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Novo design de rolamento para caixas de transmissão de turbina eólica

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Apresentamos o novo rolamento para caixas de transmissão de turbinas eólicas. Esses rolamentos de alta durabilidade da SKF têm uma vida útil mais extensa e maior robustez.

A indústria eólica está enfrentando pressão contínua para reduzir o custo de energia nivelado (LCoE), resultando em novos projetos de sistemas de transmissão. O aumento da densidade de torque de transmissão é necessário para limitar o peso da torre e para limitar o tamanho dos maiores componentes para o transporte [1]. Todos os componentes, incluindo rolamentos do rolo, são, portanto, necessários para reduzir ainda mais o tamanho sem comprometer o desempenho em campo.

As modernas caixas de transmissão da turbina eólica consistem em dois ou mais estágios de engrenagem planetária. Para alcançar uma maior densidade de torque, o número de engrenagens planetárias é aumentado. Dessa forma, o torque é dividido sobre mais contatos de engrenagem, o que permite a redução do diâmetro da engrenagem planetária e dos anéis. Essas novas tendências de design resultaram em uma redução significativa do tamanho da caixa de transmissão. No entanto, eles também resultaram em menos espaço para o rolamento que suporta as engrenagens planetárias (Fig. 1).

Soluções de rolamentos fortes são necessárias

Uma alternativa para reduzir ainda mais o tamanho das engrenagens planetárias é o uso de rolamentos hidrodinâmicos planos. No entanto, dependendo das condições de operação, velocidade rotacional e geometria das engrenagens planetárias, tal como a relação largura pelo diâmetro, os rolamentos dos rolos são uma solução confiável competitiva e bem comprovada. Por isso, são necessárias novas soluções de rolamento de rolos capazes de suportar maiores cargas e pressões de contato para suportar o aumento da densidade do torque.

Outro importante quesito no desenvolvimento de novas soluções de rolamento para transmissão de turbinas eólicas é a necessidade de aumentar a confiabilidade e robustez contra falhas típicas em campo, como falhas prematuras com rachaduras brancas de gravura (WECs) [2] ou microperfurações [4].

 

“ESSAS NOVAS TENDÊNCIAS DE DESIGN RESULTARAM EM UMA REDUÇÃO SIGNIFICATIVA DO TAMANHO DA CAIXA DE TRANSMISSÃO.”

 

Este artigo apresenta o rolamento de caixas de transmissão eólica de alta durabilidade da SKF, que é o resultado de um projeto de desenvolvimento com foco em um novo design de rolamento com:

  • maior vida útil de rolamento para permitir a redução dos rolamentos.
  • maior robustez contra falhas típicas em caixas de transmissão eólicas.

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Rolamento de caixas de transmissão eólica de alta durabilidade SKF

O rolamento de caixas de transmissão eólica de alta durabilidade da SKF foi desenvolvido para atender às altas demandas de rolamentos em caixas de transmissão de turbinas eólicas. Este rolamento combina um aço de rolamento de qualidade selecionado com um processo termoquímico de tratamento térmico que enriquece a superfície e a subsuperfície dos componentes do rolamento.

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O enriquecimento superficial e subsuperficial resulta em uma microestrutura fina com precipitados finos e um nível personalizado de austenita estável retida uniformemente distribuída na microestrutura. Essas características são comumente consideradas por ter efeito positivo sobre a resistência à fadiga de um aço de rolamento, incluindo resistência à falha iniciada pela superfície e sua propagação [5]. Esse enriquecimento também contribui para tensões compressivas e uma dureza superficial mais elevada do que a usada hoje em rolamentos padrão da indústria eólica, aumentando ainda mais a resistência à fadiga de contato deste rolamento.

 

Avaliação de desempenho

Testes de vida do rolamento

Uma bateria de testes foi executada na qual foram utilizadas cargas muito altas, pistas pré-marcadas, em condições de filme completo e de lubrificação reduzida. As pistas pré-marcadas atuam como potencializadores de estresse local na superfície, reduzindo a eficácia da lubrificação. Os parâmetros de teste são resumidos na Tabela 1.

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Os testes foram realizados com rolamentos de rolos afilado de tamanho médio, hoje utilizados no eixo de alta velocidade dos redutores da faixa de 2 MW e 3 MW.

Duas variantes de rolamento foram testadas. A referência é um rolamento de série endurecida de última geração, incluindo características do SKF Explorer [3] e revestimento de óxido preto. É comparado com o rolamento de caixas de transmissão eólica de alta durabilidade da SKF.

Todos os resultados dos testes de resistência foram agrupados em um único gráfico Weibull normalizado, apresentado em Figura 3. Este número destaca o aumento significativo de desempenho do rolamento da caixa de transmissão de alta durabilidade da SKF em comparação com a linha de referência. A estrela mostra a vida útil modificada ISO/TS 16281:2008 para o rolamento das caixas de transmissão eólica de alta durabilidade da SKF (ver seção 4). Os parâmetros do modelo são selecionados para que a vida útil da classificação calculada esteja próxima do limite inferior do intervalo de confiança do L10h.

Robustez contra falhas prematuras com WECs

Embora a introdução de medidas de aumento de robustez, como o revestimento de óxido preto, tenha reduzido significativamente o número de falhas de rolamento prematuras [6], ainda há uma necessidade de mercado para soluções mais robustas. Isso é válido tanto para o pós-venda, como um solucionador de problemas para projetos mais antigos que sofrem de falhas prematuras, quanto para novos designs de caixas de transmissão, pois os limites exatos das condições de operação quando os rolamentos sofrem de falhas prematuras não são totalmente compreendidos [6].

Várias condições para falhas prematuras com WECs foram identificados [4]. Diferentes testes foram desenvolvidos para verificar a robustez das soluções de rolamento. A SKF usa uma plataforma de teste onde falhas prematuras são reproduzidas introduzindo altas tensões de tração [7]. Na aplicação, altas tensões de tração podem surgir de ajustes inadequados, esgotamento radial do diâmetro do eixo ou deformação do assento do rolamento. Nesta plataforma, o rolamento é montado em um eixo com ondulação artificial, resultando em altas tensões de tração na pista no topo das ondas (Fig. 4). Mesmo em pressões de contato em torno de 1.5GPa no contato de rolagem, que são representativos para condições normais de operação em caixas de transmissão de turbinas eólicas, falhas prematuras são geradas após um tempo de teste relativo curto com uma aparência muito semelhante às falhas vistas em campo (Fig. 4).

O gráfico de barras da Figura 5 mostra que seis rolamentos de caixas de transmissão eólica de alta durabilidade da SKF foram testados em condições idênticas e nenhum deles falhou. Todos os testes foram suspensos após 1.600 horas ou mais. Os rolamentos de aço padrão e os de tratamento térmico falharam em média após 178 horas.

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Novos modelos de vida de classificação para rolamentos de caixa de alta durabilidade SKF para vento

A indústria eólica requer uma avaliação da vida útil da classificação de rolamentos usando ISO/TS 16281:2008 [10]. A norma ISO/TS 16281:2008, bem como ISO 281:2007 não permitem o cálculo da vida útil fornecida por soluções de rolamento avançadas. Portanto, a SKF desenvolveu uma metodologia para incorporar o desempenho do suporte de caixa de transmissão de alta durabilidade da SKF na vida útil da classificação modificada ISO/TS 16281:2008. Ela combina um aumento da classificação de carga dinâmica e um aumento no fator de modificação de vida αISO.

De acordo com a ISO 281:2007, o αISO é calculado como:

grafico-01

Como mostrado em Ioannides et al. [11], o efeito benéfico de tratamentos térmicos avançados e melhor acabamento da superfície pode ser contabilizado no modelo ISO adicionando números característicos adequados no aISO. Para incorporar a melhoria de desempenho do rolamento da caixa de transmissão de alta durabilidade da SKF, os fatores Ψbrg, refletindo o efeito Explorer, e ΦHDB, refletindo o efeito adicional do melhor tratamento de aço e de calor, foram incluídos no αISO:

grafico-02

Com base nos testes de resistência apresentados anteriormente, a função de ajuste Ψbrg e ΦHDB pode ser determinada.

Os rolamentos de caixa de alta durabilidade da SKF têm propriedades materiais melhoradas tanto na subsuperfície quanto na superfície. Portanto, o modelo de vida de rolamento generalizado da SKF (GBLM) [8] é o modelo de vida de classificação mais adequado para refletir o maior desempenho da forma mais realista possível, o que separa os efeitos de superfície e subsuperfície (ver Figura 6). A base do SKF GBLM pode ser escrita como:

grafico-03

O termo subsuperficial da equação, representado pela integral de volume, pode ser resolvido utilizando métodos de fadiga de contato de rolamento estabelecidos [8]. No entanto, o termo superficial, dado pela área integral, é responsável por modos de falha relacionados à fadiga superficial. O termo de superfície também incorpora modelagem do recurso de design de rolamento que pode aumentar a resistência da superfície como na aplicação atual. Essa abordagem já foi aplicada com sucesso ao cálculo de vida de classificação dos rolamentos híbridos [9] e será distribuída para cada vez mais produtos da SKF.

Uma vez que os diferentes fatores do novo modelo de vida de classificação são definidos com base nos testes de vida descritos anteriormente, a vida útil da classificação dos rolamentos de caixa de alta durabilidade da SKF pode ser avaliada.

separacao-de-superficie-e-subsuperficie

O processo de atualização e validação dos modelos de vida de classificação ISO/TS 16281:2008 modificados e SKF GBLM para rolamentos de caixa de transmissão de alta durabilidade da SKF foram auditados com sucesso pela DNV.

O aumento da vida útil da classificação de rolamento depende das condições reais de operação. A Figura 7 dá uma indicação do aumento médio da vida alcançado em vários exemplos de cálculo dos diferentes estágios das caixas de transmissão típicas. O aumento de vida alcançado é mais do que um fator de quatro. Graças à melhoria combinada da superfície e do desempenho subsuperficial, um aumento significativo na vida útil da classificação é alcançado em uma ampla gama de condições operacionais.

aumento-medio-de-vida-util

Como os rolamentos da caixa de transmissão eólicas de alta durabilidade da SKF podem suportar o aumento da densidade de torque

A dimensão do rolamento que suporta a engrenagem planetária muitas vezes determina o tamanho mínimo da engrenagem planetária. Portanto, uma possível redução desse rolamento influenciará diretamente as dimensões das engrenagens planetária e, consequentemente, o tamanho da engrenagem do anel e, consequentemente, a densidade de torque da caixa de câmbio.

Esta seção mostra com um exemplo de aplicação como os rolamentos de caixa de alta durabilidade da SKF podem suportar esse aumento de densidade de torque reduzindo o rolamento planetário, mantendo a mesma vida de classificação de rolamento. É baseado em uma transmissão de turbina eólica de 6 MW de última geração, suportado por um rolamento cilíndrico de 4 linhas com pistas externas integradas na roda de engrenagem. A exigência do cliente é alcançar uma vida útil de classificação de 30 anos, cumprir os requisitos da IEC 61400-4 [10] e minimizar o diâmetro da pista externa.

A Figura 8 mostra como o tamanho do rolamento pode ser reduzido mantendo a mesma vida de classificação de rolamento. A primeira barra mostra a vida de classificação de rolamento da seleção original de rolamento. A segunda barra mostra como a vida útil da classificação aumentaria se esse rolamento fosse alterado para um rolamento de caixa de alta durabilidade da SKF. A terceira barra mostra a vida útil da classificação do design de rolamento otimizado usando rolamentos de caixa de alta durabilidade da SKF. O diâmetro da pista externa é reduzido em 25 %, de 460 mm para 350 mm, enquanto a vida útil da classificação ainda está cumprindo as exigências do cliente.

classificacao-de-vida-util

Isso permite ao cliente reduzir as dimensões das engrenagens planetárias em até 25 % e, consequentemente, também reduzir o equipamento de anéis do estágio de engrenagem planetária, conforme indicado pelos esboços da Figura 9.

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Reduções de tamanho semelhantes podem ser obtidas em diferentes posições no redutor:

  • Dependendo do estágio da engrenagem, o fabricante da caixa de transmissão requer uma redução de tamanho com foco no diâmetro ou na largura de rolamento (mais relevante para estágios de velocidade mais altas).
  • No eixo de alta velocidade, a redução com rolamentos de caixa de alta durabilidade da SKF contribuirá para um risco reduzido de danos relacionados ao deslizamento, onde a inércia do rolo (conjunto) desempenha um papel importante.

 

Conclusões

O processo otimizado de aço e tratamento térmico aplicado para rolamentos de caixa de alta durabilidade da SKF resulta em seguintes benefícios comprovados:

  • Redução comprovada de até 25 % na dimensão de rolamento e engrenagem nas mesmas cargas habilitadas através de cinco vezes mais vida útil na superfície e fadiga subsuperficial.
  • Satisfaz os requisitos de maior confiabilidade do design e as demandas de vida útil do design de 30 a 40 anos com a vida útil da classificação de rolamento na vanguarda da indústria, incluída em uma modificação do ISO/TS 16281:2008 e logo também no SKF GBLM, auditado com sucesso pela DNV.
  • Maior confiabilidade de campo por maior robustez contra condições de operação difíceis em caixas de vento.

Além disso, a maior robustez dos rolamentos da caixa de transmissão de alta durabilidade da SKF contra os modos típicos de falha nos redutores de turbinas eólicas leva a menos paralisação não-planejada de turbina e menor custo de reparo. É um solucionador de problemas de campo para aumentar a confiabilidade em caso de falhas prematuras de rolamento.

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