IDEE DI FRENATA PER LE TURBINE EOLICHE Con

IDEE DI FRENATA PER LE TURBINE EOLICHE
Con la crescente focalizzazione della domanda di energia pulita sulle turbine eoliche, ottenere la massima
erogazione da un dato impianto è sempre più importante. La quantità di energia utile che una turbina può
estrarre dal vento è proporzionale all'area totale coperta dalle pale della turbina stessa. Di conseguenza,
la costante crescita in senso dimensionale della struttura delle turbine eoliche non è certo una sorpresa.
Ma ciò implica carichi e sforzi sempre maggiori sui relativi componenti meccanici di trasmissione della
potenza in generale, e sui freni in particolare.
I freni per le turbine eoliche richiedono velocità di ciclo maggiori, carichi più elevati ed affidabilità
superiore, e spesso in pacchetti più compatti rispetto alle apparecchiature convenzionali da fabbrica. Si
tenga conto inoltre di come essi debbano essere in grado di operare automaticamente in impianti per la
gran parte non presidiati, spesso in aree remote dove l'accesso e la manutenzione sono sia difficili che
costosi. Devono essere in trado di operare in condizioni ambientali tra le più difficili - spesso sottoposti a
temperature e umidità estreme. Devono essere in grado di garantire un'affidabilità assoluta per le
ubicazioni più varie, dai siti in alto mare con atmosfere ad elevata salinità ai deserti soggetti alla polvere.
I freni sono fondamentali in diverse posizioni di una turbina eolica. A prescindere dalle dimensioni, la
struttura di una turbina richiederà comunque freni sul rotore, freni d'imbardata e freni per il passo delle
pale, tutti con caratteristiche di progetto specifiche.
I freni sul rotore controllano le sovravelocità del rotore e garantiscono la frenata di parcheggio e
d'emergenza. L'azienda Twiflex del gruppo Altra Industrial Motion ha una grande esperienza nella fornitura
di freni rotore per le turbine eoliche più grandi. Jon Cooksley, Sales and Marketing Director, commenta:
"Quasi tutti i freni per i rotori delle turbine eoliche sono progettati secondo la filosofia fail-to-safe, applicati
a molla e rilasciati idraulicamente. Comprendono potenti molle che, direttamente o attraverso un
azionamento montato indipendentemente, applicano la necessaria forza su ciascun ferodo del freno
contro un disco. I freni vengono rilasciati comprimendo le molle con olio idraulico ad alta pressione fornito
da un gruppo di potenza."
I freni rotore possono essere montati sull'albero rotore a bassa velocità, sull'albero generatore ad alta
velocità, ed in alcuni casi su entrambi. La frenata sull'albero a bassa velocità è relativamente semplice: un
grande disco frenante con un'ampia superficie di attrito è semplice da predisporre. Ma le applicazioni su
turbine eoliche richiedono una coppia frenante molto elevata. Quindi, in generale, la posizione più
efficiente dal punto di vista economico per il freno è sull'albero ad alta velocità tra la scatola ingranaggi e il
generatore, dove l'elevato rapporto di demoltiplicazione significa una grande riduzione della coppia in
uscita.
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Tuttavia, posizionare il freno sull'albero ad alta velocità solitamente significa che opererà entro spazi più
ristretti. L'energia da dissipare è la stessa ovunque sia posizionato il freno, il che significa che l'area totale
del ferodo deve essere la stessa. Inoltre, la pastiglia del freno deve essere sufficiente a dissipare il calore
generato durante la frenata, specialmente durante le frenate di emergenza. La velocità e lo spazio
disponibile diventano rapidamente fattori limitanti per quanto riguarda il diametro massimo del disco, e
quindi influenzano la scelta del freno.
Un'ulteriore considerazione riguardante la posizione del freno è la possibilità di danni ai denti degli
ingranaggi. Se i freni vengono installati sull'albero in uscita dalla scatola ingranaggi e la turbina è ferma, è
probabile che le raffiche facciano sì che il rotore trasmetta un movimento di oscillazione entro il gioco degli
ingranaggi di ingresso ed uscita. Senza lubrificazione forzata tra i denti accoppiati, questo effetto potrebbe
in ultimo determinare sfregamenti e quindi danni costosi agli ingranaggi.
Il livello di coppia frenante per i freni rotore è una considerazione cruciale che deve essere calcolata
durante la fase iniziale di progettazione di un freno. La coppia frenante massima ammessa sull'albero del
rotore è solitamente imposta dalle pale o dal loro ancoraggio all'albero in uscita dalla scatola ingranaggi.
D'altro canto, frenare un albero ad alta velocità è di solito legato al carico massimo ammissibile sul dente
di un ingranaggio. Esiste inoltre un valore minimo di coppia frenante al di sotto del quale la natura variabile
delle forze di attrito nelle diverse condizioni operative potrebbe mettere in pericolo i rotori della turbina. È
quindi fondamentale tenere conto di un'adeguata finestra di sicurezza, o fattore di servizio, per garantire
che i freni possano sempre operare efficacemente in qualsiasi condizione climatica.
I fattori che hanno un impatto sui calcoli includono l'inerzia del rotore, la coppia aerodinamica, la velocità
del rotore, la composizione del ferodo del freno e le proprietà termiche del disco. Ma ci sono altri fattori da
tenere in considerazione, ad esempio gli effetti della sporcizia sulle superfici frenanti, la condensa,
l'eventuale presenza d'olio sulle superfici frenanti, la velocità e la pressione di sfregamento e i detriti da
usura sulle superfici dei ferodi. Dato che le turbine operano in modalità non presidiata, non è possibile
monitorare tutte queste condizioni, quindi è necessario tenere conto di una certa tolleranza quando si
calcola un livello di coppia in sicurezza.
Freni d'imbardata
In condizioni di funzionamento normale, una turbina eolica ad asse orizzontale può essere arrestata
portando le pale al di fuori del vento. I freni d'imbardata forniscono un mezzo efficace per controllare
uniformemente la gondola della turbina eolica mentre si porta nel vento, o "s'imbarda". Vengono
solitamente installati come freni di trascinamento ed operano controllando la pressione posteriore, che a
sua volta controlla il grado di forza della molla e quindi le coppie di frenata.
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Il processo inizia quando un anemometro segnala una modifica nella direzione del vento, avviando così il
motore che aziona l'anello dentato nel sistema d'imbardata. Il motore viene quindi arrestato da un ulteriore
segnale quando il meccanismo d'imbardata raggiunge la posizione ottimale nel vento e la gondola si
ferma. Edouard Haffner, responsabile per il New Market Development in Europa per Altra, commenta: "La
forza del vento è variabile, determinando così un carico variabile sul motore e quindi sulla precisione con
cui la gondola si ferma in relazione al cambio di direzione del vento. Il carico sul motore può essere
controllato efficacemente a prescindere dalla forza del vento, installando un freno applicato in modo
permanente e rilasciato elettromeccanicamente sulla faccia dell'anello dentato, nonché variandone la
resistenza d'attrito in base al segnale attivato dall'aumento o dalla diminuzione della corrente nel motore."
Solitamente ci sono da quattro a otto motori d'imbardata per turbina. I freni vengono solitamente montati
sull'estremità posteriore dei motori di azionamento, comunemente sul lato inferiore dell'anello dentato
d'imbardata. Ciò garantisce un posizionamento accurato della gondola e la massima efficienza operativa.
La progettazione elimina possibili danni dovuti ai movimenti erratici con gioco negli ingranaggi, e il freno è
un efficace morsetto per bloccare il meccanismo in posizione.
I tecnici delle turbine eoliche concordano nell'affermare che un freno a disco meccanico sia la soluzione
migliore in termini di affidabilità, semplicità di produzione, facilità di manutenzione e costo iniziale. I freni a
disco sono noti per le loro prestazioni eccellenti negli ambienti più ostili e richiedono pochissimo spazio in
relazione alla forza frenante offerta.
Considerazioni sulla frenata di controllo del passo delle pale
La turbine eoliche a grande asse orizzontale "controllano il passo", o inclinano, le pale del rotore per la
massima efficienza. Le pale del rotore vengono inoltre inclinate o messa in bandiera per minimizzare la
rotazione nei venti molto forti e per la manutenzione della turbina. Il sig. Haffner continua: "I motori di
passo possono essere azionati elettricamente o idraulicamente; è più comune l'azionamento elettrico, che
consente una progettazione più semplice e compatta. Inoltre, il motore elettrico è più preciso e può essere
facilmente programmato per soddisfare diverse variabili applicative. In entrambi i casi, un freno di tenuta in
caso di disattivazione incorporato nel motore serve come funzione di sicurezza nonché come freno
dinamico in condizioni di passo di emergenza."
La disposizione generale di un motore di passo elettrico include un motore elettrico (CA, CC o servo), un
sensore di posizione (encoder o resolver) e un freno di tenuta in caso di disattivazione. La logica di
comando rilascia il freno, aziona il motore, rileva la posizione, arresta il funzionamento del controllo di
passo e innesta il freno per tenere le pale in una posizione predeterminata. Il motore aziona un grande
anello dentato solidale con ciascuna pala, tipicamente con un rapporto di trasmissione di 1000:1.
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Ci sono diverse considerazioni di cui tenere conto nel selezionare il freno corretto per un motore di passo.
Il motore di passo di per sé stesso deve essere un pacchetto compatto perché lo spazio per montare il
gruppo nel cono del naso della turbina è limitato, di conseguenza selezionando un freno per il motore di
passo, è necessario tenere conto di una coppia sufficiente in un pacchetto compatto. Tipicamente, il freno
non deve avere diametro maggiore rispetto al motore e il sensore di posizione, e non deve aggiungere
una lunghezza eccessiva al sistema di azionamento.
È necessario inoltre tenere conto della durata di progetto per la scelta dei componenti. Una turbina di
grosse dimensioni può essere progettata per una durata efficace di venti anni, quindi i componenti singoli
e quelli assemblati devono soddisfare o superare questo requisito. Il numero di arresti di passo di
emergenza per una vita operativa di 20 anni viene generalmente definito come compreso tra 200 e 1000.
Data la grande inerzia generata da questi arresti, è necessario tenere conto dei criteri relativi alla
dissipazione termica e ai picchi di energia in ingresso.
Un freno a disco con pinza progettato correttamente può soddisfare le specifiche di coppia e termiche.
Tuttavia, questo tipo di freno tende ad avere un diametro assai grande è può essere difficile da installare
in spazi ristretti. Un freno motore standard rilasciato elettricamente e ingaggiato a molla può soddisfare i
requisiti dimensionali, ma non quelli termici e di coppia. Sono stati progettati freni più robusti in grado di
soddisfare gli standard più elevati necessari per questo tipo di applicazione.
Warner Electric ha sviluppato una serie di freni a tenuta statica a coppia elevata, rilasciati elettricamente e
ingaggiati a molla, che sono ideali per queste applicazioni. I freni della serie ERS hanno solitamente un
diametro minore rispetto al gruppo motore, aggiungono una lunghezza minima al pacchetto completo e
sono dimensionati per fino a 30.000 arresti dinamici, ben più dello standard operativo. Un ulteriore
vantaggio offerto da un freno elettrico è il tempo di reazioni ridotto, 0,20 sec., il che ne fa una scelta
eccellente per i sistemi di controllo del passo della pale. La progettazione affidabile di questo tipo di freno,
dissipa facilmente una quantità di calore maggiore di quella generata da un normale ciclo di
funzionamento.
Possiamo quindi vedere come, sia che il requisito specifico riguardi il freno rotore, il freno d'imbardata o
quello di passo, ci siano diversi fattori fondamentali da prendere in considerazione; le decisioni di progetto
devono essere prese quanto più possibile nella fase iniziale del progetto per ottenere il sistema finito
migliore possibile. In caso di dubbi, è consigliabile consultare un esperto nel campo, ed aziende come
quelle del gruppo Altra Industrial Motion hanno una grande esperienza da mettere a disposizione per fare
si che i freni specificati per le turbine eoliche offrano molti anni di funzionamento affidabile - in qualsiasi
condizione climatica.
Informazioni su Altra Industrial Motion
Altra è un leader mondiale nella progettazione e produzione di prodotti di qualità per la trasmissione della
potenza e il controllo del movimento, utilizzati per un’ampia gamma di applicazioni di trasmissione
industriale.
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Frizioni e freni, giunti, trasmissioni ad ingranaggi e componenti di trasmissione della potenza di Altra
vengono commercializzate tramite 23 marchi di produzione ben noti, tutti esistenti da oltre 50 anni.
Ognuna di queste aziende si impegna a rispettare i princìpi guida dell’eccellenza operativa, del
miglioramento continuo e della soddisfazione del cliente. Le soluzioni di alta tecnologia di Altra vengono
vendute in oltre 70 paesi ed utilizzate nei più importanti settori industriali: trattamento di prodotti alimentari,
movimentazione dei materiali, macchinari di imballaggio, minerario, energia, automotive, metalli primari,
tappeti erbosi e giardinaggio, e molti altri ancora.
Per ulteriori informazioni visitare www.altramotion.com
Le immagini distribuite con questo comunicato stampa possono essere usate esclusivamente per
accompagnare questa copia e sono soggette a copyright. Contattare DMA Europa per ottenere una
licenza per ulteriori utilizzi delle immagini.
Date: 28/10/2010
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DMA Europa Ltd. : Carolin Heel
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Web: www.dmaeuropa.com
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Altra Industrial Motion : David Brooksbank
Tel: 001 815-389-6227
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Date: 28/10/2010
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