Lättkonstruktion med kuggremmar av polyuretan

En glädjande trend: med 100 terrawatt från onshore-vindkraftanläggningar under 2018 intog produktionen av miljövänlig ström den andra platsen framför kärnkraft och stenkol. Men samtidigt behöver tekniken både service och reparationer för att kunna uppnå den beräknade livslängden på 20 år. Det är knappt man tror det, men framför allt rotorblad av glasfiberförstärkt plast är utsatta för erosion, blixtnedslag och sprickbildningar på grund av de höga skiftande belastningarna.

I Tyskland granskas rotorbladen i regel vartannat år av servicetekniker som förankras med vajerteknik. ”Men det har visat sig att reparationer som utförs från en vajer inte håller måttet. En fackmässig laminatreparation från en vajer är egentligen inte möjlig”, förklarar Ole Renner, en av båda VD i WP Systems, ett företag som har specialiserat sig på underhåll av rotorblad och nedmontering av vindkraftanläggningar. Han tillägger: ”Trenden går mot mobila serviceanläggningar. Den senaste tekniska utvecklingen består av öppna servicehissar, dvs. öppna stativ, som starkt påminner om arbetsplattformar. De stöttas mot tornet med en ram och hissas upp med vinschar vid rotorn. Servicetekniker som står i dessa enkla servicehissar kan slipa rotorbladen, laminera dem med polyesterharts och försegla dem med beläggning.”

Problemet: vid bearbetning med laminat och harts får det mer eller mindre aldrig regna och temperaturen får inte heller sjunka under 12°C. Detta innebär att det är praktiskt taget omöjligt att reparera rotorblad under vintern. Under övergångsperioden kan man endast utnyttja ett par timmar om dagen. Vid vindhastigheter över 12 m/s är det inte heller möjligt att genomföra reparationer.

Ole Renner förklarar: ”Dessa tre faktorer begränsar antalet möjliga servicedagar i genomsnitt till endast 60 till max. 100 dagar. Dessa värden baseras på vår statistiska analys av väderdata för flera vindkraftparker. Detta säsongsarbete med 30 000 anläggningar enbart i Tyskland är en stor utmaning inom branschen.”

Holger Müller, mångårig expert inom vindenergi och VD för WP Systems förklarar idén bakom servicehissen System terra 1.1: ”Vår strategi var att utveckla ett komplett system som kan användas till arbeten på rotorbladen året runt.” Detta vilar på flera olika innovationer:

• För en få en torr omgivning vid reparationsstället måste servicehissen kunna omsluta rotorbladet vattentätt. Dessutom ska mekanismen kunna anpassas till olika konturer och tvärsnitt.
  
  
• Det krävs en lösning för att kunna hantera harts vid låga temperaturer.
  
  
• Servicehissen måste kunna transporteras med konventionella släp med tandemaxlar. Därmed är den sammanlagda vikten av ett släp med servicehiss begränsad till 3,5 ton.

Med detta mål i sikte slog sig ett interdisciplinärt team av maskintekniker, material- och lättkonstruktionsexperter samt specialister för simuleringar samman 2015 och bildade företaget WP Systems. Inom ett par år kunde det unga teamet realisera samtliga krav med sitt System terra 1.1. Därmed uppfylldes även de höga kraven för en certifiering som även omfattar arbetsinsatser under nattetid.

Den nya servicehissen System terra 1.1 är sträng taget en mobil verkstad. Den består av en lättkonstruktion i aluminium som kan stängas till med presenningar och dörrar så att den blir en vindtät arbetskammare.

Dessutom är den utrustad med elförsörjning, belysning, verktyg och reparationsmaterial. För att flexibelt kunna överbrygga avståndet mellan rotorbladet och golvet resp. taket, har man i företagets fabrik i Ruhland utvecklat skjutbara plattor som är anpassade till rotorbladens aerodynamiska struktur. Dessa kan positioneras intill varje rotorblad så att öppningen som finns kvar endast uppgår till ett par centimeter.

En gummipresenning med sugproppar tätar därefter glipan mellan plattorna och rotorbladet. Därmed kan man numera utföra reparation i regnväder.

För att kunna bearbeta harts vid temperaturer under 12 °C, har utvecklarna vid WP Systems installerat infrarödstrålare för att värma upp reparationsstället. Inom ett par minuter har 30 °C nåtts även vid mycket låga utomhustemperaturer.

Polyesterharts och härdare förvaras dessutom i en uppvärmbar transportbox så att temperaturkedjan aldrig bryts. Med dessa förberedelser är det nu möjligt att genomföra reparationer utan avbrott ned till 0 °C, och under kort tid ned till -10 °C.

Ole Renner förklarar dessa konflikter: ”Fastän vi redan från första början konsekvent drog fördel av lättviktskonstruktioner, behövde vi ändå komma fram till en ny lösning för att kunna driva hålprofilramen på den 15 meter långa distansramen. Detta krävdes för att vi skulle kunna nå den avsedda målvikten. Kuggstångsdrev av stål är helt enkelt för tunga. En systematisk jämförelse mellan olika typer av transmissioner visade snabbt vilken potential som kuggremstransmissioner erbjuder för lättviktskonstruktioner.”

André Schmidt, försäljningsingenjör vid Mulco­företagets Wilhelm Herm. Müller GmbH & Co. KG (WHM) filial i Leipzig, berättar hur projektet startade: ”Planen från WP Systems var enkel och genial: Kuggremmen spänns fast i ändarna av stödramen varefter en omega-kuggremstransmission på bärramen skjuter arbetskammaren till avsedd position. Men efter vårt första utkast fick vi vår kalldusch."

Den beräknade förspänningskraften var så hög att den klart översteg de tillåtna krafterna för stödramen – särskilt när servicehissen stod i sin övre position i närheten av rotoraxeln – och det fanns risk för att ramen skulle knäckas.

Med tanke på den begränsade vikten var en starkare dimensionering av profilerna utesluten.

André Schmidt: "Därefter föreslog vi att de båda remomlänkningarna till omega-transmissionen skulle positioneras så nära remskivorna att en tvångsstyrning av kuggremmen uppstår runt om remskivan. Därmed kan man även avstå från förspänning i denna användning.”

Ole Renner: ”Denna ändring spelade en viktig roll för oss och var dessutom mycket ändamålsenlig. Stödramens mått kunde behållas och som slutresultat kunde vi nå den avsedda målvikten.”

För att kammaren ska kunna flyttas längs med rotorbladet, måste främst tre olika rörelser realiseras: höjdjusteringen med vinschar, rörelsen och stödet mot tornet med en stödram samt kammarens vridrörelse runt om giraxeln för att kunna följa rotorbladets kontur optimalt.

För att kammaren ska kunna vridas hänger den i löprullar på två C-bågprofiler.

Bågprofilerna har i sin tur skruvats fast vid en hålprofilram av aluminium. Dess hålprofiler på längssidan förs längs med den 15,5 meter långa stödramen.

En särskild utmaning vid utvecklingsarbetet var att den tillåtna totalvikten för släp med tandemaxlar inte fick överskrida 3,5 ton.

André Schmidt förklarar villkoren för att välja en lämplig kuggrem: ”Standardkuggremmar har så kallade rullningsklackar i kuggbotten. I detta område ligger stålarmeringen fritt vilket leder till korrosion i fuktig omgivning. BRECO erbjuder även rostfri armering av kvalitetsstål, men dessa uppnår inte samma hållfasthet som en stålkordsarmering. Med varianten av kvalitetsstål hade transmissionen alltså blivit bredare och tyngre. I detta fall var BRECOprotect-metervaran med komplett skyddad stålkordsarmering den ideala lösningen, framför allt för att polyuretan är särskilt beständig i fuktig omgivning.”

För att kunna vrida servicehissen valde WP Systems samma transmissionsprincip. Här är kuggremmen fastspänd på insidan av den böjda C-profilen och förankrad vid dess ände, med en omega-transmission däremellan. André Schmidt förklarar den förväntade potentialen i denna transmissionslösning: ”Detta exempel är ett bevis för hur en omega-kuggremstransmission på ett cirkelsegment på ett mycket enkelt sätt kan realisera vridning, torndrift, och svängningar för nästintill valfritt stora diametrar. Transmissionen kräver ingen smörjning och är korrosionsfri.”

Ole Renner berättar vidare om samarbetet med Mulco-partnern WHM under de senaste tre åren och vilka erfarenheter de samlat ute på fältet: ”Vi är mycket nöjda med transmissionen, särskilt med tanke på de stora dragkrafter som BRECO-kuggremmarna kan överföra i relation till sin vikt. Detta är imponerande. Många detaljfrågor som uppstod under utvecklingsfasen kunde besvaras av André Schmidt och av tillverkaren BRECO Antriebstechnik så att vi snabbt kunde komma fram till passande lösningar. Nu kan vi erbjuda en mobil komplettlösning för rotorbladsrepationer inom vindkraftsbranschen som i genomsnitt kan användas gott och väl 200 dagar om året. Med samma personalstyrka kan det dubbla antalet reparationer genomföras, vilket helt enkelt fördubblar omsättningen. Även BRECO-kuggremmarna bidrog till att vi nådde detta mål.”

Garbsen, 2019-03-15
Mulco-Europe EWIV