Realizacao de testes numa caixa multiplicadora

A manutenção de turbinas eólicas pode cobrir uma variedade de atividades mas um dos maiores problemas no que diz respeito à reparação e substituição é o setor da caixa multiplicadora de velocidade, que normalmente tem problemas antes de completar os 20 anos em serviço.

Alguns projetos eólicos reportam problemas deste tipo em cerca de 50% em apenas alguns anos. Este fator aumenta os custos, diminui o tempo de produção e aumenta tempos de manutenção e substituição de material.

Uma das razões das falhas nas caixas multiplicadoras dos aerogeradores é o fato de este tipo de indústria ser relativamente mais recente em relação a outras. Mas também pode dever-se ao fato do desenvolvimento de aerogeradores possuir um ritmo demasiado rápido, trazendo ao mercado modelos cada vez maiores. A má compreensão das cargas numa turbina é também outro dos fatores, que se torna uma questão emergente devido à rotura axial nos rolamentos.

Exemplo de danos no estágio HSS - High Speed Shaft de uma caixa multiplicadora - Energia Eólica
Exemplo de danos no estágio HSS – High Speed Shaft de uma caixa multiplicadora – Energia Eólica

Em 2007, o National Renewable Energy Laboratory (NREL) criou o NREL Gearbox Reliability Collaborative com o objetivo de estudar os problemas que ocorrem nas caixas multiplicadoras e como prevenir e corrigir esses problemas.

O Sandia National Laboratories em Albuquerque também tem esse mesmo objetivo. O resultado disso foi a vontade de partilhar com o público os resultados que até então as fábricas deste tipo de tecnologia tinham alguma relutância em o fazer. A vantagem é que pressionam os fabricantes a explicar ao público o que é que está a ser feito de modo a reduzir os custos referente à energia eólica.

Por exemplo, em anos anteriores, testes em larga escala eram caros, por isso os fabricantes apenas realizavam pequenos testes e alguns nem mesmo isso faziam. Mas agora os testes são mais extensivos em larga escala e bem mais rigorosos.

Realizacao de testes numa caixa multiplicadora
Realização de testes a uma caixa multiplicadora – Energia Eólica

O conhecimento de como as caixas multiplicadoras respondem às cargas melhorou muito graças a software desenvolvido por empresas como a Romax Technology, com sede em Troy, Michigan, que produziu um software chamado de Romax Wind. Equipados com este software os engenheiros conseguem agora estudar melhor o stress aplicado nas engrenagens e rolamentos de uma turbina eólica de forma a desenvolver melhores e mais resistentes turbinas eólicas.

É agora claro que o maior problema que ocorre nas caixa multiplicadores está relacionado com os rolamentos, pois isto verifica-se em 76% dos casos. Embora não seja a única causa. A rotura axial nos rolamentos é uma das maiores causas de problemas.

À parte deste problema, a contaminação dos lubrificantes pode levar a problemas de pitting dos rolamentos. Este tipo de problema começa como micropitting, conhecido pelas manchas de cor cinzenta causadas pela presença microscópica de fendas. A superfície do rolamento enfraquece resultando numa perda de precisão. Os contaminantes são normalmente areia, ferrugem e lascas de componentes. Infelizmente, a maioria destas partículas não pode ser filtrada.

Oleo contaminado particulas metalicas
Óleo contaminado proveniente de uma caixa multiplicadora (pontos pretos) – Energia Eólica

As caixas multiplicadores com velocidades mais elevadas são mais propensas a problemas. Os engenheiros de projeto tendem em usar este tipo de caixas pois isso permite-lhes usar geradores de menor potência diminuindo assim os custos.

A tendência é agora a instalação de caixas multiplicadoras com velocidades mais moderadas. Estas têm menos engrenagens e rolamentos fazendo delas mais confiáveis, mas também simultâneamente são mais caras.

No entanto, caixas multiplicadoras com velocidade moderada podem aumentar o número de turbinas eólicas em operação, aumentando a energia limpa produzida e criando mais empregos em design, produção e operação.

Muitas caixas multiplicadoras sofrem do problema denominado “grind tempering”. Isto ocorre quando a temperatura de uma parte da engrenagem excede o máximo de temperatura suportada pelo material com que é feita. Isto faz com que seja reduzida a sua dureza e força.

Para contrariar isto, os fabricantes têm requisitado aos fornecedores testes de “nital”. Um processo que é usado para identificar as diferenças na microestrutura de componentes submetidos a elevadas temperaturas. Se as áreas afetadas pelas temperaturas elevadas não consigam ser arrefecidas isso origina um sobreaquecimento. As zonas de sobre aquecimentos são facilmente identificadas por uma coloração escura.

A inclusão de uma partícula estranha numa engrenagem pode originar stress. Se for grande o suficiente pode levar a uma falha prematura. A solução para isso é a realização de testes, tais como os testes de ultra sons.

Relativamente ao problema da rotura axial, este é um problema regular nas caixas multiplicadoras. A rotura axial ocorre por norma na forma de fissuras longas nos anéis dos rolamentos. É um problema que afeta a maioria das caixas multiplicadores e os rolamentos cilíndricos são particularmente os mais afetados. O tratamento térmico durante o fabrico pode agravar o problema devido ao arrefecimento não uniforme. Um tratamento térmico denominado de carbonização pode ajudar a reduzir este fenómeno.

Exemplo de danos nos estágios de alta e intermédia velocidade de caixa multiplicadora danificada - Energia Eólica
Exemplo de danos nos estágios de alta e intermédia velocidade de caixa multiplicadora danificada – Energia Eólica

As fissuras também podem ocorrer devido à transformação desigual de austenita para martensite. Martensita é uma forma de aço muito dura. É formada quando ligas ferro – carbono austenitizadas são arrefecidas rapidamente ou bruscamente.

É uma estrutura monofásica (TCC), tetragonal de corpo centrado e se encontra fora de equilíbrio, resultante de uma transformação sem difusão da austenita. Se o processo de transformação da austenita para martensita não for uniforme isso pode levar a distorções e encolhimento tendo como consequência o aparecimento de fissuras.

A rotura axial ainda não é completamente compreendida, mas uma outra solução, complementando já a solução do tratamento térmico por carbonização, pode ser o revestimento com óxido preto dos rolamentos. Isto pode melhorar as propriedades estruturais do aço usado no fabrico dos rolamentos levando também à libertação do hidrogénio.

Isto é importante na medida em que o hidrogénio pode tornar o aço mais fraco. As fontes de hidrogénio são o óleo da caixa multiplicadora, humidade presente no óleo, ou outros aditivos. Outra fonte pode ser a descarga eletrostática dos sistemas elétricos ou de lubrificação que podem extrair hidrogénio a partir de água e óleo na caixa multiplicadora.

Embora, as falhas da caixa multiplicadora serem de fato um problema persistente no setor eólico, a compreensão dessas questões estão constantemente a serem melhoradas, e com isso a fiabilidade das turbinas eólicas.

Vídeo da substituição da caixa multiplicadora num aerogerador

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