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Cómo aumentar la fiabilidad de los rodamientos en el eje principal

Redacción Energía de Hoy16/10/2017

por Bradley Baldwin, General Manager Wind Energy, The Timken Company

El eje principal de una turbina eólica necesita un rodamiento fiable para funcionar. Sabemos que algunos diseños de rodamiento fallan prematuramente, ocasionando costosas reparaciones. Las recientes mejoras en los diseños de los rodamientos aumentan su fiabilidad y aseguran la estabilidad del eje principal.

En los diseños de turbinas modulares se utilizan habitualmente rodamientos de rodillos esféricos (SRB). Históricamente se ha elegido el diseño conocido como montaje de tres puntos, que se apoya en un único rodamiento principal SRB y en dos brazos de torsión reactivos de la multiplicadora, para permitir:

Reducir la longitud de la nacelle
Un alto grado de flexión y desalineación del sistema
Una cadena de suministro comercialmente más económica

Desgraciadamente, con algunos diseños de SRB único algunos operadores han experimentado fallos mucho antes de lo esperado. La sustitución imprevista del rodamiento del eje principal puede suponer un coste muy alto para los operadores de los parques eólicos y afectar a su rendimiento financiero.

Figura 1 (ver arriba): Montaje de tres puntos se soporta en el rodamiento del eje principal y dos brazos de torsión reactivos en la multiplicadora.

Factores contribuyentes
Cargas axiales elevadas
Aunque no existe un límite máximo oficial, normalmente la carga axial máxima para rodamientos SRB debería ser entre el 15 y el 20% de la carga radial. En algunas aplicaciones, se puede llegar hasta 30% o 35%. Cuando ocurre, se hacen evidentes varias formas de daño, en la fila de rodillos no cargada axialmente. Esta situación puede afectar a la distribución de la carga entre las filas, al deslizamiento oblicuo de los rodillos, a la tensión de la jaula, a la producción excesiva de calor y a la aparición de defectos superficiales en los rodillos. En el eje principal, se alcanzan valores del 60%, lo que hace que sólo una de las filas soporte las cargas radiales y axiales.

Figura 2: División desigual de la carga con relación de carga axial por encima del 20% de la radial. La fila más cercana al viento pierde el asiento y sólo la otra fila soporta la carga.

Formación de película lubricante inadecuada
Las condiciones de funcionamiento del rodamiento principal no son las ideales para la formación de la película de lubricante. Con una velocidad de funcionamiento máxima de ~20 rpm, la velocidad superficial y la formación de la película de lubricante pueden no ser suficientes para mantener separadas las asperezas entre rodillo y pista. Además, los cambios en los momentos flectores provocan un desplazamiento constante y casi instantáneo de la ubicación y la dirección de la zona de carga. Esto afecta negativamente a la formación y la calidad de la película de lubricante. Este desplazamiento se acelera en rodamientos SRB de montaje de tres puntos, que trabajan con juego radial, y aumenta el riesgo de que se produzcan micropicaduras y daños superficiales.


Figura 3: En las primeras etapas del desgaste del SRB, el desgaste en la fila cargada axialmente puede erosionar la geometría de contacto diseñada, lo que puede producir tensiones superiores a las previstas en la banda de rodadura y aumentar la posibilidad de fallo del rodamiento.

Soluciones de diseño para mejorar el rendimiento
Afortunadamente, ya están disponibles en el mercado actualizaciones para las turbinas existentes, así como soluciones de diseño más sofisticadas para las turbinas más modernas.

Mejoras de SRB para turbinas existentes
TIMKEN ofrece rodamientos SRB resistentes al desgaste que utilizan recubrimientos tecnológicos en combinación con acabados superficiales mejorados, directamente intercambiables en las turbinas existentes. Estos rodamientos aumentan la protección de la banda de rodadura frente a las micropicaduras, reduciendo tensiones cortantes y las interacciones entre las asperezas. El recubrimiento está compuesto de hidrocarburo amorfo de carburo de tungsteno, más duro que el acero HRC60, con espesor de 1 a 2 micrómetros y coeficientes de fricción bajos cuando se deslizan sobre acero. El recubrimiento pule y repara las bandas de rodadura durante el funcionamiento. La mejora de los acabados superficiales aumenta el espesor de la película de lubricante, disminuyendo el contacto de las asperezas. El recubrimiento reduce las interacciones entre asperezas y las tensiones cortantes en las superficies que ocasionan el desgaste. Estas mejoras aumentan la vida útil estimada del rodamiento, y reducen el par de rodadura.

Figura 4: El rodamiento SRB mejorado de Timken reduce las tensiones cortantes y la interacción entre asperezas, protegiendo el rodamiento frente al desgaste y las micropicaduras.


Ventajas de los diseños de rodamiento de rodillos cónicos (TRB)
Un diseño de eje principal con TRB y las características de precarga aumentan las prestaciones del tren de potencia. Estos rodamientos mejoran la estabilidad y rigidez del sistema, la correcta distribución de cargas entre filas y las interacciones entre los rodillos y la pista..

Rodamientos de rodillos cónicos simples (2-TS)
El tipo 2-TS, es una solución TRB económica que permite realizar la precarga de un sistema con dos TRB diferentes. La pareja de rodamientos se diseñan para soportar la aplicación de la carga mediante el ajuste tanto del ángulo de contacto como de la capacidad de carga, según sea necesario. Tienen el punto de aplicación de las reacciones separado, son más compactos y económicos.

Figura 5: La distribución del rodamiento del eje principal 2-TS es una solución económica en un diseño compacto.

Rodamiento TRB de doble hilera (TNA, TDO o TDI)
El rodamiento TNA de gran diámetro, denominado también TDO cuando se utiliza un espaciador entre los conos, se ha convertido en una opción atractiva por su rendimiento y facilidad de montaje. Los pronunciados ángulos de los rodamientos proporcionan una elevada rigidez, en un espacio axial pequeño, contrarrestando los momentos flectores aplicados. Los componentes se pueden unificar con los retenes y la grasa en un solo conjunto para facilitar su instalación. La precarga dada en fábrica asegura un ajuste correcto. La construcción compacta ofrece la oportunidad de reducir la longitud total de la góndola.


Figura 6: Los pronunciados ángulos del TDO proporcionan elevada rigidez frente al momento, en un espacio axial corto para contrarrestar los momentos flectores aplicados.

Un único rodamiento TDI precargado ofrece una mayor capacidad de carga y soporta mejor las combinaciones de cargas axiales y radiales. El rodamiento TDI asegura un reparto adecuado de la carga entre ambas filas y tiene una mayor tolerancia a la desalineación que un TDO. Además, la precarga contribuye a mitigar el desgaste, el deslizamiento y las micropicaduras. Se está empezando a usar para sustituir directamente a un SRB en las turbinas de tipo modular.

Figura 7: El rodamiento TDI admite combinaciones de cargas elevadas y asegura un reparto uniforme de las mismas, lo que reduce el desgaste.

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