Qual é a causa fundamental do desgaste das turbinas eólicas?

As causas fundamentais do desgaste das turbinas eólicas podem ser atribuídas à interação de quatro fatores principais: estresse mecânico, erosão ambiental, fadiga do material e defeitos de manutenção. Esses fatores se acumulam continuamente ao longo do ciclo operacional de 20 a 25 anos das turbinas eólicas, levando, em última análise, ao desgaste e à falha de componentes-chave. A análise a seguir será conduzida a partir de dimensões específicas:

imagem
1、 Estresse mecânico: Impacto contínuo de cargas dinâmicas

1. Flutuação da carga aerodinâmica: Durante o processo de rotação, as pás suportam forças aerodinâmicas assimétricas, especialmente em campos de vento turbulentos, onde a variação instantânea da velocidade do vento pode atingir ± 30% do valor nominal. Tomando como exemplo a unidade Vestas V164-9.5MW, o momento fletor na raiz de uma única pá com diâmetro de 164 metros pode atingir 150MN · m a uma velocidade do vento de 12 m/s, causando cargas de impacto periódicas em componentes da transmissão, como o eixo principal e a caixa de engrenagens, acelerando o desgaste por fadiga das pistas dos rolamentos e das superfícies dos dentes das engrenagens.

2. Acoplamento de forças gravitacionais e inerciais
O peso da casa de máquinas no topo da torre excede 300 toneladas, gerando um momento de inércia durante o movimento de guinada. Dados de monitoramento de um determinado parque eólico offshore mostram que o par de engrenagens do sistema de guinada precisa suportar mais de 10 ⁸ cargas alternadas durante um ciclo operacional de 20 anos, resultando em uma profundidade de corrosão na superfície dos dentes de 0,5 mm e, por fim, causando a fratura da engrenagem.

3. Ciclo de início e parada
Partidas e paradas frequentes, desencadeadas por flutuações na velocidade do vento, resultam em torque de impacto no rolamento da corrente de transmissão. Experimentos demonstraram que cada ciclo de partida e parada aumenta o desgaste por micromovimento dos rolamentos da caixa de engrenagens em 0,2 μm. Após um total de 50.000 ciclos, a folga do rolamento aumenta para três vezes o valor inicial, causando vibração excessiva.

2、 Erosão ambiental: efeitos sinérgicos de múltiplos campos físicos

1. Erosão de partículas

Em desertos ou parques eólicos costeiros, o teor de areia no ar pode chegar a 0,5 mg/m³. A borda frontal da pá sofrerá mais de 10 ¹⁰ de impactos de partículas de areia durante 20 anos de operação, resultando em uma espessura de descascamento do revestimento superficial de 0,3 mm e uma redução de 5% na eficiência aerodinâmica. Os dados de reparo da pá de um determinado parque eólico do noroeste mostram que, quando a profundidade do poço de erosão excede 0,8 mm, toda a pá precisa ser substituída.

2. Corrosão por névoa salina

A concentração de sal no ar de parques eólicos offshore é de 10 a 20 vezes maior que a de parques terrestres, e o cloreto forma corrosão eletroquímica nas juntas das pás, com uma taxa de corrosão anual de 0,05 mm. Uma pesquisa em um parque eólico offshore britânico constatou que 50% dos parafusos das pás racharam devido à corrosão sob tensão, aumentando o risco de desprendimento das pás.

3. Alternância de temperatura
A diferença de temperatura entre o dia e a noite leva à expansão e contração térmica do material, resultando em microdesgaste por movimento na junção das raízes das pás. Sob ciclos de temperatura de -40 ℃ a +50 ℃, a taxa de descolamento interfacial das pás híbridas de fibra de carbono e fibra de vidro atinge 0,01 mm/ano. Após 10 anos, a área de descolamento excede 10%, levando a uma diminuição da resistência estrutural.

3、 Fadiga do material: efeito cumulativo de danos microscópicos

1. Fadiga de alto ciclo
A engrenagem planetária da caixa de engrenagens precisa suportar mais de 10 ciclos de carga durante 20 anos de operação, e microfissuras aparecem nos contornos internos dos grãos do material. A análise de desmontagem de uma caixa de engrenagens de 1,5 MW mostra que a taxa de propagação de trincas por fadiga na raiz do dente da engrenagem planetária atinge 0,1 mm/10 ciclos, levando, em última análise, ao descascamento da superfície do dente.

2. Fadiga de baixo ciclo
A torre é submetida a tensões transitórias superiores a 20% da carga de projeto em velocidades de vento extremas (como 50 m/s), resultando em deformação plástica na área de solda. O monitoramento de um parque eólico em uma área propensa a tufões revelou que a taxa de propagação de trincas na solda inferior da torre atingiu 0,5 mm/ano, sendo necessário tratamento de reforço após 5 anos.

3. Fadiga por corrosão
Sob a ação combinada de névoa salina e tensões alternadas, a vida útil da fundação da torre sob fadiga por corrosão na zona de respingos de água do mar é reduzida em 60%. Testes acelerados em laboratório demonstraram que, em uma solução de NaCl a 3,5%, o limite de fadiga do aço Q345 diminui de 280 MPa para 110 MPa, e a taxa de propagação de trincas triplica.

4. Defeitos de operação e manutenção: o impacto cumulativo dos fatores humanos

1. Falha na gestão da lubrificação
O ciclo de troca do óleo lubrificante da caixa de engrenagens excede o valor recomendado (geralmente de 3 a 5 anos), o que pode fazer com que o valor de acidez do óleo (TAN) exceda 2 mg KOH/g, e a falha dos aditivos pode levar à microcorrosão por pites nas engrenagens. Um estudo de caso de um parque eólico mostra que atrasar a troca de óleo aumenta a taxa de falhas da caixa de engrenagens em 40% e eleva os custos de manutenção em 2 milhões de yuans.

2. Força de pré-aperto dos parafusos insuficiente
Quando o parafuso na base da lâmina relaxa devido à vibração durante a operação e a força de pré-aperto cai para 60% do valor de projeto, a taxa de desgaste por micromovimento da superfície de contato aumenta em 5 vezes. Uma determinada unidade sofreu uma perda econômica direta de mais de 5 milhões de yuans devido à falha na conexão entre as lâminas e o cubo, causada por parafusos soltos.

3. O desvio do centro excede o padrão
Quando o desvio entre o eixo principal e o eixo de entrada da caixa de engrenagens excede 0,05 mm, o acoplamento sofre uma força radial adicional, causando a quebra da caixa de rolamentos. Estatísticas de um determinado parque eólico mostram que, para cada aumento de 0,01 mm no desvio de centralização, a vida útil do rolamento é reduzida em 15%.

5、 Evolução tecnológica e tendências de controle de desgaste

Para enfrentar o desafio do desgaste, o setor está fazendo avanços nas seguintes direções:

Atualização de material: Adoção de tecnologia de nano revestimento para aumentar a dureza da superfície da lâmina em 300HV e estender a vida útil da erosão em 2 vezes;

Monitoramento inteligente: Implantação de sensores de grade de fibra óptica para realizar o monitoramento on-line da contagem de partículas de óleo da caixa de engrenagens, com um aviso de falha antecipado de 300 horas;

Gêmeo digital: ao otimizar a estrutura da torre por meio de modelagem virtual, a vida útil de fadiga das soldas é aumentada em 40%;

Controle adaptativo: Uma estratégia de controle de tom baseada em aprendizado de reforço profundo reduz as flutuações de carga na cadeia de transmissão em 25%.

O desgaste das turbinas eólicas é resultado da combinação de fatores mecânicos, ambientais, materiais e operacionais, e seu controle precisa ser realizado ao longo de todo o ciclo de vida: projeto, fabricação e operação. Com o avanço da tecnologia de monitoramento de estado e novas aplicações de materiais, os parques eólicos passarão da "manutenção passiva" para a "manutenção preditiva" no futuro, melhorando significativamente a confiabilidade dos equipamentos e a eficiência da geração de energia.