IDEE DI FRENATA PER LE TURBINE EOLICHE

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1 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. Date: 28/10/2010 ALTRA104 page 1 / 5

2 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. Date: 28/10/2010 ALTRA104 page 2 / 5

3 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. Date: 28/10/2010 ALTRA104 page 3 / 5

4 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 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 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. Date: 28/10/2010 ALTRA104 page 4 / 5

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