Modulaire windturbinetorens voor Lagerwey
Lagerwey in Barneveld – sinds 2018 onderdeel van Enercon – is een befaamde ontwikkelaar en fabrikant van windturbines. TCPM ondersteunt het bedrijf al jarenlang bij de ontwikkeling en uitdetaillering van modulaire windturbinetorens (de zogeheten Modular Steel Tower, MST), bij het onderhoud van bestaande turbinetypes en bij de ontwikkeling van de nieuwe generatie van de Hybrid Steel Tower (HST). Naast mechanical engineering levert TCPM eveneens expertise op het vlak van sterkteanalyse, electrical engineering, CE-markering en industriële veiligheid, onder meer voor de unieke klimmende kraan die Lagerwey in eigen beheer ontwikkelde.
De MST is een sterke, lichte mastoplossing in de vorm van gezette metalen platen. De mast wordt ter plekke gemonteerd door de platen met voorgespannen bouten aan elkaar te bevestigen. Bij de HST bestaat het onderste gedeelte uit de MST-mast, met daarbovenop conventionele cilindrische stalen secties. De Climbing Crane, ’s werelds eerste zelfstandig klimmende kraan, wordt ingezet voor de bouw van windturbines. Deze kraan stelt Lagerwey in staat steeds hogere windturbines te bouwen, ook op meer uitdagende locaties.
Na het ontwikkelen van de eerste secties van de nieuwe MST-generatie op locatie bij en in overleg met Lagerwey, nam TCPM de projectleiding over. Samen met de engineers en projectmanagers van Lagerwey ging TCPM aan de slag met de ontwikkeling en uitdetaillering van alle overige secties en torenvarianten, inclusief internals. Uiteindelijk betrof dit 190 sectievarianten voor verschillende torenhoogtes, toepassingen en turbinetypes. “Verder hebben we ons beziggehouden met het ontwerp van de MST-secties van HST-torens in TeamCenter/NX op basis van onze kennis en ervaring van de MST-ontwerpen in SolidWorks, en dit ook gedeeltelijk doorontwikkeld”, zegt Ronny, competentie center leider windenergie bij TCPM.
Continu verbeterproces
Eventuele problemen en tekortkomingen in de engineering, productie en installatie, die in het veld naar voren kwamen bij turbine, generator en de nacelle werden direct verwerkt. “Dat is een continu doorlopend verbeterproces, het is nu eenmaal onmogelijk om alles in één keer goed te doen. In de praktijk blijkt dat dingen soms toch wel handiger kunnen of gaan dingen onverwacht kapot en is redesign noodzakelijk”, aldus Ronny. “Daarnaast betrof het verbeteringen ten behoeve van verdere standaardisatie, dan wel modulair ontwerp. Daar zijn we nog steeds mee bezig voor diverse turbines.”
Optimalisatie constructie
Zo voerde TCPM sterkteberekeningen uit voor optimalisatie van de constructie van het zogeheten transitiestuk in de HST, de overgang van het MST-deel naar de cilindrische sectiedelen. “Die optimalisatie moet ervoor zorgen dat de sterkte voldoende is, er gewicht bespaard wordt en ook de maakbaarheid van de constructie gegarandeerd is. De resultaten hebben we samen met Lagerwey beoordeeld”, vertelt Theo, competentie center leider Analyse & Simulatie bij TCPM. Het aangepaste ontwerp wordt tevens geschikt gemaakt voor nieuwe turbineconfiguraties – andere hoogte of andere belastingsets. “MST’s zijn lange stalen buizen, die qua diameter, dikte en andere parameters op detailniveau altijd verschillen. Want een specifieke configuratie – smaller, lichter, optimaler – loont. Dus is het streven met een modulair systeem configuraties zo goed mogelijk
passend te maken voor een specifieke locatie.”
Complexe berekeningen
Ook voor de verbinding tussen MST en ankerstukken beoordeelde TCPM voor diverse turbines of de sterkte afdoende was en of optimalisatie mogelijk was. “Hetzelfde hebben we gedaan voor onderdelen zoals de rotor lock en het rotor frame, de dragende structuur van de turbine. Dit om de turbine geschikt te maken voor een grotere rotor en grotere vermogens”, verklaart Theo. “Bij een dergelijk samenstel van meerdere delen die met bouten aan elkaar vastzitten, moet je het gedrag van de verbinding ook goed weergeven in je berekening. De sterkte van die verbinding is afhankelijk van het belastingsniveau en de belastingsrichting. Een lastig samenspel, wat de berekening ook complex maakt.”
Tevens voerde TCPM sterkteanalyses uit voor de generator. “Daarbij kijken we aan de hand van een model van de generator en de belastingen die erop komen te staan, hoe deze vervormt, waar de hoge spanningen optreden afhankelijk van het type belasting dat we aanbrengen. Dat moet overeenkomen met de praktijk.”
Veiligheid cruciaal
Veiligheid is een cruciaal aspect bij zowel windturbines als de klimmende kraan. Ook hiervoor deed Lagerwey een beroep op de expertise van TCPM. “Voor de gehele kraan hebben we op basis van het initiële ontwerp een risicobeoordeling opgesteld en aan de hand daarvan alle veiligheidsfuncties van de kraan in kaart gebracht. Daarnaast ondersteunden we bij het schrijven van de safety requirements specifications, zodat het hele proces van veiligheid bewaakt wordt”, zegt Martin, adviseur industriële veiligheid bij TCPM. Zo kwamen ze onder meer tot een valbeveiligingssysteem voor onderdelen van de klimmende kraan. “Hierbij zijn loopplatformen aangebracht, voorzien van een railsysteem waar medewerkers kunnen aanhaken met een loper en zich veilig kunnen bewegen, vanuit de toren via de boom en de jib naar de blade beam.” Bij de serviceladder is een vergelijkbaar valbeveiligingssysteem aangebracht, zodat medewerkers in geval van nood veilig reparaties kunnen uitvoeren.
Nauwe samenwerking
Tevens bracht TCPM de functionele veiligheid van de klimmende kraan in kaart om bijvoorbeeld te voorkomen dat de kraan afbreekt. “Sensoren meten de zwaarte van de last en de hijsradius, zodat de kraan zich niet te ver kan strekken. Hiervoor neem je in de besturing maatregelen op”, stelt Martin. Ook mogen klimarmen pas worden losgemaakt als een bepaalde functionele situatie is bereikt. “De kraan mag bijvoorbeeld niet tegelijkertijd met het losmaken van de klimarmen aan het hijsen zijn. Sensoren “kijken” hier of de boom, jib en blade beam recht naar boven wijzen. Pas dan kunnen de bovenste armen losgemaakt worden van de toren en lager weer aanhaken als de kraan daalt of omgekeerd als hij klimt.” Voor deze aspecten werkte TCPM nauw samen met de ontwerpafdeling van Lagerwey en met de externe system integrator.
De samenwerking met TCPM verloopt soepel, pragmatisch en volgens gemaakte afspraken. TCPM is al jaren een stabiele partner voor onze engineeringsafdeling, zij werken met hoge zelfstandigheid aan onze mastontwerpen. Het ontwerp en reviewproces is daarbij samen met TCPM iteratief verbeterd om zo dicht mogelijk ons first-time-right principe te volgen
Lagerwey
Om Lagerwey in staat te stellen CE-markering aan te brengen voor de EP5-windturbine, waarvoor de kraan oorspronkelijk is ontworpen, stelde TCPM naast de risicobeoordeling ook het technisch dossier op. “Hiervoor heb ik alle documenten verzameld die nodig zijn om een kraan te bouwen, denk aan tekeningen zowel mechanisch als elektrisch. En verder dus de risicobeoordeling en alle documentatie die nodig is om de functionele veiligheid te onderbouwen, zoals testresultaten en certificaten van valmaterieel”, schetst Martin, die de informatie omtrent risicobeoordeling ook inzet voor andere varianten van de turbine. Bijvoorbeeld als hele nieuwe onderdelen worden gebruikt, zoals bij de E-nacelle, een 14 meter lange variant met ruimte voor de middenspanningstransformator en de converter. “Zo helpen we ontwerpers en het ontwerp steeds een stapje vooruit. Want dat willen we als TCPM heel specifiek inbrengen: dat je op basis van gedetailleerde risicobeoordelingen systematische beslissingen kunt nemen: wat moet je nu echt doen en wat is goed. Ook om kritische opdrachtgevers en toezichthouders goede antwoorden te kunnen geven.” Momenteel werkt Martin aan de risicobeoordeling van drie generatoren, met name waar het gaat om veilige toegang tot de generator.
Elektrisch kloppend
Collega Tim, electrical engineer bij TCPM, is momenteel werkzaam als projectleider bij Enercon, voorheen Lagerwey, waar hij medewerkers aanstuurt die elektrische werkzaamheden (laag- en middenspanning) uitvoeren. “Vorig jaar ben ik begonnen met een nieuw prototype voor de E-nacelle, waarbij het mijn taak was dat ontwerp elektrisch kloppend te krijgen en stabiel te maken voor productie en release”, vertelt hij. “Zoals Martin al aangaf, wordt bij de E-nacelle het voorheen gesplitste elektrische deel – generator, omvormers en een groot deel van de elektronica – in één grote container boven in de turbine geplaatst. Daar heb ik meegewerkt aan het maken van het elektrische deel, waaronder het ontwerp voor de bekabeling van een parallel systeem voor de communicatie tussen onderdelen op de turbine”, vertelt hij. “Het prototype moest getest worden en er moest een hardwareontwerp komen om alle metingen goed te laten binnenkomen. Denk aan temperatuur, luchtvochtigheid, al die bekabeling gaat naar een aparte plc, waar alle metingen worden uitgelezen om te zien hoe het prototype functioneert.”
Nieuwe software
Daarnaast schreef Tim de software om de stuklijst voor de elektrische schema’s te genereren. “Het Lagerwey-platform is toch anders dan het Enercon-systeem. ERP-codes van onderdelen kwamen bijvoorbeeld niet overeen. De door mij geschreven software koppelt die onderdelen en genereert een opzet door er een unit of measure aan te koppelen en informatie uit beide databases samen te halen”, verklaart hij. “Verder bestond er geen koppeling met SEE Electrical CAD programma. Ik heb uitgezocht hoe dit werkt, zodat data uit te lezen zijn voor het ontwerp.”
Werken aan de legacy
Nu houdt Tim zich bezig met ontwikkelingen en wijzigingen op elektrisch vlak voor bestaande platformen, de zogeheten legacy. “Het opstellen van windturbines in extremere gebieden zoals Vietnam (warm) en Canada (koud) leidt bijvoorbeeld tot wijzigingen in het ontwerp. En ook Enercon-opties op Lagerwey-turbines vergen soms ontwerpaanpassingen”, zegt hij. “Zodra we het ontwerp voor productie stabiel hebben, kunnen we aan de slag met de as-built documentatie.”
