Seleção e cálculos de rolamentos para usinas eólicas

As demandas de rolamentos para usinas eólicas são extremamente altas. Portanto, os procedimentos para seleção de rolamentos e cálculos de vida útil são fundamentalmente diferentes de selecionar rolamentos em outras áreas de aplicação.

Ao selecionar rolamentos para uso industrial, os engenheiros de projeto podem escolher rolamentos para um local de rolamento definido com relativa facilidade, trabalhando junto com seus fornecedores, se necessário, e baseando suas decisões em parâmetros como velocidade de rotação e torque, carga radial e axial e a rigidez e pré-carga ou folga exigidas. A ampla variedade oferecida por fornecedores completos, como a NSK, significa que o rolamento certo está sempre disponível, mesmo para aplicações incomuns ou condições operacionais especiais. Se este não for o caso, rolamentos especiais personalizados também podem ser usados.

Requisitos exatos
Na tecnologia de energia eólica, os procedimentos que levam à seleção de um rolamento são fundamentalmente diferentes, essencialmente por causa de um único parâmetro:a vida útil do rolamento. Os fabricantes de usinas eólicas e as engrenagens para essas usinas exigem uma vida útil do rolamento de 20 anos (ou seja, 175.000 horas) para seus rolamentos. Este já é um valor extremo, mas não cobre todos os requisitos. Além disso, deve-se levar em consideração que as cargas externas que atuam sobre o rolamento são altamente dinâmicas (ou seja, irregulares) por causa do vento. As condições ambientais desfavoráveis ​​para as instalações offshore, cada vez mais utilizadas, são outro fator:o ar marinho é altamente corrosivo. Para usinas geradoras, a corrosão elétrica também deve ser levada em consideração. Finalmente, as opções de serviço disponíveis para operadores de parques eólicos são extremamente limitadas e qualquer tempo de inatividade não programado para um rolamento resultará em custos significativos.

A importância de calcular a vida útil
Apenas calcular a vida útil desse tipo de rolamento requer um alto grau de especialização. É por isso que selecionar rolamentos para usinas eólicas é mais complexo do que em outras áreas de uso. Vários parâmetros devem ser levados em consideração. Além das cargas do rolamento e das velocidades de rotação no contexto da aplicação, os engenheiros de projeto devem considerar a construção na qual o rolamento será colocado - ou seja, a configuração do eixo e do alojamento, seus materiais e suas tolerâncias.

Com base nesses dados, primeiro os cálculos convencionais padronizados são feitos de acordo com a DIN ISO 281, também conhecido como método de catálogo. Os parâmetros são carga de rolamento, velocidade de rotação, capacidade de carga e tipo de rolamento. Em cálculos posteriores, parâmetros como temperatura, lubrificação e pureza do óleo também são levados em consideração.

Maior precisão do que a exigida pelo padrão
O apêndice 4 da DIN ISO 281 assume uma geometria simplificada do rolamento como base para o cálculo da vida útil de referência modificada. Na maioria dos casos, esse tipo de cálculo é adequado. No entanto, na indústria de energia eólica, valores mais precisos são preferidos. A NSK desenvolveu seu software STIFF para esse fim. Ao calcular a vida útil do rolamento, o STIFF também leva em consideração a geometria interna exata, a folga de funcionamento e a pré-carga, a deformação do sistema de rolamento do eixo e a zona de carga e distribuição de carga entre os corpos rolantes e a pista do rolamento.

Neste modelo, os elementos rotativos são divididos em fatias. Uma vida útil individual modificada do rolamento de referência é determinada para cada fatia. Uma indicação mais realista da vida útil total do rolamento é obtida com base na parcela de tempo para cada caso de carga.

Otimização de design direcionado
Além do cálculo rápido e preciso da vida útil do rolamento, o software STIFF também permite análises de versão de curto prazo e, portanto, a otimização de projetos existentes. Além disso, adaptações especiais do rolamento podem ser testadas rapidamente. Esta vantagem particular é frequentemente explorada:Rolamentos customizados são freqüentemente usados ​​na tecnologia de energia eólica precisamente por causa dos requisitos exatos. Além disso, as previsões de rigidez, estimativa de perda de eficiência e investigação de segurança operacional fazem parte dos objetivos de cálculo perseguidos pela unidade NSK Wind Energy ao selecionar rolamentos.

Engenharia em destaque:cooperação intensiva com clientes
Dada a quantidade de dados que devem ser considerados nesta área e os exigentes requisitos de vida útil dos rolamentos, não é surpreendente que tais projetos sejam sempre executados em estreita cooperação com o cliente. Junto com a engenharia, o teste também desempenha um papel importante. A NSK projetou equipamentos de teste de rolamentos que permitem a simulação de cargas dinâmicas e movimento. Isso inclui, por exemplo, uma grande plataforma de teste de rolamento capaz de aplicar forças dinâmicas e momentos da carga do rotor e uma plataforma de teste para simular procedimentos de aceleração e desaceleração e frenagem para rolamentos de rolos em rotação rápida.

Tecnologia Super-TF para tecnologia de energia eólica
Além da seleção do projeto do rolamento, a escolha do material também desempenha um papel crucial:uma vida útil do rolamento de 175.000 horas, por exemplo, em condições desfavoráveis ​​e cargas dinâmicas só pode ser alcançada com o uso de materiais especiais. É por isso que a NSK se baseou em seus muitos anos de experiência em materiais para desenvolver materiais especiais adequados para condições operacionais extremas. Um desses desenvolvimentos é a tecnologia Super-TF. Esta tecnologia utiliza um aço para rolamentos de alta pureza combinado com uma tecnologia de tratamento térmico especial, garantindo um teor de austenita retido otimizado. Esse material garante que qualquer corpo estranho que penetre no rolamento gere menos tensão no material do que no aço convencional. Como resultado, os danos por impurezas ocorrem com menos frequência.

Rolamentos feitos desse material e usados ​​com um lubrificante limpo têm aproximadamente o dobro da vida útil. A tecnologia Super-TF pode ser usada para uma grande variedade de tipos de rolamentos, como rolamentos de rolos cilíndricos, que estão entre os tipos de rolamentos mais usados ​​na tecnologia de energia eólica, bem como para rolamentos de rolos cônicos e autocompensadores.

Diferentes tipos de rolamentos
Em modernas usinas eólicas das classes megawatt e multi-megawatt, engrenagens planetárias de múltiplos estágios e engrenagens diferenciais fornecem principalmente a redução de velocidade necessária do trem de força principal. Nesse caso, os engenheiros de projeto devem selecionar não apenas o tipo de rolamento apropriado, mas também determinar o tipo de arranjo de rolamento. Conjuntos de rolamentos com rolamentos fixos e de extremidade livre, um conjunto de rolamento ajustado ou um conjunto de rolamento flutuante estão disponíveis.

Cada tipo de rolamento tem certas vantagens e desvantagens. Um conjunto de mancal ajustado que permite a orientação precisa do eixo, principalmente na direção axial, corre o risco de tensionamento recíproco. Portanto, os tipos de conjunto de rolamento, como rolamentos de rolos cônicos, que permitem que as forças axiais sejam acomodadas em pelo menos uma direção junto com as forças radiais, devem ser selecionados aqui. O mesmo se aplica a conjuntos de rolamentos flutuantes, nos quais o eixo pode se mover axialmente por uma certa distância. Conjuntos de rolamentos fixos e flutuantes são usados, por exemplo, em projetos de rolamentos para suportes planetários e rodas planetárias.

Novos designs para as engrenagens principais
Além da tendência de cada vez mais desempenho e instalações offshore, os novos projetos de acionamento e engrenagem também apresentam novos desafios aos engenheiros de projeto. A NSK está trabalhando em estreita colaboração com os fabricantes de usinas eólicas e seus componentes de acionamento. O objetivo é ajudar a desenvolver novos projetos (que aumentem a eficiência das turbinas eólicas ou reduzam o peso na nacela, por exemplo) para o mercado de forma rápida e proporcionem aos seus usuários uma vantagem competitiva. A NSK tem a vantagem de mais de 20 anos de experiência no desenvolvimento de rolamentos para a indústria de energia eólica, uma vantagem que também beneficia os usuários de rolamentos fora do setor de energia eólica.

Para obter mais informações sobre os produtos e serviços NSK, visite www.nsk.com.