Misurazione delle vibrazioni a bassa frequenza

I generatori eolici rappresentano sistemi in movimento che emettono vibrazioni impegnative e complesse. Di particolare interesse sono soprattutto le caratteristiche dei movimenti interattivi tra i meccanismi di azionamento "rotore e pala" e il modo in cui questi vengono influenzati dalla gravità.

Se si installano accelerometri di gravità sul rotore principale di un generatore eolico, è possibile rilevare i movimenti del rotore (p.es. in direzione della forza centrifuga) in funzione della loro direzione. La figura 1 mostra un esempio di procedura di avviamento di un generatore eolico. Il diagramma mostra la velocità di rotazione del generatore e l'accelerazione di gravità in direzione della forza centrifuga nei pressi della pala 3.

Quando l'accelerometro montato sul rotore è nel punto inferiore, viene misurata una forza di 1 g (9.81m/s²); quando è nel punto superiore la misura rilevata è -1g (-9.81 m/s²). Se in relazione alla gravità entrano in gioco ulteriori accelerazioni e movimenti oscillatori, si registreranno anche effetti vettoriali. Utilizzando queste misurazioni è possibile ottenere un tracciato grafico del modo in cui rotore e pale accelerano, ruotano o si muovono fuori asse.

Nel contesto del monitoraggio delle condizioni operative, con sistema CMS avanzato tipo VIBGUARD, un aspetto interessante consiste nel modo in cui le pale si deformano in funzione della velocità del vento e l'uniformità con la quale le tre pale si muovono in relazione l'una all'altra. Sulla base dei dati raccolti in un periodo pari a un giorno e mezzo su di una singola pala, si evidenzia come l'accelerazione varia in funzione della direzione del vento; questo dato può essere utile per il monitoraggio delle condizioni operative sulle pale del rotore.

Sorge tuttavia la questione di come si possano spiegare le variazioni dell'accelerazione gravitazionale.

Le risposte sono fornite dalle analisi delle vibrazioni durante il funzionamento (in inglese, ODS - operational deflection shape), in cui sensori identici vengono installati nella gondola, mozzo, pale e trasmissione, oltre che sulla torre, e con essi si provvede ad effettuare misurazioni sincronizzate, in contemporanea e nella medesima fase. In relazione al monitoraggio delle condizioni operative, queste innovative possibilità di misura invogliano a raccogliere più dati sul comportamento delle vibrazioni in corrispondenza dei punti di deflessione superiore e inferiore delle pale. Di conseguenza, ad esempio, l'usura dei supporti dei cuscinetti, le irregolarità di passo idraulico o elettrico oppure i danni alle singole pale possono comportare differenze nei tempi di rotazione tra le 3 pale del generatore. Queste condizioni possono essere monitorate mediante telecamere o con apparecchiature laser. Oppure, possono anche comparire ulteriori vibrazioni e movimenti dipendenti dalla direzione. Gli accelerometri di gravità facilitano grandemente l'esecuzione di queste misurazioni.

Sensori, tecnologie di misura e opzioni per i test

Uso di acceleratori ibridi

Specificatamente per il comparto eolico, PRUFTECHNIK ha sviluppato un accelerometro ibrido in grado di misurare le vibrazioni da 0 Hz (mod. VIB 6.216): il nuovo accelerometro triassiale Triax. Il sensore è privo di smorzamento sugli assi X e Y ed ha una sensibilità di 500 mV/g. Gli utilizzatori di accelerometri noteranno che solo gli accelerometri speciali presentano curve come queste. In passato, gli accelerometri piezoelettrici comunemente utilizzati potevano misurare soltanto le frequenze a partire da 2 Hz. Successivamente il limite si abbassò a 0,5 Hz mentre oggi sono disponibili, a prezzi contenuti, dispositivi in grado di misurare le frequenze a partire da 0,1 Hz. Gli utilizzatori per prima cosa dovrebbero farsi dare dai costruttori le curve caratteristiche dei sensori in modo tale da verificare le ampiezze di smorzamento.

Ad esempio, a prima vista, deviazioni dell'ordine di 3 o 9 dB potrebbero apparire non importanti dal punto di vista quantitativo, tuttavia se rapportate a vibrazioni della gondola di 100 mm/s, potrebbero comportare errori di misura di 70,8 mm/s (3 dB) o 35,5 mm/s (9 dB), dando luogo a valori di misura troppo bassi di svariati ordini di grandezza per le vibrazioni delle pale e della gondola. Le analisi delle condizioni dei cuscinetti a rulli presentano tuttavia una differenza. In questo caso gli accelerometri piezoelettrici sono ancora ineguagliabili:

essi consentono di misurare picchi di accelerazione fino a 100 g e sono anche in grado di rilevare le frequenze di risonanza ad alta frequenza degli elementi volventi.

Con i nuovi sensori di accelerazione ibridi Triax, PRUFTECHNIK è riuscita a coniugare la collaudata tecnologia TANDEM-PIEZO con la tecnologia MEMS. Il dispositivo utilizza un unico sensore per effettuare non solo diagnosi meccaniche sugli assi x, y e z, bensì anche diagnosi sui cuscinetti a rulli (sull'asse z) oltre che le diagnosi delle accelerazioni dipendenti dalla direzione precedentemente descritte (sugli assi x e y).

I necessari controlli di qualità

La qualità delle misurazioni di bassa frequenza può essere esaminata internamente ed esternamente, e può anche essere convalidata dal PTB, ovverosia l'istituto metrologico nazionale della Germania. Oltre alle apparecchiature "convenzionali" di misura e test, PRUFTECHNIK possiede un simulatore di movimento a 3 assi che consente di ruotare, posizionare, oscillare, ribaltare, vincolare oggetti, e di determinarne il passo, in relazione a velocità di rotazione, frequenze e forme d'onda di segnali liberamente impostabili. Ora descriveremo le misurazioni di verifica effettuate con VIBGUARD XP nel simulatore di movimento, dove è possibile simulare le procedure di posizionamento, i movimenti rotativi

e i movimenti di passo, in maniera molto simile a quanto accade su di un generatore eolico. Al fine di avere un'idea di quali deviazioni di segnale è possibile attendersi nel campo delle basse frequenze, si è provveduto a testare in contemporanea altri accelerometri.

La fig. 2 evidenzia i segnali di tempo della velocità di vibrazione a 6 giri/min e 9 giri/min e gli spettri delle frequenze calcolati dal sistema VIBGUARD XP in forma di diagramma logaritmico.

La fig. 3 mostra il confronto tra i valori RMS e 0-p di velocità delle vibrazioni misurati su base continua nel campo di frequenze 0,1 Hz - 10 Hz mentre il sistema si muove a diverse velocità di rotazione all'interno del simulatore. I diagrammi risultanti indicano che i livelli dei segnali del sensore di destra presentano deviazioni significative, sollevando di conseguenza alcuni dubbi sulla linearità.

Sviluppi futuri

Le esperienze e gli esempi qui descritti dimostrano che i produttori di apparecchiature di misura e test hanno tutto il potenziale e le possibilità di mettere le nuove tecnologie a disposizione del settore dell'energia eolica sotto forma di soluzioni innovative ed ibride. Anche i gruppi lenti "rotore e pala" oggi possono essere misurati e monitorati mediante i nuovi accelerometri triassiali sopra descritti. I costruttori e operatori di generatori eolici possono avvalersi dell'opzione di estendere il monitoraggio convenzionale delle condizioni della trasmissione anche al rotore principale e alle pale. Nel futuro, potrebbe perfino essere possibile utilizzare i segnali di accelerazione nei sistemi a passo singolo per la gestione del passo a basse vibrazioni.