Dal dottor John Coultate, responsabile dello sviluppo ingegneristico
& Mike Hornemann, ingegnere dell’affidabilità
Romax InSight

Un tuffo nel passato. Ecco un esempio del design di un riduttore a 2 stadi paralleli, tipico di una turbina eolica della metà degli anni ’90.

Con lo sviluppo delle turbine eoliche utility-scale dalla classe kilowatt alle macchine multimegawatt installate oggi, anche i componenti all’interno di una navicella si sono evoluti per tenere il passo con le nuove richieste di potenza.

Le trasmissioni, in particolare, hanno dovuto cambiare significativamente per soddisfare carichi di vento più forti e variabili e livelli di potenza più elevati – e senza un aumento significativo dei costi. Così, gli ingegneri hanno accettato la sfida e i produttori l’hanno consegnata.

Quello che una volta era un riduttore industriale pronto all’uso è ora progettato in modo unico per soddisfare le dure condizioni tipiche di una turbina multi-megawatt. Una moderna turbina ad ingranaggi ha tipicamente un cambio a 3 stadi con uno stadio planetario a bassa velocità e due stadi paralleli. Utilizzando gli ingranaggi planetari, i progettisti hanno creato riduttori ad alta potenza che sono abbastanza durevoli da resistere a carichi pesanti, ma abbastanza compatti da mantenere una dimensione ragionevole della navicella.

Questo design del riduttore si è anche dimostrato economico per le turbine con potenze tra 500 kW e 2,5 MW. Tuttavia, la longevità è l’unica sfida ancora non vinta nell’industria dei riduttori per turbine eoliche. Ai riduttori delle turbine viene in genere assegnata una vita di progetto di 20 anni, ma pochi superano i 10 anni.

Perché questa discrepanza? Parte della risposta sta nel modo in cui vengono definite le vite degli ingranaggi e dei cuscinetti. La vita di un componente del cambio è stocastica, non deterministica. Questo significa che è impossibile prevedere con precisione quando un componente si guasterà, anche se è possibile stimarne la probabilità dati certi parametri.

Un design moderno. Questo design a 3 stadi (planetario / parallelo / parallelo) è comune ai riduttori più recenti.

Tenete presente che le trasmissioni delle turbine eoliche sono soggette a un carico transitorio severo e variabile durante gli avviamenti, gli arresti, gli arresti di emergenza e le connessioni alla rete. Il carico di una turbina dipende dalla sua posizione nel parco eolico e dal terreno. I casi di carico che risultano in inversioni di coppia possono essere particolarmente dannosi per i cuscinetti perché i rulli possono slittare durante l’improvviso spostamento della zona caricata. Il micropitting, una forma di affaticamento superficiale, è un esempio di danno nei cuscinetti che può influenzare la loro longevità.

La vita di un cuscinetto è generalmente definita come la vita ‘L10’, che è la durata dopo la quale il 10% dei cuscinetti fallirà. Se L10 per un cuscinetto è di 20 anni, allora c’è il 10% di possibilità che il cuscinetto fallisca in meno di 20 anni. Questo è importante perché costringe i produttori e gli operatori eolici a pensare alla “durata” in termini di probabilità.

È anche importante considerare che una turbina eolica ha più di un cuscinetto. Una tipica trasmissione ha da 20 a 25 cuscinetti, compresi i cuscinetti principali, il cambio e i cuscinetti del generatore. Quindi, cosa succede se combiniamo la vita L10 per ogni cuscinetto in una trasmissione per calcolare una “vita a livello di sistema”? Un semplice calcolo per una trasmissione con 25 cuscinetti, tutti con una vita di progetto L10 di 20 anni, indica che la probabilità che uno o più cuscinetti si guastino entro 20 anni è del 93%.

Una tipica turbina eolica contiene da 20 a 25 cuscinetti, che devono essere tutti considerati in un calcolo di affidabilità a livello di sistema dell’aspettativa di vita.

In base a questo calcolo, quasi tutti i riduttori in un parco eolico rischiano di guastarsi entro 20 anni. Questo può sembrare scioccante, ma è una realtà sul campo. Molti operatori eolici testimonieranno che la maggior parte dei riduttori sono stati cambiati o hanno subito una riparazione di qualche tipo, come un nuovo albero di stadio ad alta velocità o dei cuscinetti, molto prima che la loro vita di 20 anni sia finita.

Ora chiediamoci quanti riduttori si guasteranno entro sette anni? Lo stesso calcolo indica che la probabilità che uno o più cuscinetti si guastino entro sette anni è del 37%. Questo significa che più di un terzo dei riduttori subirà un qualche tipo di guasto ai cuscinetti.

Questi risultati provengono da un calcolo semplificato e hanno il solo scopo di mostrare le tendenze generali, ma mostrano alcuni risultati sorprendenti. Sfortunatamente, il calcolo può sottostimare i tassi di guasto del cambio perché non tiene conto delle modalità di guasto non a fatica. Ma la buona notizia è che, in pratica, alcuni cuscinetti offrono una vita di progetto superiore a 20 anni perché la loro dimensione è dettata da altri fattori, come la rigidità o i fattori di sicurezza durante i casi di carico estremo.

Questo è il motivo per cui il termine “vita di progetto” è fuorviante, e una ragione per cui molti riduttori sul campo stanno fallendo in meno di 20 anni. Un modo per mitigare questi guasti è quello di impiegare metodi di progettazione più affidabili per tutta la durata della vita di una turbina. Ad esempio, utilizzando standard di progettazione e simulazioni, insieme a dati operativi affidabili e tassi di guasto storici, è possibile fornire previsioni accurate dei guasti della trasmissione.

Questo articolo faceva parte della nostra Guida alle energie rinnovabili 2018. Visualizza la pubblicazione completa qui.