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  • Foto do escritorMarcos Nishioka

Diagnóstico em Engrenagens de Turbinas Eólicas

Atualizado: 5 de set. de 2023

Monitorando as engrenagens da sua turbina eólica


Dada a grande expansão de instalações de turbinas eólicas no Brasil e no mundo, desafios para com a operação e manutenção (O&M) desses ativos são cada dia maiores. Os parques possuem centenas de aerogeradores, a logística de peças é complexa, seu custo de aquisição é elevado e a indisponibilidade das turbinas é um problema recorrente. Com tais empecilhos, rotinas e sistemas que auxiliem nos processos de O&M são essenciais.

Nesse contexto, um dos principais elementos presentes em aerogeradores com um trem de potência tradicional, com uma caixa multiplicadora, são as suas engrenagens. Com a principal função de aumentar a velocidade de rotação inerentemente baixa do rotor principal de um aerogerador.

Por isso, o monitoramento de vibrações desses componentes é fundamental para garantir a sua correta condição de funcionamento. A tecnologia possibilita o diagnóstico precoce de defeitos nos rolamentos, pois permite a identificação características vibratórias anormais. Dessa forma, os técnicos podem identificar defeitos prematuros, permitindo que as manutenções sejam realizadas a tempo de evitar a indisponibilidade dos equipamentos.

Nesse artigo, conversamos um pouco sobre como funcionam as engrenagens de um aerogerador e como podemos monitora-las a fim de detectar anomalias para prevenir falhas desses componentes.



O que são e para que servem as engrenagens?


Engrenagens são artefatos mecânicos com o objetivo de transferir potência giratória de forma a gerar uma das alternativas:

  • um torque maior;

  • velocidade de rotação maior.

Elas o fazem a partir da diferença do número de dentes das engrenagens. A maior engrenagem é denominada coroa e a menor é chamada de pinhão.



A relação a seguir dita o comportamento mecânico de um par de engrenagens:


Onde:

Z1 → número de dentes da coroa;

n1 → rotação da coroa;

Z1 * n1 = Z2 * n_2 = GMF Z2 → número de dentes do pinhão;

n2 → rotação do pinhão;

GMF → Gear Mesh Frequency (frequência de

engrenamento)


Utilizando-se as mesmas variáveis, um parâmetro bastante utilizado para o caso de engrenagens de estágios paralelos é a chamada razão de transmissão (i):

Z1 / Z2 = n2 / n1 = i


A partir da construção de um par de engrenagens e da correta instalação de acelerômetros, espera-se que o espectro de frequência de um par de engrenagens se apresente da seguinte forma:

Destaca-se a presença de:

  • Frequência de rotação da coroa (normalmente em magnitude mais baixa do que do pinhão) e seus harmônicos;

  • Frequência de rotação do pinhão e seus harmônicos;

  • Frequência de engrenamento e seus harmônicos;

  • Baixas magnitudes de valor global (vide norma ISO 10816-21);

Dependendo da qualidade do projeto das engrenagens, é possível que alguns harmônicos da frequência de engrenamento sejam mais evidenciados do que outros. Isso se dá caso a razão de transmissão esteja muito próxima de um número inteiro.



Características do modo de falha


Um par de engrenagens pode ter seus dentes avariados a partir das seguintes condições:

  • Fadiga;

  • Paradas bruscas;

  • Desgastes;

  • Trincas por defeito de fabricação;

  • Desalinhamentos e desbalanceamentos;

Ao ter um dente avariado, a frequência de engrenamento e suas harmônicas sofrem um processo de modulação pela frequência de rotação da engrenagem que contém esse dente quebrado. Essa modulação é expressa, no espectro de frequência como bandas laterais geradas a uma distância igual à frequência de rotação da engrenagem quebrada.

  • O exemplo a seguir dá a ideia do espectro com um pinhão sofrendo um desgaste:


A quebra/avaria de dentes, por sua vez, pode fazer com que o espectro de frequência fique bastante "sujo", dependendo da gravidade dela, com muitos harmônicos dessa modulação sobre os harmônicos da frequência de engrenamento e até sobre frequências naturais do sistema:


Diagnóstico de Anomalias em Engrenagens


A detecção e o diagnóstico de anomalias em engrenagens é uma atividade complexa, que envolve a compreensão dos conceitos teóricos que regem o funcionamento desse tipo de equipamento, bem como o uso de ferramentas e técnicas de análise de vibração.

Apesar de complexa, a detecção antecipada de anomalias em engrenagens é de suma importância para que a prevenção da falha desses componentes aconteça. Não apenas o custo associado aos materiais para realizar o conserto será menor, como também a indisponibilidade da máquina também se torna mais curta e, ainda mais importante, previsível.

Na AQTech, contamos com uma equipe de engenheiros analistas da condição de máquinas rotativas atuando no desenvolvimento de soluções para a detecção automática dessas anomalias, bem como um corpo técnico altamente capacitado para executar o serviço de monitoramento desses aerogeradores. Temos centenas de ativos sob nosso monitoramento, os quais já tiveram centenas de anomalias detectadas, que, quando foram endereçadas pelos gestores dessas turbinas, preveniram milhões de reais em despesas com sua manutenção.



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