In condizioni ambientali avverse e soggette a cambiamenti costanti, sia onshore sia offshore, le turbine eoliche richiedono le massime prestazioni da ogni singolo componente – in maniera particolare dai cuscinetti – al fine di garantire una produzione efficiente e continua di energia elettrica. Tra i principali fornitori per il settore globale dell’energia eolica, Nsk affronta queste condizioni operative sviluppando soluzioni personalizzate e cuscinetti ecosostenibili, che garantiscono livelli eccezionali di affidabilità, resistenza al calore e al grippaggio e una durata estremamente elevata.
Per favorire lo sviluppo di cuscinetti per turbine eoliche sempre più affidabili, resistenti e durature – anche in caso di velocità elevate – Nsk coordina e gestisce le potenzialità dei suoi centri tecnologici in Europa, America e Asia. Questi centri realizzano attività di ricerca e sviluppo in quattro aree tecnologiche: Tribologia, Ingegneria dei Materiali, Tecnologia di Analisi e Meccatronica.
Gli investimenti in questi campi stanno portando ottimi risultati al settore eolico. Ad esempio, la ricerca nell’ingegneria dei materiali ha portato allo 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 di inclusioni non metalliche di ossidi, garantisce una durata di esercizio notevolmente superiore, fino a 1,8 volte superiore rispetto all’acciaio degassato sotto vuoto convenzionale (SUJ2). L’acciaio Super Tough (Super TF) è in grado di garantire prestazioni ancora superiori in termini di durata. Grazie al contenuto superiore di cromo e di austenite residua, la durata di 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: cuscinetti radiali a rulli cilindrici, cuscinetti a rulli conici, cuscinetti radiali orientabili a rulli, cuscinetti radiali rigidi a sfere e cuscinetti a sfere a contatto obliquo.
Un’ulteriore innovazione sviluppata da Nsk nel campo della tecnologia dei materiali è rappresentata dalla copertura in ceramica dei cuscinetti, che garantisce la protezione e una maggiore durata di esercizio nelle applicazioni in cui i cuscinetti standard vengono sottoposti a fenomeni di corrosione elettrica: ad esempio, 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. I cuscinetti ibridi che utilizzano sfere in ceramica offrono prestazioni eccezionali tra cui un’elevata resistenza termica, lunga durata di esercizio, peso ridotto e bassa espansione termica. Inoltre, le sfere in ceramica non sono conduttrici di energia elettrica. Questo rende i cuscinetti ibridi particolarmente adatti a un utilizzo come cuscinetti per generatori. Nsk utilizza la stesso materiale in ceramica con nitruro di silicio (Si3N4) anche per l’elemento volvente dei cuscinetti ibridi.
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, vi è 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 per 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 di attrito al cuscinetto.
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. Viene determinato un coefficiente modificato di durata per ogni sezione. Questi dati, poi, vengono integrati utilizzando componenti di tempo per ogni caricamento.
La portata del software di calcolo Stiff è impressionante e l’applicazione fornisce risultati che consentono di 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 di 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.
Il risultato delle iniziative messe in atto da Nsk nelle quattro aree di sviluppo è rappresentato da una gamma di prodotti che offre soluzioni precise per la più ampia gamma di applicazioni nel settore dell’energia eolica.
Per le disposizioni dell’albero rotore, dove la durezza del cuscinetto è fondamentale, Nsk fornisce cuscinetti radiali orientabili a rulli, cuscinetti radiali a rulli cilindrici e cuscinetti a rulli conici sia con supporto bloccato/libero che flottante. Entrambi sono particolarmente indicati per queste applicazioni.
Nsk è anche all’avanguardia nei sistemi eolici di classe Megawatt che spesso uniscono riduttori epicicloidali con 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, cuscinetti radiali orientabili a rulli, cuscinetti radiali a rulli cilindrici, cuscinetti a rulli conici e cuscinetti 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, cuscinetti radiali a rulli cilindrici, cuscinetti radiali orientabili a rulli e cuscinetti a rulli conici.
Nei generatori per turbine eoliche si utilizzano principalmente cuscinetti radiali rigidi a sfere e cuscinetti 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, cuscinetti radiali orientabili a rulli e cuscinetti a rulli conici.