Albero cardanico per la trasmissione di turbine eoliche: ingegneria di precisione per il settore dell'energia eolica del Regno Unito.

🔬 Materiale di base: acciaio legato 42CrMo4

Il materiale standard per il corpo dell'albero nelle applicazioni di trasmissione per turbine eoliche è il 42CrMo4 (equivalente a SAE 4140), un acciaio legato al cromo-molibdeno che offre una resistenza alla trazione di 900-1.100 MPa allo stato temprato e rinvenuto, combinata con un'elevata tenacità all'impatto e un'eccellente resistenza alla fatica. Questa lega è preferita rispetto ai normali acciai al carbonio proprio perché gli alberi di presa di forza delle turbine eoliche sono soggetti a carichi torsionali ciclici a frequenze determinate dalla velocità del rotore, dalle armoniche di passaggio delle pale e dalle forze di ingranamento dei denti del riduttore. I normali acciai non sono in grado di sopportare in modo affidabile questo spettro di fatica multifrequenza per un periodo di vita utile di 20 anni senza l'innesco progressivo di cricche da difetti superficiali o concentrazioni di stress in corrispondenza delle chiavette e delle radici delle scanalature. Tutti i semilavorati provengono da acciaierie certificate e la documentazione completa sulla tracciabilità del materiale è disponibile su richiesta.

⚙️ Trattamento termico e indurimento delle scanalature

Dopo la sgrossatura, tutti gli alberi cardanici della trasmissione eolica vengono normalizzati e successivamente sottoposti a trattamento termico di tempra e rinvenimento per ottenere una durezza del nucleo di 28-34 HRC. Le sezioni di accoppiamento scanalate vengono poi temprate a induzione a 52-58 HRC per resistere all'usura da sfregamento all'interfaccia albero-accoppiamento, il meccanismo che innesca la rottura in profili scanalati sottodimensionati o con superficie morbida. Il nucleo resistente assorbe i carichi d'urto durante gli eventi di turbolenza del vento, mentre la scanalatura temprata trasferisce la coppia senza micro-slittamento che altrimenti causerebbe cricche da fatica da sfregamento alla base dei denti. La rettifica di finitura finale raggiunge una rugosità superficiale inferiore a Ra 1,6 µm su tutti i perni dei cuscinetti e degli accoppiamenti, garantendo un corretto alloggiamento dei cuscinetti ed eliminando i segni di lavorazione che aumentano le sollecitazioni.

🌊 Protezione dalla corrosione per le piattaforme offshore del Mare del Nord

L'ambiente offshore del Mare del Nord è tra i più aggressivi in ​​termini di corrosione per i componenti meccanici. Le superfici esposte dell'albero e del giunto cardanico sugli alberi PTO delle turbine eoliche per applicazioni offshore sono rivestite con Dacromet 500, un sistema a scaglie di zinco-alluminio che offre oltre 720 ore di resistenza alla nebbia salina secondo la norma ISO 9227, con rischio nullo di infragilimento da idrogeno (a differenza dello zinco elettrolitico). Le superfici interne dei fori e le sezioni scanalate telescopiche sono lubrificate con grasso EP al litio complesso di grado NLGI 2 ad alta consistenza. I cuscinetti a rullini sigillati con grado di protezione IP67 negli assemblaggi a croce del giunto universale sono standard per le specifiche offshore, eliminando la necessità di rilubrificazione periodica che altrimenti richiederebbe costose operazioni di manutenzione con accesso a torre o a bordo di navi.

⚖️ Bilanciamento dinamico e controllo qualità

Tutti gli alberi cardanici per le trasmissioni delle turbine eoliche vengono bilanciati dinamicamente a G2.5 o superiore (ISO 21940-11) prima della spedizione. Gli alberi che operano a velocità superiori a 200 giri/minuto vengono sottoposti a una misurazione verificata dello squilibrio residuo su una macchina calibrata, con relativi report inclusi nella documentazione di spedizione. Il controllo qualità segue procedure certificate ISO 9001:2015: ispezione dimensionale 100%, test a campione di durezza superficiale, ispezione con particelle magnetiche (MPI) per l'individuazione di difetti interni su alberi di dimensioni critiche e verifica finale della coppia di serraggio prima della spedizione. Ogni albero lascia il nostro stabilimento con un certificato di qualità serializzato, riconducibile ai registri del trattamento termico del lotto e al certificato del produttore del materiale di origine, soddisfacendo i requisiti di documentazione degli istituti di credito e dei consulenti tecnici del settore eolico nel Regno Unito.

Albero a bassa velocità (LSS) per parco eolico terrestre

La posizione dell'albero PTO più critica dal punto di vista meccanico nella trasmissione. I parchi eolici terrestri in Scozia (Caithness, Orkney, Argyll), Yorkshire e Galles fanno funzionare le turbine a velocità di rotazione del rotore comprese tra 8 e 15 giri/minuto, con picchi di coppia superiori a 1.200 kN·m in condizioni di raffiche di vento. L'albero PTO LSS collega la flangia del mozzo del rotore all'ingresso del riduttore, assorbendo il disallineamento angolare causato dall'usura dei cuscinetti dell'albero principale, dalla flessione del telaio della navicella sotto carico gravitazionale e dallo squilibrio laterale del rotore dovuto all'accumulo di ghiaccio durante il funzionamento invernale in Scozia. Le nostre configurazioni a doppio giunto cardanico sono validate specificamente per questa applicazione, eliminando le fluttuazioni di velocità di seconda armonica introdotte dai progetti a giunto singolo quando la trasmissione opera con angoli di flessione superiori a 3°, una condizione estremamente comune nelle turbine eoliche britanniche più datate, dove l'usura originale dei cuscinetti dell'albero ha aumentato l'angolo operativo oltre quanto previsto in fase di progettazione.

Sistema di trasmissione per l'energia eolica offshore - Progetti nel Mare del Nord

La capacità eolica offshore del Regno Unito, inclusi progetti come Hornsea One & Two, Dogger Bank e London Array, rappresenta alcune delle condizioni più impegnative al mondo per i componenti della trasmissione. La navicella di una turbina offshore a fondo fisso è soggetta a movimenti della fondazione indotti dalle onde, che introducono carichi di flessione a bassa frequenza oltre alla principale sollecitazione torsionale. I nostri alberi di trasmissione PTO per turbine eoliche offshore incorporano gruppi di forgiatura a caldo rinforzati, cuscinetti sigillati IP67 esenti da manutenzione con una durata nominale di oltre 40.000 ore, superfici esterne rivestite in Dacromet 500 e sezioni di scorrimento telescopiche complete che compensano l'assestamento della fondazione a monopalo e la dilatazione termica della trasmissione senza richiedere l'accesso alla navicella. La filosofia progettuale mira a intervalli di manutenzione zero di cinque anni o più, in linea con i cicli di pianificazione delle campagne di manutenzione delle navi offshore del Regno Unito.

Alberi di ingresso/stadio intermedio del cambio

Nei riduttori epicicloidali multistadio, gli alberi di accoppiamento di tipo PTO collegano lo stadio di ingresso agli stadi epicicloidali intermedi o alle sezioni di uscita ad alta velocità. Questi alberi a sezione ridotta (lunghezza di lavoro 300-800 mm) operano a densità di coppia più elevate e devono compensare lievi disallineamenti paralleli tra gli alloggiamenti degli stadi senza trasmettere momenti flettenti che sovraccaricherebbero i cuscinetti del portaplanetari. Le sezioni dell'albero parallelo rettificate di precisione con denti scanalati bombati distribuiscono il carico uniformemente su tutta la lunghezza di innesto, prevenendo le condizioni di elevata sollecitazione localizzate sulle punte dei denti che innescano la scheggiatura da fatica, la modalità di guasto più comune negli alberi di accoppiamento dell'interfaccia del riduttore nelle turbine eoliche del Regno Unito. I nostri alberi di interfaccia del riduttore sono dimensionalmente compatibili con le famiglie di riduttori eolici più diffuse negli impianti eolici del Regno Unito di Winergy, Moventas e ZF Wind Power.

Sistemi di azionamento per il controllo del passo

Il controllo individuale del passo delle pale è un sistema fondamentale per la sicurezza e le prestazioni di tutte le moderne turbine eoliche a velocità variabile. Ogni pala viene ruotata da un motore elettrico di controllo del passo tramite un gruppo di trasmissione compatto che include un albero di tipo PTO (presa di forza) che collega l'uscita del motore alla corona dentata di controllo del passo. Questi alberi operano in modo intermittente ad alti tassi di accelerazione – una pala può essere inclinata di diversi gradi al secondo durante un evento di orientamento di protezione dalle tempeste – con conseguenti inversioni di coppia ciclica elevate a picchi di sollecitazione elevati. La progettazione dell'albero deve resistere ad almeno 3 milioni di cicli di carico alla coppia massima nell'intero intervallo di temperatura della navicella (da -15 °C a +55 °C), validato tramite modellazione di simulazione della fatica. I nostri gruppi albero di trasmissione per il controllo del passo offrono un'alternativa affidabile e indipendente ai componenti di controllo del passo OEM, che spesso provengono da un unico fornitore e sono soggetti a lunghi tempi di consegna sulle piattaforme di turbine più vecchie.

Applicazioni del banco prova per sistemi di trasmissione

Le università del Regno Unito, i centri di ricerca e sviluppo sull'energia eolica e i produttori di turbine utilizzano banchi prova per trasmissioni in scala e a grandezza naturale per convalidare i progetti dei riduttori, i modelli di durata a fatica e le nuove tecnologie dei cuscinetti prima di procedere all'installazione delle turbine. Gli alberi di presa di forza (PTO) dei banchi prova devono essere intercambiabili, configurabili per diversi livelli di coppia e in grado di funzionare con disallineamenti controllati per riprodurre accuratamente le condizioni sul campo. Ever Power produce assemblaggi di alberi per banchi prova appositamente progettati con caratteristiche compatibili con la strumentazione, tra cui interfacce flangiate calibrate per la misurazione della coppia, sezioni del collare compatibili con estensimetri e configurazioni di giogo a cambio rapido che consentono ai team di test di passare in modo efficiente da uno scenario di simulazione all'altro. Questi alberi sono stati forniti a istituti di ricerca sulle energie rinnovabili e a centri di validazione di OEM eolici con sede nel Regno Unito.

Programmi di ammodernamento e prolungamento della vita utile

Un segmento significativo e in crescita del mercato eolico del Regno Unito riguarda la manutenzione, il prolungamento della vita utile e il parziale repowering delle turbine installate all'inizio degli anni 2000, in particolare nelle regioni scozzesi degli Altipiani Meridionali e Grampiani, e nelle zone montuose gallesi di Ceredigion e Powys. Quando queste turbine si avvicinano o superano la loro vita utile di progetto originale di 20 anni, la sostituzione dei componenti della trasmissione, compresi gli alberi di trasmissione della presa di forza, diventa una pratica di routine. La capacità di Ever Power di effettuare il reverse engineering di alberi di trasmissione OEM fuori produzione a partire da disegni, file CAD o campioni fisici offre agli operatori eolici e ai contraenti di O&M del Regno Unito un canale di approvvigionamento indipendente, libero dai prezzi dei ricambi OEM. I nostri alberi di retrofit offrono in genere riduzioni di costo del 25-40% rispetto alla sostituzione diretta OEM, senza compromettere la precisione dimensionale, le specifiche dei materiali o la qualità del trattamento superficiale.

"Avevamo bisogno di un albero di ricambio compatibile per sette turbine Vestas V90 nel nostro sito di Caithness, e i tempi di consegna del produttore originale erano assolutamente incompatibili con il nostro programma di manutenzione. Ever Power ha effettuato il reverse engineering delle dimensioni dell'albero in due settimane e ci ha consegnato gli alberi in acciaio 42CrMo4 di ultima generazione entro otto settimane dalla conferma dell'ordine. Le dimensioni erano perfette, la documentazione ha soddisfatto il consulente tecnico del nostro istituto di credito e la qualità della finitura superficiale era nettamente superiore a quella degli alberi originali che abbiamo rimosso."

“Il nostro banco prova necessitava di un albero cardanico personalizzato in grado di commutare tra 20 e 200 giri/minuto in base alle diverse condizioni di carico di coppia, con un'interfaccia flangiata per la misurazione della coppia integrata. Ever Power è stato uno dei pochi fornitori che ha preso seriamente in considerazione le nostre esigenze tecniche, anziché proporre un prodotto standard. L'albero è in funzione sul nostro banco prova per trasmissioni da oltre quattordici mesi senza alcun problema e la comunicazione con il team tecnico è stata completa e tempestiva.”

"Gestiamo impianti eolici offshore nel Mare del Nord meridionale e la catena di fornitura dei componenti della trasmissione per le piattaforme più datate è sempre stata problematica, soprattutto laddove il supporto del produttore originale si è ridotto. Ever Power è ora presente nella nostra lista di fornitori approvati per i componenti dell'albero della presa di forza. La qualità del rivestimento Dacromet sugli assemblaggi specifici per l'offshore si è mantenuta elevata durante i nostri cicli di ispezione periodici e i prezzi sono considerevolmente più competitivi rispetto a quelli del produttore originale per un componente che è diventato a basso volume."