09 junio 2010

La fiabilidad de los engranajes en las turbinas eólicas

Un punto clave de las turbinas eólicas es el sistema de engranajes, especialmente crítico debido a que las turbinas son cada vez más grandes y en consecuencia requieren un rendimiento mejorado. Se trata de un problema que trae preocupaciones a los fabricantes de turbinas. El motivo es bien sencillo. El boom de los parques eólicos es reciente y por ello los fallos en el sistema de engranaje son relativamente raros, pero qué ocurrirá cuando las grandes turbinas estén operando durante seis o siete años.
. Tan solo en Estados Unidos, 8000 MW de capacidad eólica saldrán de garantía cada año. Según National Renewable Energy Energy, la vida útil de los engranajes es de 7 – 10 años. Esto contrasta profundamente con la vida útil de diseño de las turbinas eólicas que es de 20 años. Las implicaciones para la industria eólica son enormes ya que cambiar los engranajes es una operación extremadamente costosa y laboriosa. .
Ingeniería del sistema de engranajes .
La tecnología de engranajes se enfrenta a importantes desafíos al trabajar con las grandes turbinas eólicas y los problemas de ingeniería más serios se deben a la necesidad de enfrentarse a las cargas no torsionales que afectan a los engranajes. La cuestión es comprender cómo estas cargas afectan a rodamientos y engranajes. Algunos fabricantes han optado por moverse hacia la transmisión directa para reducir el número de partes móviles en la turbina eólica más expuestas al desgaste. Pero esto lleva a diseños de generador específico para la turbina que son usualmente más caros y a menudo se requieren contratos de mantenimiento más prolongados. .
Por supuesto también se ha avanzado mucho en la última década en el diseño y fabricación de engranajes que aseguren alta calidad, a menudo con sobre-ingeniería y costes incrementados. Muchos esfuerzos se han realizado para llevar a cabo un control y mantenimiento para detectar y prevenir cualquier daño eludible. Todos estos esfuerzos han servido para limitar las averías de los engranajes cuando son nuevos, pero eso no ayuda a resolver las causas claves del problema: el concepto de soporte del rotor, y como distribuye cargas entre la estructura de la turbina y los engranajes. .
Las cargas afectando los engranajes a menudo se desestiman debido al estado del arte de los modelos aero-elásticos que no consideran fenómenos no-lineales complejos producidos durante los transitorios en el tren de transmisión como las dinámicas de los componentes de los engranajes interiores acoplados con rodamientos y elementos de soporte, y la influencia de la flexibilidad del soporte del rotor en los engranajes que causan cargas adicionales. .
El concepto de rodamiento convencional es simplemente una suspensión en tres puntos para el eje, un punto es el rodamiento frontal y los otros dos son los soportes del brazo del par de la caja de engranajes. Todas las fuerzas producidas por el viento en el rotor van a través de los engranajes a la estructura. Las técnicas de diseño de engranajes usados en otras industrias se han probado insuficientes para transmitir los diseños que pueden llevar cargas tan altamente variables en todas las direcciones durante los veinte años de operación. .
Excepto en unos pocos casos de defectos en cajas de engranaje, los engranajes de las turbinas eólicas usualmente no fallan en los primeros años de operación. Las turbinas de la clase 1.5 – 3 MW se han construido sobre la base de la experiencia de máquinas más pequeñas donde el fallo de la caja de engranajes era un problema crónico. Las nuevas cajas de engranajes han sido mejoradas, y funcionan bien los primeros años de operación. Pero las inspecciones que se han llevado a cabo sobre estas grandes turbinas tras 3 – 5 años de operación indican que las cajas de engranajes deberán ser reemplazadas en pocos años. .
En conclusión, en la vida útil de 20 años de una turbina eólica debemos prever uno o dos reemplazamientos de la caja de engranajes, más aún en sitios ventosos. Esto, por supuesto, tiene un serio impacto en el estudio de viabilidad del proyecto. .
Bibliografía: Gearbox reliability. The impact of rotor support. Renewable Energy World Magazine May-june 2010.
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