27 octubre 2010

Optimización del tren motriz de las turbinas eólicas


Hay un componente crítico para soportar el eje de transmisión de un rotor de la turbina eólico, y mucho puede ser hecho para optimizar la funcionalidad de un rodamiento y maximizar la vida útil.

Cuando los fabricantes de una turbina eólica ganan experiencia con diseños de cajas de engranajes y turbinas, elevaron la necesidad de mejorar la fiabilidad de los trenes motrices mientras emplean una estructura que optimiza la estructura de costes de turbinas y torres. Los diseños de generadores de turbinas han utilizado históricamente una arquitectura modular con un generador, una caja de engranaje y eje principal. Sin embargo, nuevas aproximaciones han emergido aumentando la fiabilidad y coste de la turbina. Dos de las arquitecturas más comunes incluyen transmisión directa y turbinas de transmisión híbrida de media velocidad.

Una consideración clave en el diseño de una turbina es la selección del sistema de engranajes que se usa para soportar el eje principal. Las opciones incluyen el uso de un sistema de posición del rodamiento múltiple o simple, incluyendo combinaciones de rodamientos de rodillos cónicos (TRB).

Transmisión híbrida y directa

Actualmente la investigación sobre las cargas que operan en las turbinas, engranajes, ejes y rodamientos en el campo. Además, se han desarrollado estándar para ayudar al diseño más fiable de turbinas con rendimiento mejorado.

Una turbina elimina la caja de engranajes enteramente para cumplir ciertas condiciones. Para ser capaces de generar la potencia adecuada a baja velocidad, los generadores tienden a ser más grandes, más pesadas y más caras.

La transmisión híbrida usa generadores de media velocidad. Estos diseños pueden reducir la masa en lo alto de la torre.

Transmisión directa y eje principal híbrido

El ciclo de trabajo de fatiga del engranaje tiene una influencia significativa en el tamaño y geometría del diseño del rodamiento del eje principal. Por ejemplo, algunos fabricantes usan cientos de condiciones mientras que otros pueden usar docenas.

Los ciclos pesados usualmente se generan usando programas de diseño para modelar.

Cálculo de la vida del engranaje

El cálculo de vida del rodamiento se desarrolla a partir de cálculos de catálogo (efectos de carga y velocidad) a cálculos muy sofisticados que incluyen muy diferentes condiciones ambientales que impactan en la vida útil.

Las compañías de rodamientos han desarrollado programas que facilitan la evaluación de los efectos ambientales que influyen en la vida del rodamiento.

Además de la carga y la velocidad, otras influencias principales son:

• Zona de carga
• Efectos térmicos (temperaturas de operación, gradientes térmicos,…)
• Efectos de lubricación.
• Tensiones por desalineamiento.
• Propagación de la fatiga.
• Factores de geometría del rodamiento

Zona de carga del rodamiento

La zona de carga es una medición angular de la distribución de carga en un rodamiento. Una gran cantidad de factores determina la zona de carga de operación, incluyendo configuración de rodamiento, carga, temperatura, propiedades estructurales de alojamiento del eje, y prácticas de ajuste del rodamiento.

La zona de carga influye en el rendimiento del rodamiento y se prefieren valores superiores a los 180 º. Las zonas de carga se incrementan con una precarga aumentada. Ya que los TRBs se montan normalmente en parejas, sus zonas de carga individuales son interdependientes. Así, la vida del sistema depende de la configuración de operación en cada fila bajo una condición dada.

Cuando se analiza la vida del rodamiento en disposiciones de dos filas, es más apropiado enfocarse en la vida del sistema, que es una medida de la vida asociada al rodamientos y al alcance del punto de fallo.

Efectos térmicos

La temperatura puede impactar en la vida del rodamiento de múltiples formas, todas ellas deben ser tomadas en cuenta cuando se intenta realizar cálculos de vida avanzados. Áreas en las que los gradientes térmicos pueden impactar son:

• Viscosidad del lubricante.
• Configuración de la operación.
• Disposición del rodamiento.
• Expansión térmica del material disimilar.

Debido a que la viscosidad del lubricante es una función de la temperatura es importante una valoración apropiada de las temperaturas de operación para predecir el espesor apropiado del film entre superficies.

Los gradientes térmicos entre eje y carcasa impactan en la contracción/expansión del eje axial que puede originar un cambio de posición entre los dos rodamientos. Además de expansión de eje axial, puede ocurrir la expansión de eje radial del canal de conducción.

También las propiedades del material pueden originar grandes desplazamientos relativos con gradientes térmicos pequeños cuando se comparan con los desplazamientos relativos encontrados en materiales similares como resultado de la expansión térmica o contracción.

Lubricación y espesor del film

Para los rodamientos en el eje de transmisión directa, la grasa es una solución muy viable debido a las bajas velocidades de operación. Aunque la grasa puede resultar en un espesor del film más delgado, se prefiere la opción para aplicaciones de transmisión directa. Las posibilidades de tener pérdidas serán mucho menores.

Pérdidas de alineamiento y tensiones del canal de conducción

La vida del rodamiento puede quedar afectada negativamente por un desalineamiento entre eje y carcasa excesivo. Altas cargas y momentos de vuelco pueden causar que esto ocurra. Las pérdidas de alineamiento incrementarán las tensiones del borde en el rodamiento del rodillo y pueden causar daños en el rodamiento en forma de concentración de tensiones geométricas

Bibliografía: Drivetrain optimisation. Wind Technology. Renewable energy world Septembeer 2010
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