Tra i principali fornitori del settore energia eolica, NSK offre soluzioni personalizzate e cuscinetti ecosostenibili che garantiscono affidabilità, resistenza al calore e al grippaggio e una durata estremamente elevata.
In condizioni ambientali avverse, soggette a cambiamenti costanti, sia onshore che offshore, le turbine eoliche richiedono massime prestazioni da ogni componente, in particolare dai cuscinetti, per garantire una produzione efficiente e continua d’energia elettrica. Tra i principali fornitori per il settore dell’energia eolica, NSK sviluppa soluzioni personalizzate e cuscinetti ecosostenibili con elevate performance.
di Daniel Mcavoy
Al fine di favorire lo sviluppo di cuscinetti per turbine eoliche sempre più affidabili, resistenti e durature, anche in caso di velocità elevate, i centri tecnologici di NSK (www.nskitalia.it) in Europa, America e Asia svolgono attività di ricerca e sviluppo in quattro aree tecnologiche: tribologia, ingegneria dei materiali, tecnologia di analisi e meccatronica. Gli investimenti in questi campi stanno generando ottimi risultati al settore eolico. Ad esempio, la ricerca nell’ingegneria dei materiali ha permesso lo sviluppo degli acciai Z e Super Tough, che garantiscono una durata molto più estesa rispetto all’acciaio al cromo ad alto tenore di carbonio (SAE52100, SUJ2), generalmente utilizzato per i cuscinetti volventi. L’acciaio Z, con una percentuale inferiore d’inclusioni non metalliche di ossidi, garantisce una durata d’esercizio fino a 1,8 volte maggiore rispetto all’acciaio degassato convenzionale (SUJ2). L’acciaio Super Tough (Super TF) è in grado di garantire prestazioni ancora superiori in termini di durata. Grazie al maggiore contenuto di cromo e al controllo dell’austenite residua, la durata d’esercizio di un cuscinetto Super TF è fino a dieci volte superiore rispetto a un cuscinetto in materiale standard. Le prestazioni e la versatilità della tecnologia Super TF ne permettono l’utilizzo in un’ampia gamma di cuscinetti: radiali a rulli cilindrici, a rulli conici, radiali orientabili a rulli, radiali rigidi a sfere e a sfere a contatto obliquo.
Cuscinetti a sfere e a rulli cilindrici NSK per applicazioni nel settore eolico.
COPERTURE E SFERE IN CERAMICA
Un’ulteriore innovazione sviluppata da NSK nel campo della tecnologia dei materiali è rappresentata dalla copertura in ceramica dei cuscinetti, che assicura la protezione e una maggior durata d’esercizio nelle applicazioni in cui i cuscinetti standard vengono sottoposti a fenomeni di corrosione elettrica, come nei generatori delle turbine eoliche.
La ceramica è applicata mediante nebulizzazione al plasma per garantire un’adesione ottimale all’acciaio del cuscinetto. Il rivestimento in ceramica viene poi ricoperto da una resina acrilica che garantisce un’elevata resistenza elettrica. Inoltre, esistono cuscinetti ibridi che utilizzano sfere in ceramica che offrono prestazioni eccezionali, tra cui un’elevata resistenza termica, lunga durata d’esercizio, peso ridotto e bassa espansione termica. Inoltre, le sfere in ceramica non sono conduttrici d’elettricità. Questo rende i cuscinetti ibridi particolarmente adatti a un utilizzo come cuscinetti per generatori.
TEST APPLICATIVI SPECIFICI
L’aumento costante delle prestazioni dei cuscinetti personalizzati per turbine eoliche richiede la verifica delle proprietà attraverso test applicativi specifici, in grado di simulare le condizioni operative reali. Tra questi, figura il banco prova per i cuscinetti dell’albero rotore. Su questa struttura è possibile analizzare, in maniera approfondita, i cuscinetti progettati per un utilizzo su turbine multi-megawatt. Si possono applicare carichi radiali e assiali e momenti torcenti in base ai quali i carichi possono reagire in maniera statica e dinamica.
Il secondo metodo di valutazione è costituito dal test su cuscinetti per alberi ad alta velocità. I cuscinetti utilizzati su alberi ad alta velocità possono essere testati attraverso un sistema specifico. Come accade con i cuscinetti per alberi rotore, si possono applicare forze statiche e dinamiche e coppie d’attrito al cuscinetto.
Cuscinetti a rulli conici NSK per planetari e riduttori eolici.
SOFTWARE DI CALCOLO E FEM
Oltre ai test, per realizzare progetti per applicazioni specifiche è necessario considerare tutti gli aspetti in grado di garantire elevata capacità ed efficienza. Risulta di fondamentale importanza valutare un aspetto: la durata del cuscinetto. Gli esperti sono da sempre consapevoli che, per fornire una valutazione affidabile, è necessario considerare diversi parametri. Gli ultimi sviluppi di NSK includono metodi ottimizzati e procedure di calcolo che aumentano il livello di accuratezza delle stime. Nella norma ISO 281, allegato 4, il calcolo del coefficiente di durata modificato è basato sulla geometria semplificata del cuscinetto. Per aumentare la precisione dei risultati di questi calcoli, NSK ha sviluppato STIFF, un programma che considera parametri importanti, oltre alla geometria interna, come la deformazione dell’albero e dell’alloggiamento, il disallineamento, il gioco interno e il precarico, l’area di carico, la distribuzione dello stesso tra gli elementi volventi e la pista di rotolamento. Questo suddivide gli elementi volventi in sezioni trasversali e consente di determinare un coefficiente modificato di durata per ogni sezione. I dati ottenuti vengono poi integrati utilizzando componenti di tempo per ogni caricamento. La portata del software di calcolo STIFF è impressionante e l’applicazione fornisce risultati che consentono d’effettuare analisi parametriche rapide. Il sistema consente anche di risparmiare tempo quando bisogna testare adattamenti speciali di cuscinetti.
L’analisi ad elementi finiti, FEM, è uno degli strumenti di progettazione utilizzati da NSK. Permette d’esaminare la distribuzione dei fattori di stress nel cuscinetto e nei componenti e rappresenta, quindi, un’ottima soluzione per le applicazioni non standard. L’analisi in frequenza, d’altra parte, valuta il livello di rumorosità prodotto dal cuscinetto nell’applicazione e tiene in considerazione le prestazioni e le caratteristiche operative del sistema.
UNA RISPOSTA AD OGNI ESIGENZA
Il risultato delle iniziative messe in atto da NSK nelle quattro aree di sviluppo è rappresentato da una gamma di prodotti che offre soluzioni specifiche per diverse tipologie di applicazioni nel settore dell’energia eolica. NSK è anche all’avanguardia nei sistemi eolici di classe megawatt che, spesso, uniscono riduttori epicicloidali a ingranaggi multipli con ruote dentate semplici per agevolare le trasmissioni differenziali. In questi casi, a seconda della posizione del cuscinetto, si utilizzano cuscinetti radiali rigidi a sfere, radiali orientabili a rulli, radiali a rulli cilindrici, a rulli conici e a sfere a quattro contatti. Lo stesso tipo di cuscinetti è fornito anche per i riduttori d’imbardata che movimentano la navicella (gondola) verso il vento, o la spostano. I riduttori di beccheggio sono richiesti per la regolazione della paletta del rotore. In questi riduttori si utilizzano principalmente cuscinetti radiali rigidi a sfere, radiali a rulli cilindrici, radiali orientabili a rulli e a rulli conici.
Nei generatori per turbine eoliche si utilizzano invece preferibilmente cuscinetti radiali rigidi a sfere e radiali orientabili a rulli. È in queste unità che la trasmissione di corrente elettrica può danneggiare i cuscinetti volventi e ridurne la durata. Per evitare tali danni, generalmente si consiglia l’uso di cuscinetti isolati elettricamente: cuscinetti ibridi con elementi volventi in ceramica e cuscinetti con rivestimento isolante applicato sugli anelli esterni.
L’ultimo campo del settore eolico in cui NSK fornisce soluzioni personalizzate, o standard, è costituita dalle pompe dell’olio. In quest’applicazione, gli ingranaggi utilizzati per azionare la pompa esercitano forze radiali e assiali sui cuscinetti radiali rigidi a sfere, radiali orientabili a rulli e a rulli conici.
Cuscinetti orientabili a rulli NSK per il settore eolico.