Migliorare le prestazioni delle turbine eoliche offshore

I cuscinetti impiegati negli impianti eolici devono soddisfare due requisiti fondamentali: prestazioni elevate e lunga durata in condizioni gravose. Questo vale soprattutto in ambito offshore, dove vengono utilizzate turbine eoliche con potenze richieste sempre maggiori. NSK ha recentemente avviato la produzione di cuscinetti per turbine da 9,5 MW e sta già sviluppando cuscinetti per turbine offshore da 12 MW.


Le prestazioni non sono tuttavia l'unica esigenza quando si parla di cuscinetti per turbine eoliche. In mare, a causa dei forti venti, i rotori e, di conseguenza, tutta la catena cinematica, sono soggetti a carichi statici e dinamici ancora più gravosi. Nelle turbine eoliche a terra i cuscinetti principali sono soggetti a carichi fino a 1 MN, mentre in ambienti offshore il carico è più elevato.

Aumentano continuamente anche le esigenze in termini di maggiore durata dei cuscinetti per le turbine eoliche. I costruttori di turbine a terra indicano da sempre che i cuscinetti devono essere progettati per una durata di 175.000 ore, equivalente a 20 anni. Tuttavia, in virtù dei costi di investimento elevati e delle difficoltà di accesso ai parchi offshore, viene specificata un target di 25 anni, che rappresenta una grande sfida a causa dei carichi dinamici estremamente elevati e delle condizioni ambientali avverse.

I carichi estremamente elevati e le condizioni ambientali hanno chiaramente un'influenza sulla scelta dei cuscinetti. Nelle turbine eoliche ad azionamento diretto, per il cuscinetto principale vengono scelti sempre più spesso cuscinetti a due corone di rulli conici. Rispetto ai cuscinetti a rulli cilindrici che venivano impiegati in passato, i cuscinetti a rulli conici offrono il vantaggio del precarico regolabile, che consente di ottenere una maggiore rigidezza del sistema. Questi cuscinetti hanno diametri interni fino a 2,7 metri, un aspetto che sfida anche i metodi di progettazione e fabbricazione più avanzati.
Nel caso di sistemi a ingranaggi, il peso dei componenti di azionamento aggiuntivi viene compensato dal fatto che il generatore può avere un design più compatto. Esistono diversi concetti progettuali per il cuscinetto principale del rotore in ogni categoria di potenza. Gli impianti fino a 5 MW utilizzano solitamente cuscinetti radiali orientabili a rulli, mentre per potenze di 6 MW e superiori la preferenza va a soluzioni con due cuscinetti a rulli conici oppure cuscinetti con due corone di rulli conici abbinati a un cuscinetto a rulli cilindrici.

Nelle catene cinematiche a ingranaggio, attualmente sono molto diffusi i riduttori con pignoni a rulli satellite a due o tre stadi. Spesso questi stadi satellite sono abbinati a uno stadio a ingranaggi elicoidali. Per molti anni il mercato ha utilizzato preferibilmente ingranaggi satellite integrati. Per questa applicazione NSK ha sviluppato (in stretta collaborazione con un costruttore di riduttori) cuscinetti a corone multiple di rulli conici e cilindrici privi di anello esterno. Pertanto il foro delle ruote satellite viene utilizzato come pista di rotolamento esterna del cuscinetto.
In alcune applicazioni si utilizzano cuscinetti a quattro corone di rulli cilindrici integrati. Con quattro satelliti per ogni stadio, ogni set di cuscinetti comprende 16 corone complessivamente. Per ottenere un carico omogeneo su tutti i cuscinetti, il foro e i diametri circoscritti dell'intero set di cuscinetti devono avere tolleranze molto ristrette.
Un'altra tendenza è quella ad acquistare tutti i cuscinetti per una turbina dallo stesso fornitore. Questa è una delle ragioni per cui NSK ha deciso di ampliare la gamma di prodotti della Wind Business Unit, dopo che l'azienda ha sviluppato e prodotto diverse tipologie di cuscinetti per riduttori e generatori negli ultimi 20 anni.

In virtù delle dimensioni dei cuscinetti impiegati nelle turbine eoliche offshore e delle difficoltà di accedere agli impianti, l'industria eolica è molto attenta all'incidenza dei danni sui cuscinetti. La competenza tecnica consente di eliminare praticamente qualsiasi forma di danno ai cuscinetti. Ad esempio, metodi di progettazione avanzati uniti a un alto grado di purezza dell'acciaio hanno fatto sì che i classici cedimenti dei cuscinetti dovuti a fatica fossero praticamente eliminati.

Un elemento ancora sottoposto a indagini accurate sono le cricche bianche (WEC). Queste cricche sono il sintomo di danni che insorgono in una fase relativamente precoce della vita del cuscinetto. I segni tipici sono strutture bianche sotto la superficie (da qui il nome) che portano alla formazione di cricche e, infine, al cedimento del cuscinetto.
La causa precisa delle WEC è rimasta ignota per lungo tempo e, nonostante diversi esperimenti abbiano dimostrato che il difetto sia legato molto probabilmente all'infiltrazione di idrogeno, la provenienza dell'idrogeno resta tuttora sconosciuta.
Altre ricerche suggeriscono che l'idrogeno venga generato durante l'esercizio. Inizialmente si supponeva che l'idrogeno provenisse dalle catene di idrocarburi dei lubrificanti e dei loro additivi, teoria sostanziata dalla riproduzione in laboratorio dei sintomi tipici dei danni con determinati tipo di oli e grassi.
Di conseguenza NSK ha sviluppato un nuovo materiale che vanta una maggiore resistenza alla penetrazione di idrogeno e alla formazione di cricche dovute alla fragilità indotta dall'idrogeno stesso. Mentre le prove di laboratorio sono state completate con successo, i cuscinetti fabbricati con questo materiale sono attualmente nella fase di sperimentazione sul campo.

In virtù delle proprietà fail-safe (resistenza ai guasti) e dei requisiti di lunga durata, i cuscinetti per impianti eolici sono i candidati ideali per il servizio di monitoraggio delle condizioni (Condition Monitoring), che utilizza sensori montati esternamente o integrati per monitorare continuamente lo stato del cuscinetto. Eventuali anomalie che rivelano danni ai cuscinetti possono così essere rilevate e segnalate tempestivamente.
I parchi eolilci offshore utilizzano moderni sistemi CMS per rilevare le anomalie in tempo sufficiente per pianificare gli interventi di manutenzione necessari. NSK prevede un grosso potenziale commerciale per questo tipo di sistema.