Por Dr. John Coultate, Chefe de Desenvolvimento de Engenharia
& Mike Hornemann, Engenheiro de Confiabilidade
Romax InSight

Uma explosão do passado. Aqui está um exemplo de um projeto de caixa de engrenagens de 2 estágios em paralelo, típico de uma turbina eólica de meados dos anos 90.

As turbinas eólicas em escala de utilização desenvolveram-se da classe kilowatt para as máquinas multi-megawatt instaladas hoje, os componentes dentro de uma nacela também evoluíram para acompanhar as novas demandas de energia.

Tremas de acionamento, em particular, tiveram que mudar significativamente para atender a cargas de vento mais fortes, mais variáveis e níveis de potência mais altos – e sem aumentos significativos de custos. Assim, os engenheiros assumiram o desafio e os fabricantes entregaram.

O que antes era uma caixa de engrenagens industrial pronta para uso, agora é exclusivamente projetado para atender às duras condições típicas de uma turbina multi-megawatt. Uma turbina de engrenagem moderna normalmente tem uma caixa de 3 estágios com um estágio planetário de baixa velocidade e dois estágios paralelos. Usando engrenagens planetárias, os projetistas criaram engrenagens de alta potência que são duráveis o suficiente para suportar cargas severas, mas compactas o suficiente para manter uma nacela de tamanho razoável.

Este projeto de caixa de engrenagens também se mostrou econômico para turbinas com potências entre 500 kW e 2,5 MW. Contudo, a longevidade é o único desafio ainda não enfrentado na indústria de turbinas eólicas. As caixas de engrenagens das turbinas têm normalmente uma vida útil de 20 anos, mas poucas ultrapassam a marca dos 10 anos.

Porquê a discrepância? Parte da resposta está na forma como as engrenagens e a vida útil dos rolamentos são definidas. A vida útil de um componente da caixa de velocidades é estocástica, não determinista. Isto significa que é impossível prever com precisão quando um componente irá falhar, mesmo que seja possível estimar a probabilidade dada por certos parâmetros.

Um design moderno. Este projeto de 3 estágios (planetário / paralelo / paralelo) é comum para caixas de câmbio mais recentes.

Cutem em mente que os trens de transmissão de turbinas eólicas passam por uma carga transiente severa e variável durante as partidas, paradas, paradas de emergência e conexões de rede. A carga de uma turbina depende da sua localização no parque eólico e no terreno. Os casos de carga que resultam em inversões de torque podem ser particularmente prejudiciais aos rolamentos porque os rolos podem deslizar durante a súbita recolocação da zona carregada. Micropitting, uma forma de fadiga superficial, é um exemplo de dano em rolamentos que pode afetar sua longevidade.

A vida útil de um rolamento é geralmente definida como a vida ‘L10’, que é a duração após a qual 10% dos rolamentos irão falhar. Se L10 para um rolamento é 20 anos, então há 10% de chance de que o rolamento falhe em menos de 20 anos. Isto é importante porque obriga os fabricantes e operadores eólicos a pensar na “vida útil” em termos de probabilidades.

Também é importante considerar que uma turbina eólica tem mais do que um rolamento. Uma transmissão típica tem 20 a 25 rolamentos, incluindo os rolamentos principais, a caixa de engrenagens e os rolamentos do gerador. Então, o que acontece se combinarmos a vida útil L10 para cada rolamento de um trem de força para calcular uma “vida útil do sistema”? Um cálculo simples para um trem de força com 25 rolamentos, todos com uma vida útil de projeto L10 de 20 anos, indica que a probabilidade de um ou mais rolamentos falharem dentro de 20 anos é de 93%.

Uma turbina eólica típica contém 20 a 25 rolamentos, todos os quais devem ser considerados em um cálculo de confiabilidade do sistema de expectativa de vida útil.

Baseado neste cálculo, quase todas as caixas de engrenagens de um parque eólico têm probabilidade de falhar dentro de 20 anos. Isto pode parecer chocante, mas é uma realidade no campo. Muitos operadores eólicos irão atestar que a maioria das caixas de velocidades foram trocadas ou passaram por algum tipo de reparação, como um novo eixo ou rolamento de alta velocidade, muito antes da sua vida útil de 20 anos.

Agora vamos perguntar quantas caixas de velocidades irão falhar dentro de sete anos? O mesmo cálculo indica que a probabilidade de um ou mais rolamentos falharem dentro de sete anos é de 37%. Isto significa que mais de um terço das caixas de velocidades irá sofrer algum tipo de falha de rolamentos.

Estes resultados vêm de um cálculo simplificado e destinam-se apenas a mostrar as tendências gerais, mas mostram alguns resultados surpreendentes. Infelizmente, o cálculo pode subestimar as taxas de falha das caixas de velocidades porque não leva em conta os modos de falha não-fadiga. Mas a boa notícia é que, na prática, alguns rolamentos oferecem uma vida útil de projeto superior a 20 anos porque seu tamanho é ditado por outros fatores, tais como rigidez ou fatores de segurança durante casos de carga extrema.

É por isso que o termo “vida útil de projeto” é enganoso, e uma das razões pelas quais muitos redutores no campo estão falhando em menos de 20 anos. Uma maneira de mitigar essas falhas é empregar métodos de engenharia mais confiáveis ao longo de toda a vida útil de uma turbina. Por exemplo, usando padrões de projeto e simulações, juntamente com dados operacionais confiáveis e taxas históricas de falhas, é possível fornecer previsões precisas de falhas na transmissão.

Este artigo foi parte do nosso Guia de Energia Renovável de 2018. Veja a publicação completa aqui.