Desbalanceamento em rotores de aerogeradores
A operação eficiente de parques eólicos exige uma vida útil longa de cada turbina eólica. Como muitos defeitos de uma turbina podem estar relacionados às vibrações do sistema, a investigação das vibrações causadas por desequilíbrios do rotor está recebendo cada vez mais atenção. O aumento do tamanho das novas turbinas eólicas leva a uma estrutura mais flexível e, portanto, a amplitudes vibracionais ainda maiores. Além disso, a operação de grandes parques eólicos requer um cuidadoso monitoramento de defeitos. Um dos problemas comuns enfrentados pelas turbinas eólicas é o desbalanceamento do rotor principal, que pode levar a vibrações excessivas e danos mecânicos. Um rotor bem equilibrado evitará a falha precoce e garantirá uma operação segura e econômica da turbina eólica. Os desbalanceamentos afetam os componentes do drive train, bem como a saúde estrutural da turbina. Portanto, a detecção precoce e eliminação de desequilíbrios são de vital importância.
Neste artigo iremos apresentar os tipos de desbalanceamento que acontecem no rotor principal, os sintomas de cada um deles, e algumas condições necessárias para a detecção da assinatura dos desbalanceamentos do rotor principal.
Figura 1: rachadura em pá de turbina eólica.
Existem duas principais causas de desbalanceamento em rotores de turbinas eólicas: desbalanceamento de massa e desbalanceamento aerodinâmico.
O desbalanceamento aerodinâmico ocorre quando uma ou mais das pás têm uma eficiência aerodinâmica diferente das outras. Isso pode ser causado por diferentes perfis aerodinâmicos entre as pás, pela presença de erosão na borda de ataque ou, como na maioria dos casos, devido a um desvio do ângulo da pá de sua posição ideal, também conhecido como desalinhamento no pitch. A figura abaixo ilustra o desbalanceamento aerodinâmico no rotor principal de uma turbina eólica.
As consequências de um desbalanceamento aerodinâmico incluem flutuações na velocidade do rotor principal e aumento nas cargas suportadas pelo mancal principal e outros componentes, que por sua vez resultam no aumento nas vibrações na direção axial nas componentes fundamental do rotor principal e frequência de passagem de pás. Além disso, o desbalanceamento aerodinâmico, também pode ocasionar uma redução na produção de energia, já que as pás do rotor são menos eficientes na captura da energia do vento. Dessa forma a ocorrência contínua do desbalanceamento aerodinamico pode reduzir a vida útil da turbina e a Produção Anual de Energia (PAE, Annual Energy Production - AEP).
A figura abaixo mostra uma comparação entre o espectro de duas turbinas, uma delas com um desbalanceamento aerodinamico causado por desalinhamento do pitch das pás (à esquerda), e a outra diagnosticada como balanceada (à direita). Nesta figura, verificam-se alguns sintomas que evidenciam a presença do desbalanceamento aerodinâmico:
· Predominância da vibração na frequência do rotor principal (1x main shaft) na direção axial, em relação a direção radial. Ou seja, na turbina com desalinhamento de pitch, a vibração na componente do rotor principal na direção axial está 4x maior que na direção radial, enquanto esse fator é menor que 2x na turbina balanceada.
· Vibração de 40 mm/s na direção axial da turbina com desbalanceamento de pitch, enquanto na turbina balanceada verifica-se apenas 15 mm/s
Portanto, é importante garantir que as pás do rotor sejam construídas e mantidas com alta qualidade e que o equilíbrio aerodinâmico da turbina seja regularmente monitorado e ajustado.
Uma das principais causas do desbalanceamento aerodinâmico é o desalinhamento do pitch. Entende-se por desalinhamento do pitch, uma diferença entre os ângulos de ataque das pás em relação a posição de ataque ideal. Durante a instalação da pá, podem ser introduzidos desvios no ângulo de ataque, devido a intolerâncias mecânicas, erros humanos etc. Além disso, problemas no sistema do pitch (rolamentos, atuadores etc.) também podem causar desalinhamento do pitch das pás. Alguns fabricantes orientam um desalinhamento máximo entre as pás do pitch de 0.3°, no entanto, para alcançar esses valores, algumas soluções na indústria requerem a parada de operação da turbina, o que implica em perdas de produção. Com a utilização de sistemas de monitoramento contínuo é posivel acompanhar em tempo real a vibração do mancal principal, e obter diagnósticos de desbalanceamentos aerodinâmicos.
Já o desbalanceamento de massa é decorrente de distribuições de massa não homogêneas causadas, por exemplo, por erosão, acúmulo de sujeira ou gelo nas pás, fraturas nas pontas das pás, entre outras. Este tipo de desbalanceamento eleva a componente de vibração na frequência do rotor na direção radial e pode afetar a eficiência da turbina na captura do vento. A figura abaixo ilustra o desbalanceamento de massa no rotor principal de uma turbina eólica.
A partir da explicação acima, fica claro que para o monitoramento de desbalanceamentos no rotor principal faz-se necessário a utilização de dois acelerômetros, um deles capturando a vibração na direção axial e outro na radial. Comumente esses acelerômetros são instalados no mancal principal upwind, mais próximo do rotor principal.
As condições para a captura da assinatura do desbalanceamento do rotor, estão relacionadas com a frequência do rotor principal. Considerando turbinas que o rotor principal gira em torno de 15 RPM, a componente fundamental do rotor principal encontra-se em aproximadamente 0,25 Hz. Dessa forma, para ser possivel capturar a assinatura do desbalanceamento, duas condições precisam ser respeitadas:
· A resposta em frequência do acelerômetro precisa incluir a frequência do rotor principal. Uma vez que esta frequência está na faixa sub hertz são necessários acelerômetros específicos com resposta em frequência que inclui a componente do rotor principal. Além disso, as magnitudes de vibração do rotor principal podem ser bem baixas, sendo necessária a utilização de acelerômetros com maior sensibilidade. Comumente são utilizados acelerômetros de 100 mV/g com resposta em frequência de 0,5 Hz a 10kHz. No entanto no caso do monitoramento do rotor principal faz-se necessária a utilização de um acelerômetro com menor resposta em frequência e maior sensibilidade. Uma escolha que atende a essas duas condições são os acelerômetros de 500mV/g e com resposta em frequência de 0,17 Hz a 10kHz.
· Além disso, para diagnóstico da assinatura dos desbalanceamentos no rotor principal é necessária que a duração do registro de sinal tenha um tempo mínimo que seja suficiente para representar no espectro as componentes do rotor principal. Isto é, a duração do registro de sinal precisa ser superior a uma quantidade mínima de voltas. Normalmente este número é estimado em 30 voltas, no entanto a escolha deste número implica num registro de sinal que possui duração na ordem de minutos.
Neste artigo vimos os tipos de desbalanceamento do rotor principal de turbinas eólicas, as principais causas para cada tipo de desbalanceamento, e como detectá-los. Por fim foram apresentadas condições para captura da assinatura do desbalanceamento. A utilização de um CMS (Condition Monitoring System – Sistema de monitoramento da condição) permite acompanhar as vibrações no rotor principal da turbina e identificar esses tipos de desbalanceamentos. Dessa forma, é possível realizar manutenções em instantes mais adequados e evitar paradas não programadas.
O CMS OneBreeze da AQTech, oferece uma avançada ferramenta de matriz de diagnóstico que suporta a detecção dos principais modos de falha em aerogeradores, incluindo os desbalanceamentos no rotor principal, e outros modos de falha que acometem a região do rotor e mancal principal, como defeitos no rolamento principal e rolamentos dos pitchs das pás, desalinhamentos no acoplamento da gearbox com o eixo principal, entre outros. Utilizando algoritmos automatizados, essa ferramenta identifica as frequências de interesse associadas ao modo de falha, gera notificações em níveis de atenção e alerta e exibe essas ocorrências ao usuário.
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