transmissoes turbinas eolicas mussato

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Análise Tribológica de uma transmissão de turbina d e energia eólica

Alguns tipos de transmissões eólicas

Introdução Para se determinar os problemas inerentes ao desgaste pelo uso de um equipamento como uma caixa de transmissão de uma torre de energia eólica, usam-se os métodos GRC (Gearbox Reliability Collaborative) e CM (Condition Monitoring). Trata-se de métodos padronizados para se avaliar a influência de grandezas físicas como Vibrações e Forças, e de análises não destrutivas como a Diagnose do lubrificante utilizado na transmissão. Este artigo propõe uma análise completa e sequencial de como se fazer a avaliação do desgaste do equipamento, de maneira a obter os melhores resultados de ganhos com a redução do custo de manutenção do mesmo, haja vista os valores altos de investimentos que justificam manter o aparelho sob controle e observação constantemente, evitando-se trocas prematuras e paradas de serviço. A análise do lubrificante utilizado, bem como novas técnicas de predição de falhas nas transmissões de energia eólica, são discutidas e analisadas neste trabalho, afim de não somente concluir sobre a eficiência dos métodos utilizados como também propor e alertar aos especialistas e profissionais da área, sobre o panorama real de uso dos equipamentos e das tendências em métodos de predição de falhas e novas tecnologias para com este objetivo.



Números sobre paradas de manutenção

“Através destes números o profissional de manutenção ou engenheiro responsável, pode planejar as

intervenções de parada do equipamento para sanar os problemas graves, bem como ter consciência dos ‘fusíveis’ do sistema no tocante a criticidade de manutenção e valor agregado da parte em destaque”

População analisada de 27 mil turbinas !



Critérios para medição dos esforços e falhas

Pode-se visualizar os dispositivos e ajustes para a medição dos eforços de tensão dos componentes críticos à fadiga como o eixo principal da transmissão, mostrado acima. A importância em se determinar os valores máximos de tensões para ruptura e fadiga do componente residem no fato de se determinar desta maneira as manutenções preventivas do equipamento, com o objetivo de se agir com medidas de contenção antes da danificação do componente, haja vista seu alto valor agregado a funcionalidade e eficiência do equipamento.

“Através da análise do óleo lubrificante pode-se prever o ponto de parada do equipamento para manutenção,

através do levantamento do tamanho e quantidade de particulado de ferro e da morfologia das partículas encontradas no óleo. Esta é uma técnica de manutenção preditiva que se torna fundamental para o ciclo de

vida de um equipamento de altíssimo valor agregado como uma transmissão de energia eólica”

Visualização da instrumentação necessária (strain gage) para se avaliar preditivamente o início de formação de crateras sub-superficiais (micropitting) no componente de importância fundamental na eficiência do equipamento, o Rolamento.



As formas de medições apresentadas acima são as chamadas ‘Análises individuais de componentes’ e requerem equipamentos e instrumentações específicas para serem realizadas. Em geral são necessárias avaliações individuais de componentes, para se estabelecer uma relação com os resultados das análises não destrutivas realizadas nas manutenções preventivas dos equipamentos, como a análise de óleo lubrificante por exemplo. Para estas análises não são necessários bancos de teste. Estes devem ser feitos com o intuito de se avaliar a confiabilidade do equipamento como um todo. São as chamadas análises de bancos de teste (Gearbox Reliability Collaborative) que pode ser visualizada a seguir:

Das falhas e variáveis que se podem obter de um banco de testes como este, destacam-se:

1. Análise de ondas de tensão 2. Análise de vibrações 3. Monitoramento de sujidade ou particulado do óleo lubrificante 4. Monitoramento das condições de lubrificação

,

Como as duas primeiras análises acima dependem totalmente do banco de testes equipado com dinamômetro e, portanto uma análise de alto custo laboratorial, este trabalho enfatiza e concentra-se, nos benefícios das duas últimas análises, que não dependem de um banco de testes, e que podem com grande assertividade, fornecer dados importantes para tomadas de decisões sobre a manutenção e estado de uso do equipamento ‘torre de energia eólica com transmissão por engrenagens’.

Dinamômetro NREL 16913

Estação de filtragem da transmissão, com sensores para monitoramento da sujidade do óleo



Avaliação dos lubrificantes abordados no uso das transmissões

Tecnologia do óleo base Grau de viscosidade Referência genérica

PAO Sintética ISO 320 PAO Ref.

PAO Sintética ISO 320 PAO Alt.

PAG Sintética ISO 320 PAG

Ester Sintético ISO 320 Ester

PFPE ISO 220 PFPE

Para que as análises das amostras de lubrificante das transmissões tivessem relevância estatística, foram medidas 4 transmissões, sendo 3 amostragens de cada uma, portanto 12 amostragens igualmente espaçadas em 6 meses para as respectivas coletas.

O ensaio de morfologia das partículas encontradas no lubrificante indicam presença resíduos de sujeira orgânica e desprendimento metálico proveniente de desgaste por atrito.

O ensaio para determinação de formação de espuma indicou precipitação em função de deficiência no respiro e exposição a tempo de uso acima do previsto.



Os resultados dos testes de análise de óleo foram confrontados com os ensaios de visualização microscópica da superfície dos dentes das engrenagens da transmissão. É importante salientar que o estado de erosão metálica causada pelo fenômeno de pitting nos flancos dos dentes, não é atributo de um lubrificante ineficiente ou fora da especificação, mas de uma condição de lubrificação que deve ser melhorada e adequada para com as condições de severidade do equipamento, fato que contribui para o avanço das pesquisas no sentido de encontrar uma tecnologia de lubrificação que aumente a expectativa de vida útil dos equipamentos ou torres eólicas, reduzindo assim diretamente os custos com geração de energia elétrica e aumentando a rentabilidade das companhias concessionárias desta tecnologia sustentável de energia.

Todo ensaio ou teste deve reproduzir-se de acordo com uma norma ou padrão. Para tanto, o quadro abaixo mostra cada um dos ensaios e respectivas normas vigentes, que devem ser enunciadas em um reporte oficial quando da análise dos componentes da transmissão.

Padronização industrial e ferramentas de análise pa ra lubrificantes de transmissões de turbinas eólicas

01 GL Wind 2005 “Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines”

02 ANSI/AGMA 6006/A03 “Standard for Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines

03 KissSoft Software Release 04/2010

04 ISSO 6336-1 &-2 “Calculation of Load Capacity of Spur and Helical Gears”

05 ISSO/CD TR 15144-1 “Calculation of micro-pitting load capacity of cylindrical spur and helical gears”

06 DIN/ISSO 281-4 “Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life”

07 DIN IEC 61400-4 (Draft) “Design requirements for Wins Turbine Gearboxes”

08 ISSO 81400 Part of IEC 61400 Series

09 AGMA 9005-E02 Industrial Gear Lubrication

10 DIN 51517-1 Lubricants – Lubricating Oils-Part 1: Lubricating oils C; Minimum Requeriments

11 ISSO 12925-1 “Specification for Lubricants for enclosed gear systems”

Na página seguinte há um panorama dos desgastes de flancos dos dentes das engrenagens (região abaixo do Diâmetro primitivo) e que pode ser diretamente associada ao tipo de lubrificante utilizado. As profundidades de erosão dos flancos analisados chegam a 0,0450 mm e, portanto, bastante severas.

Ilustração dos tipos de controle de flancos de dentes de engrenagens



Micrografia da região do flanco dos dentes (Abaixo do diâmetro primitivo)

Pode-se observar que todos os tipos de lubrificantes tiveram sua atuação limitada no tocante à formação de pitting ou erosão superficial dos flancos dos dentes das engrenagens da transmissão. Este fato se deve a severidade de uso, com exposição ao ambiente salino, particulado em suspensão, vibração, defeitos no sistema de lubrificação e por fim de problemas relativos aos materiais (aços) e seus tratamentos térmicos de endurecimento. Observa-se que a PAO Refer apresenta um desempenho superior aos demais lubrificantes e torna-se, portanto, motivo de estudo para com sua composição química. No final deste trabalho apresentar-se-á uma conclusão em relação à proposição tecnológica e de métodos para se aumentar a durabilidade do acabamento superficial dos flancos dos dentes das engrenagens da transmissão eólica. Proposição esta que deve ser atenciosamente realizada para um equipamento novo, de modo a dar a devida proteção ao componente ‘engrenagem’ antes do fenômeno de erosão superficial ocorrer.



Resumo dos modos de falha dos componentes da transmissão

Componentes da Transmissão Modos de falha

Carcaça da caixa de transmissão Fratura Suspensão Desgaste, Avarias Braço de torque Desgaste, Avarias

Sistema de lubrificação Perda de lubrificante, contaminação, degradação, falha do sistema e bomba de óleo, filtragem saturada, irrigação prejudicada

Portador planetário Lubrificação

Rolamento do planetário Erosão superficial (pitting), lubrificação

Engrenagem planetária Erosão superficial (pitting), lubrificação

Engrenagem interna ou anelar Erosão superficial (pitting), lubrificação, fratura

Engrenagem solar Erosão superficial (pitting), lubrificação

Eixo do planetário (entrada) Trinca, desgaste

Engrenagem do eixo paralelo Erosão superficial (pitting), lubrificação

Rolamento do eixo paralelo Erosão superficial (pitting), lubrificação

Pinhão do eixo paralelo Erosão superficial (pitting), lubrificação

Eixo paralelo Trinca, desgaste

Eixo de saída Trinca, deformação permanente

Pinhão de saída Desgaste por abrasão (Scuffing)

Engrenagem de saída Desgaste por abrasão (Scuffing)

Pinhão Solar Desgaste por corrosão (Fretting)

Engrenagem Planetária Desgaste por corrosão (Fretting)

Foto S/E

Influência da Lubrificação!



Partindo-se deste quadro de falhas muito bem claro e definido, podem-se estabelecer planos de ações no tocante a ‘revestimentos metálicos’ nas partes onde ocorre desgaste, trinca, fratura e deformação, e ‘tratamentos termoquímicos’ nos componentes com denteado interno e externo. Os revestimentos metálicos podem ser aplicados pelo processo de Aspersão Térmica, com camadas espessas que podem agregar rigidez aos eixos e carcaça que apresentam deterioração prematura.

Revestimento metálico ‘Aspersão Térmica’

Tratamento Termoquímico ‘Nitretação’

Pista interna Rolamento HSS-C Super-aquecimento leve

Pista interna Rolamento ISS-A Corrosão de contato leve

Espaçador de pista de Rolamento ISS-B/C Dano severo de montagemve

Pista de Rolamento PLC-A Severa Corrosão por vibraçãove

Foto S/E

Lubrificação eficiente ‘Irrigação e especificação’

1

2

3



Visualização da redução de custos com manutenção Operador Vida útil

estimada (Anos)

Custo com impostos e

serviços (Euros)

Danos detectados (Unidades)

Custos não planejados/ reparos

planejados (Euros)

Redução de custos

(Euros)

Eolic1 5 150,000 3 Transmissões 405,000/101,250 303,750

em 5 anos

Eolic2 5 1300,000 12 Transmissões

40 Geradores 4620,000/1155,000 3465,000

em 5 anos

Eolic3 3 472,000 20 Transmissões

1 Rolamento do gerador 1 Rolamento principal

2811,000/702,750 2108,250

em 3 anos

1 Euro = 3.47 BRL

Preconização de Lubrificação baseada no relatório MSC&Co.

As novas aplicações tecnológicas oriundas do

mundo moderno demandam inovações no campo

da engenharia de superfície, materiais e

lubrificantes, que sugerem mudança de

concepção. Isso significa fazer a mesma função

com princípios totalmente diferentes e eficientes.

Neste campo surgem as ‘Surfactant molecules ’,

ou moléculas com princípios ativos oriundos da

nanotecnologia. Esta concepção prevê a adsorção

das partículas de desgaste às moléculas de ação

de proteção metálica, ou seja, a molécula com

função protetiva ‘alimenta-se da energia de

atrito ’ gerada pelo contato metálico, influenciado

pelo deslizamento superficial, pressão de contato e

consequente temperatura de operação. Além

disso, há um segundo fator extraordinário no

comportamento das moléculas nanomanufaturas

chamado ‘Self-Assembly ’, ou seja, o arranjo

atômico da ordem de 50nm (nanômetros) trabalha

de forma inteligente no tocante ao posicionamento

de cada partícula da solução fluida, apresentando

memória de posição e fazendo com que a camada

protetiva se auto-ajuste frente ao caos da

operação em ocorrência. Este fenômeno chama-se

SAM (Self-Assembly-Monolayer) e somente é

possível ocorrer quando há presença de

metamateriais, ou seja, moléculas fabricadas no

conceito da nanotecnologia e portanto de tamanho

ínfimo da ordem de 10-9m (metros), ou 0,000.000.00X

mm (milímetros). Esta camada diferenciada protege a

superfície não somente a desgaste por abrasão e

adesão, mas também quanto a corrosão metálica.

Propõe-se, portanto o uso de metamateriais à

lubrificação crítica ou limítrofe, onde toda a capacidade

lubrificante é necessária para aumentar a vida útil de

equipamentos de alto valor agregado e sobretudo, que

demandam funcionamento intenso, dada a dificuldade

de manutenção e consequências da suspensão dos

serviços para a população e meio ambiente.

.



Sumário dos benefícios e proposições tecnológicas para a

manutenção das transmissões de turbinas eólicas

Objeto de Estudo – Trem de força de uma transmissão

1 – Da origem dos defeitos 1.1-Cargas não previstas 1.2-Projeto subdimensionado 1.3-Concepção prática inadequada 1.4-Ciclo de testes insuficiente/inadequado 2 – Dos picos de carregamento ou forças 2.1-Desalinhamento entre portador planetário e engrenagem interna anelar em função da folga operacional do rolamento do planetário 2.2-Desbalanceamento do compartilhamento de carga entre os rolamentos do planetário e as engrenagens do portador, a favor e contra o vento 2.3-Deflexão do pino do planetário e portador com existência de folga radial 3 – Das análises no banco de testes GRC (Gearbox Reliability Collaborative)

3.1-Causas simples podem levar a danos complexos

3.2-Melhorias operacionais e de manutenção são necessárias para reduzir as perdas de lubrificante por vazamento

3.3-Atenção especial na montagem é necessária para evitar danos ao equipamento

4 – Da eficiência e importância da lubrificação

4.1-O custo da análise de lubrificante frente ao custo da reposição do equipamento é extremamente significativo. Implemantar análise por amostragem sistematicamente

4.2-A análise morfológica e de tamanho de partículas é extremamente importante para a detecção dos modos de falha da transmissão e devem estar conectadas com as análises dos

bancos de testes e da análise individual dos componentes, como já visto no início deste trabalho 4.3-A demanda de severidade de uso deste equipamento vai além do uso de lubrificantes full synthetic como PAO e afins. Deve-se propor a inclusão combinada de novos conceitos como a nanotecnologia aplicada à lubrificação de equipamentos novos e com pouco uso, para prolongar a vida útil (Vide tópico sobre metamateriais) 4.4-Deve-se otimizar o projeto com engenharia reversa de forma a mitigar os vazamentos oriundos de desalinhamento de componentes ou de avarias causadas na operação e até na montagem do equipamento, haja vista a dificuldade de manutenção causada por localidade e ambiente severo de operação 5 – Sumário das proposições importantes 5.1-Transmissões de turbinas eólicas podem falhar por inúmeros e não previsíveis motivos. É urgente estudar os modos de falha sistematicamente, de modo a implementar melhorias significativas na vida útil do equipamento, considerando manutenção, lubrificação, projeto, transporte e montagem das mesmas 5.2-As técnicas e métodos usados e aprovados para um nicho de aplicação, podem falhar em outra aplicação. Há que catalogar cada detalhe da operação com este tipo de equipamento para obter sucessos progressivos na redução do custo com geração de energia com este importante equipamento