Componenti della turbina: cuscinetti

Aug 24, 2023

Di Joshua Smalley | 16 giugno 2015

Foto per gentile concessione di Timken

Dove vengono utilizzati i cuscinetti in una turbina eolica?

Sebbene i cuscinetti siano utilizzati in molti punti della gondola, come nei cuscinetti di imbardata e beccheggio e sui generatori, quelli sugli alberi principali e sulle scatole del cambio sono i più problematici.

Nei cuscinetti dell'albero principale, i progetti modulari delle turbine eoliche utilizzano comunemente unità di cuscinetti a rulli orientabili (SRB) con diametro superiore a 1 metro. I progettisti spesso scelgono design SRB singoli, uno supportato da un singolo cuscinetto principale e due bracci di reazione che sostengono i carichi di reazione del cambio.

Almeno due fattori contribuiscono ai guasti precoci dei cuscinetti dell'albero principale. Uno è l'elevato carico di spinta su un SRB radiale. Sebbene non esista un limite massimo ufficiale, il rapporto convenzionale tra carico assiale e carico radiale ammissibile per i cuscinetti orientabili a rulli a due corone è compreso tra 0,15 e 0,20. Il secondo è una generazione inadeguata del film lubrificante. Generalmente, le condizioni operative del cuscinetto dell'albero principale non sono ideali per la generazione del film lubrificante. Con una velocità operativa massima di circa 20 giri al minuto, la velocità della superficie del cuscinetto e la generazione del film lubrificante potrebbero essere insufficienti per separare le asperità tra rullo e pista.

Anche il design dell'albero principale con cuscinetto a rulli conici (TRB) con precarico può migliorare le prestazioni del gruppo propulsore. I TRB aiutano a garantire la stabilità e la rigidità del sistema, la condivisione del carico tra le file e le interazioni previste tra rulli e piste. Questo design consente diverse configurazioni.

In uno, un diffuso cuscinetto a rulli conici singoli offre un design economico in grado di precaricare un intero sistema con due TRB diversi. Una serie di cuscinetti controvento e sottovento può quindi accogliere il carico dell'applicazione regolando l'angolo di contatto e la capacità del cuscinetto secondo necessità. Con un centro efficace diffuso, i cuscinetti sono generalmente più compatti.

Un'altra configurazione sui cuscinetti a rulli conici di grande diametro utilizza un distanziatore tra le piste del cono. Questa è diventata un'opzione interessante in base alle sue prestazioni sul campo e alla facilità di assemblaggio. Gli angoli di corsa ripidi creano un'elevata rigidità di inclinazione in uno spazio assiale ridotto per contrastare i momenti di beccheggio e imbardata applicati. I componenti separati dei cuscinetti possono includere guarnizioni e grasso per semplificare la movimentazione e l'installazione. Un precarico impostato in fabbrica garantisce un'impostazione montata correttamente.

In una terza configurazione, un singolo cuscinetto a rulli conici precaricato offre un'elevata capacità di carico e gestisce la combinazione di carichi di spinta radiale rispetto a un singolo SRB. Il precarico singolo garantisce la condivisione del carico su entrambe le file di cuscinetti e tollera un maggiore disallineamento del sistema rispetto al progetto con lo spazio tra le piste del cono.

I cuscinetti vengono utilizzati anche nei riduttori delle turbine eoliche. Una società di servizi afferma che alcuni modelli di riduttori mostrano un particolare punto debole di progettazione: l'uso di un cuscinetto cilindrico a quattro corone con una pista completamente temprata negli ingranaggi planetari. Questa non è una configurazione ottimale dei cuscinetti per l'applicazione. L'azienda aggiunge che quando si ricostruisce un cambio di questo tipo, è meglio utilizzare un cuscinetto con pista interna carburato e rulli rivestiti. Anche qui il rivestimento è quello della versione con carabina al tungsteno.

Inoltre, la modifica del gioco tra le singole file migliora la condivisione del carico, consentendo così un cuscinetto con prestazioni più lunghe. Ciò può anche prevenire i comuni guasti dovuti a crepe sulla scatola del cambio dovute a detriti che si raccolgono sul fondo di una scatola del cambio. È inoltre necessario utilizzare cuscinetti cementati e rivestiti ad alta velocità e in posizioni intermedie. Questi semplici aggiornamenti possono migliorare notevolmente le prestazioni complessive del cambio, portando ad una significativa estensione della vita utile.

L'affidabilità del cambio è migliorata notevolmente negli ultimi 10 anni grazie ad una migliore comprensione dei carichi sui cuscinetti. Un'azienda garantisce i suoi riduttori ricostruiti per cinque anni, contro i soli due anni di alcune garanzie OEM. Le tendenze nella riprogettazione dei cuscinetti dell'albero principale e del cambio sono state guidate da guasti imprevisti in queste unità. La sostituzione non pianificata di un cuscinetto dell’albero principale può costare agli operatori fino a 450.000 dollari e avere un evidente impatto sulla performance finanziaria.