Testar morgondagens energilösningar

Vid Clemson University har ett gammalt skeppsvarv gjorts om till världens största testcenter för vindkraft. Det tyska företaget Renk Test System (RTS) har försett anläggningen med världens starkaste testmaskiner med vindturbiner, som kan simulera alla typer av vindstyrka.

I och med vindkraftens snabba, globala utveckling planerar amerikanska regeringen att utvidga landets vindkraftsproduktion från 35 till mer än 300 gigawatt, vilket motsvarar 270 medelstora kärnkraftsverk. Det nya testcentret vid Clemson University i South Carolina spelar en avgörande roll i att uppnå detta mål. För första gången ska turbinprototyper på upp till 15 megawatt testas med alla typer av vindstyrka, däribland orkanstyrka. Det faktum att dagens genomsnittliga vindturbiner genererar 3–7 megawatt ger en tydlig antydan om hur stora krafter det rör sig om på testanläggningen.

– Vi behöver inte vänta på århundradets storm. Anordningarna simulerar de mest extrema väderförhållanden i några månader och tillverkare sparar hundratals miljoner dollar genom att identifiera svaga punkter innan de börjar producera nya system. Tids- och kostnadsbesparingar är några anledningar till varför intresset för våra testsystem har ökat lavinartat på senare tid, säger Jens Schneider, Project Manager vid RTS i Augsburg i Tyskland.

RTS fick i uppdrag att bygga två testkonstruktioner när Clemson-projektet drogs igång för ett par år sedan. Företaget, som är ett dotterbolag till RENK AG, har utvecklat och tillverkat högklassiga testanläggningar för växlar, drivkomponenter och hela fordon sedan 1960-talet.

Clemson-projektet är det största enskilda kontraktet i företagets historia hittills och RTS utökade personalstyrkan på kontoren i Mooresville och Augsburg för att möta de nya kraven. Två testanordningar konstruerades; en större anordning för testobjekt på upp till 15 megawatt med en heldynamisk belastningsapplikation som använder hydrauliska cylindrar och en motor på 11 000 hästkrafter för att driva turbinens rotorblad samt en mindre anordning för 7,5 megawatt.

Den större är 30 meter lång, 13 meter bred och 14 meter hög. Sedan vindkraften slog igenom på 1980-talet har tester varit begränsade till komponenter, men tack vare dessa enorma testanordningar går det att montera en komplett motorgondol med en genomsnittsvikt på 300–400 ton på testbädden. Därmed går det att simulera en dynamisk belastning med frihetsgrad 6 (6 DOF). RTS levererade 800 ton komponenter till USA, bland annat Superbolt multi-jackbolt tensioners och expansionsskruvar.

– Tekniken är toppmodern och kommer att användas för att testa nya vindturbiner under de kommande 30 åren, säger Jens Schneider. Det var därför vi behövde en skruvsäkring som klarar av både dagens starka vindturbiner och morgondagens ännu kraftfullare.

874 Superbolt MJTs och expansionsskruvar i olika storlekar från M42 till M125 säkrar de mest kritiska skruvförbanden i de båda testanordningarna. De allra största fäster testanordningens enskilda enheter vid det 6 000 ton tunga cementfundamentet. På detta sätt hålls testbäddarna separerade från huvudstrukturen, vilket förhindrar att det uppstår vibrationer som kan påverka testresultaten. Resten monteras på testbäddarnas drivhjul som kontrollerar hastigheten på testobjektet, samt i belastningsenhetens axelkoppling som simulerar vinden.

– De här delarna måste klara av extremt höga dynamiska belastningar som liknar de tuffa väderförhållanden som råder till havs, och därför behövs det enorma skruvar som håller allting på plats. För att dra åt och lossa traditionella skruvar måste man använda tunga hydrauliska verktyg. Med Superbolt-produkter får man samma eller bättre förspänningsnivåer, men det behövs bara vanliga handverktyg och det är mycket mer flexibelt, förklarar Jens Schneider.

– 90 procent av anordningens komponenter tillverkades i Augsburg, men det fanns inte plats att provmontera och testa hela anläggningen här. Vi fick bara ett försök att få till det och tack vare Superbolt-muttrarna kunde vi montera båda anordningarna på bara sex månader, fortsätter han.

När de första vindturbintesterna startades vid Clemson 2013, hade vindkraft just blivit den primära källan till ny elkraft i USA. Ändå står vindkraften fortfarande bara för 3,5 procent av landets el och för närvarande finns det inga vindkraftsparker till havs utanför den amerikanska kusten. Men med testanläggningar som den vid Clemson University kan dock detta komma att ändras tidigare än förväntat.

FAKTA: Vindkraft

Global vindkapacitet:
>336 gigawatt (täcker det nuvarande behovet för upp till 200 miljoner bostäder).

Genomsnittlig rotordiameter:
97 meter.

Genomsnittlig navstorlek:
113 meter.

Världens största vindturbin:
SeaTitan 10 MW (rotordiameter: 190 meter).

Världens största vindkraftspark:
Gansu vindkraftspark i Kina (kapacitet: 6 000 MW).

Ledande vindkraftsnation:
Danmark (33 procent av elektriciteten genereras av vindkraft).

Affärsargument för Superbolt

• Klarar av extrema dynamiska belastningar utan att skruvar lossnar.
• Skruvarna kan dras åt och lossas med vanliga handverktyg.
• Möjliggör enkel montering på plats.