A energia eólica desempenha um papel significativo na transição energética e no processo de ampliação das energias renováveis a ela associado. Durante o funcionamento de instalações eólicas, para a produção de energia é necessário que imensas forças sejam transmitidas das pás do rotor ao gerador. Nesse caso, devido a mudanças bruscas da velocidade do vento, altos picos de carga são um desafio especial, e podem provocar no eixo principal de transmissão um deslocamento dinâmico de até três graus entre a caixa de engrenagens e o gerador. Para evitar perdas de eficiência e danos e assegurar um funcionamento confiável e com um desgaste mínimo, são utilizados acoplamentos especiais, capazes de compensar esse desalinhamento. Para a fabricação das lamelas desses acoplamentos, a Waelzholz fornece um aço relaminado com têmpera martensítica projetado individualmente com excelentes propriedades mecânicas e tecnológicas bem como extraordinária planicidade para grandes secções transversais com uma espessura de até 4,50 milímetros.
Lamelas de acoplamento de aço relaminado com têmpera martensítica para uma confiável transmissão de força em instalações eólicas
Há dois mil anos, a força do vento já era aproveitada em instalações eólicas simples de madeira e tecido para moer grãos ou irrigar a lavoura. Hoje, o vento desempenha um papel essencial na geração de energia sustentável de fontes regenerativas. Essa tecnologia de produção de energia a partir da força eólica avançou nitidamente, sobretudo desde a virada do milênio.Os modernos aerogeradores são instalações grandes e complexas, controladas por computadores para produzir eletricidade, e giram em vários países do mundo. A China, os EUA e a Alemanha lideram o número de instalações, seguidos pela Índia e pela Espanha.
Nos últimos 20 anos, a capacidade de energia eólica instalada em nível mundial aumentou de 24 para 837 gigawatts (2021). Ainda que, com isso, os aerogeradores cubram apenas aproximadamente 7% da demanda global de eletricidade, estudos preveem um possível crescimento de até 20% até o ano de 2030. Até 2050, a produção poderia aumentar, alcançando mais de 3.000 gigawatts, atendendo então ⅓ da demanda mundial de energia. Com isso, além da fotovoltaica, a energia eólica desempenha um papel fundamental na redução de emissão de CO2 na geração de energia, e é um elemento importante e um mercado em crescimento em um futuro climaticamente neutro.
Materiais high-tech para aumentar o desempenho de modernos parques eólicos
Para seguir ampliando a participação da energia eólica na combinação de energias climaticamente neutras, os modernos aerogeradores precisam ser, já hoje, extremamente potentes, eficientes e seguros em seu funcionamento. O almejado incremento da potência produzida em uma instalação de cerca de 6 até 10 megawatts requer, entre outros fatores, também um aumento do tamanho das pás do rotor. Já os eixos de transmissão das instalações atuais, com pás de rotor de aproximadamente 60 metros de comprimento, precisam transmitir torques de até 500.000 newton-metros (Nm) – um desempenho correspondente a mais de 1.500 veículos modernos de médio porte. Um crescimento adicional dos aerogeradores também implicará em exigências mais elevadas em relação aos componentes destinados à transmissão de força e geração de energia e, com isso, consequentemente também em relação aos materiais siderúrgicos empregados. Justamente para isso, a Waelzholz produz, já hoje, materiais de alta tecnologia sob medida. Por isso, nos geradores altamente potentes das turbinas eólicas são empregadas não apenas tiras de aço elétrico altamente eficientes ‒ para as lamelas inseridas no acoplamento do eixo de transmissão também fornecemos aço relaminado com têmpera martensítica com propriedades tecnológicas especiais.
Acoplamentos de lamelas para uma transmissão de força segura e uma proteção confiável do gerador
“Cargas excepcionais no sistema de transmissão de um aerogerador ocorrem em consequência de variações de velocidades e direções dos ventos, por exemplo, com rajadas que podem incidir de diversas formas nas pás do rotor. Tais forças levam a uma possível exposição do eixo de transmissão a movimentos relativos, ou seja, a um desalinhamento dinâmico de até três graus. Por esse motivo, a caixa de engrenagens e o gerador são montados sobre amortecedores elásticos”, explica Dennis Domaschk, do departamento de Vendas da Waelzholz. Se, apesar dos amortecedores, esse desalinhamento do eixo chegasse ao gerador, este poderia ser danificado. Tendo em vista o complexo trabalho que os serviços de manutenção e reparos nos parques eólicos terrestres e marítimos implicam, foram desenvolvidos acoplamentos de alto desempenho com lamelas de aço, que absorvem com segurança esse movimento, protegendo, assim, o gerador.
Klaus Neumeyer, do departamento de tecnologia de materiais , comenta: “O acoplamento em instalações eólicas dispõe em cada extremo de quatro pacotes de lamelas dispostos em forma de losango. Por meio de várias camadas de lamelas, em parte de espessuras diferentes, o pacote adquire uma rigidez axial adicional. O losango formado pelas lamelas de aço está conectado nos extremos alternadamente com o eixo de engrenagens e o eixo do gerador bem como com o eixo do acoplamento”. Dessa forma, cria-se de cada lado do acoplamento uma chamada suspensão cardânica dupla, que, durante o funcionamento contínuo, compensa o desalinhamento do eixo entre a caixa de engrenagens e o gerador. Para isso, o material siderúrgico empregado deve atender às mais altas exigências de resistência e rigidez.
Esquema de montagem de um aerogerador
01 mancal do rotor e eixo
02 caixa de engrenagens
03 freio
04 acoplamento
05 refrigeração
06 quadro de controle
07 gerador
08 acionamento do azimute
Sistema de acoplamento de um aerogerador com lamelas de aço relaminado com têmpera martensítica
01 Luva de acoplamento eixo de engrenagens
02 Disco do freio
03 Lamelas de acoplamento de martensita
04 Espaçador do acoplamento
05 Lamelas de acoplamento de martensita
06 Flange de fixação gerador
07 Luva de acoplamento eixo do gerador
O know-how de processo é decisivo: a mais alta resistência e ductilidade aliada à perfeita planicidade do aço relaminado com têmpera martensítica
Para poder absorver as enormes forças que atuam sobre o acoplamento de uma instalação eólica, o aço relaminado para a fabricação das lamelas é produzido com espessuras elevadas de até 4,50 milímetros e uma resistência à tração de aproximadamente 1.400 Mpa. Ao mesmo tempo, o material deve apresentar uma boa tenacidade. A combinação dessas propriedades é alcançada por meio da têmpera martensítica. Neumeyer esclarece: “Paralelamente à alta resistência, a ductilidade do nosso material também comprova suas vantagens quando utilizado na produção de aerogeradores. Mesmo durante cargas de pico curtas e extremas, as lamelas suportam perfeitamente as grandes cargas, aproveitando ainda todo seu potencial de tenacidade”.
Além dessas propriedades, tanto na produção como na posterior aplicação dos pacotes de lamelas, a planicidade do material também é de imensa importância. “Graças à superfície uniforme de nossas tiras temperadas, as lamelas podem ser sobrepostas com absoluta exatidão. O posicionamento preciso das lamelas permite uma transmissão de força uniforme bem como uma concentricidade com pouca vibração. Esse também é um fator essencial para uma longa vida útil da instalação”, explicita o Engenheiro de materiais Klaus Neumeyer.
“A realização da planicidade exigida do aço hipoeutetóide, ou seja, de baixo teor de carbono, com uma liga de cromo e vanádio mesmo em grandes secções transversais, com uma espessura de mais de 4 mm, demanda um excepcional know-how de processo”, complementa o engenheiro dr. Victor Blinov, responsável pelo departamento de Garantia da Qualidade − Têmpera. Com as possibilidades de produção tradicionais, a fabricação de aços relaminados temperados com tal secção transversal é de difícil realização. Nesse contexto, a Waelzholz dispõe de uma extraordinária competência de processo. O dr. Blinov prossegue: “A particularidade consiste no controle exato da temperatura durante a fase de resfriamento do processo de têmpera no nosso forno de têmpera contínua que, mundialmente, é o mais potente dentro de sua categoria. Em combinação com nossa técnica de relaminação absolutamente precisa, somos capazes de aplainar e temperar tais dimensões sem que ocorram tensões internas no material”.
A regulagem exata e a reunião de todas essas propriedades complexas – resistência, ductilidade e planicidade – fazem do aço relaminado temperado da Waelzholz o material perfeito para as lamelas de acoplamentos em instalações eólicas.
Solução sustentável: vantagens econômicas no processo de fabricação e a mais alta eficiência na geração de energia regenerativa
Os materiais da Waelzholz sempre são desenvolvidos com o objetivo de alcançar propriedades ideais de processamento, oferecendo, com isso, vantagens econômicas para os clientes na posterior fabricação de seus produtos. “Por exemplo, com o aço relaminado de têmpera martensítica fornecido por nós, a demorada e dispendiosa têmpera por peça pode ser suprimida pelos nossos clientes. Tendo em vista as elevadas exigências de planicidade, com nosso material pode-se evitar uma possível distorção proveniente da têmpera individual por peça”, afirma Dennis Domaschk, colaborador do departamento de Vendas.
“Nossa competência central é solucionar demandas exigentes dos nossos clientes”, declara Neumeyer, e acrescenta: “Nesse sentido, aprimoramos também este material de alto desempenho adequando-o perfeitamente às exigências particulares da indústria eólica”.
Com conceitos sustentáveis de materiais como este, aproximamo-nos ainda mais da meta por nós estabelecida: empregar nossa expertise em materiais e nosso know-how de processos de maneira orientada para acompanhar a transição energética com soluções inovadoras de material para aplicações futuras.
