Como grandes turbinas eólicas offshore estão desafiando os projetos de rolamentos

Por Paul Dvorak | 23 de fevereiro de 2018

Phillipp Schmid, Engenheiro de Aplicação, SKF

Philip Schmid

Desde 2012, turbinas offshore com potência total superior a um GigaWatt (GW) estão entrando em operação em águas europeias todos os anos. De acordo com a WindEUROPE, a energia eólica offshore na Europa registrou 1.558 MW líquidos de capacidade adicional conectada à rede instalada em 2016.

Apesar dos desafios da construção de turbinas offshore, espera-se que a capacidade cresça à medida que os locais terrestres adequados se tornem mais escassos e os operadores aproveitem a maior consistência do vento no mar. A potência de saída das turbinas offshore também tende a ser maior do que suas contrapartes terrestres. De acordo com a WindEUROPE, a potência média das turbinas offshore instaladas em 2016 foi de 4,8 MW. Turbinas de 9 MW ou mais de capacidade estão agora em fase de lançamento – o desenvolvimento V164-9,5 MW da Vestas é um excelente exemplo.

A turbina genérica com caixa de câmbio ostenta uma suspensão de dois pontos fornecida pelos dois grandes rolamentos. O arranjo é usado em turbinas na faixa de 6 MW.

Turbinas eólicas offshore também tendem a ter pás mais longas que impõem maiores forças nos sistemas de transmissão. Além disso, as transmissões e seus rolamentos correm maior risco de corrosão devido ao ambiente de água salgada. A realização de manutenção offshore é difícil, potencialmente perigosa e cara, portanto, os operadores desejam reduzir a frequência das visitas de manutenção, o que impõe demandas consideráveis ​​aos rolamentos do rotor e sua capacidade de continuar a funcionar de forma confiável nessas condições por longos períodos.

Existem quatro conceitos comuns de design de rolamentos para eixos de rotores de turbinas. A primeira é uma suspensão de dois pontos com um rolamento de rolos toroidais no lado do rotor e um rolamento autocompensador de rolos no lado do gerador. Isso é usado para turbinas na categoria de 6 MW, por exemplo.

Para classes de maior desempenho, a tendência é usar arranjos de rolamentos 'rígidos' que apresentam um rolamento livre e fixo combinando um rolamento de rolos cilíndricos e um rolamento de rolos cônicos de carreira dupla. Alternativamente, um rolamento projetado especificamente que combina os dois em um rolamento, como o Nautilus da SKF, ou arranjos que compreendem dois rolamentos de rolos cônicos ajustados. Em todos os casos, o projeto, os materiais de construção e as geometrias mecânicas desses rolamentos terão um impacto considerável em sua capacidade de funcionar de forma confiável entre os intervalos de manutenção.

A turbina genérica é projetada com uma suspensão de três pontos. Um ponto para o rolamento grande do eixo principal e dois outros pontos em cada lado da caixa de engrenagens.

Outras características do rolamento também chamaram a atenção. As gaiolas de rolamentos, por exemplo, são geralmente feitas de latão usinado ou chapa metálica, sendo esta última mais frequentemente encontrada em rolamentos maiores. Sempre que possível, as gaiolas são sempre instaladas em uma única peça, mas para rolamentos maiores, elas podem ser compostas por fileiras de segmentos que são fabricados individualmente e posicionados um atrás do outro. Todos os tipos de gaiolas podem ser centradas no anel interno, o que produz menos desgaste e, portanto, prolonga a vida útil do rolamento - claramente importante quando se trata de turbinas eólicas offshore.

Os rolamentos da caixa de engrenagens também receberam atualizações. Um dos avanços recentes mais importantes é um tratamento químico de superfície que coloca a oxidação negra na pista. Em comparação com os rolamentos não tratados, os rolamentos oxidados a preto podem oferecer uma série de benefícios para aplicações em turbinas eólicas, incluindo risco reduzido de falha prematura do rolamento causada por rachaduras de corrosão branca, maior resistência ao ataque químico pelos componentes mais agressivos de alguns lubrificantes, menor permeação de hidrogênio, e maior resistência à corrosão. Além disso, as superfícies de rolamento oxidadas podem oferecer fricção reduzida, menor risco de danos por deslizamento e maior tolerância à lubrificação deficiente do rolamento.

O corte mostra como um OEM lida com uma configuração de acionamento direto com uma suspensão de dois pontos, em cada lado do rotor.