Il software per l'analisi del carico e della fatica consente di risparmiare il 90 % dei costi durante lo sviluppo

Fermi macchina non pianifcati fino a 300 ore – uno scenario orrendo per gli operatori degli impianti di energia eolica, che può essere evitato con la perfetta interazione fra la progettazione dei componenti della turbina, la pianificazione ottimale degli intervalli di manutenzione e la determinazione della fatica dei materiali nelle diverse condizioni di carico.

Ma come effettuare previsioni affidabili sulla disponibilità delle turbine eoliche, 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 e dell'efficienza economica.

La richiesta di energia eolica è in costante ascesa. Nella sola Germania è pianificata l'installazione di 25.000 megawatt di impianti di energia eolica nelle fattorie offshore entro l'anno  2030. Anche numerose altre nazioni stanno progredendo nell'impiego di questa energia rinnovabile. Ciò è chiaramente visibile negli USA: l'energia prodotta dagli impianti elici nel 2007 è cresciuta del 45 % rispetto all'anno precedente. E la Cina annuncia una massiccia espansione dell'energia eolica nell'Agosto del 2009: 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 questa nuova politica energetica imponga notevoli caratteristiche dei materiali utilizzati, in particolare per le turbine eoliche. L'indisponibilità delle turbine eoliche comporta costi elevati che possono diventare rapidamente fattori critici nei sistemi offshore, poiché in tal caso i lavori di riparazione e manutenzione non programmati sono estremamente complessi. Lo studio "Reliability of different wind turbine concepts with relevance to offshore application" (Affidabilità dei diversi concetti di turbina eolica specialmente nelle applicazioni offshore) pubblicato dalla European Wind Energy Conference (EWEC) (Conferenza Europea sull'Energia Eolica) nel 2008 mostra che, ad esempio, i problemi sull'unità di trasmissione della turbina potevano causare tempi medi di fermo macchina di circa 300 ore.

Crescita dei requisiti dei materiali 

La generale necessità di migliorare la robustezza della progettazione è stata dimostrata con l'avvento delle nuove grandi macchine che producono oltre 2 megawatt e che sono soggette a più problemi imprevisti. Ciò è dovuto principalmente all'aumento del peso: il rotore pesa normalmente fra 10 e 20 tonnellate, ma il peso di alcune nuove macchine può arrivare a 50 tonnellate. Pertanto la sfida consiste nella riduzione del peso ma, nel contempo, nel miglioramento della resistenza strutturale e dell'affidabilità. 

I modelli di danno cumulativo offrono adeguate conclusioni sulla progettazione ottimale

Si devono prendere in considerazione anche i possibili fermi macchina di emergenza, come definiti nella norma ISO-IEC 61400, oltre alle influenze del sistema di controllo. Queste sollecitazioni supplementari possono superare in misura significativa i carichi operativi giornalieri ammessi.

Queste sollecitazioni devono essere sommate ai danni che l'impianto già subisce nell'esercizio normale. Tali modelli di danno cumulativo, per cui un impianto deve resistere teoricamente per 20 anni di esercizio, forniscono poi gli elementi per ottimizzare la progettazione e gli intervalli di manutenzione.

Analisi della fatica sui componenti dell'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 l'analisi della fatica e dei carichi con cui prendere le giuste decisioni già durante lo sviluppo. Questa è la ragione per cui la Hansen Transmissions, leader mondiale nella produzione di unità di trasmissione per le turbine eoliche, utilizza 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.

Miglioramento dell'efficienza economica 

Con la decisione di usare il DesignLife, la Hansen Transmissions fu immediatamente in grado di ottimizzare le proprie analisi di fatica e di carico. Questo software supporta gli ingegneri nel calcolo e nella valutazione di numerose varianti di progetto in un tempo più breve, riducendo notevolmente i cicli di sviluppo e di prova, abbassando pertanto in modo drastico i costi. Inoltre, tale software opera senza alcun problema insieme al software  ANSYS® utilizzato per le analisi FEM.

Complessi scenari di carico 

Prima che la Hansen Transmissions decidesse di usare il DesignLife, furono effettuate numerose prove comparative delle prestazioni di svariati software. Il Dr. W. Meeusen, capo della Tecnologia Prodotti alla Hansen Transmissions affermò: "Abbiamo scelto il DesignLife perché esso ad una interfaccia intuitiva la funzionalità analitica a noi necessaria per le macchine rotanti, oltre alla capacità di usare complessi casi di carico. Gli ingegneri della nCode hanno collaborato con noi durante il processo di valutazione, dimostrando che la soluzione DesignLife soddisfaceva appieno le nostre necessità."

Idoneità ottimale per l'applicazione 

Jon Aldred, product manager nCode DesignLife alla HBM: "L'energia eolica è un mercato in rapida crescita per i prodotti nCode perché la durevolezza è un argomento chiave nella progettazione delle turbine eoliche e dei relativi sistemi. I fermi macchina causati dalla fatica sono estremamente costosi sia in termini di riparazione che in perdita della produzione. Che la Hansen Transmissions abbia deciso di usare il DesignLife per ottimizzare la progettazione dei loro componenti principali durante lo sviluppo del prodotto dimostra come DesignLife sia particolarmente indicato per tali applicazioni.”

Le soluzioni software della HBM possono incrementare l'efficienza e diminuire i costi. Una panoramica di questi prodotti comprende:

nCode DesignLife – Analisi della vita operativa durante lo sviluppo 

nCode DesignLife è il software per l'analisi della vita operativas. nCode DesignLife usa i risultati FEM e le prove di durevolezza strutturale per stimare la vita operativa di esercizio – durante lo sviluppo del prodotto stesso. Si possono prendere in considerazione numerosi scenari di carico, per esempio differenti forze del vento oppure eventi unici o rari di fermo macchina di emergenza - e tutto ciò per un periodo di 20 anni di completo e permanente funzionamento. Essendo il processo di analisi razionalizzato, i clienti riferiscono di un risparmio di tempo fino al 90 % utilizzando DesignLife per il proprio processo di sviluppo.

nCode DesignLife è certificato dalla GL Renewables Certification (GL RC), la quale garantisce ai clienti che la progettazione dei propri componenti, quali i mozzi e gli alberi delle turbine principali, possa essere analizzata in conformità alla Direttiva GL Renewables Certification per la Certificazione delle Turbine Eoliche (2010), scegliendo le adatte impostazioni del software. Questo comprende l'analisi della fatica nelle complesse condizioni di carico del mondo reale specificate nella direttiva GL RC o nella norma internazionale IEC 61400-1.

nCode GlyphWorks® – Analisi dei dati di prova 

nCode GlyphWorks è il software leader per l'analisi dei dati di prova. GlyphWorks gestisce un'ampia quantità di dati ed offre una interfaccia utente grafica orientata al processo.

nCode Automation – Monitoraggio

nCode Automation fornisce un sistema basato sul web per analizzare e condividere i dati misurati. I carichi monitorati possono essere scaricati ed elaborati automaticamente: ciò aiuta ad identificare le tendenze ed a quantificare i carichi del mondo reale. Indi, i gruppi di progettazione possono accedere anche ai dati rilevati, tenendone conto per i nuovi sviluppi. 

Prove funzionali sui sistemi eolici con i torsiometri a flangia 

Si consiglia l'installazione di un torsiometro a flangia quando è necessario verificare l'efficienza del trasferimento della potenza dal motore all'unità di trasmissione e monitorare l'operazione in corso. Questo è il principio seguito dalla Siemens Ltd. China nelle loro prove funzionali sulle unità di trasmissione delle turbine per gli impianti di energia eolica. In tal caso viene impiegato un torsiometro a flangia A T10FM per misurare coppie fino a 50 kNm, allo scopo 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 dalle forze laterali altamente affidabili. I segnali vengono poi inoltrati dall'amplificatore monocanale MP60DP per encoder incrementale al PC mediante Profibus, senza alcuna perdita di dati. Il PC è munito con l'appropriato software per la gestione dei dati.

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