità dei cuscinetti. Questo è particolarmente importante dato che gli esperti concordano sul fatto che la concorrenza globale tra i produttori di turbine è destinata a diventare ancora più intensa in futuro.
Tenendo conto di questo, i fornitori devono capire subito quali aree hanno il potenziale maggiore di mercato per sviluppare le nuove generazioni di cuscinetti. NSK ha identificato una di queste aree nelle turbine multi-megawatt con resa da 2 a 4 MW. Il Gruppo è già ben posizionato in questo segmento: negli ultimi mesi, i principali produttori hanno già presentato le loro nuove turbine equipaggiate con cuscinetti NSK.

Cuscinetti radiali a rulli cilindrici con coefficienti di carico superiori
NSK ha già ottimizzato i cuscinetti radiali a rulli cilindrici per i pignoni satelliti delle turbine della classe 3 MW, portando avanti contemporaneamente due progetti di sviluppo in questo campo. Il primo progetto aveva l’obiettivo di migliorare il design interno. Senza modificare il diametro del cuscinetto o il numero di rulli, il team ha ottimizzato la geometria interna del cuscinetto e l’ingegnerizzazione della produzione mantenendo la stessa macro-geometria e questo ha garantito un aumento del 15 % del coefficiente di carico dinamico. Inoltre, è stato possibile aumentare la durata di esercizio del 70%. Oltre ad essere indicati per un utilizzo sui pignoni satelliti, questi cuscinetti sono ideali per altre applicazioni sul lato “rapido” del riduttore delle turbine eoliche.
Il secondo progetto è stato dedicato alla riprogettazione del design interno del cuscinetto. E’ stato aumentato il numero di rulli in modo da ridurre la sezione trasversale della gabbia. Il cuscinetto, tuttavia, doveva garantire la stessa capacità di carico. Il team di progetto è riuscito ad ottenere tali prestazioni ottimizzando la geometria della gabbia senza comprometterne la rigidità. E’ stata effettuata un’analisi FEM e sono stati condotti test di prova approfonditi per supportare il lavoro di ottimizzazione. Oltre a un elevato coefficiente di carico dinamico, questi cuscinetti offrono un maggiore coefficiente di carico statico.
I clienti potranno presto scegliere tra le due opzioni descritte sopra. NSK sviluppa continuamente i suoi cuscinetti per soddisfare le esigenze legate a tipologie di turbine e/o scenari di applicazione specifici.

Una gabbia con un nuovo design per i cuscinetti a rulli conici
I cuscinetti a rulli conici NSK vengono spesso utilizzati per i planetari porta-satelliti nell’area d’ingresso dei riduttori eolici e per l’albero del rotore. Possono anche essere utilizzati nei cuscinetti integrati nel rotore, che movimentano sia l’ingranaggio sia il mozzo.
In passato, NSK utilizzava cuscinetti con gabbie in acciaio stampato, di ampio spessore. Tuttavia, con l’aumentare costante dei diametri dei cuscinetti, l’azienda ha dovuto cercare soluzioni alternative, perciò ha sviluppato una gabbia saldata per diametri di 1,000 mm o superiori. La gabbia soddisfa i requisiti tecnici più elevati, ma è molto complessa da produrre e richiede capacità di saldatura avanzate. Per questo motivo NSK sta testando una gabbia in plastica, più economica da produrre e che può essere realizzata con un elevato livello di riproducibilità.

Superfici ottimizzate delle piste di rotolamento
Le piste di rotolamento dei cuscinetti sono soggette a sollecitazioni molto elevate, specialmente per gli alberi che effettuano movimenti rapidi. Ad esempio, se la turbina viene accesa per girare a folle a piena velocità, si possono verificare fenomeni di slittamento che danneggiano la superficie dei cuscinetti. I danni dovuti a slittamento sono ben noti nel settore, ma le cause non sono state ancora identificate nonostante le ricerche approfondite. Sebbene NSK produca un elevato numero di cuscinetti, è difficile che i suoi componenti riscontrino tali problematiche. Questo grazie allo speciale trattamento di finitura superficiale e alla sede della gabbia. Ciononostante il reparto di Ricerca & Sviluppo del gruppo sta continuando a lavorare per ottimizzare ulteriormente la struttura superficiale.

Cuscinetti per generatori con sfere completamente in ceramica
I cuscinetti per generatori devono soddisfare una serie di requisiti specifici legati alle applicazioni, oltre ad essere isolanti. L’idea è di evitare che l’elettricità passi attraverso la trasmissione, riducendo al minimo i danni prodotti, ad esempio, da picchi di tensione o da correnti di circolazione (corrosione elettrica). NSK offre cuscinetti isolati elettricamente con anelli esterni rivestiti in ceramica progettati appositamente per soddisfare tali requisiti. Ora la tecnologia è stata ulteriormente potenziata.
I cuscinetti utilizzati in precedenza erano dotati di un rivestimento permanente in ceramica, applicato alla superficie dell’acciaio attraverso il metodo a spruzzo mediante scarica elettrica stabilizzata (plasma). In alternativa, il gruppo propone cuscinetti ibridi con sfere in ceramica con diametro esterno fino a 340 mm. Garantiscono prestazioni eccellenti, tra cui ottima resistenza termica, maggiore durata di esercizio, design leggero ed espansione termica limitata. Il design ottimizzato consente di aumentare la durata di esercizio e l’affidabilità dei componenti. Il processo di produzione delle sfere di NSK può contare sull’esperienza consolidata del gruppo nella produzione di cuscinetti ibridi ad alte prestazioni per macchine utensili.

I progressi nell’ingegneria dei materiali
I test condotti sulla durata hanno dimostrato che la fatica da rotolamento dell’acciaio al cromo ad alto contenuto di carbonio (SAE52100, SUJ2) utilizzato per i cuscinetti volventi è fortemente influenzata dalle inclusioni non metalliche. NSK ha sviluppato un nuovo materiale in collaborazione con un produttore di acciaio – l’acciaio Z – che contiene una quantità notevolmente inferiore di inclusioni non metalliche, come zolfo e ossidi. I test hanno dimostrato che la durata operativa dei cuscinetti in acciaio Z è fino a 1,8 volte superiore rispetto ai cuscinetti standard realizzati in acciaio degasato sotto vuoto.

Una durata di esercizio fino a 10 volte superiore
Molti cuscinetti per turbine eoliche – cuscinetti radiali a rulli cilindrici, cuscinetti a rulli conici, cuscinetti radiali orientabili a rulli, cuscinetti radiali rigidi a sfere e cuscinetti a sfere a contatto obliquo – utilizzano l’acciaio Super Tough sviluppato da NSK (Super-TF). Grazie all’uso di un acciaio differente e al trattamento termico progettato per ottimizzare il contenuto di austenite residua e di martensite, i cuscinetti Super-TF durano fino a dieci volte di più rispetto ai componenti in acciaio standard.

Banchi di prova per la simulazione dei guasti
NSK dispone di svariati banchi di prova allo stato dell’arte per condurre ricerche. Questo permette di simulare i carichi dinamici sui cuscinetti di turbine eoliche. I banchi di prova vengono usati per calcolare i parametri per i cuscinetti di nuova generazione, per simulare i guasti e generare i profili dei danni. Attualmente gli sviluppatori stanno testando cuscinetti radiali a rulli cilindrici e cuscinetti a rulli conici per il lato “rapido” di un riduttore di una turbina da 2 MW con simulazione della fase di avvio e di arresto. L’obiettivo di questi test è di sviluppare progetti migliori con l’utilizzo di materiali dalle prestazioni superiori. Il progetto di sviluppo è mirato anche alla riduzione dei costi, data la pressione molto elevata a cui è soggetto il settore eolico.

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