Sebbene la gomma nitrilica butadiene (NBR) sia da decenni il materiale dominante per le guarnizioni delle turbine eoliche, i progressi nella formulazione, nella lavorazione e nella progettazione delle guarnizioni in poliuretano stanno rapidamente erodendo la posizione dell'NBR nel settore. Tra le proprietà più utili si annoverano la resistenza all'usura, la compatibilità con i fluidi, la resistenza all'ozono, la resistenza meccanica e la capacità di mantenere tutte queste proprietà a basse temperature.
Il poliuretano è diventato un materiale ideale per la sigillatura di cuscinetti principali/generatori, cuscinetti longitudinali e trasversali. Tuttavia, la semplice sostituzione dei materiali in una struttura esistente spesso non è sufficiente. Le guarnizioni devono essere progettate tenendo conto del poliuretano.
Un modo per valutare la resistenza all'usura dei poliuretani è attraverso un test di usura del tamburo standardizzato come ASTM D5963. Questo metodo è in genere utilizzato per valutare la gomma, ma si applica anche al poliuretano, soprattutto quando si confrontano i tassi di usura. Di seguito sono riportati i valori dell'indice di usura per vari materiali testati da System Seals a Cleveland. Si noti che NBR e HNBR hanno un ARI di circa 1,5, mentre i poliuretani hanno un ARI compreso tra 4 e 8. Questo rappresenta un miglioramento fino a sei volte.
Il poliuretano mantiene i suoi valori ARI nel tempo e dopo l'esposizione a vari fluidi, in particolare fluidi a base oleosa. Un modo per determinarlo è invecchiare i campioni di usura ASTM D5963 in fluidi a 100 °C per 90 giorni (80 °C per fluidi a base acquosa) e ripetere il test ogni 30 giorni. Di seguito sono riportati i risultati tipici, ma si consiglia di confermare la prova per ciascun liquido.
Figura 3. Ritenzione di ARI in NBR e poliuretano resistente all'idrolisi dopo invecchiamento in olio minerale distillato a 100°C.
Sebbene le specifiche indichino la compatibilità con i fluidi finiti, i test di invecchiamento accelerato (o anni di servizio) dovrebbero determinare le prestazioni e la stabilità a lungo termine dei materiali esposti a fluidi specifici. System Seals esegue test di compatibilità con i fluidi per 90 giorni anziché il test standard di 168 ore, poiché System Seals rileva costantemente variazioni significative nelle proprietà chiave dei materiali dopo 168 ore di esposizione al fluido.
Il poliuretano personalizzato presenta una migliore resistenza ai fluidi rispetto all'NBR nei lubrificanti più comuni nel settore dell'energia eolica. Di seguito è riportata una tabella di compatibilità per questi lubrificanti più diffusi.
È noto che l'NBR è suscettibile all'ozonolisi, ovvero la rottura dei legami chimici dell'NBR insaturo da parte delle molecole di ozono. La formazione di crepe da ozono è comune quando la gomma nitrilica butadiene (NBR) è sottoposta anche alla minima deformazione. Una soluzione consiste nell'iniettare cera nell'NBR, creando una barriera anti-ozono che lo protegge. Sfortunatamente, la cera non altera il legame chimico dell'NBR. Se l'NBR viene esposto a condizioni ambientali che asportano la cera, diventa nuovamente soggetto a degradazione. Alcuni poliuretani speciali utilizzati nelle guarnizioni per l'energia eolica sono naturalmente resistenti all'ozono.
Il modulo elastico, la resistenza e l'allungamento del poliuretano sono da due a tre volte superiori a quelli della maggior parte degli NBR. Di conseguenza, le guarnizioni in poliuretano sono in grado di sopportare deformazioni meccaniche maggiori e carichi meccanici più elevati.
Un tipico NBR ha un modulo elastico di 10-15 MPa e una resistenza alla trazione di 20 MPa. La maggior parte dei poliuretani ha un modulo elastico di 45-60 MPa e una resistenza alla trazione di 50-60 MPa. Ciò significa che il materiale è meno duro dell'NBR, il che si traduce in una migliore tenuta della forma e una maggiore resistenza ai carichi di pressione.
Nelle turbine eoliche, le alte temperature non rappresentano solitamente un problema. Tuttavia, a seconda della posizione e dell'altitudine, temperature minime di -40 °C non sono rare. L'NBR standard ha una temperatura minima di esercizio di -20 °C e analisi dinamiche meccaniche hanno dimostrato che molti poliuretani per l'energia eolica non sono influenzati da temperature fino a -40 °C.
Il poliuretano è la scelta naturale per le guarnizioni eoliche grazie alle sue proprietà meccaniche superiori, alla migliore resistenza all'ozono, ai minori tassi di usura e alle temperature di esercizio più basse. Di seguito sono riportate due famiglie di applicazioni per le quali il poliuretano è particolarmente indicato. L'immagine a sinistra mostra la deformazione simulata e le caratteristiche di contatto di una guarnizione per cuscinetti in poliuretano. L'immagine a destra mostra la guarnizione a spirale System Seals, una guarnizione per cuscinetti principali che pompa continuamente il lubrificante nel serbatoio durante la rotazione del cuscinetto.
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Data di pubblicazione: 24-12-2023