nota técnica
maior fiabilidade nos rolamentos de um sistema de suporte do eixo principal O eixo principal de uma turbina eólica necessita de um rolamento fiável para funcionar. É sabido que os projetos de rolamentos falham prematuramente, o que resulta em reparações de manutenção dispendiosas. As recentes atualizações e avanços nos projetos dos rolamentos aumentam a fiabilidade e garantem a estabilidade do eixo principal. Selecionar o rolamento adequado é benéfico para o desempenho global de uma turbina eólica. Bradley Baldwin Diretor-Geral da Wind Energy The Timken Company
Infelizmente, alguns operadores sofreram falhas em campo muito mais cedo do que o esperado com alguns projetos SRB simples, o que reduziu significativamente a vida útil. A substituição não planeada de um rolamento do eixo principal pode custar aos operadores de parques eólicos até 450 000 dólares e tem um impacto evidente no desempenho financeiro.
Fatores determinantes Elevada carga axial num rolamento SRB radial: embora não exista um limite máximo oficial, um rácio convencional de carga axial a radial permitida para rolamentos autocompensadores de rolos de duas carreiras situa-se entre 0,15 e 0,20. Logo, a carga axial deve ser apenas de 15% a 20% da reação radial do rolamento de duas carreiras. Em algumas aplicações, este rácio pode aumentar para 0,30 ou 0,35. Quando tal ocorre, tornam-se evidentes vários tipos de falhas que estão relacionados com o desencaixe da carreira do rolamento. Este desencaixe pode afetar a distribuição da carga entre carreiras, a assimetria dos rolos, a tensão no retentor, a geração excessiva de calor e o desgaste por deslizamento dos rolos. Na posição fixa do eixo principal, este rácio encontra-se frequentemente próximo de 0,60, o que faz com que apenas uma das duas carreiras suporte a carga radial e axial. Devido a esta reação desigual, o rolamento pode não funcionar como originalmente pretendido ou projetado.
Figura 1 O projeto SRB com apoio de 3 pontos suporta o rolamento do eixo principal e dois braços de binário reacionários na caixa de engrenagens.
Figura 2 A distribuição desigual da carga ocorre quando o rácio de carga axial a radial permitida para os rolamentos autocompensadores de duas carreiras aumenta para além de 0,15 a 0,20. A carreira do rolamento a montante desencaixa, fazendo com que apenas a carreira a jusante suporte a carga.
Os projetos de turbinas eólicas modulares utilizam, habitualmente, rolamentos autocompensadores de rolos (SRB) para suportar e transportar as cargas do eixo principal. O projeto SRB simples, conhecido como um apoio de 3 pontos que é suportado por um único rolamento principal e dois braços de binário reacionários da caixa de engrenagens, é habitualmente selecionada para permitir: • Um conjunto de nacelle mais curto; • Deflexão e desalinhamento elevados do sistema; • Uma cadeia de fornecimento comercialmente económica.
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Geração inadequada da película lubrificante: de um modo geral, as condições de funcionamento para o rolamento do eixo principal não são as ideais para a geração de película lubrificante. Com uma velocidade de funcionamento máxima de cerca de 20 rpm, a velocidade da superfície do rolamento e a geração de película lubrificante podem ser insuficientes para manter as asperezas entre os rolos e os anéis separadas. Além disso, as mudanças nos momentos de inclinação das pás e de guinada alteram constantemente, e de forma quase instantânea, a localização e a direção da zona de carga. Tal interrompe a formação e a qualidade da película lubrificante. A alteração é acelerada nos SRB com apoio de 3 pontos, que funcionam sob folga radial e aumenta o risco de microcorrosão ou desgaste por deslizamento.
Figura 3 Nas fases iniciais de desgaste nos SRB com apoio de 3 pontos, o nítido trajeto de desgaste na carreira a jusante poderá corroer a geometria de contacto projetada, conduzindo a tensões no anel mais elevadas do que o previsto e à potencial falha do rolamento.
Soluções de conceção para melhorar o desempenho Felizmente existem atualizações prontamente disponíveis no mercado para as turbinas existentes, bem como soluções de conceção técnica mais sofisticadas para plataformas de turbinas mais recentes. Atualizações dos SRB para turbinas existentes Para uma troca direta nas frotas existentes, a empresa oferece SRB resistentes ao desgaste que utilizam tecnologia de superfície especialmente projetada em conjunto com acabamentos de superfície melhorados. Os rolamentos resistentes ao desgaste aumentam a proteção dos anéis contra microcorrosão através da redução das tensões de corte e interações das asperezas. A superfície especialmente projetada possui um revestimento duradouro e exclusivo de carboneto de tungsténio, hidrocarboneto amorfo (WC/aC:H). Geralmente, os revestimentos WC/aC:H são moderadamente mais resistentes do que o aço HRC60, 1 a 2 micrómetros mais espessos e possuem baixos coeficientes de atrito ao deslizarem contra o aço. A superfície avançada dos rolos destina-se a polir e reparar os anéis danificados durante o funcionamento. Com acabamentos de superfície melhorados, a película lubrificante aumenta a espessura, ajudando a melhorar a superfície de contacto com as asperezas. A superfície especialmente projetada reduz as interações das asperezas e as tensões de corte na superfície que causam desgaste. Os benefícios levam a um aumento da vida útil do rolamento e também a uma redução no binário de rotação.
nota técnica MAIOR FIABILIDADE NOS ROLAMENTOS DE UM SISTEMA DE SUPORTE DO EIXO PRINCIPAL
Figura 5 A disposição de rolamentos do eixo principal 2-TS oferece uma solução cónica económica em um projeto compacto.
Figura 4 Os SRB resistentes a desgaste da Timken reduzem as tensões de corte e as interações das asperezas que protegem contra o desgaste, tal como microcorrosão.
Caraterísticas e benefícios dos SRB resistentes a desgaste da Timken Tecnologia
Descrição
Benefícios
Acabamento do rolo
Baixa rugosidade, acabamento isotrópico
Redução do contacto e da tensão das asperezas
Revestimento do rolo
Revestimento WC/aC: H com 1 μm de espessura
Aumento da resistência ao desgaste, à fadiga e a detritos
Geometria interna
Conformidade de rolo/IR, folgas internas
Redução da tensão do rolo, redução da assimetria do rolo, criação de tração favorável
Gaiola bipartida
Gaiola de bronze maquinado de duas peças
Redução das forças de funcionamento possíveis
Projetos de rolamentos de rolos cónicos (TNA, TDO ou TDI) de carreira dupla O rolamento TNA de grande diâmetro, também chamado TDO quando é utilizado um espaçador entre os anéis cónicos, tornou-se uma opção com base no seu desempenho em campo e na facilidade de montagem. Os ângulos inclinados do anel criam uma elevada rigidez de inclinação num espaço axial curto para compensar os momentos aplicados de inclinação das pás e de guinada. Os componentes separados dos rolamentos podem ser unificados com vedantes e massa lubrificante para simplificar o manuseamento e a instalação. A pré-carga definida de fábrica garante um encaixe correto. A construção axial compacta permite aos designers de turbinas reduzirem o comprimento global da nacelle. O rolamento aumenta de diâmetro à medida que o tamanho da turbina aumenta (aproximadamente 3,2 metros de diâmetro externo para 5 MW). Esses projetos são particularmente adequados para turbinas eólicas de transmissão direta, mas também se encontram em projetos com engrenagens.
Benefícios dos projetos de rolamentos de rolos cónicos (TRB) Um projeto de eixo principal com TRB e as caraterísticas de pré-carga melhoram o desempenho do grupo propulsor. Os TRBs ajudam a garantir a estabilidade e rigidez do sistema, a distribuição da carga entre carreiras e as interações previstas entre rolo e anel. O projeto permite também várias configurações de rolamentos de rolos cónicos. Rolamentos de rolos cónicos simples (2-TS) O modelo 2-TS simples oferece uma solução económica que pode ter pré-carregamento para um sistema completo com dois TRB diferentes. Os rolamentos a montante e a jusante são, então, projetados para acomodar a carga de aplicação através do ajuste do ângulo de contacto e da capacidade do rolamento, conforme necessário. Com o centro eficaz generalizado, os rolamentos são normalmente mais compactos e económicos. 48
Figura 6 Os ângulos inclinados do anel dos TDO criam uma elevada rigidez de inclinação num espaço axial curto para compensar os momentos aplicados de inclinação das pás e de guinada. O rolamento pode também atuar como unidade única, adicionando vedantes e massa lubrificante.
nota técnica
Os avanços na engenharia impulsionaram as atualizações em projetos de turbinas com o apoio de 3 pontos existentes. do sistema em comparação com um projeto TDO. Além disso, a pré-carga do rolamento ajuda a mitigar o desgaste por deslizamento, o escorregamento e a microcorrosão. Em alguns casos, um TDI é trocado diretamente pelo SRB em turbinas de estilo modular.
Figura 7 Ao contrário de um projeto SRB simples, o TDI consegue acomodar elevadas capacidades de carga e garante uma distribuição uniforme da carga, o que diminui o desgaste.
Contribuições adicionais: Tony Fierro, Jerry Fox, Laurentiu Ionescu e Thierry Pontius, da Timken Todas as imagens: The Timken Company
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Um TDI simples pré-carregado oferece uma capacidade de carga elevada e gera a combinação de cargas radiais e axiais em comparação com um rolamento autocompensador simples. O TDI garante a distribuição da carga entre ambas as carreiras do rolamento e tolera um maior desalinhamento
Resumo Incentivados pela necessidade de melhorar a sustentabilidade global, os fabricantes de rolamentos e OEM de turbinas eólicas estão a trabalhar para projetar sistemas de eixos principais mais fiáveis. Os avanços na engenharia impulsionaram as atualizações em projetos de turbinas com o apoio de 3 pontos existentes. Adicionalmente, os requisitos de fiabilidade para turbinas offshore aumentaram a utilização de rolamentos de rolos cónicos pré-carregados. Estas melhorias no projeto do eixo principal podem aumentar a fiabilidade de todo o sistema propulsor e conduzir a um custo total de propriedade globalmente mais baixo.
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