Ao longo do desenvolvimento técnico da tecnologia de turbinas eólicas, evoluíram de um mero elemento de acoplamento para um componente de um sistema multifuncional que não só transmite binário entre a caixa de engrenagens e o gerador, mas também protege o sistema de energia, impactando diretamente a sua vida útil. Ao mesmo tempo, as exigências de desempenho, vida útil e disponibilidade têm vindo a aumentar continuamente e são mais exigentes do que nunca.
A tecnologia das turbinas eólicas tem registado um rápido desenvolvimento nas últimas décadas. As torres estão mais altas, os diâmetros dos rotores e as alturas dos cubos duplicaram e a potência até aumentou dez vezes. Isto submete os acionamentos a exigências extremas. Além disso, espera-se uma baixa manutenção ao longo da sua vida útil estimada de 20 anos, e as elevadas cargas dinâmicas geradas pelo vento devem ser compensadas em toda a turbina eólica. A conceção de uma turbina eólica de última geração requer a interação de muitos campos diferentes, e o conjunto de acionamento mecânico é um dos principais componentes.
Uma pequena, mas importante, parte desta tecnologia avançada é o acoplamento mecânico. Ao longo das décadas, tornou-se um componente do sistema que desempenha várias funções importantes em simultâneo. Além de transmitir o binário e compensar o desalinhamento do veio, protege contra sobrecargas, garante o isolamento elétrico e regista os binários e as velocidades, se necessário. Os sistemas de acoplamento estão a tornar-se cada vez mais potentes, com uma potência de gerador atual de 8 MW, transmitindo binários até 500 000 Nm; e a tendência é crescente.
1: Conjunto de fixação, veio da caixa de velocidades;
2: Disco de travão com conjunto de lâminas;
3: Espaçador em PRFV com unidade deslizante;
4: Flange do gerador com sistema de pás;
5: Conjunto de fixação, veio do gerador.
Sistema de acoplamento especial para turbinas eólicas
Um exemplo recente é o acoplamento em chapa de aço KTR RADEX®-N (Figura 1), especificamente concebido para turbinas eólicas. O acoplamento – totalmente em aço, sem folgas e sem necessidade de manutenção – é constituído por dois conjuntos de chapas ligadas por um espaçador e um cubo nas laterais da caixa de velocidades e do gerador. O princípio do duplo cardan garante a compensação de grandes deslocamentos angulares até 3.° com baixas forças de restauração. Os conjuntos de chapa são fabricados em aço para molas de alta resistência com tratamento superficial. Ferramentas de cálculo melhoradas e um processo de produção flexível são essenciais para garantir que o formato das chapas pode ser adaptado às necessidades do cliente.
O espaçador RADEX®-N é fabricado num composto de fibra que proporciona o isolamento elétrico e evita possíveis fugas de corrente do gerador para a caixa de velocidades, onde poderia danificar os rolamentos e as chavetas. Um efeito secundário positivo é que o seu peso total reduzido aumenta a facilidade de manutenção e reparação. Normalmente, o acoplamento é fornecido com um disco de travão, integrado na lateral da caixa de velocidades, bem como um disco sensor, montado na lateral do gerador, para a monitorização da velocidade.
Para garantir uma transmissão de binário precisa, mesmo em condições adversas, é essencial um sistema de sobrecarga, protegendo simultaneamente o conjunto propulsor de forma fiável. O limitador de binário RUFLEX® está incorporado no espaçador de PRFV do acoplamento e é ajustado ao binário de deslizamento especificado pelo cliente. Assim que a máquina atinge o binário de deslizamento definido, o sistema de sobrecarga limita o fluxo de potência, protegendo a caixa de velocidades dos picos de carga gerados pelo lado do gerador. O limitador de binário também pode ser integrado no conjunto propulsor.
Uma configuração é um sistema de acionamento baseado na utilização de um gerador especial com uma gama de velocidade média. Neste caso, não são necessárias engrenagens de alta velocidade, uma vez que o gerador é flangeado diretamente na caixa de engrenagens. Como a montagem direta não gera movimentos relativos entre o gerador e a caixa de engrenagens, não é necessário utilizar um acoplamento para compensar o deslocamento do veio. Mas seria necessário um sistema de sobrecarga eficaz. Montado entre a caixa de velocidades e o gerador, o sistema de sobrecarga proporciona a proteção necessária contra picos de binário extremamente elevados.
Condições ambientais críticas exigem proteção contra a corrosão
Se utilizado em turbinas eólicas offshore ou em áreas com humidade elevada, todo o sistema de acoplamento recebe um revestimento de alta qualidade para proteção contra a corrosão. Isto inclui a pintura de todos os componentes de aço, revestimento especial de todos os parafusos e revestimento da unidade deslizante, garantindo uma elevada resistência à corrosão sem afetar a eficiência do acoplamento e do sistema de sobrecarga.
Alta precisão em cada rotação
As medições precisas de binário e velocidade são parte integrante da moderna tecnologia de transmissão. Os resultados não só fornecem informação sobre o nível de potência mecânica da transmissão, como o cálculo de valores físicos também permite a otimização da eficiência.
O sistema de medição DATAFLEX® (Figura 2) é utilizado principalmente em protótipos e turbinas eólicas recentemente desenvolvidas, bem como em turbinas eólicas localizadas em locais críticos, por exemplo, sujeitos a fortes cargas de vento alternadas.
Quando é necessário o registo das medições, o sistema é facilmente integrado no sistema de acoplamento em vez do espaçador de PRFV, e é desmontado após a conclusão do processo. Os sistemas de medição DATAFLEX® fornecem dados precisos e de alta resolução, mesmo com o ajuste elétrico das pás do rotor, o chamado sistema de passo, bem como com acionamentos de guinada.
Certificação como critério vital
O pacote de serviços da KTR auxilia os clientes na certificação de componentes. Isto inclui todos os cálculos relevantes dos componentes, como cálculos de vibração torcional, modelação por elementos finitos e cálculos analíticos. Além disso, juntamente com empresas de certificação, a KTR realiza extensos testes de fratura e de vida útil para determinar os limites dos componentes, garantindo a máxima segurança e fiabilidade para o utilizador (Figura 3).
Potências esperadas continuam a crescer
Mais alto, mais amplo, mais potente – este é o lema da indústria eólica. As exigências impostas ao sistema de acoplamento em termos de potência, vida útil e disponibilidade aumentam juntamente com o tamanho da turbina eólica. As unidades de acoplamento que a KTR concebe e fabrica para turbinas eólicas atingiram dimensões enormes, razão pela qual a empresa sediada em Rheine fez investimentos significativos em máquinas para acoplamentos de grandes dimensões e bancos de ensaio nos últimos anos. Ou seja, os engenheiros da KTR têm mais de uma dezena de bancos de ensaio servo-hidráulicos e elétricos disponíveis para realizar ensaios dinâmicos em acoplamentos com binários até 500 000 Nm (Figura 4).
De componente ao sistema: acoplamentos em turbinas eólicas
Os acoplamentos são um componente vital no sistema de transmissão de uma turbina eólica. À medida que a tecnologia das turbinas eólicas se desenvolveu, estas deixaram de ser meros elementos de acoplamento para se tornarem componentes multifuncionais do sistema, não só transmitindo o binário entre a caixa de velocidades e o gerador, mas também protegendo o sistema de transmissão e tendo um maior impacto na sua vida útil. Enquanto isso, as exigências pelo desempenho, a vida útil e a disponibilidade continuam a aumentar e são tão elevadas hoje como nunca.
O progresso tecnológico das turbinas eólicas tem registado um rápido desenvolvimento nas últimas décadas: as torres são fabricadas em fábrica, com o dobro do diâmetro do rotor e da altura do cubo, e até um aumento de dez vezes na potência nominal. Isto impõe exigências extremas aos seus acionamentos. Além disso, prevê-se uma baixa manutenção para a vida útil calculada de 20 anos e há a necessidade de compensar as cargas altamente dinâmicas que o vento exerce sobre toda a estrutura.
Diversas áreas de especialização necessitam de interagir no projeto de uma turbina eólica de última geração, e um dos principais componentes é o conjunto de transmissão mecânica. Uma pequena, mas importante parte desta tecnologia avançada é o acoplamento mecânico. Ao longo das décadas, tornou-se um componente do sistema que lida com várias funções importantes em simultâneo: além de transmitir o binário e compensar o desalinhamento do eixo, protege contra sobrecarga, garantindo o isolamento elétrico e registando os binários e as velocidades conforme necessário. Os sistemas de acoplamento são cada vez mais potentes, com uma potência de gerador de corrente até 8 MW, transmitindo binários até 500 000 Nm. E esta tendência está em ascensão.
Um sistema de acoplamento especial para turbinas eólicas
Um exemplo recente é o acoplamento de lâminas de aço RADEX®-N da KTR (Figura 1), concebido especificamente para aerogeradores. O acoplamento totalmente em aço, sem folgas e sem manutenção, consiste em dois conjuntos de lâminas, ambos ligados ao espaçador e ao cubo do lado da caixa de velocidades e do gerador. O princípio duplo cardânico garante a compensação de elevados deslocamentos angulares até 3.° com baixas forças de restauração.
Os conjuntos de lâminas são fabricados em aço para molas de alta resistência e com tratamento superficial. Ferramentas de cálculo perfeitas e um processo de produção flexível são essenciais para garantir que o formato das lâminas pode ser adaptado às necessidades dos clientes. O espaçador de fibra composta do RADEX®-N proporciona isolamento elétrico e evita a potencial fuga de corrente do gerador para a caixa de velocidades, onde poderia danificar rolamentos e estrias. Um efeito secundário positivo é que o seu peso leve facilita a manutenção e as tarefas de serviço. O acoplamento é fornecido com o disco de travão integrado na caixa de velocidades, juntamente com um disco sensor para monitorização da velocidade. Um sistema de sobrecarga é essencial para garantir a transmissão precisa do binário, mesmo em condições adversas, ao mesmo tempo que proporciona uma proteção fiável para o conjunto de transmissão. O limitador de binário RUFLEX® está incorporado no espaçador GFK do acoplamento e é ajustado para o binário de deslizamento especificado pelo cliente. Assim que a máquina atinge o binário de deslizamento definido, o sistema de sobrecarga limita o fluxo de potência, protegendo a caixa de velocidades contra picos de carga no lado do gerador. O limitador de binário também pode ser integrado no conjunto de transmissão. Uma configuração é um sistema de transmissão baseado na utilização de um gerador especial com uma gama de velocidade média. Neste caso, não há necessidade de engrenagens de alta velocidade, uma vez que o gerador é flangeado diretamente na caixa de engrenagens. Sem movimento relativo gerado entre o gerador e a caixa de engrenagens, graças à sua montagem direta, não há necessidade de um acoplamento para compensar o deslocamento do eixo. No entanto, é necessário um sistema de sobrecarga eficiente. Instalado entre a caixa de velocidades e o gerador, o sistema de sobrecarga oferece a proteção necessária contra picos de binário extremamente elevados.
Condições ambientais críticas exigem proteção constante contra a corrosão
Quando utilizado em turbinas eólicas offshore ou em zonas com humidade elevada, todo o sistema de acoplamento recebe um revestimento de elevada qualidade para proteção contra a corrosão. Isto inclui a pintura de todos os componentes de aço, incluindo todos os parafusos e a caixa da unidade deslizante, com um revestimento especial que proporciona uma elevada resistência à corrosão sem afetar a eficiência do acoplamento e do sistema de sobrecarga.
Alta precisão a cada rotação
As medições precisas de binário e velocidade são parte integrante da moderna tecnologia de acionamento. Os resultados não só fornecem informações sobre o nível de potência mecânica do conjunto de acionamento, mas, ao calcular os valores físicos, os níveis de eficiência podem ser otimizados. O sistema de medição DATAFLEX® (Imagem 2) é utilizado principalmente em protótipos e turbinas eólicas recentemente desenvolvidas, bem como em turbinas situadas em locais críticos, como as que estão sujeitas a fortes cargas de vento alternadas. Quando é necessário realizar medições, o sistema é simplesmente integrado no sistema de acoplamento em vez do espaçador GFK e removido após a conclusão do processo. Os sistemas de medição DATAFLEX® fornecem dados precisos e de alta resolução, independentemente do ajuste elétrico das pás do rotor ou do sistema de passo, bem como com acionamentos de guinada.
Certificação como elemento vital
O pacote de serviços da KTR apoia os clientes com certificação de componentes. Isto inclui todos os cálculos relevantes de componentes, como cálculos de vibração torcional bem como cálculos FEM ou analíticos. Além disso, em cooperação com as empresas de classificação, a KTR realiza extensos testes de fratura e testes de vida útil para calcular os limites dos componentes, garantindo a máxima segurança e fiabilidade para o utilizador (Figura 3).
Expetativas por energia continuam a crescer
Mais alto, mais amplo, mais potente é o lema da indústria de energia eólica. As exigências sobre o sistema de acoplamento em relação à potência, vida útil e disponibilidade estão a crescer juntamente com o tamanho da turbina. As unidades de acoplamento concebidas e fabricados pela KTR para turbinas eólicas também alcançaram grandes dimensões, resultando em investimentos significativos na bancada de ensaios e em grandes máquinas de acoplamento nos últimos anos. Assim, os engenheiros da KTR beneficiam de mais de uma dezena de bancos de ensaio servo-hidráulicos e elétricos para realizar ensaios dinâmicos em acoplamentos até 500 000 Nm (Figura 4).
Reiner Banemann
Product Manager
KTR Systems GmbH
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