Competenza ingegneristica

Test avanzati accelerano lo sviluppo dei cuscinetti offshore

Con l'aumento dell'energia generata da turbine eoliche offshore, i cuscinetti dell'albero principale devono soddisfare le esigenze sempre più severe delle apparecchiature correlate. È dunque fondamentale collaudarli a fondo prima di installarli in mare aperto affinché raggiungano la durata operativa richiesta.

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Nel luglio 2019 il banco prova SKF per alberi principali ha segnato un nuovo traguardo, sottoponendo un cuscinetto SKF Nautilus ad accelerazioni fino a 30 giri/min. Velocità di rotazione così elevate permettono di ridurre sia la durata che il costo delle prove.

Il test è stato effettuato presso lo Sven Wingquist Test Centre (SWTC) di Schweinfurt, Germania, all’avanguardia nel settore. Si tratta di una struttura qualificata, progettata specificamente per eseguire prove su cuscinetti di grandi dimensioni, garantendone la conformità ai requisiti dell’industria.

Potente banco di prova

Lo SWTC è concepito per simulare nell’arco di poche settimane tutte le condizioni di carico a cui può essere sottoposto un cuscinetto nel corso degli anni. Il programma accelerato di prove consente di risparmiare tempo, denaro ed energia.

Lo Sven Wingquist Test Centre di SKF a Schweinfurt, Germania, ha ottenuto Design Award nella categoria industriale dell'International Architecture Awards.

Tra quelli presenti nell’SWTC, il banco prova per alberi principali (Main Shaft Test Rig, MSTR) è il più potente del mondo per i cuscinetti di grandi dimensioni, con la possibilità di testare singoli cuscinetti con diametro esterno fino a sei metri, nonché interi sistemi con i componenti adiacenti. Stefan Engbers, product development engineer presso il centro di sviluppo e competenza dell’applicazione alberi principali delle turbine eoliche, afferma: “L’MSTR ci consente di simulare carichi dinamici estremi in modo molto realistico. Possiamo esplorare la dinamica dei cuscinetti in condizioni di funzionamento normali ed estreme, come in presenza di tempeste, guasti alle turbine, terremoti e altro ancora”.

Ciclo di prova

Prima dell’MSTR non esistevano banchi prova idonei per cuscinetti di grandi dimensioni e si riscontravano limitazioni e difficoltà nell’esecuzione dei test. Il nuovo banco può invece eseguire una varietà di prove, che possono durare da alcuni minuti a settimane o mesi. Lo strumento può rilevare i valori di temperatura in varie posizioni, carico d’ingresso, velocità, momento flettente, coppia di attrito, vibrazioni di cuscinetti e dispositivo di prova, cinematica dei rulli e deformazioni della struttura di prova.

Stefan Engbers, product development engineer, SKF.

Grazie ai sensori intelligenti sviluppati da SKF, è possibile avere una visione diretta all’interno del cuscinetto. “Possiamo misurare il carico dei rulli e, con questo, valutare la zona di carico del cuscinetto”, dichiara Engbers. “Inoltre, possiamo rilevare la velocità di rotazione dei rulli o lo scorrimento e altri parametri. Queste misurazioni possono essere confrontate con gli strumenti di simulazione SKF. L’ottima correlazione che mostrano tra loro permette di sviluppare ulteriormente le capacità di test e simulazione di SKF”.

Il cuscinetto oggetto delle prove è stato sottoposto ad accelerazioni fino a 30 giri/min, un traguardo che è anche l’attuale limite della struttura. Velocità di rotazione più elevate aumentano direttamente il numero di cicli completi dei carichi di rotolamento dei corpi volventi, il che consente di eseguire le prove di durata in un tempo molto più breve risparmiando tempo e denaro. La capacità di generare velocità estreme è fondamentale per i componenti del cuscinetto (ad es. segmenti di gabbie). Grazie alla maggiore velocità di rotazione, le forze dei componenti basate sull’inerzia e sull’impatto dei rulli sulle flange e sulle gabbie aumentano notevolmente. Il set di rulli, che ruota a circa la metà della velocità del cuscinetto, ha una massa di 1,6 tonnellate, pari a quella di un’auto di medie dimensioni. Per l’accelerazione da 0 a 30 giri/min l’MSTR è in grado di applicare 880 kW. Come riferimento, i tipici rotori delle grandi turbine eoliche ruotano a circa 5- 20 giri/min; il raggiungimento di velocità di rotazione più elevate permette di ridurre i tempi di prova e di eseguire prove estreme.

Il banco prova per alberi principali presso lo Sven Wingquist Test Centre di SKF è il più potente del mondo per i cuscinetti di grandi dimensioni, con la sua capacità di testare singoli cuscinetti con diametro esterno fino a sei metri.

“Le conoscenze acquisite durante questi test forniscono una solida base per lo sviluppo futuro di prodotti e applicazioni, che consentirà a SKF di essere in una posizione di preminenza nel settore”, osserva Juergen Reichert, project sponsor e manager del centro di sviluppo e competenza dell’applicazione alberi principali delle turbine eoliche. “Questo tipo di prove influenzerà l’industria grazie a tempi di sviluppo più brevi, alla maggiore robustezza dei prodotti e a costi e rischi ridotti”, aggiunge il responsabile SWTC Thomas Zika.

L’attuale campagna di test sarà completata entro la fine del 2020, e si prevede di cambiare il cuscinetto di prova con un altro avente una diversa geometria interna. Per ottimizzare l’impiego dell’MSTR si stanno programmando i test per il 2021 e gli anni successivi.

Guardando al futuro

Finora i test hanno permesso di confrontare i dati raccolti nelle simulazioni delle diverse condizioni operative.

“Per ora siamo molto soddisfatti delle informazioni acquisite”, commenta Engbers. “Nutriamo grandi aspettative per le prossime campagne di test. Poter effettuare test estremi è fondamentale per realizzare turbine robuste, in particolare considerando classi di potenza da 15 MW e oltre per il futuro”.

Cuscinetto SKF Nautilus nella fase di preparazione al test.

Il test del cuscinetto Nautilus proseguirà con l’applicazione di dinamiche elevate, carichi da vento e resistenze di carico reali, con il ciclo di prova che si protrarrà ininterrottamente per diverse settimane.

Oltre al Nautilus, nella struttura dello SWTC, che comprende quattro banchi prova, saranno collaudati anche altri tipi di cuscinetti, tra cui cuscinetti a più corone di rulli cilindrici di grandi dimensioni, cuscinetti a una corona di rulli conici, cuscinetti orientabili a rulli e cuscinetti CARB.

Cuscinetti SKF Nautilus

Nel mondo dei cuscinetti, con il suo diametro esterno fino a quattro metri e un peso che può arrivare a 14 tonnellate, l’SKF Nautilus è un gigante. Utilizzato per gli alberi principali delle turbine eoliche offshore con potenza nominale da 8 MW, regge il peso di rotore e pale e regola le forze che agiscono sul rotore.

L’SKF Nautilus è un cuscinetto a rulli conici, a due corone, con disposizione a O. Svolgendo il lavoro di due cuscinetti singoli, il sistema di azionamento può essere progettato con un design più compatto. Inoltre, nei sistemi speciali, il cuscinetto SKF Nautilus può essere integrato nel moltiplicatore, pur fungendo da cuscinetto per l’albero principale.

I cuscinetti SKF Nautilus offrono una durata prevista di oltre 20 anni, di conseguenza la capacità di collaudarli a fondo riveste un’importanza strategica.