Il software per l'analisi dei carichi e della fatica permette il risparmio del 90 % dei costi durante lo sviluppo
Fermi macchina non pianificati fino a 300 ore – Uno scenario orrendo per i conduttori degli impianti di energia eolica, che può essere evitato solo con la perfetta interazione fra i componenti della turbina, gli intervalli di manutenzione ottimamente pianificati e la determinazione della fatica del materiale sotto le diverse condizioni di carico.
Ma come effettuare previsioni affidabili sulla sollecitabilità di una turbina eolica, ad esempio per 20 anni? Solo un software speciale per l'analisi della fatica e dei carichi può supportare i progettisti nel loro compito di miglioramento della robustezza dei materiali e della loro efficienza economica.
La richiesta di energia eolica è in costante aumento. Solo in Germania dovrebbero essere installate 25.000 megawatt di fattorie di impianti eolici entro il 2030, ed anche in numerose altre nazioni è pianificata la produzione di quest'energia rinnovabile. Ciò si può chiaramente vedere negli USA: l'energia prodotta dalla rosa di impianti eolici nel 2007 è maggiore del 45 % in confronto all'anno precedente. E nel 2009 la Cina ha annunciato una massiccia espansione dell'energia eolica: essa intende produrre 100.000 megawatt da questo tipo di centrali entro il 2020.
Fermi macchina non pianificati fino a 300 ore
Risulta ovvio che tale nuova politica energetica richieda notevoli requisiti dei materiali da usare, in particolare per le turbine eoliche. La momentanea indisponibilità di una turbina significa un costo maggiore che, in sistemi offshore può diventare rapidamente un fattore critico, essendo in tal caso estremamente complesso il lavoro non pianificato di riparazione e manutenzione. Ad esempio, lo studio "Reliability of different wind turbine concepts with relevance to offshore application" (Affidabilità dei differenti concetti delle turbine eoliche specialmente nelle applicazioni offshore) pubblicato alla European Wind Energy Conference (EWEC) nel 2008 dimostra che i problemi della trasmissione di una turbina eolica possono causare un tempo medio di arresto di circa 300 ore.
Crescita dei requisiti del materiale
La generale necessità di migliorare la robustezza di progettazione si evidenzia particolarmente per le nuove grandi macchine che producono oltre 2 megawatt, con i loro problemi imprevisti. Ciò è dovuto principalmente all'incremento del peso: normalmente il rotore pesa fra 10 e 20 tonnellate e, in alcuni casi delle nuove macchine, può giungere fino a 50 tonnellate. La sfida consiste pertanto nella riduzione del peso ma, nel contempo, nell'aumento della resistenza e dell'affidabilità strutturale.
I modelli di danno cumulativo offrono adeguate conclusioni sulla progettazione ottimale.
Si devono prendere in considerazione anche i possibili fermi di emergenza, così come definiti nella Norma ISO-IEC 61400, e le influenze del sistema di controllo. Queste sollecitazioni addizionali possono superare in modo significativo i carichi operativi giornalieri permessi.
Queste sollecitazioni devono essere aggiunte ai danni che l'impianto subisce già durante l'esercizio normale. I modelli di danno cumulativo, per cui un impianto deve resistere teoricamente per 20 anni di esercizio, forniscono gli elementi fondamentali per ottimizzare la progettazione e gli intervalli di manutenzione.
Analisi della fatica sui componenti delle unità di trasmissione
Ovviamente queste conclusioni non possono essere tratte da prove a lungo termine che durino 20 anni. Qui la soluzione è un software specializzato per analisi di fatica e di carico con cui prendere le giuste decisioni già durante lo sviluppo. Questa è la ragione per cui la Hansen Transmissions, leader globale nella costruzione di unità di trasmissione per turbine eoliche, sta usando il software nCode DesignLife™ della HBM, per effettuare analisi di fatica sui componenti delle unità di trasmissione al fine di soddisfare gli elevati requisiti imposti dalla vita operativa delle turbine.
Miglior efficienza dei costi
Con la decisione di impiegare DesignLife, la Hansen Transmissions fu immediatamente in grado di ottimizzare le proprie analisi di fatica e di carico. Il software supporta gli ingegneri nel calcolo e nella valutazione di molteplici varianti di progettazione in un tempo più breve, riducendo significativamente i cicli di prova e, pertanto, riducendo drasticamente i costi. Inoltre, questo software opera senza problemi col software ANSYS® utilizzato per le analisi FEM.
Complessi scenari di carico
Prima che la Hansen Transmissions decidesse di usare il DesignLife, furono effettuate parecchie prove comparative delle prestazioni di altri software. Il Dott. W. Meeusen, capo della Tecnologia Prodotti della Hansen Transmissions affermò: "Abbiamo selezionato DesignLife perché esso combina una interfaccia intuitiva, la funzionalità analitica a noi necessaria per i macchinari rotanti, e pure la capacità di utilizzare casi di carico complessi. Gli ingegneri della nCode hanno lavorato con noi durante il processo di valutazione, dimostrando che la soluzione DesignLife soddisfaceva le nostre necessità."
Idoneità ottimale per l'applicazione
Jon Aldred, direttore di produzione della DesignLife alla nCode HBM: "L'energia eolica è un mercato in rapida crescita per i prodotti perché la durabilità è il fattore più importante per le turbine eoliche e per i sistemi correlati. I fermi macchina dovuti alla fatica sono estremamente costosi sia in termini di riparazione che in perdita della produzione. La Hansen Transmissions, che ha deciso di usare DesignLife al fine di ottimizzare la progettazione dei loro componenti principali durante lo sviluppo del prodotto, mostra come DesignLife sia ben adatto a tali applicazioni.”
Le soluzioni software della HBM possono aumentare l'efficienza e ridurre i costi. Una panoramica di questi prodotti comprende:
nCode DesignLife – Analisi di durata della vita durante lo sviluppo
nCode DesignLife è il software per l'analisi della vita operativa. nCode DesignLife usa i risultati FEM e le prove strutturali di durabilità per stimare la vita operativa – durante lo sviluppo stesso del prodotto. Si possono prendere in considerazione numerosi scenari di carico, per esempio diverse forze del vento ed eventi unici o rari di fermo macchina di emergenza - e tutto ciò per un periodo di 20 anni di esercizio permanente. Ed essendo i processi di analisi continuativi, l'utente riporta un risparmio di tempo fino al 90 % usando DesignLife nei propri processi di sviluppo.
nCode GlyphWorks® – Analisi dei dati di prova
nCode GlyphWorks è il software leader per l'analisi dei dati di prova. GlyphWorks gestisce grandi quantità di dati ed offre una interfaccia grafica orientata al processo.
nCode Automation – Monitoraggio
nCode Automation fornisce un sistema basato su web per l'analisi e la condivisione dei dati misurati. Si possono rilevare, monitorare e gestire automaticamente i dati di carico: ciò aiuta ad identificare le tendenze ed a quantificare i carichi effettivi. Indi, il team di progettazione può accedere facilmente ai dati rilevati, tenendone conto nei nuovi sviluppi.
Prove funzionali sugli impianti eolici con i torsiometri a flangia
Si raccomanda l'installazione di un torsiometro a flangia quando è necessario verificare l'efficienza della potenza trasferita dal motore all'unità di trasmissione, ed anche monitorare l'operazione in corso. Questo principio è seguito dalla Siemens Ltd. China nelle prove funzionali sulle unità di trasmissione delle turbine per i propri impianti eolici. In tal caso viene impiegato un torsiometro a flangia T10FM per misurare coppie fino a 50 kNm, al fine di evidenziare il trasferimento senza perdite della potenza dal motore all'unità di trasmissione mediante i corrispondenti dati di misura. Il T10FM è installato direttamente fra il motore e l'unità di trasmissione, e ciò è reso possibile dall'elevata resistenza alle forze laterali. I segnali vengono infine inviati dall'amplificatore monocanale MP60DP per encoder incrementali al PC, senza alcuna perdita mediante Profibus. Il PC è munito di un appropriato software per la gestione dei dati.
