Cuscinetti affidabili per la turbina

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Con l’avanzare dell’esperienza nella progettazione di turbine e riduttori, i produttori di queste macchine esprimono una crescente necessità di migliorare l’affidabilità dei sistemi di trasmissione facendo ricorso, allo stesso tempo, ad architetture in grado di ottimizzare i costi strutturali di turbine e torri. I generatori di turbine eoliche sono stati storicamente progettati secondo un’architettura modulare. Diversi progetti con tendenza divergente rispetto all’architettura tradizionale si sono susseguiti nel corso del tempo, con l’obiettivo di migliorare i costi e l’affidabilità delle turbine. Due delle più comuni architetture impiegano turbine ad azionamento diretto e a media velocità. Un fattore chiave nella progettazione delle turbine consiste nella selezione del sistema di cuscinetti da utilizzare per il sostegno all’albero primario. Le opzioni includono sistemi di posizionamento con cuscinetto singolo o con più cuscinetti, in combinazioni di cuscinetti orientabili a rulli, cuscinetti a rulli cilindrici (CRB) e cuscinetti a rulli conici (TRB).  Questo articolo è incentrato sui criteri di selezione dei cuscinetti applicati agli alberi primari di turbine a trasmissione diretta o ibrida.

Azionamenti diretti e ibridi. Le turbine a trasmissione diretta non includono riduttori e si presentano con una serie di requisiti. Per poter generare una quantità di potenza adeguata a basse velocità, i generatori tendono ad assumere dimensioni, peso e costo maggiori. Gli azionamenti ibridi utilizzano generatori a velocità media e impiegano gabbie planetarie per ottenere valori di velocità compresi tra quelli raggiunti dai design ad azionamento diretto e modulare. Questi design contribuiscono a ridurre notevolmente la massa del macchinari installati sulle torri, in favore di una maggiore potenza in uscita, e hanno come obiettivo il raggiungimento di un buon equilibrio tra dimensioni di generatore e riduttore, in modo da ottimizzare l’utilizzo dello spazio disponibile.

Selezione dei cuscinetti. Il ciclo di fatica dei cuscinetti comunicato degli utilizzatori può rappresentare un fattore di notevole influenza sulle dimensioni e sulla geometria dei cuscinetti impiegati sugli alberi primari. Una delle preoccupazioni a riguardo è che la conservazione introdotta a seguito di un’eccessiva semplificazione del ciclo di lavoro produca strutture di costo negativo. I cicli di lavoro sono normalmente generati attraverso programmi di progettazione in grado di modellare i sistemi di turbine eoliche, con uscita tipicamente a 20 Hz. Tutti i dati ottenuti devono essere organizzati e suddivisi, secondo il valore della media aritmetica dei bin, in categorie utili per l’analisi della fatica.

I calcoli della durata dei cuscinetti hanno subito una drastica evoluzione, trasformandosi da semplici procedure basate sui dati di catalogo (effetti di velocità e carico) in calcoli molto complessi che tengono conto degli effetti di numerose e varie condizioni ambientali che influenzano la durata. I produttori hanno sviluppato programmi interni di analisi che consentono loro di valutare in maniera più precisa gli effetti dell’ambiente di lavoro sulla durata dei loro cuscinetti. Si consiglia ai produttori di turbine di rivolgersi ai fornitori di cuscinetti di fiducia per ottenere analisi di durata approfondite. Oltre a carico e velocità, altri fattori che influenzano maggiormente la durata sono: zona di carico (fissaggio e registrazione dei cuscinetti); effetti termici (temperature di esercizio, gradienti termici, temperature del serbatoio del lubrificante); effetti di lubrificazione; disallineamento/sollecitazione piste (funzioni della rigidità radiale, assiale e di inclinazione di alloggiamento e albero); tasso di propagazione della fatica; fattori geometrici dei cuscinetti.

Zona di carico dei cuscinetti. La zona di carico è una misurazione angolare della distribuzione del carico condiviso tra cuscinetto e rullo. Numerosi fattori determinano la zona di carico, tra cui la registrazione del cuscinetto, il carico effettivo, la temperatura, le proprietà strutturali di albero e alloggiamento e il fissaggio. La zona di carico incide sulle prestazioni dei cuscinetti e valori superiori a 180° danno risultati migliori. Le zone di carico aumentano all’aumentare del precarico. Essendo i cuscinetti TRB montati di solito in coppia, le relative zone di carico sono interdipendenti. La durata del sistema dipende, pertanto, dalla registrazione di ciascuna fila nelle specifiche condizioni operative. È possibile installare sul sistema una soluzione TRB a due file con precarico iniziale. Il controllo del precarico consente di ottimizzare la durata dei cuscinetti attraverso una ben precisa condivisione del carico tra i rulli per uno specifico ciclo di lavoro. A confronto, un cuscinetto orientabile a due file applicato all’albero primario tende a spostare l’intero carico su una fila, lasciando libera la seconda. Ciò è dovuto principalmente all’incapacità di registrare il cuscinetto con un precarico iniziale. La mancata condivisione del carico tra i rulli può comportare una riduzione della durata a fatica in servizio.

Mantenere i rulli a contatto con le superfici delle piste consente inoltre di evitare danneggiamenti prematuri dovuti a slittamento/strisciamento. Questo avviene quando i rulli si spostano attraverso la zona priva di carico e vengono spinti dalla gabbia anziché essere guidati dalla trazione esercitata dalla pista rotante. La superficie del rullo e quella della pista vengono quindi nuovamente a contatto una volta raggiunta la zona sottoposta al carico. Il contatto genera usura adesiva e provoca l’aumento degli sforzi di taglio tra le superfici della pista e dei rulli. Gli sforzi di taglio possono provocare la formazione di fratture assiali. Il progetto di base dei cuscinetti TRB e la capacità di ottimizzare la registrazione in precarico consentono di evitare i danni da slittamento/strisciamento e contribuiscono a mantenere un equilibrio di carico tra i rulli di entrambe le file.

Durata dei cuscinetti. La temperatura può incidere sulla durata dei cuscinetti attraverso vari meccanismi, tutti da tenere in considerazione per garantire l’accuratezza dei calcoli relativi alla durata. Il grasso è l’opzione di lubrificazione più adatta per le basse velocità di esercizio dei cuscinetti installati sugli alberi primari ad azionamento diretto. Sebbene generi strati di spessore inferiore, il grasso è la scelta ideale per le applicazioni a trasmissione diretta. Questa soluzione è meno soggetta a perdite e infiltrazioni, oltre a offrire una maggiore resistenza alla contaminazione rispetto all’olio. Inoltre, la durata dei cuscinetti può essere influenzata negativamente da un eccessivo disallinamento di albero e alloggiamento, provocato per esempio da carichi elevati e momenti ribaltanti. Il disallineamento causa un aumento delle sollecitazioni ai contorni dei cuscinetti a rulli e può provocare danni precoci sotto forma di scheggiature da concentrazione di sollecitazione geometrica (geometric stress concentration, GSC). I cuscinetti TRB e CRB possono essere progettati seguendo profili adatti ad alleviare le sollecitazioni ai contorni in determinate condizioni.

Caratteristiche dei TRB. I cuscinetti TRB sono in grado di eseguire un movimento di pura rotazione, grazie alla geometria basata su apice. Le serie dei cuscinetti sono definite in base alle dimensioni dei rulli (lunghezza del corpo, diametro dell’estremità maggiore e minore e angolo sotteso) e al loro posizionamento rispetto alla linea centrale. Gli stessi tipi di rulli possono essere impiegati in diverse serie a seconda della loro angolazione rispetto alla linea centrale. Questo consente di ottimizzare le capacità di carico radiali e assiali dei cuscinetti. Le forze esercitate sui cuscinetti TRB e da questi a loro volta generate sono dirette perpendicolarmente rispetto alla pista. Essendo le superfici delle piste non parallele, viene generata una forza risultante netta che ‘spinge’ il rullo in posizione sul bordino. La forza di posizionamento coadiuva l’allineamento del rullo durante il funzionamento. I cuscinetti TRB a due file installati su alberi primari richiedono numerose considerazioni progettuali. I design devono essere ben equilibrati, in modo da ottenere cuscinetti ottimizzati in termini di prestazioni, prezzo e realizzazione. L’utilizzo di design CRB/SRB su alberi primari, specialmente ibridi con diametri esterni (OD) di grandi dimensioni, implica problematiche relative alle dimensioni dei rulli. Dispositivi con rulli di grandi dimensioni installati su sistemi caratterizzati da gioco eccessivo potrebbero essere più soggetti a danni da slittamento/strisciamento rispetto ai TRB precaricati.

Cosa dire. Si fa strada nel settore una forte spinta per lo sviluppo di turbine eoliche di migliorata affidabilità. Progettazione e applicazione corrette dei cuscinetti rappresentano fattori chiave per garantire maggiori tempi operativi e costi di manutenzione ridotti per le turbine. La precisa definizione del carico del sistema e delle condizioni ambientali e l’impiego di questi dati all’interno di programmi di analisi avanzati costituisce un fondamentale primo passo per conseguire dei miglioramenti. Per applicazioni su alberi primari di turbine a trasmissione diretta o ibrida a velocità intermedia, i cuscinetti TRB offrono caratteristiche in grado di far fronte ai problemi relativi a durata, capacità di carico, condivisione di carico e sollecitazioni sui rulli, riduzione di slittamenti e strisciamenti, miglioramento della rigidità del sistema e semplificazione del processo di assemblaggio della turbina.

Matthew B. Turi e Christopher S. Mark

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