Due azionamenti di rotazione, due problemi di ingegneria completamente diversi
Una turbina eolica utilizza due tipi di riduttore epicicloidale di rotazione — e nonostante condividano la stessa architettura di base degli ingranaggi, risolvono problemi ingegneristici fondamentalmente diversi. Comprendere questa distinzione è essenziale per la specifica, perché un riduttore progettato per l'applicazione di imbardata non funzionerà nell'applicazione di beccheggio (e viceversa) anche se i valori di coppia sembrano compatibili.
Ruota l'intera navicella (generatore, riduttore, rotore - da 150 a 400 tonnellate in totale) attorno all'asse verticale della torre per orientarsi verso il vento. Opera da 20 a 80 volte al giorno, ruotando da 5 a 180 gradi per operazione. Deve mantenere la navicella contro i momenti di imbardata indotti dal vento da 3 a 8 MN·m tra un movimento e l'altro. Velocità: da 0,3 a 0,6 gradi al secondo. Configurazione tipica: da 4 a 8 riduttori di imbardata attorno al cuscinetto superiore della torre, ciascuno ingranato con una corona dentata interna.
Ruota ciascuna pala (da 10 a 30 tonnellate, da 50 a 80 metri di lunghezza) attorno al proprio asse longitudinale per modificarne l'angolo di incidenza. Funziona ininterrottamente durante la produzione di energia, regolando l'angolo di incidenza da 0,1 a 5 gradi al secondo. In caso di arresto di emergenza, la pala deve essere messa in bandiera a 90 gradi entro 5-10 secondi. Tre azionamenti di passo indipendenti per turbina (uno per pala). Elemento critico per la sicurezza: il mancato posizionamento di una singola pala in bandiera durante una tempesta può distruggere il rotore.
Riduttore epicicloidale per la rotazione. Nelle turbine eoliche, da 4 a 8 azionamenti di imbardata e 3 azionamenti di beccheggio lavorano ininterrottamente per una durata di progetto di 25 anni, il requisito di servizio più lungo per qualsiasi applicazione di azionamento di rotazione.
Yaw Drive Engineering — Mantenere 200 tonnellate contro il vento
Il sistema di imbardata di una moderna turbina eolica da 3 a 6 MW è costituito da 4 a 8 riduttori epicicloidali di rotazione montati attorno alla flangia superiore della torre, ciascuno dei quali aziona un pignone che ingrana con una grande corona dentata interna (cuscinetto di imbardata). Quando la direzione del vento cambia, il controllore di imbardata comanda ad alcuni o a tutti i motori di ruotare la navicella. Quando la navicella raggiunge l'angolo target, i motori si arrestano e i freni di imbardata si innestano per mantenere la posizione.
| Classe di turbine | Navicella (t) | Azionamenti di imbardata | Momento di imbardata (MN·m) | Coppia/Trazione |
|---|---|---|---|---|
| 2 – 3 MW onshore | 80 – 130 | 4 | 2 – 4 | 8.000 – 15.000 Nm |
| 4 – 6 MW onshore | 150 – 250 | 6 | 4 – 8 | 12.000 – 22.000 Nm |
| 8 – 15 MW offshore | 300 – 600 | 8 | 6 – 15 | 18.000 – 35.000 Nm |
Perché più dischi rigidi e non uno di grandi dimensioni? L'utilizzo di 4-8 azionamenti di rotazione più piccoli anziché di un singolo azionamento di grandi dimensioni offre ridondanza (la navicella può comunque ruotare anche in caso di guasto di un azionamento), distribuisce il carico del pignone attorno alla corona dentata di imbardata per un'usura uniforme dei denti e consente la sostituzione di ciascun azionamento singolarmente senza rimuovere la navicella: un vantaggio logistico fondamentale a altezze del mozzo superiori a 100 metri, dove l'accesso tramite gru costa 50.000 dollari al giorno.
Meccanica di funzionamento degli ingranaggi epicicloidali. I sistemi di rotazione delle turbine eoliche utilizzano riduttori epicicloidali a 2 o 3 stadi con rapporti da 600:1 a 1.800:1, i rapporti più elevati in qualsiasi applicazione di azionamento di rotazione.
Pitch Drive Engineering: il sistema di rotazione critico per la sicurezza che previene la distruzione della turbina.
Il sistema di azionamento del passo fa ruotare ciascuna pala attorno al proprio asse longitudinale. Durante la normale produzione di energia, il sistema di azionamento del passo regola continuamente l'angolo delle pale, ottimizzando la velocità del rotore per mantenere la potenza nominale erogata al variare della velocità del vento. In caso di arresto di emergenza (attivato da interruzione di corrente, velocità eccessiva o raffiche di vento estreme), il sistema di azionamento del passo deve portare tutte e tre le pale a 90 gradi entro 5-10 secondi, ruotando ciascuna pala, del peso di 10-30 tonnellate, di 90 gradi contro le forze aerodinamiche e centrifughe.
Questa funzione di piumaggio di emergenza rende il passo di azionamento l'unico critico per la sicurezza Il sistema di rotazione della turbina eolica è uno dei pochi riduttori epicicloidali critici per la sicurezza in qualsiasi settore industriale. Se il sistema di rotazione del passo non riesce a mettere in bandiera la pala, il rotore continua ad accelerare in presenza di vento forte fino al superamento dei limiti meccanici. Le conseguenze possono variare dal danneggiamento delle pale al completo cedimento strutturale della torre.
Requisiti di ridondanza: Le moderne normative sulle turbine (IEC 61400) richiedono un'alimentazione elettrica indipendente per ciascun azionamento del passo delle pale, in genere motori elettrici con batteria di riserva o accumulatori idraulici, in modo che la messa in bandiera di emergenza possa avvenire anche in caso di interruzione dell'alimentazione elettrica principale. Ciascuno dei tre azionamenti del passo deve essere in grado di mettere in bandiera la propria pala in modo indipendente. Il riduttore epicicloidale di rotazione deve funzionare con alimentazione a batteria (tensione e velocità ridotte) con la stessa affidabilità dell'alimentazione di rete.
Applicazione per azionamenti di rotazione. Gli azionamenti di passo devono funzionare nel mozzo rotante, esposto a fulmini, vibrazioni e temperature estreme per 25 anni senza sostituzione programmata.
Durata di progetto di 25 anni: la sfida ingegneristica che distingue i sistemi di azionamento per turbine eoliche da tutti gli altri.
Un sistema di rotazione per gru edili è progettato per durare da 10.000 a 20.000 ore. Un sistema di trazione per cingoli di escavatori è progettato per durare da 8.000 a 12.000 ore. Un sistema di imbardata per turbine eoliche deve funzionare in modo affidabile per Da 150.000 a 220.000 ore — 25 anni di disponibilità da 70 a 100% — senza sostituzione programmata del riduttore. Questa durata di vita, da 10 a 20 volte superiore rispetto alle macchine edili, è alla base di ogni decisione ingegneristica nella specifica del riduttore.
Durata standard dei cuscinetti L10 per riduttori da costruzione: da 10.000 a 20.000 ore. Requisito L10 per il sistema di azionamento dell'asse di imbardata delle turbine eoliche: minimo 175.000 ore (25 anni con disponibilità 80%). Ciò significa che le dimensioni, la qualità e il lubrificante del cuscinetto devono garantire una durata L10 da 9 a 17 volte superiore rispetto agli equivalenti da costruzione, spesso richiedendo cuscinetti di 1 o 2 taglie più grandi di quanto la sola coppia imporrebbe.
Con 50.000 movimenti di imbardata all'anno per 25 anni, ogni dente dell'ingranaggio planetario sopporta 1,25 milioni di cicli di sollecitazione da contatto. Il materiale dell'ingranaggio e il trattamento termico devono mantenere la sollecitazione superficiale del dente al di sotto del limite di fatica a vita infinita dell'acciaio cementato 20CrMnTi o 18CrNiMo7-6, e non semplicemente al di sotto del limite di fatica di 10.000 ore utilizzato per le trasmissioni da costruzione. Ciò richiede in genere ingranaggi di classe DIN 5 con fianchi superfiniti.
Nessun grasso sigillato a vita può durare 25 anni. I sistemi di rotazione delle turbine eoliche utilizzano sistemi di rilubrificazione automatica che dosano grasso fresco nel riduttore a intervalli programmati, in genere ogni 2.000-4.000 ore. Il riduttore deve essere progettato per la rilubrificazione a grasso (non a bagno d'olio) perché l'orientamento di montaggio cambia con l'imbardata della navicella. Le specifiche del grasso devono tollerare un intervallo di temperatura di esercizio da -40 a +80 °C e resistere al dilavamento da parte dell'acqua dovuto alla condensa all'altezza del mozzo.
Estremi ambientali: operare all'incrocio di ogni sfida climatica
A oltre 100 metri dal suolo, la navicella della turbina eolica è esposta a condizioni ambientali che nessuna macchina a livello del suolo incontra. Il sistema di rotazione deve funzionare simultaneamente su tutta la gamma di rotazione: un singolo riduttore deve resistere a notti invernali a -40 °C e pomeriggi estivi a +50 °C, alla salsedine e alla formazione di ghiaccio, ai fulmini e alle radiazioni UV, il tutto nella stessa installazione per 25 anni.
Le turbine eoliche terrestri in climi freddi come Scandinavia, Canada e Cina settentrionale operano a -40 °C. Le turbine nel deserto in Medio Oriente e Australia raggiungono temperature ambiente di +50 °C, con temperature interne della navicella che superano gli 80 °C. Il grasso deve mantenere la sua capacità lubrificante in questo intervallo di 120 gradi.
Le turbine offshore operano in un ambiente costantemente esposto a spruzzi di acqua salata. L'alloggiamento del sistema di rotazione, gli elementi di fissaggio e le interfacce di tenuta devono resistere alla corrosione marina per 25 anni. Rivestimenti di grado marino, elementi di fissaggio in acciaio inossidabile e anodi sacrificali sono obbligatori per le installazioni offshore e costiere entro 5 km dalla linea di costa.
L'accumulo di ghiaccio sui denti della corona dentata di imbardata aumenta la forza di ingranamento e può impedire completamente la rotazione se il legame del ghiaccio supera la coppia di imbardata disponibile. I riscaldatori antighiaccio sulla corona dentata di imbardata e le formulazioni di grasso antighiaccio sono standard per le installazioni in climi freddi. riduttore epicicloidale di rotazione deve erogare una coppia di distacco da 1,5 a 2,0 volte la coppia di imbardata a regime per superare l'adesione del ghiaccio dopo una sosta notturna in condizioni di gelo.
In alto: unità di rotazione della serie ZR. In basso: centro di collaudo Ever-Power in Corea: ogni azionamento per turbine eoliche viene sottoposto a una verifica completa di coppia e durata prima della consegna.
Tre modalità di guasto che influenzano la progettazione dei sistemi di rotazione delle turbine eoliche
Il sistema di imbardata effettua migliaia di piccole correzioni angolari al giorno, con movimenti da 0,5 a 3 gradi per seguire le graduali variazioni della direzione del vento. Queste micro-oscillazioni fanno sì che i denti del pignone oscillino avanti e indietro sulla stessa zona di contatto della corona dentata di imbardata senza compiere una rotazione completa. Questo sfregamento rimuove il film di grasso da una stretta fascia e produce una corrosione superficiale accelerata sia sul pignone che sulla corona dentata. Dopo 10-15 anni, l'usura da sfregamento accumulata può consumare il profilo dei denti della corona dentata nelle posizioni di imbardata più utilizzate, in genere nei settori della direzione del vento prevalente.
Il motore di azionamento del passo deve rispondere a un comando di messa in bandiera di emergenza entro 200 millisecondi. In caso di guasto del motore, la pala non può mettersi in bandiera. Su una turbina a 3 pale, le due pale rimanenti possono mettersi in bandiera con successo, ma lo squilibrio aerodinamico causato da una pala non messa in bandiera genera carichi estremi sul mozzo, sull'albero principale e sulla torre. Il riduttore epicicloidale di rotazione deve trasmettere la coppia di messa in bandiera di emergenza in condizioni di tensione di backup della batteria (da 70 a 80% di tensione nominale) alla velocità richiesta, una verifica che deve essere eseguita annualmente.
All'altezza del mozzo, le oscillazioni di temperatura tra giorno e notte provocano la formazione di condensa all'interno dell'alloggiamento del riduttore di imbardata: lo stesso meccanismo che interessa i riduttori cingolati agricoli conservati, ma che si verifica 365 volte all'anno per 25 anni. Anche con la rilubrificazione automatica, il vecchio grasso contaminato dall'acqua sul fondo dell'alloggiamento non viene completamente sostituito dal grasso fresco, ma si accumula formando una melma acquosa che corrode le superfici inferiori dei cuscinetti. Dopo 8-12 anni, lo strato di melma può raggiungere i cuscinetti planetari e innescare una corrosione puntiforme che non era presente all'ispezione quinquennale.
In alto: Stabilimento di produzione Ever-Power in Corea. In basso: Reparto di assemblaggio con controllo qualità dedicato per i sistemi di rotazione delle turbine eoliche.
Riduttore epicicloidale di rotazione per turbine eoliche: domande frequenti
Ever-Power Korea fornisce riduttori epicicloidali per la rotazione di imbardata e beccheggio delle turbine eoliche con una durata dei cuscinetti L10 di 175.000 ore, conformità alla norma IEC 61400 e opzioni per applicazioni marine offshore. Forniteci la vostra piattaforma eolica e le condizioni del sito per ricevere una raccomandazione sulle specifiche.
Redattore: Cxm
