Que mancais podem contribuir para caixas de engrenagens de turbinas eólicas

May 24, 2023

Por Paul Dvorak | 27 de abril de 2017

Um programa recente do National Renewable Energy Laboratory avaliou a durabilidade de uma caixa de engrenagens de 1 MW com mancais de rolamento. Os resultados são encorajadores para um uso mais amplo e caixas de câmbio mais confiáveis.

Um técnico monta a caixa de engrenagens com quatro mancais.

Se uma caixa de engrenagens de turbina eólica ainda não estiver equipada com arranjos de rolamentos de rolos atualizados em seu estágio planetário, logo o será quando for reparada porque novos projetos de rolamentos têm uma capacidade de carga maior. As preferências de design recentes incluem rolamentos de rolos cônicos pré-carregados ou rolos cilíndricos com pistas integradas às engrenagens planetárias. Mas mesmo esses arranjos eventualmente sofrerão danos por lascas devido à fadiga do contato rolante e exigirão substituição. É possível que uma caixa de engrenagens com mancais resista melhor às duras condições impostas pelas turbinas eólicas?

Um objetivo para a caixa de câmbio de última geração é aumentar a eficiência do sistema de transmissão.

Engenheiros da NREL e Romax Technology e outros parceiros da indústria concluíram recentemente um projeto apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA para testar as tecnologias de caixa de engrenagens, geradores e conversores de energia de última geração com o objetivo de reduzir o custo nivelado da energia. O layout da caixa de engrenagens incorporou pinos flexíveis e tecnologia de mancais para melhorar o compartilhamento de carga planetária e aprofundar a compreensão dos mancais nesta aplicação de baixa velocidade e alta carga. Dentro do projeto, o drivetrain foi projetado, construído e testado em um dinamômetro no National Wind Technology Center.

A Dra. Ashley Crowther, vice-presidente global de engenharia da Romax Insight, apresentou os resultados promissores do teste na recente reunião colaborativa de confiabilidade do trem de força no NREL. O objetivo do programa era sugerir um sistema de transmissão de última geração que levaria a indústria eólica adiante. "Estávamos procurando um arranjo avançado de caixa de engrenagens para a indústria eólica para testar a tecnologia com o objetivo de reduzir os custos e a manutenção do sistema e, ao mesmo tempo, aumentar a eficiência", disse ele. Rolamentos murais em caixas de engrenagens eólicas são incomuns, embora existam alguns recentemente oferecidos por fabricantes europeus de equipamentos originais (OEMs).

Um projeto anterior do NREL fornecia um trem de força para modificação, com o eixo principal suportado por dois rolamentos cônicos e incluindo um gerador de velocidade média. A caixa de engrenagens convencional foi substituída por uma equipada com mancais de um único estágio, com quatro planetas montados em pinos flexíveis ou flexíveis. Para economia, a caixa de câmbio de teste tinha um estágio, mas durante a pesquisa de conceito, o líder do programa do NREL, Jon Keller, disse que a equipe analisou uma série de proporções e descobriu que o menor custo de energia é possível com uma caixa de câmbio de dois estágios com uma proporção de cerca de 30.

A ilustração, Uma seção transversal, mostra a engrenagem solar e os pinos flexíveis, que suportam os fusos, e os mancais que suportam os planetas.

O pino flexível dentro de um eixo permite que ele se transfira levemente conforme as cargas do planeta mudam. Um mancal gira em cada fuso.

Nesta aplicação, o planeta gira sobre uma fina película de óleo sobre o material do mancal e o anel é estacionário. O material é aço revestido com ligas especiais, de propriedade do fabricante na Europa.

Gráficos de medidores de tensão na caixa de engrenagens mostraram que o compartilhamento de carga melhorou com a carga para uma distribuição de carga quase igual no torque nominal.

A finalidade do pino flexível é melhorar o compartilhamento de carga por meio do sistema de quatro planetas. Um banquinho de três pernas fornece uma analogia. Todas as três pernas tocam o chão para que o banco não balance. Mas um banquinho de quatro pernas pode balançar facilmente se as pernas estiverem rígidas. Da mesma forma, um sistema planetário com mais de três planetas pode compartilhar as cargas dos planetas de forma desigual. A deflexão do sistema, pequenas folgas e erros construídos (normalmente dentro da tolerância) contribuem para a magnitude do compartilhamento de carga desigual. Mas se houver alguma flexibilidade no sistema, seria como ter uma mola em cada uma das pernas do banquinho, deixando-o sempre apoiado em quatro pernas. O pino flexível oferece uma maneira de fazer isso em um sistema de quatro planetas. Um artigo anterior (http://tinyurl.com/bearings-journal ou WPE&D de maio de 2016) fornece mais detalhes sobre a reconstrução da caixa de câmbio.