Energia e Meio Ambiente

Fatores na falha da caixa de engrenagens da turbina eólica

Fatores na falha da caixa de engrenagens da turbina eólica

A manutenção de turbinas eólicas pode abranger uma ampla variedade de atividades, mas um dos principais problemas diz respeito ao reparo ou substituição das caixas de engrenagens das turbinas eólicas, que muitas vezes falham prematuramente antes de completarem sua vida útil de 20 anos. Alguns projetos eólicos apresentam taxas de falhas de até 50 por cento no espaço de alguns anos. Isso, por sua vez, aumenta os custos por meio do aumento do tempo de inatividade, do aumento da manutenção e da reconstrução e substituição da caixa de engrenagens.

Uma das razões para isso é o fato de que a indústria é tão nova em comparação com outras indústrias, mas também pode ser devido ao ritmo de desenvolvimento de turbinas eólicas, com projetos cada vez maiores chegando ao mercado. A má compreensão das cargas da turbina é outro fator, pois é um problema emergente com fissuras axiais nos rolamentos da turbina.

Em 2007, o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) estabeleceu seu NREL Gearbox Reliability Collaborative para avaliar porque as falhas da caixa de engrenagens ocorrem e como resolver o problema. Os Laboratórios Sandia National em Albuquerque também estão analisando essa questão. O resultado disso foi uma maior disposição de compartilhar os dados resultantes com o público em geral, ao passo que anteriormente a indústria estava um tanto relutante em fazê-lo. A vantagem de fazer isso é permitir que a indústria explique ao público o que está fazendo para ajudar a reduzir o custo da energia eólica.

Por exemplo, em anos anteriores, os testes em grande escala eram caros, de modo que os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) tendiam a realizar testes curtos, e não muitos deles. No entanto, os testes agora são mais extensos, geralmente ocorrendo em grandes bancos de teste e, portanto, também mais rigorosos.

Teste de fase 1 da caixa de engrenagens da turbina eólica no NREL [fonte da imagem: NREL]

O conhecimento de como as caixas de engrenagens das turbinas eólicas respondem às cargas agora foi muito melhorado, muitas vezes graças ao software de design desenvolvido por empresas como a Romax Technology, com sede em Troy, Michigan, que produziu um pacote de software chamado Romax Wind. Equipados com esse software, os engenheiros são muito mais capazes de avaliar com precisão as tensões impostas às engrenagens e rolamentos e isso significa que eles estão muito melhor posicionados para desenvolver turbinas eólicas mais resistentes.

Por exemplo, agora está ficando bastante claro que a maioria das falhas na caixa de engrenagens da turbina eólica, responsável por 76 por cento das falhas, é devido a falhas nos rolamentos, embora este não seja o único problema, é claro. A trinca axial em rolamentos é uma das principais causas dessa falha.

Além de rachaduras axiais nos rolamentos, a contaminação dos lubrificantes com partículas afiadas pode levar à falha por corrosão dos rolos dos rolamentos. Começa como micropitting, também conhecido como mancha cinza ou glacê, devido à cor causada pela presença de rachaduras microscópicas que geralmente são muito pequenas para serem visíveis por si mesmas, mas, coletivamente, fazem com que uma superfície adote uma cor cinza. A superfície do rolo enfraquece, resultando em uma perda de tolerância de precisão. Os contaminantes são geralmente materiais como areia, ferrugem, cavacos de usinagem, pó de moagem e respingos e detritos causados ​​pelo desgaste. Infelizmente, a maioria dessas partículas não pode ser filtrada para fora do lubrificante.

As manchas escuras são contaminantes no óleo [fonte da imagem: NREL]

As caixas de engrenagens de alta velocidade costumam sofrer altas taxas de falhas. Os engenheiros tendiam a instalá-los em turbinas eólicas porque isso lhes permitia também instalar pequenos geradores, reduzindo assim o custo inicial. A tendência agora está se movendo mais para a instalação de caixas de velocidades de média velocidade. Eles têm menos engrenagens e rolamentos e, portanto, são muito mais confiáveis, mas também são mais caros. No entanto, as caixas de engrenagens de média velocidade podem aumentar o número de turbinas em operação a qualquer momento, aumentando assim a quantidade de energia limpa gerada e criando milhares de empregos no projeto, fabricação e operação.

Muitas caixas de engrenagens falham devido à têmpera por retificação. Isso ocorre quando a temperatura de uma parte da engrenagem excede a temperatura de revenimento do aço de que é feita. Isso, por sua vez, reduz sua dureza e, portanto, sua resistência. Para combater isso, os OEMs estão exigindo que seus fornecedores verifiquem as engrenagens quanto à têmpera de moagem. Um processo denominado corrosão nital pode ser usado para identificar as diferenças na microestrutura dos componentes, permitindo assim a identificação de áreas danificadas pela usinagem ou queima de retificação. Se essas áreas não esfriarem adequadamente, podem superaquecer. Eles parecerão mais escuros sob o teste de corrosão nital do que áreas não danificadas.

A inclusão de uma partícula estranha em uma engrenagem causa aumento do estresse. Se for grande o suficiente e próximo o suficiente de uma superfície de contato ativa, isso fará com que a engrenagem falhe prematuramente. O remédio para isso é o teste não destrutivo, como o teste ultrassônico de phased array, que está ajudando a reduzir o número de "inclusões" e, portanto, o número de falhas de engrenagem.

Voltando ao problema de fissuração axial mencionado anteriormente, esta é uma causa regular de falha da caixa de engrenagens da turbina. A trinca axial em rolamentos geralmente ocorre na forma de longas trincas no anel interno de um rolamento. Às vezes, é chamado de "rachadura de gravação branca" por causa das áreas brancas irregulares que aparecem nas superfícies de apoio quando são quimicamente gravadas e examinadas por meio de micrografias. É um problema que assola as caixas de engrenagens de todos os fabricantes e os rolamentos de rolos cilíndricos são particularmente vulneráveis. O tratamento térmico durante a fabricação pode agravar o problema, pois o resfriamento não uniforme pode causar tensões localizadas que levam a rachaduras. Uma forma particular de tratamento térmico conhecida como cementação pode ajudar a reduzir a ocorrência de fissuras axiais em rolamentos. Isso envolve o componente sendo colocado em um forno com atmosfera de carbono, seguido de têmpera e têmpera, fornecendo um núcleo temperado de baixo teor de carbono e uma casca dura de alto teor de carbono.

Danos na engrenagem de alta velocidade e estágio intermediário [fonte da imagem: NREL]

A rachadura também pode ocorrer devido à transformação desigual de austenita em martensita. Martensita é uma forma de aço muito dura. Uma transformação martensítica ocorre ao resfriar metais específicos e, frequentemente, quando a austenita é resfriada à temperatura ambiente. A austenita é um alótropo do ferro, sendo a alotropia a propriedade de alguns elementos químicos de existirem em duas ou mais formas diferentes no mesmo estado físico. Por exemplo, os alótropos de carbono incluem diamante, grafite, grafeno e fulereno. Além da austenita, dois outros alótropos de ferro são ferro alfa (ferrita) e ferro delta. A austenita também é conhecida como ferro gama. Se a transformação de austenita em martensita não for uniforme, ela pode causar diferentes taxas de resfriamento, por sua vez, levando ao crescimento, encolhimento e distorções de torção causando rachaduras.

A fissuração axial ainda não é totalmente compreendida, mas outra solução, além do tratamento térmico de carburação da carcaça, pode ser o revestimento de óxido preto nos rolamentos. Isso poderia melhorar as propriedades estruturais do aço usado para fazer rolamentos e, ao mesmo tempo, eliminar o hidrogênio. Isso é importante porque o hidrogênio pode fazer com que o aço se torne quebradiço. As fontes de hidrogênio podem incluir óleo da caixa de engrenagens, umidade no óleo e vários aditivos de óleo. Outra fonte pode ser a descarga eletrostática dos sistemas elétricos ou de lubrificação que podem extrair hidrogênio da água e do óleo na caixa de engrenagens.

Embora a falha da caixa de engrenagens seja de fato um problema persistente no setor eólico, a compreensão dessas questões está melhorando o tempo todo e, com isso, a confiabilidade das turbinas eólicas.


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