Quali cuscinetti portanti possono contribuire ai riduttori delle turbine eoliche

May 24, 2023

Di Paul Dvorak | 27 aprile 2017

Un recente programma del National Renewable Energy Laboratory ha valutato la durabilità di un riduttore da 1 MW con cuscinetti portanti. I risultati sono incoraggianti per un uso più ampio e cambi più affidabili.

Un tecnico assembla il cambio con quattro cuscinetti portanti.

Se il riduttore di una turbina eolica non è ancora dotato di disposizioni di cuscinetti a rulli migliorate nella sua fase planetaria, lo sarà presto quando verrà riparato perché i nuovi design dei cuscinetti hanno una capacità di carico maggiore. Le recenti preferenze di progettazione includono cuscinetti a rulli conici precaricati o rulli cilindrici con piste integrate negli ingranaggi planetari. Ma anche queste soluzioni prima o poi subiranno danni da scheggiatura dovuti alla fatica da contatto volvente e richiederanno la sostituzione. È possibile che un riduttore con cuscinetti portanti possa resistere meglio alle dure condizioni imposte dalle turbine eoliche?

Uno degli obiettivi del cambio di nuova generazione è aumentare l’efficienza della trasmissione.

Gli ingegneri di NREL e Romax Technology e altri partner industriali hanno recentemente completato un progetto sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per testare le tecnologie di trasmissione, generatore e convertitore di potenza di prossima generazione volte a ridurre il costo livellato dell'energia. Il layout del cambio incorporava la tecnologia dei perni flessibili e dei cuscinetti portanti per migliorare la condivisione del carico planetario e approfondire la comprensione dei perni in questa applicazione a bassa velocità e ad alto carico. Nell'ambito del progetto, la trasmissione è stata progettata, costruita e testata su un dinamometro presso il National Wind Technology Center.

La dottoressa Ashley Crowther, vicepresidente globale dell'ingegneria presso Romax Insight, ha presentato i promettenti risultati dei test al recente incontro di collaborazione sull'affidabilità della trasmissione presso NREL. L’obiettivo del programma era suggerire una trasmissione di prossima generazione che avrebbe fatto avanzare l’industria eolica. "Stavamo esaminando una disposizione avanzata del cambio per l'industria eolica per testare la tecnologia con l'obiettivo di ridurre i costi e la manutenzione del sistema aumentando al contempo l'efficienza", ha affermato. I cuscinetti portanti nei riduttori eolici sono rari, sebbene ce ne siano alcuni recentemente offerti dai produttori di apparecchiature originali dei riduttori europei (OEM).

Un precedente progetto NREL prevedeva una trasmissione da modificare, con l'albero principale supportato da due cuscinetti conici e comprendente un generatore a media velocità. Il cambio convenzionale è stato sostituito con uno dotato di cuscinetti portanti in un unico stadio, con quattro pianeti montati su perni flessibili o flessibili. Per quanto riguarda il rapporto costo-efficacia, il cambio di prova aveva uno stadio, ma durante la ricerca concettuale, Jon Keller, responsabile del programma NREL, ha affermato che il team ha esaminato una serie di rapporti e ha scoperto che il costo energetico più basso è possibile con un cambio a due stadi con un rapporto di circa 30.

L'illustrazione, una sezione trasversale, mostra l'ingranaggio centrale e i perni flessibili, che supportano i mandrini, e i cuscinetti portanti che sostengono i pianeti.

Il perno flessibile all'interno del perno gli consente di traslare leggermente al variare dei carichi planetari. Un cuscinetto portante scorre su ciascun mandrino.

In questa applicazione, il pianeta ruota su una sottile pellicola d'olio sopra il materiale del supporto e l'anello è fermo. Il materiale è acciaio rivestito con leghe speciali, di proprietà del produttore in Europa.

I grafici degli estensimetri nella scatola del cambio hanno mostrato che la condivisione del carico è migliorata con una distribuzione del carico quasi uguale alla coppia nominale.

Lo scopo del perno flessibile è migliorare la condivisione del carico attraverso il sistema a quattro pianeti. Uno sgabello a tre gambe fornisce un'analogia. Tutte e tre le gambe toccano il suolo in modo che lo sgabello non oscilli. Ma uno sgabello a quattro gambe potrebbe facilmente oscillare se le gambe sono rigide. Allo stesso modo, un sistema planetario con più di tre pianeti può condividere i carichi planetari in modo non uniforme. La deflessione del sistema, i piccoli spazi liberi e gli errori di costruzione (tipicamente entro la tolleranza) sono tutti fattori che contribuiscono all'entità della distribuzione irregolare del carico. Ma se ci fosse una certa flessibilità nel sistema, sarebbe come avere una molla su ciascuna gamba dello sgabello, lasciandolo poggiare sempre su quattro gambe. Il perno flessibile offre un modo per farlo in un sistema a quattro pianeti. Un articolo precedente (http://tinyurl.com/bearings-journal o WPE&D maggio 2016) fornisce maggiori dettagli sulla ricostruzione del cambio.