Vindkraftens tidsmaskin

I en sektor med global tillväxt varje år vill vindkraftsbranschen använda mindre material för att producera stora vindkraftsdelar. I ett tyskt projekt testas nya byggmetoder med simuleringar av 20 års slitage på bara en bråkdel av den tiden.

Trycket på minskade kostnader i en växande vindkraftsbransch väcker behovet av intensiva tester. Konsekvent forskning om kostnadsreducerande metoder krävs också för att stärka vindkraft som en alternativ, långsiktig energikälla utan subventioner.

Det tyska Fraunhofer-institutet för vindkrafts- och energisystemteknik, IWES, hjälper kunder (exempelvis tillverkare av vindkrafts­turbiner, operatörer av vindkraftsparker, leverantörer och energibolag) genom att tillhandahålla branschrelaterade forskningstjänster och samarbete för en lång rad tekniska frågor relaterade till vindkraft.

– IWES är ett branschinstitut engagerat i  vindkraften, förklarar Hans Kyling, Research Associate för det aktuella BeBen XXL-projektet, som undersöker om företagens säkerhetskrav kan uppfyllas även om en mindre mängd material används.

Projektet pågår mellan 2012 och 2017, och är ett samarbete mellan Fraunhofer IWES, vindturbinstillverkaren Suzlon Energy GmbH (som startade projektet) och Hamburgs yrkeshögskola HAW. Det grundades av förbundsministeriet för ekonomi.

Den tyska förkortningen BeBen kan utläsas ungefär ”accelererad experimentell verifiering av uthållighetsstyrkan hos stora vindkraftskomponenter utifrån huvudaxelns exempel”.
– Termen lättviktskonstruktion är lite överdriven eftersom vi inte bygger direkt lätt, bara lättare, påpekar Kyling.

Alla originaltillverkare i vindkraftsindustrin kommer potentiellt sett att tjäna på positiva projektresultat. Om certifieringsriktlinjerna justeras i enlighet med dessa kommer det att förbättra kostnadseffektiviteten i och med att det inte kommer att vara nödvändigt att överdimensionera komponenterna till vindkraftsturbinerna.

Förutom projektets huvudmål undersöks och utvärderas även lämpligheten med höghållfast gjutjärn som ett substitut till dyra smidda material. Kyling säger:

– Vi utför en accelererad test av tjänstens livslängd genom att justera vissa parametrar. Vi använder exempelvis en snabbare rotationshastighet än vid normal vindturbinsdrift, och på så sätt belastar vi huvudaxeln mer med en tyngre rotor.

Något annat som gör projektet innovativt är framtagandet av en så kallad Wöhler-kurva, som fastställer vibrationsresistansen i ett material eller en komponent – speciellt i väldigt stora sådana. Inom bilindustrin används i allmänhet vibrationsresistanstester för mycket mindre komponenter. Av kostnadsskäl utför vanligen även flyg- och rymdindustrin tester på betydligt mindre komponenter.

Trots de enorma dimensionerna på vindkraftverkets huvudaxel är arbetsutrymmet för skruvförbanden ganska begränsade, vilket kan göra montering och underhåll svårt – och även riskabelt.
– Vi skapade en delad form av testrigg. Det finns en stålstruktur, som är kopplad till fundamentet, och en övre stålstruktur, som är kopplad till provkroppen, säger Kyling.

Vanligtvis är båda applikationer väldigt svåra att få åtkomst till. Strukturen är konstruerad på så sätt att belastningsflödet optimeras, vilket innebär att skruvarna ibland är placerade på svåråtkomliga platser där utrymmet för att manövrera verktygen är begränsat. Förutom begränsad plats påpekar Kyling andra svårigheter:

– Förlusten av förspänning ska vara så låg som möjligt, och väldigt starka krafter måste balanseras.

Dessa svårigheter var en viktig anledning till varför Nord-Locks produkter valdes. Superbolt-muttrar bidrar till projektets säkerhet, inte bara eftersom de gör det möjligt att arbeta i små utrymmen, utan även för att lättare verktyg kan användas. Att hantera hydraulisk utrustning i dessa situationer kan påverka teknikerns säkerhet.

Superbolt-muttrar används mellan de två övre stålkomponenterna och mellan stålstruktur och fundament. Åtta muttrar i storlek M80 samt 28 mindre M56-muttrar används i projektet. Även med de stora M80 Superbolt-muttrarna måste man räkna med krafter på 2,8 MN (meganewton), men det kan Superbolt multi-jackboltskruvarna hantera.

Förutom de faktiska delarna drar BeBen XXL-projektet även nytta av Nord-Locks erfarenhet från vindkraftsindustrin. Positionering är hemligheten bakom att lyckas på den här marknaden ”för trycket på att minska kostnaderna finns alltid där”, säger Kyling.

– Som högkvalificerad leverantör för vindkraftsindustrin är vi glada att tillväxttrenden i  detta segment fortsätter. Det är extra sant när det gäller turbiner för svagare vindar. Eftersom de nyttjar befintliga vindar till fullo passar de bra för många platser världen över, säger Nord-Lock Sales Engineer Tobias Klanck.

han fortsätter med att kommentera vindturbinernas struktur:

– Det finns fortfarande många utmaningar vi måste klara av. En av dem är användningen av allt större rotorblad. Angående drivlinan kan det innebära problem om vi använder gjutna axlar istället för smidda i syfte att hålla nere kostnaderna för stora volymer. Eftersom det inte finns något vedertaget drivlinekoncept är kullager ytterligare en utmaning vindturbinstillverkare måste uppfylla för att vara konkurrenskraftiga.

Tekniskt fokus: Produkter för alla förhållanden

Nord-Lock GROUPS förstklassiga produkt­sortiment är väldigt tilltalande för vindkraftsindustrin i och med att det uppfyller de tuffa kraven från vindkraftsoperatörerna. Nord-Locks produkter är perfekta för att säkra skruvförband i  vindkraftverk då de måste kunna motstå enormt tryck under extrema förhållanden. Dessutom är de i stort sett underhållsfria.

Nord-Lock brickor förhindrar att skruvar lossnar på grund av vibrationer och dynamisk belastning, då de använder spänning istället för friktion och på så sätt minskar risken för produktionsfel eller materialskador. Brickor i X-serien är extra säkra eftersom de förutom att de har samma killåsningseffekt som vanliga killåsningsbrickor även kan kompensera för relaxation och sättningar. Dessutom är de tillförlitliga när det gäller dynamisk belastning, speciellt i nya turbiner med allt högre kapacitet.

Superbolt-muttrar är ett premiumval för vindkraftverk. De ersätter vanliga muttrar och skruvar, ökar skruvförbandens livslängd och kan dras åt med vanliga handverktyg. De lämpar sig utmärkt för drivlinan, både framför och efter växellådan, i maskinhuset och vid fundamentet, då alla dessa delar ständigt utsätts för stora krafter.

Boltights hydraulverktyg skapar tillförlitlig och exakt förspänning i alla kritiska skruvkopplingar, både under byggprocessen och vid underhåll. Några tillämpningsområden är kopplingen mellan torn och fält samt alla stativ, kullager, fundament och rotorblad.

M80 Multi-jackbolt tensioner

FAKTA: Forskningsprojektet BeBen XXL
Kund: Branschinstitutet Fraunhofer IWES.
Plats: Bremerhaven, Tyskland.
Projekt: Forskningsprojektet BeBen XXL, körs 2012–2017.
Projektmål: Att fastställa om det är möjligt att minska mängden material eller byta det material som används för stora vindkraftsaxlar.
Nord-Lock produkter: Superbolt MJT M80 och M56.
Fördelar:

• Överlägsna i trånga utrymmen.
• Ingen förspänning går förlorad.
• Kan hantera mycket starka krafter.
• Lättare verktyg kan användas.