Scenario applicativo 13: Sistemi di azionamento per la generazione di energia termica
Le centrali termoelettriche rappresentano uno degli ambienti meccanicamente più impegnativi di tutto il settore dell'ingegneria industriale. In un impianto di generazione a carbone o a gas, la turbina a vapore e il generatore elettrico sono collegati tramite un'unica linea di trasmissione che deve erogare centinaia di megawatt di potenza senza interruzioni, spesso per periodi continuativi misurati in mesi anziché in giorni. Il giunto posto tra queste due macchine rotanti non è quindi un componente periferico, bensì il fulcro meccanico dell'intero gruppo elettrogeno. L'infrastruttura termoelettrica britannica, compresi gli impianti nelle Midlands, nello Yorkshire e nel Nord Est, si basa su giunti ad albero in grado di assorbire la dilatazione assiale dovuta all'espansione termica, sopprimere le vibrazioni torsionali e mantenere l'equilibrio dinamico a velocità di rotazione che possono superare i 3.000 giri al minuto.
Ciò che rende questa applicazione particolarmente complessa è la combinazione di fattori che agiscono simultaneamente. L'elevata velocità di rotazione genera sollecitazioni centrifughe che si sommano al carico di fatica. Il funzionamento continuo per anni, anziché per settimane, esclude qualsiasi ciclo di manutenzione che richieda l'arresto della turbina. I gradienti termici lungo l'albero di una turbina in funzione causano spostamenti radiali e angolari misurabili all'interfaccia di accoppiamento, creando un disallineamento dinamico che una connessione rigida semplicemente non può tollerare. Comprendere perché vengono selezionati specifici tipi di accoppiamento per le trasmissioni termoelettriche e come vengono progettati per far fronte a queste condizioni è una conoscenza essenziale per qualsiasi ingegnere meccanico o di apparecchiature rotanti che opera nel settore energetico del Regno Unito.
Principio di funzionamento degli accoppiamenti nei gruppi turbina-generatore
Nella sua forma più elementare, un giunto in una trasmissione di energia termica svolge tre compiti meccanici simultanei: trasmette la coppia prodotta dalla turbina a vapore al rotore del generatore, compensa il disallineamento fisico tra gli assi dei due alberi e protegge entrambe le macchine da improvvisi carichi d'urto o impulsi torsionali che potrebbero danneggiare i cuscinetti o gli avvolgimenti. In una grande turbina a vapore che aziona un generatore a 3.000 giri/minuto – la velocità sincrona standard per la generazione connessa alla rete a 50 Hz nel Regno Unito – il giunto deve gestire coppie che possono raggiungere diverse centinaia di kilonewton-metri a pieno carico.
I giunti a ingranaggi sono particolarmente adatti a questo scopo grazie alla loro intrinseca flessibilità. Ogni mozzo è lavorato con denti esterni che si ingranano con denti interni in una boccola circostante. Quando il centro dell'albero si sposta a causa della dilatazione termica, l'ingranamento può compensare sia il disallineamento angolare (tipicamente fino a 1,5° per ogni ingranaggi) sia lo spostamento assiale senza trasmettere momenti flettenti ai cuscinetti dell'albero. Questo scorrimento dente-dente è lubrificato con un grasso o un olio ad alta temperatura appositamente formulato, che consente un movimento relativo continuo senza usura da sfregamento.
I giunti a dischi funzionano tramite un meccanismo completamente diverso. Diversi dischi metallici sottili sono disposti in un pacco e imbullonati alternativamente alle flange motrice e condotta. La coppia viene trasmessa attraverso la rigidità di trazione e compressione nel piano del pacco di dischi, mentre il disallineamento angolare e assiale viene compensato dalla flessione elastica dei dischi. Poiché non vi sono superfici di scorrimento, i giunti a dischi sono intrinsecamente esenti da manutenzione e non richiedono lubrificazione: un vantaggio determinante nella generazione di energia ad alta disponibilità, dove qualsiasi interruzione imprevista comporta enormi costi.
Materiali principali: acciai legati e metalli ad alte prestazioni
I corpi e le boccole dei giunti a ingranaggi utilizzati nelle centrali termoelettriche sono quasi universalmente realizzati in acciai strutturali basso legati come il 42CrMo4 o il 34CrNiMo6, selezionati per la loro eccellente combinazione di resistenza alla trazione, tenacità e resistenza alla fatica. Dopo la sgrossatura, i mozzi vengono in genere cementati e cementati per ottenere una durezza superficiale dei denti di HRC 58-62, che resiste alla micro-pitting e all'usura da sfregamento che altrimenti ridurrebbero la durata utile nelle applicazioni a servizio continuo.
Per i gruppi elettrogeni che operano a velocità particolarmente elevate o in ambienti in cui la riduzione del peso è fondamentale, come accade sempre più spesso negli impianti a ciclo combinato con turbina a gas (CCGT), vengono talvolta specificati mozzi in lega di titanio o alberi intermedi in lega di alluminio. Questi materiali offrono specifici valori di resistenza che consentono ai progettisti di ridurre la massa del giunto mantenendo al contempo il margine di fatica richiesto dagli standard di produzione di energia.
Materiali per giunti a disco: acciaio inossidabile e leghe composite
I dischi dei giunti a disco sono generalmente realizzati in acciaio inossidabile temprato per precipitazione, come il 17-4PH o il 15-5PH. Queste leghe raggiungono resistenze alla trazione superiori a 1.000 MPa, pur mantenendo una duttilità sufficiente a sopportare i carichi di flessione ciclica imposti dal disallineamento angolare. La composizione in acciaio inossidabile offre inoltre un'intrinseca resistenza alla corrosione, vantaggiosa nelle centrali elettriche costiere o negli impianti in cui la condensa proveniente dalle tubazioni del vapore crea un microambiente umido intorno al giunto.
I dispositivi di fissaggio e le flange sono generalmente realizzati in acciaio legato trattato termicamente e tutte le superfici di accoppiamento sono rifinite con tolleranze ristrette per garantire una distribuzione uniforme del carico sull'intero pacco dischi. Alcuni produttori applicano rivestimenti a base ceramica alle aree ad alto contatto per ridurre l'usura da sfregamento all'interfaccia disco-flangia: un dettaglio che prolunga significativamente la durata utile in applicazioni con cicli di utilizzo intensivi.
Principali vantaggi tecnici per le applicazioni di azionamenti termici
I giunti a ingranaggi progettati per grandi gruppi turbina-generatore gestiscono abitualmente coppie superiori a 500 kN·m, con valori di sovraccarico di picco che forniscono un margine di sicurezza per eventi di guasto della rete come picchi di coppia di cortocircuito.
Quando una turbina si riscalda dall'avviamento a freddo fino alla temperatura di esercizio, l'albero può allungarsi assialmente di diversi millimetri e spostarsi radialmente di frazioni di millimetro. Gli accoppiamenti a ingranaggi e dischi assorbono questo movimento senza trasmettere carichi di flessione dannosi ai cuscinetti della turbina o del generatore.
Grazie alla geometria ottimizzata dei denti, alla cementazione e alla bilanciatura dinamica di precisione di grado G2.5, i giunti per la generazione di energia raggiungono una durata di servizio cumulativa superiore a 100.000 ore operative, pari o superiore agli intervalli di revisione generale delle macchine a cui sono collegati.
Tutti i gruppi di accoppiamento rotante sono bilanciati di serie con un grado di bilanciamento pari o superiore a G2.5 secondo la norma ISO 1940-1. Per le applicazioni con turbine ad altissima velocità, dove uno squilibrio residuo causerebbe livelli di vibrazione inaccettabili sui delicati cuscinetti del generatore, sono disponibili gradi di bilanciamento superiori, come G1.0.
I giunti a disco sono completamente esenti da lubrificazione. I giunti a ingranaggi, se forniti con grasso sintetico moderno ad alta temperatura e fermi sigillati, possono soddisfare intervalli di rilubrificazione di 25.000 ore o più, riducendo significativamente il carico di lavoro di manutenzione per i team di ingegneri delle centrali elettriche.
Durante i disturbi di rete, i generatori sincronizzati possono subire inversioni di coppia istantanee di valore molte volte superiore al carico nominale. La cedevolezza elastica dei pacchi di dischi e il gioco dei denti degli ingranaggi assorbono questi transitori prima che possano propagarsi alle pale dell'ultimo stadio della turbina o agli anelli terminali dell'albero del generatore.
Tabella dei parametri tecnici e prestazionali del prodotto
| Parametro | Giunto a ingranaggi | Giunto a disco |
|---|---|---|
| Intervallo di coppia nominale | da 10 a 2.000 kN·m | da 5 a 800 kN·m |
| Velocità massima | Fino a 5.000 giri al minuto | Fino a 30.000 giri al minuto |
| Disallineamento angolare | Fino a 1,5° per maglia | Fino a 1,0° per elemento |
| Spostamento assiale | da ±5 a ±25 mm | da ±1 a ±5 mm |
| Materiale del mozzo | 42CrMo4 / 34CrNiMo6 | Lega 42CrMo4 / Ti |
| Materiale del disco/manicotto | Acciaio legato, cementato HRC 58–62 | Acciaio inossidabile 17-4PH / 15-5PH |
| Grado di equilibrio dinamico | Standard G2.5 / G1.0 opzionale | Standard G2.5 / G1.0 opzionale |
| Temperatura di esercizio | da -20 °C a +120 °C | da -50 °C a +300 °C |
| Obiettivo di durata di servizio | > 100.000 ore | > 100.000 ore |
| Requisiti di lubrificazione | Grasso/olio per alte temperature; intervallo di 25.000 ore | Nessuna (senza manutenzione) |
| Capacità di sovraccarico | Coppia 2,0 volte superiore a quella nominale (momentanea) | Coppia 3,0 volte superiore a quella nominale (momentanea) |
Scenari di applicazione industriale: sistemi di azionamento per la generazione di energia termica
Accoppiamento turbina a vapore-generatore — Grandi centrali elettriche a carbone e a gas
Nelle centrali termoelettriche a carbone convenzionali, comprese quelle tuttora operative nelle regioni delle East Midlands e dello Yorkshire del Regno Unito, la turbina a vapore principale è tipicamente una macchina multistadio con stadi a media e bassa pressione disposti su un albero comune. Questo albero aziona direttamente il rotore del generatore e l'accoppiamento tra i due deve trasmettere l'intera potenza erogata dalla macchina, che può raggiungere i 660 MW o più nelle moderne unità supercritiche. Gli accoppiamenti a ingranaggi installati in questa posizione non solo devono sopportare la coppia a regime, ma devono anche resistere ai sovraccarichi transitori che si verificano durante la riconnessione alla rete dopo un'interruzione, quando il generatore viene improvvisamente risincronizzato con la rete elettrica. I picchi di coppia risultanti possono raggiungere da due a tre volte il carico nominale e durare diversi secondi: un evento di fatica estremo che i progettisti devono considerare nell'analisi a fatica di ogni componente dell'accoppiamento.
Oltre all'integrità strutturale, l'accoppiamento in un grande gruppo turbina-generatore svolge un ruolo critico anche nella dinamica torsionale dell'intero albero. Qualsiasi frequenza torsionale naturale che rientri nell'intervallo delle frequenze di eccitazione prodotte dalla rete elettrica — tipicamente 0-50 Hz e le sue armoniche — può portare a risonanza sub-sincrona, che ha causato guasti catastrofici agli alberi in grandi gruppi elettrogeni in tutto il mondo. Accoppiamenti progettati con precisione e con valori di rigidezza torsionale calcolati con cura consentono agli ingegneri delle apparecchiature rotanti di regolare le frequenze naturali del gruppo albero in modo da evitare bande di eccitazione pericolose.
Impianti a ciclo combinato con turbina a gas (CCGT) - Applicazioni di giunti a disco ad alta velocità
Gli impianti a ciclo combinato con turbina a gas sono diventati la spina dorsale della produzione di energia elettrica a gas nel Regno Unito, con importanti installazioni operative in diverse località, da Pembroke in Galles a Seabank nel South Gloucestershire e Keadby nel North Lincolnshire. In un impianto CCGT, la turbina a gas aziona in genere il generatore a velocità comprese tra 3.000 e 3.600 giri/min, ma i gas di scarico caldi passano poi attraverso un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) per azionare una turbina a vapore su un albero coassiale separato. I giunti a disco sono la scelta preferita per le applicazioni CCGT perché eliminano le esigenze di lubrificazione dei giunti a ingranaggi, un vantaggio operativo significativo quando il giunto si trova nella sezione del percorso dei gas caldi, dove l'accesso per la manutenzione è fortemente limitato dall'isolamento termico circostante e dalla struttura in acciaio.
Le dimensioni relativamente compatte degli accoppiamenti a dischi ne facilitano l'integrazione negli spazi ristretti delle moderne sale turbine delle centrali a ciclo combinato, dove la necessità di massimizzare la densità di potenza in un dato ingombro ha progressivamente ridotto la distanza fisica tra le macchine. I pacchi di dischi realizzati in acciaio inossidabile 17-4PH possono resistere alle elevate temperature presenti nelle zone di scarico delle turbine a gas senza degrado delle proprietà meccaniche, e le loro intrinseche basse perdite per attrito aerodinamico ad alte velocità contribuiscono ai lievi miglioramenti nell'efficienza complessiva dell'impianto, che i produttori di energia cercano continuamente di ottenere per migliorare la propria competitività sul mercato della capacità.
Sistemi di azionamento per pompe di alimentazione caldaie - Applicazioni di accoppiamento ausiliario
La pompa di alimentazione della caldaia è probabilmente la macchina ausiliaria più critica in qualsiasi centrale termoelettrica. Funzionando ininterrottamente per mantenere il flusso preciso di acqua di alimentazione ad alta pressione nella caldaia, queste pompe sono in genere azionate direttamente da una turbina a vapore o tramite un giunto idraulico e un riduttore collegati a un grande motore elettrico. In entrambi i casi, il giunto tra il motore e la pompa deve essere in grado di gestire le variazioni di velocità che si verificano al variare della domanda di flusso in base al carico, e deve assorbire i carichi idraulici di shock che si verificano quando la pompa si arresta e le valvole si chiudono bruscamente. I giunti a ingranaggi sono ampiamente utilizzati nei sistemi di azionamento delle pompe di alimentazione delle caldaie nelle centrali elettriche del Regno Unito grazie alla loro comprovata capacità di gestire queste condizioni per intervalli di servizio molto lunghi senza richiedere un monitoraggio frequente.
Gli intervalli di manutenzione programmata nelle centrali elettriche del Regno Unito sono in genere brevi e poco frequenti, e lo sono sempre di più poiché la rete dipende dagli impianti termici programmabili per bilanciare la produzione intermittente da fonti rinnovabili. Un giunto della pompa di alimentazione della caldaia che richiede lubrificazione o ispezione ogni poche migliaia di ore rappresenta un onere operativo significativo. I moderni giunti a ingranaggi sigillati, riempiti con grasso sintetico per pressioni estreme, o le alternative con giunti a disco esenti da manutenzione, sono quindi fortemente preferiti dai tecnici della manutenzione che cercano di estendere gli intervalli tra le fermate programmate e ridurre il volume di lavoro previsto in ogni periodo di fermo.
Azionamento del ventilatore di tiraggio indotto e della torre di raffreddamento: giunto flessibile in servizio continuo.
I ventilatori a tiraggio indotto e i ventilatori delle torri di raffreddamento sono tra le più grandi macchine rotanti a funzionamento continuo presenti in qualsiasi centrale termoelettrica. In un tipico impianto del Regno Unito, i ventilatori a tiraggio indotto possono assorbire fino a 5 MW di potenza installata, funzionando 24 ore su 24 durante tutta la stagione di produzione. Questi ventilatori sono azionati tramite riduttori collegati a grandi motori elettrici, con un giunto sia sul lato di ingresso che su quello di uscita del riduttore. Il giunto sul lato di ingresso del motore deve sopportare le elevate coppie di spunto generate dal motore prima che raggiunga la velocità sincrona, un evento che impone al giunto sollecitazioni molto diverse rispetto alle condizioni operative a regime.
Negli impianti situati in zone costiere o in prossimità di fiumi, come spesso accade nel Regno Unito, dove la disponibilità di acqua di raffreddamento ha storicamente determinato l'ubicazione delle centrali elettriche, i sistemi di azionamento dei ventilatori a tiraggio indotto operano in ambienti con elevata umidità e salinità dell'aria. I giunti in queste aree beneficiano di trattamenti superficiali che includono fosfatazione, verniciatura epossidica e elementi di fissaggio in acciaio inossidabile per resistere alla corrosione tra gli interventi di manutenzione programmata.
Prodotti di accoppiamento in evidenza per la generazione di energia
Giunto flessibile per travi
Il giunto flessibile a trave di Ever Power è un giunto monoblocco con taglio elicoidale, ricavato da una lega di alluminio di grado aeronautico. Le scanalature elicoidali nel corpo creano un elemento flessibile simile a una molla che compensa disallineamenti angolari e paralleli senza gioco. Questo lo rende la scelta ideale per azionamenti ausiliari nei sistemi di controllo delle centrali elettriche, applicazioni di azionamento per strumenti e collegamenti di attuatori di precisione, dove la precisione di posizionamento e la reattività torsionale sono entrambe fondamentali. Con velocità operative fino a 10.000 giri/min e una gamma di coppia da 0,2 a 12 N·m, il giunto flessibile a trave è adatto ad applicazioni di strumentazione e servoazionamento in tutto il settore della produzione di energia.
Giunto a disco
La gamma di giunti a disco di Ever Power è progettata per gli ambienti di trasmissione di potenza ad alta velocità e coppia più esigenti, risultando la soluzione ideale per applicazioni in centrali a ciclo combinato a turbina a gas (CCGT) e generatori a turbina a vapore nel settore energetico del Regno Unito. Realizzato con pacchi di dischi in acciaio inossidabile disposti in distanziali e flange in acciaio legato rettificato di precisione, il giunto a disco trasmette la coppia attraverso la tensione planare degli elementi del disco, assorbendo al contempo i disallineamenti angolari e assiali tramite la flessione elastica del disco, il tutto senza lubrificazione. Grazie al funzionamento senza manutenzione, all'ampia compatibilità termica e al bilanciamento dinamico a G2.5 o superiore, il giunto a disco è la prima scelta per gli ingegneri delle centrali elettriche che desiderano estendere gli intervalli di fermo programmati e ridurre i costi di manutenzione del ciclo di vita dei sistemi di trasmissione turbina-generatore.
Ever Power: Produzione e personalizzazione di giunti di precisione per progetti energetici nel Regno Unito.
Ever Power ha dedicato decenni al perfezionamento dei suoi processi produttivi per i giunti di generazione di energia, sviluppando una gamma di prodotti che spazia dai giunti a trave di piccolo diametro per azionamenti di strumentazione fino ai massicci gruppi di ingranaggi in grado di trasmettere la potenza di turbine multimegawatt. Lo stabilimento di produzione utilizza torni, fresatrici e centri di dentatura CNC di precisione, con tolleranze mantenute a IT5 o superiori su tutte le dimensioni critiche. Ogni giunto destinato ad applicazioni termoelettriche viene ispezionato mediante macchine di misura a coordinate (CMM) e sottoposto a bilanciamento dinamico completo su macchine di bilanciamento appositamente costruite e calibrate secondo lo standard ISO 1940-1 Grado G2.5 o superiore.
Ciò che distingue veramente Ever Power nel mercato britannico è la profondità delle nostre capacità di personalizzazione. Non esistono due progetti di generazione di energia identici: tolleranze del diametro dell'albero, configurazioni delle chiavette, lunghezze dei distanziali di accoppiamento per soddisfare i requisiti di accesso per la manutenzione, specifiche speciali per il trattamento superficiale e i valori di rigidezza torsionale richiesti dall'analisi dinamica del treno di alberi variano da progetto a progetto. Il team di ingegneri di Ever Power collabora direttamente con gli ingegneri delle apparecchiature rotanti nei progetti di generazione di energia nel Regno Unito, fornendo supporto per l'analisi torsionale, pacchetti di certificazione dei materiali per soddisfare i requisiti UKCA e la marcatura CE e programmi di consegna accelerata per i ricambi critici dell'impianto che non possono attendere settimane per i tempi di consegna standard.
L'impianto CCGT del Nottinghamshire elimina i fermi macchina legati ai giunti grazie all'ammodernamento del giunto a disco Ever Power.
Una centrale a ciclo combinato a turbina a gas da 900 MW nella regione di Trent Valley, nel Nottinghamshire, aveva subito ricorrenti arresti non programmati attribuibili a guasti di lubrificazione nei giunti a ingranaggi installati sui sistemi di azionamento delle turbine a gas. I giunti, in servizio sin dalla messa in funzione della centrale, stavano raggiungendo la fine dell'intervallo di rilubrificazione previsto, ma il ritmo operativo dell'impianto, sotto pressione da parte del mercato della capacità del Regno Unito per massimizzare la disponibilità durante i picchi di domanda invernali, non prevedeva tempi di fermo programmati sufficienti per effettuare la manutenzione necessaria. Il risultato era un modello di usura dei cuscinetti nella parte azionata dalla turbina a gas, innescato dal funzionamento a secco dei denti del giunto a ingranaggi, che portava ad allarmi di vibrazione elevati e, in ultima analisi, ad arresti che mettevano fuori servizio l'unità in momenti economicamente svantaggiosi.
Il team addetto alle apparecchiature rotanti dell'impianto ha incaricato Ever Power di progettare una soluzione di accoppiamento a dischi retrofit che potesse essere installata durante una finestra di manutenzione estiva programmata. Gli ingegneri di Ever Power hanno condotto un'analisi torsionale della trasmissione esistente, hanno confermato che le frequenze naturali torsionali della configurazione di accoppiamento a dischi proposta fossero escluse in modo sicuro dalle frequenze di eccitazione della rete e hanno prodotto una serie di gruppi di accoppiamento a dischi personalizzati con lunghezze dei distanziali adattate alla distanza esistente tra l'albero della turbina e quello del generatore. I mozzi sono stati realizzati in acciaio 42CrMo4 per adattarsi al materiale dell'albero della turbina, mentre i pacchi di dischi sono stati prodotti in acciaio inossidabile 17-4PH con un'analisi a fatica che ha confermato una durata di servizio superiore a 120.000 ore ai valori di coppia e disallineamento di progetto.
L'ammodernamento è stato completato entro i cinque giorni previsti, senza necessità di ulteriori fermi macchina. Nei diciotto mesi successivi all'installazione, l'unità non ha registrato alcun guasto imprevisto attribuibile al giunto della trasmissione e il team di manutenzione della stazione ha confermato che l'intervallo di ispezione programmato per i gruppi di accoppiamento a disco ha esteso il programma di manutenzione del giunto dal precedente ciclo di rilubrificazione di 8.000 ore a un programma di ispezione visiva di 40.000 ore, riducendo drasticamente sia il carico di lavoro di manutenzione sia il rischio di fermi forzati durante i periodi di dispacciamento ad alto costo.
"L'ammodernamento del giunto a disco di Ever Power ha rivoluzionato i nostri risultati in termini di disponibilità. Diciotto mesi di funzionamento senza interruzioni dopo due anni di problemi legati al giunto. La qualità della documentazione tecnica fornita per il nostro sistema di gestione della manutenzione è stata altrettanto impressionante."
"Dopo aver valutato diversi fornitori, abbiamo scelto Ever Power per il giunto a disco della nostra nuova pompa di alimentazione della caldaia. Ciò che li ha contraddistinti è stata la loro disponibilità a eseguire i calcoli di rigidezza torsionale in base ai dati del nostro modello di albero, anziché limitarsi a fornire schede tecniche standard. I giunti sono in funzione continua da oltre due anni senza alcun problema."
"I tempi di consegna per un giunto a ingranaggi con foro personalizzato per il nostro azionamento del ventilatore a tiraggio indotto sono stati di sei settimane dalla richiesta alla consegna, un tempo eccezionalmente rapido per un componente completamente personalizzato. La documentazione relativa alla certificazione dei materiali era completa e i certificati di bilanciamento erano perfetti. Il nostro team di ispezione ha dato il via libera senza alcuna obiezione. Ever Power sarà la nostra prima scelta per qualsiasi futura esigenza di giunti."
Domande frequenti: Giunti per la produzione di energia termica nel Regno Unito
Pronti a scegliere il giunto giusto per il vostro progetto di generazione di energia?
Il team di ingegneri di Ever Power è pronto ad assistervi nella scelta del giunto per turbina, nella revisione dell'analisi torsionale e per soddisfare le vostre esigenze di personalizzazione. Inviateci i dati del vostro progetto e vi risponderemo entro un giorno lavorativo.