負荷および疲労解析用ソフトウェアにより開発時のコストを90%節約

最大で300時間に達する予定外のダウンタイム - 風力発電プラントの運用者にとっては背筋が寒くなるような最悪のシナリオでしょう。

これを回避するためには、タービン部品の設計と、最適なスケジュールによるメンテナンス間隔、そして様々な負荷シナリオの影響下にある材料の疲労、これら三者間の完璧な相互作用が唯一の条件となります。

しかし、例えば20年という期間で、風力タービンの利用可能性に関する信頼性の高いステートメントをどのように作成すればよいのでしょうか? 堅牢性とコスト効率を向上させる設計者の作業を支援することができるのは、負荷と疲労を解析する特殊なソフトウェアのみでしょう。

風力エネルギーに対する需要は、コンスタントに上昇しています。ドイツだけでも、2030年までに海洋ファームの風力発電プラントから2万5,000メガワットの電力供給を予定しています。

しかしこうした再生可能エネルギーは他の大黒国々でも開発が進んでいます。米国でもその傾向は明らかです。風力発電プラントで生産されるエネルギーは、2007年には前年比で45%も上昇しました。

また中国も2009年8月に風力エネルギーの大幅な拡大を発表しました。中国では2020年までには風力発電プラントから10万メガワットの電力供給を目指しています。

最大で300時間に達する予定外のダウンタイム

この新しいエネルギー政策により、使用する資材の面で大きな要求が生じることは明らかです。特に風力エネルギーの場合にこうした資材の所要量が大きくなります。

また、万が一、風力タービンが利用できなくなると、予定外の修理やメンテナンス作業が非常に複雑なものになるため、それは直ちに養生発電システムにおける臨界因子となり、コストの上昇を意味します。

「欧州風力エネルギー会議(EWEC)」が2008年に発表した「海洋アプリケーションに関連した種々の風力タービンコンセプトの信頼性」という研究は、タービンのギア装置に問題が発生した場合、平均ダウンタイムは約300時間になる可能性が有ることを示しています。

高まる資材所要量

これまで設計上の堅牢性の改善に対する全般的な必要性が指摘されてきたのは、予期しない問題が発生しやすい、2メガワット以上の発電力を持つ、新しいタイプの比較的大型の機械です。

その主な原因は重量の増大です。ローターは通常10トンから20トンの重さがありますが、一部の新型機械ではその重量が最大で50トンにもなります。

したがって、重量を減らすことと同時に、構造的な強度および信頼性を向上させることが、この場合の課題となります。

累積損傷モデルが最適設計についての結論を提供

ISO-IEC 61400 基準に定義されているような緊急停止の可能性に加えて、制御システムの影響も考慮する必要があります。こうした追加的な負担が、毎日の業務において許容可能な負荷を大幅に超えてしまう可能性があります。

こうした負担も、通常の運転においてプラントがすでに受けている損傷に追加しなければなりません。理論上はプラントが20年以上の運転に耐えなければならないこうした累積損傷モデルが、設計とメンテナンス間隔を最適化するためのインプットを提供してくれます。

ギア装置コンポーネントを対象とした疲労解析

もちろん結論を得るのに、20年も続くような試験の結果を待っているわけにはいきません。ここでの解決策は、開発中に適切な判断ができるよう支援してくれる疲労解析と負荷解析に特化したソフトウェアです。これこそ、風力タービン用ギアユニットの製造で世界をリードするハンセン・トランスミッションズ( Hansen Transmissions ) が、タービンのサービスライフに突きつけられている高い要求にミートさせるため、HBMの疲労解析ソフトウェア nCode DesignLife™ を使用している理由なのです。

コスト効率の改善

ハンセン・トランスミッションズでは、 DesignLife™ の使用を決定すると直ちに疲労および負荷解析の最適化が可能となりました。

このソフトウェアは、より多くの設計バリエーションを使用した計算と評価をより短時間で行い、開発および試験サイクルを大幅に低減し、その結果としてコストを徹底的に削減することで、エンジニアを支援しています。

さらにこのソフトウェアは、FEM分析に使用する ANSYS® と共に使用しても問題なく動作します。

総合負荷シナリオ

ハンセン・トランスミッションズが DesignLife™ の使用を決定するまでには、多くのソフトウェアソリューションと徹底的な比較調査がなされました。

ハンセン・トランスミッションズの製品技術部長を務める Dr. W. Meeusen は、

「私たちが DesignLife を選んだのは、直感的なインターフェイス、回転機械用として必要な解析の機能性に加えて、複合負荷の事例を使用する性能も備えていたからです。評価プロセスの期間中、nCODE のエンジニアたちは私たちと一緒に作業を進め、 DesignLife™ のソリューションがこちらのニーズを満たしているか確認してくれました。」

と述べています。

アプリケーションへの最も有利な適合

HBMで nCODE DesignLife™ を担当するプロダクトマネージャーの Jon Aldred は、次のように述べています。

「風力タービンと関連システムでは耐久性が設計上で最も重要な点ですから、この風力エネルギーという分野は nCODE 製品にとって急速に伸びるマーケットでしょう。

疲労によるダウンタイムは、修理と生産損失の両面から見て非常にコスト集約的な問題です。そこでハンセン・トランスミッションズでは、製品開発中のメインコンポーネントを最適に設計するために DesignLife™ を使おうとしたのです。

これは、 DesignLife™ product manager for がこの種のアプリケーションに適していることの証明でしょう。」

HBM製のソフトウェアソリューションは効率を向上させてコストを低減します。製品の概要をいかに示します。

nCode DesignLife™ – 開発時の残存耐用年数を分析

nCode DesignLife™ は、is 耐用年数分析用ソフトウェアです。 nCode DesignLife™ が耐用年数の予測に使用するのは、製品開発中におけるFEM分析の結果と構造耐久性試験です。

ここでは例えば、様々な風力、あるいは緊急停止のような一度限りでまれな事例など、数多くの負荷シナリオを検討することができます。これらすべてが20年間の永続的な運転を対象としています。

また流線解析プロセスにより、開発中に DesignLife™ を使用することで、複数の顧客が最大で90%の時間を節約したと報告しています。

nCode GlyphWorks® – 試験データ解析

nCode GlyphWorks® は、試験データ解析用としては第一級のソフトウェアです。 GlyphWorks は大量のデータを処理し、グラフを使用したプロセス指向のユーザーインターフェイスを提供します。

nCode Automation – モニタリング

nCode Automation は、計測データの解析および共有を目的としたインターネットベースのシステムを提供します。モニタリングされたデータは自動的にアップロードされて処理されます。これにより、トレンドの特定および real_world のローディングの定量化を支援することができます。

こうして収集されたデータには設計チームからも簡単にアクセスすることが可能となり、これを新しい開発に取り入れることができます。

トルクフランジを使用した風力システムの機能試験

モータからギア装置への力の伝達を確認して継続的な運転を監視する必要がある場合は、トルクフランジ (フランジ型のトルク変換器) の設置が推奨されます。

Siemens Ltd. China も、その風力エネルギープラントで使用しているタービンギア装置の機能試験において、この原理を踏襲しています。このプラントでは、対応する計測データを使用してモータからギア装置まで損失なく力を伝達するために、50kN・m までのトルクの計測に T10FM トルクフランジを使用しています。

T10FM は、信頼性の高い横力により、モータとギア装置の中間に直接取り付けることが可能になっています。T10FM からの信号は、インクリメンタルエンコーダ用の MP60DP シングルチャンネルアンプを使用して、 Profibus を経由し、適切なデータ処理ソフトウェアを装備したPCに損失なく転送されます。

nCode GlyphWorks

nCode Automation

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