Competenza ingegneristica

Nuova esecuzione dei cuscinetti per i moltiplicatori di giri delle turbine eoliche

I nuovi cuscinetti High Durability per i moltiplicatori di giri delle turbine eoliche di SKF sono caratterizzati da resistenza, durata di base e robustezza maggiori.

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Per ridurre il costo dell’energia (LCoE, Levelized Cost of Energy) il settore eolico è sottoposto a continue pressioni, che determinano lo sviluppo di nuovi sistemi di trasmissione. È necessario infatti incrementare la densità di coppia dei moltiplicatori per limitare il peso in cima alla torre e ridurre le dimensioni dei componenti di maggiori dimensioni per il trasporto [1]. Tutti i componenti, inclusi i cuscinetti a rulli, sono pertanto necessari per ridurre ulteriormente le dimensioni senza compromettere le prestazioni in esercizio.

I moderni moltiplicatori eolici sono costituiti da due o più stadi di ingranaggi epicicloidali. Per ottenere una maggiore densità di coppia, il numero dei satelliti è stato aumentato. In questo modo la coppia è ripartita su più contatti degli ingranaggi ed è possibile ridurre il diametro della corona dentata e del satellite stesso. Queste tendenze della nuova esecuzione hanno determinato una riduzione significativa non solo delle dimensioni del moltiplicatore, ma anche dell’ingombro del cuscinetto che supporta i rotismi (Fig. 1).

Servono soluzioni con cuscinetti a rulli efficienti

Un elemento essenziale per ridurre ulteriormente le dimensioni degli ingranaggi epicicloidali è l’impiego di cuscinetti radenti idrodinamici. Tuttavia, a seconda delle condizioni di esercizio, la velocità di rotazione, la geometria dei satelliti – come il rapporto tra larghezza e diametro – e i cuscinetti a rulli sono una soluzione sicuramente affidabile e competitiva sotto il profilo dei costi. Pertanto, occorrono nuove soluzioni con cuscinetti a rulli in grado di resistere a carichi e pressioni di contatto maggiori per sopportare l’incremento della densità di coppia.

Queste tendenze della nuova esecuzione hanno determinato una riduzione significativa delle dimensioni dei moltiplicatori

Un altro fattore determinante nello sviluppo di nuove soluzioni di cuscinetti per i moltiplicatori eolici riguarda la necessità di aumentare l’affidabilità e la resistenza alle modalità di cedimento tipiche in esercizio, come ad esempio i cedimenti prematuri con formazione di cricche WEC (white etching crack) [2] o micropitting [4].

In questo articolo sarà presentato il cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF, che è il risultato di un progetto di sviluppo incentrato su una nuova esecuzione caratterizzata da:

  • maggiore durata di base dei cuscinetti per consentirne la riduzione delle dimensioni;
  • maggiore resistenza alle modalità di cedimento tipiche nei moltiplicatori eolici.

Fig. 1: Diametro tipico della corona dentata e dei satelliti nel primo stadio di moltiplicatori eolici (sinistra) e disegno di uno stadio di ingranaggi epicicloidali a più satelliti (destra).

Cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF

Il cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF è stato sviluppato per soddisfare i severi requisiti dei cuscinetti volventi nei moltiplicatori di giri delle turbine eoliche e unisce a un acciaio di qualità selezionata un trattamento termochimico che migliora la superficie e l’area sotto la superficie dei componenti dei cuscinetti.

Fig. 2: Trattamento termochimico del cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF.
Con questo processo in superficie e nell’area sotto la superficie si ottiene una microstruttura con precipitati fini e un livello personalizzato di austenite residua stabile, distribuita in modo uniforme nella microstruttura stessa. Comunemente si ritiene che tutti questi fattori abbiano un’influenza positiva sulla resistenza alla fatica dell’acciaio dei cuscinetti, inclusa la resistenza ai cedimenti che si innescano in superficie e la relativa propagazione [5]. Inoltre, grazie a questo processo le sollecitazioni di compressione e la durezza in superficie sono maggiori rispetto ai cuscinetti standard attualmente in uso nel settore eolico e aumenta ulteriormente la resistenza alla fatica da contatto di rotolamento dei cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF.

Valutazione delle prestazioni

Prove di durata dei cuscinetti

Sono state eseguite diverse prove nelle quali sono state verificate condizioni che presentavano carichi molto elevati, piste su cui erano state praticate delle indentature, lubrificazione ridotta o con film pienamente formato. Le indentature fungono da agenti che favoriscono le sollecitazioni sulla superficie, riducendo l’efficacia della lubrificazione. I parametri delle prove sono riportati nella Tabella 1.

Tabella 1: Condizioni delle prove in termini di carico (C/P) e lubrificazione (kappa).

Le prove sono state eseguite con cuscinetti a rulli conici di dimensioni medie, attualmente utilizzati sugli alberi ad alta velocità dei moltiplicatori delle gamme da 2 MW e 3 MW.

Sono state sottoposte alle prove due varianti di cuscinetti. Il riferimento è un cuscinetto all’avanguardia delle serie a tutta tempra, incluse le versioni SKF Explorer [3] e con black oxidation. È stato confrontato con un cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF.

I risultati delle prove di durata sono stati riportati in un grafico di Weibull normalizzato, mostrato in Fig. 3. È evidente l’incremento significativo delle prestazioni del cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF rispetto alla versione di riferimento. La stella indica la durata secondo la norma ISO/TS 16281:2008 modificata per il cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF (si veda la sezione 4). I parametri del modello sono selezionati in modo che la durata di base calcolata si avvicini al limite inferiore dell’intervallo di sicurezza di L10h

.

Fig. 3: Risultati delle prove normalizzati e raggruppati con le previsioni del modello.

Resistenza ai cedimenti prematuri con cricche WEC

Sebbene l’introduzione di misure volte ad aumentare la resistenza, come la black oxidation, abbia ridotto considerevolmente il numero di cedimenti prematuri nei cuscinetti [6], in questo settore servono ancora soluzioni più resistenti. Questo vale sia per il mercato dei ricambi, che necessita di soluzioni alternative per le esecuzioni più vecchie, che risentono dei cedimenti prematuri, sia per le nuove esecuzioni per i moltiplicatori, perché sono ancora poco noti i limiti esatti delle condizioni di esercizio in cui i cuscinetti sono soggetti a tali cedimenti [6].

Sono stati individuati molti fattori scatenanti per i cedimenti prematuri con cricche WEC [4]. Sono state sviluppate diverse prove per verificare la resistenza delle soluzioni di cuscinetti. SKF utilizza un banco di prova in cui vengono riprodotti i cedimenti prematuri introducendo sollecitazioni di trazione [7]. Nell’applicazione, elevate sollecitazioni di trazione possono derivare da accoppiamenti inadeguati, dal runout radiale del diametro dell’albero o dalla deformazione delle sedi dei cuscinetti. Sul banco di prova il cuscinetto viene montato su un albero con ovalizzazione artificiale, che determina elevate sollecitazioni di trazione nella pista sulla parte superiore ondulata (Fig. 4). Anche con pressioni di contatto di circa 1,5 GPa nel contatto di rotolamento, che sono rappresentative per condizioni di esercizio normali nei moltiplicatori delle turbine eoliche, i cedimenti prematuri si verificano dopo un periodo di prova relativamente breve con un aspetto molto simile a quelli che si generano in esercizio (Fig. 4).

Il grafico a barre in Fig. 5 mostra che sei cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF sono stati testati nelle medesime condizioni e nessuno si è danneggiato. Tutte le prove sono state sospese dopo 1.600 ore o successivamente. I cuscinetti in acciaio standard e con trattamento termico si sono danneggiati dopo 178 ore (Fig. 5).

Fig. 4: Riproduzione di cedimenti prematuri con cricche WEC applicando sollecitazioni circonferenziali [7]: sollecitazioni di trazione nell’anello interno (a), cuscinetto danneggiato dopo la prova con cricche WEC e increspamento a forma di lente sulla superficie della cricca (b), come rilevato anche nel caso di diversi cedimenti verificatisi in esercizio.
Fig. 5: Confronto del tempo di attività su banco di prova con sollecitazione di trazione tra versione in acciaio standard e con trattamento termico e cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF. Il tempo medio di cedimento della versione in acciaio standard e con trattamento termico è 178 ore, mentre tutti i cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF testati non hanno mostrato alcun cedimento fino alla sospensione delle prove.

Nuovi modelli di durata di base per cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF

Il settore eolico richiede la valutazione della durata di base dei cuscinetti utilizzando la norma ISO/TS 16281:2008 [10], che, come la ISO 281:2007, non prevede di calcolare la durata dei cuscinetti per soluzioni avanzate di cuscinetti. Pertanto, SKF ha sviluppato una metodologia per includere le prestazioni dei cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF nella durata di base della norma ISO/TS 16281:2008 modificata, combinando un aumento del coefficiente di carico dinamico e un incremento del fattore di modifica della durata αISO

Secondo la norma ISO 281:2007 αISO si calcola con la formula:

Come indicato in Ioannides et al. [11], l’effetto positivo dei trattamenti termici avanzati e della finitura superficiale ottimizzata può essere riportato nel modello ISO aggiungendo valori specifici adeguati in αISO. Per includere il miglioramento delle prestazioni dei cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici di SKF, i fattori Ψbrg, che indica l’effetto della versione Explorer, e ΦHDB, che indica l’effetto aggiuntivo della versione in acciaio e con trattamento termico migliorati, sono stati inclusi in αISO:

In base alle prove di durata descritte in precedenza è possibile determinare le funzioni di aggiustamento Ψbrg e ΦHDB.

I cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici di SKF hanno dimostrato migliori proprietà dei materiali in superficie e nell’area sotto la superficie. Pertanto, il modello generalizzato di durata (GBLM, Generalized Bearing Life Model) di SKF [8], che distingue gli effetti in superficie e nell’area sotto la superficie, è il modello della durata di base più idoneo per riflettere il miglioramento delle prestazioni nel modo più realistico possibile (si veda Fig. 6). La formula di base del GBLM di SKF si può scrivere come:

Il termine dell’area sotto la superficie dell’equazione, rappresentato dall’integrale di volume, si può calcolare utilizzando metodi di fatica da contatto di rotolamento [8]. Tuttavia, il termine della superficie, dato dall’integrale dell’area, rappresenta le modalità di cedimento relative alla fatica superficiale. Include anche un’esecuzione del cuscinetto che può incrementare la resistenza della superficie, come nell’applicazione presente. Questo approccio è già stato applicato con ottimi risultati al calcolo della durata di base dei cuscinetti ibridi [9] e sarà utilizzato sempre più spesso per i prodotti di SKF.

Una volta definiti i diversi fattori del nuovo modello della durata di base secondo le prove di durata descritte in precedenza, è possibile valutare la durata di base dei cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF.

Fig. 6: Separazione di superficie e area sotto la superficie come proposto dalla teoria GBLM di SKF.

Il processo di aggiornamento e validazione dei modelli di durata di base modificati secondo la ISO/TS 16281:2008 e il GBLM di SKF per i cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF è stato validato da DNV.

L’aumento della durata di base dei cuscinetti dipende dalle condizioni di esercizio effettive. La Fig. 7 fornisce un’indicazione dell’aumento medio della durata ottenuto in svariati esempi di calcolo dei diversi stadi di moltiplicatori tipici. Tale aumento è di un fattore superiore a quattro. Grazie al miglioramento combinato delle prestazioni della superficie e dell’area sotto la superficie si ottiene un aumento significativo della durata di base in un’ampia gamma di condizioni di esercizio.

Fig. 7: Aumento medio della durata di base ottenuto da modelli che utilizzano cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF invece di SKF Explorer nei diversi stadi in un moltiplicatore di giri. Il valore medio ottenuto è il risultato di parecchi calcoli eseguiti integrando nei modelli condizioni di esercizio rilevanti, perché l’aumento dipende da pulizia dell'olio, kappa e condizioni di carico.

Come i cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF possono sopportare l’incremento della densità di coppia

Le dimensioni del cuscinetto che supporta il satellite spesso determinano le dimensioni minime del satellite stesso. Pertanto, l’eventuale riduzione delle dimensioni del cuscinetto influisce direttamente sulle dimensioni del satellite e della corona dentata, e di conseguenza sulla densità di coppia del moltiplicatore.

Questa sezione mostra con un esempio applicativo come i cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici di SKF possono sopportare questo incremento della densità di coppia, riducendo le dimensioni del cuscinetto del rotismo epicicloidale e mantenendo la stessa durata di base del cuscinetto. Si basa su un moltiplicatore eolico da 6 MW all’avanguardia, supportato da un cuscinetto a quattro corone di rulli cilindrici con la pista esterna integrata nella ruota dentata. L’esigenza del cliente è ottenere una durata di base di 30 anni, soddisfare i requisiti della norma IEC 61400-4 [10] e ridurre al minimo il diametro della pista esterna.

La Fig. 8 mostra come si possano ridurre le dimensioni del cuscinetto mantenendo la stessa durata di base. La prima barra indica la durata di base del cuscinetto originale. La seconda barra mostra come aumenterebbe la durata di base se si passasse a un cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF. La terza barra indica la durata di base dell’esecuzione ottimizzata utilizzando cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF. Il diametro della pista esterna è ridotto del 25%, da 460 mm a 350 mm, con la durata di base che rispetta ancora i requisiti del cliente.

Fig. 8: Durata di base e diametro della pista esterna per l’esecuzione di un moltiplicatore da 7 MW: (1) dimensioni originali, SKF Explorer, (2) dimensioni originali, cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici di SKF e (3) diametro della pista esterna ottimizzata, cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici di SKF.
Questo consente al cliente di ridurre le dimensioni dei satelliti fino al 25% e di conseguenza della corona dentata dello stadio di ingranaggi epicicloidali, come indicato nei disegni in Fig. 9.
Fig. 9: Disegno dell’incremento della densità di coppia utilizzando un cuscinetto High Durability per moltiplicatori eolici SKF: la riduzione delle dimensioni del cuscinetto del rotismo epicicloidale (b) consente di ridurre le dimensioni della ruota del satellite del 25%, con il conseguente incremento della densità di coppia (c).

Riduzioni analoghe delle dimensioni si possono ottenere in diverse posizioni nel moltiplicatore:

  • a seconda dello stadio il costruttore di moltiplicatori richiede una riduzione delle dimensioni del diametro o della larghezza del cuscinetto (più rilevante nel caso di stadi a velocità più elevate);
  • sull’albero veloce la riduzione delle dimensioni con cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF contribuisce a ridurre il rischio che si verifichino danneggiamenti dovuti allo strisciamento, dove l’inerzia del gruppo di rulli gioca un ruolo importante.

Conclusioni

L’acciaio e il trattamento termico migliorati applicati ai cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF comportano i seguenti vantaggi:

  • effettiva riduzione fino al 25% delle dimensioni del cuscinetto e dell’ingranaggio agli stessi carichi consentiti grazie a una durata cinque volte maggiore a fatica superficiale e sottosuperficiale;
  • capacità di soddisfare i più rigorosi requisiti di affidabilità e l’esigenza di una durata prolungata (da 30 a 40 anni) con una durata di base dei cuscinetti all’avanguardia nel settore, come riportato in una modifica della norma ISO/TS 16281:2008 e nel GBLM di SKF, successivamente validato da DNV;
  • maggiore affidabilità in esercizio grazie a una resistenza più elevata in condizioni operative critiche nei moltiplicatori eolici.

Inoltre, la maggiore resistenza dei cuscinetti High Durability per moltiplicatori eolici SKF alle modalità di cedimento tipiche nei moltiplicatori delle turbine eoliche comporta la riduzione dei fermi macchina non programmati e dei costi di riparazione. Si tratta di una soluzione ottimale per aumentare l’affidabilità in caso di cedimenti prematuri dei cuscinetti.

Bibliografia

  1. “Focus areas in Vestas Powertrain”, A. Weber, A. Hansen, Conference for Windpower Drives, Aachen (2021)
  2. “White etching crack”, K. Stadler, R.H. Vegter, D. Vaes, SKF Evolution (2018)
  3. “SKF Rolling Bearing Catalogue”, 2018, SKF
  4. “Conoscenza e prevenzione della fatica superficiale”, G. Morales, V. Brizmer, SKF Evolution (2011)
  5. “Steels for bearings”, H.K.D.H. Bhadeshia, Progress in Materials Science, 57 (2012)
  6. “Vantaggi della black oxidation nei cuscinetti per le applicazioni eoliche”, K. Stadler, B. Han, V. Brizmer, R. Pasaribu, SKF Evolution (2015)
  7. “Investigation on the mechanisms of white etching crack (WEC) formation in rolling contact fatigue and identification of one root cause for bearing premature failure”, J. Lai, K. Stadler, Wear (2016)
  8. “Importante passo avanti nei modelli di durata”, G. Morales, A. Gabelli, SKF Evolution (2015)
  9. “Il modello generalizzato di durata SKF per cuscinetti ibridi”, G. Morales, A. Gabelli, A. Felix, SKF Evolution (2019)
  10. “Wind turbines - Part 4: Design requirements for wind turbine gearboxes”, IEC 61400-4:2012
  11. “An Analytical Formulation for the Life of Rolling Bearings”, E. Ioannides, G. Bergling, A. Gabelli, Acta Polytechnica Scandinavica, vol. 137 (1999)