Cómo las grandes turbinas eólicas marinas están desafiando los diseños de rodamientos

Por Paul Dvorak | 23 de febrero de 2018

phillipp schmid, ingeniero de aplicaciones, SKF

Felipe Schmid

Desde 2012, cada año entran en funcionamiento en aguas europeas turbinas marinas con una potencia total superior a un gigavatio (GW). Según WindEUROPE, la energía eólica marina en Europa registró una capacidad neta adicional conectada a la red de 1.558 MW instalada en 2016.

A pesar de los desafíos de construir turbinas marinas, se espera que la capacidad crezca a medida que escaseen los sitios terrestres adecuados y los operadores aprovechen la mayor consistencia del viento en el mar. La potencia de salida de las turbinas marinas también tiende a ser mayor que la de sus contrapartes terrestres. Según WindEUROPE, la producción de energía promedio de las turbinas marinas instaladas en 2016 fue de 4,8 MW. Las turbinas de 9 MW o más de capacidad se encuentran ahora en la etapa de lanzamiento: el desarrollo V164-9.5 MW de Vestas es un excelente ejemplo.

La turbina genérica con caja de cambios luce una suspensión de dos puntos proporcionada por los dos grandes cojinetes. El arreglo se usa en turbinas en el rango de 6-MW.

Las turbinas eólicas marinas también tienden a tener palas más largas que imponen mayores fuerzas en los trenes motrices. Además, los trenes motrices y sus cojinetes corren un mayor riesgo de corrosión debido al entorno de agua salada. Llevar a cabo el mantenimiento en alta mar es difícil, potencialmente peligroso y costoso, por lo que los operadores desean reducir la frecuencia de las visitas de mantenimiento, lo que impone demandas considerables a los cojinetes del rotor y su capacidad para continuar funcionando de manera confiable en estas condiciones durante períodos prolongados.

Hay cuatro conceptos comunes de diseño de cojinetes para ejes de rotor de turbina. La primera es una suspensión de dos puntos con un rodamiento de rodillos toroidales en el lado del rotor y un rodamiento de rodillos a rótula en el lado del generador. Esto se usa para turbinas en la categoría de 6-MW, por ejemplo.

Para clases de mayor rendimiento, la tendencia es utilizar una disposición de rodamientos "rígida" que presenta un rodamiento libre y fijo que combina un rodamiento de rodillos cilíndricos y un rodamiento de rodillos cónicos de dos hileras. Alternativamente, un rodamiento especialmente diseñado que combine los dos en un solo rodamiento, como el Nautilus de SKF, o arreglos que comprendan dos rodamientos de rodillos cónicos ajustados. En todos los casos, el diseño, los materiales de construcción y las geometrías mecánicas de estos rodamientos tendrán un impacto considerable en su capacidad para funcionar de manera confiable entre los intervalos de mantenimiento.

La turbina genérica está diseñada con una suspensión de tres puntos. Un punto para el cojinete grande del eje principal y otros dos puntos a cada lado de la caja de cambios.

Otras características de los rodamientos también han llamado la atención. Las jaulas de los cojinetes, por ejemplo, generalmente están hechas de latón maquinado o de láminas de metal, siendo este último el que se encuentra más a menudo en cojinetes más grandes. Siempre que sea posible, las jaulas siempre se instalan en una sola pieza, pero para rodamientos más grandes, pueden comprender filas de segmentos que se fabrican individualmente y se colocan uno detrás del otro. Todos los tipos de jaulas pueden estar centradas en el aro interior, lo que produce menos desgaste y, por lo tanto, prolonga la vida útil del rodamiento, algo claramente importante en lo que respecta a las turbinas eólicas marinas.

Los cojinetes de la caja de cambios también se han actualizado. Uno de los avances recientes más importantes es un tratamiento químico de superficie que coloca oxidación negra en la pista de rodadura. En comparación con los cojinetes sin tratar, los cojinetes oxidados en negro pueden ofrecer una variedad de beneficios para las aplicaciones de turbinas eólicas, que incluyen un riesgo reducido de falla prematura de los cojinetes causada por grietas de grabado blanco, mayor resistencia al ataque químico por parte de los componentes más agresivos de algunos lubricantes, menor permeación de hidrógeno, y resistencia mejorada a la corrosión. Además, las superficies de cojinetes oxidadas en negro pueden ofrecer una fricción reducida, un menor riesgo de daños por deslizamiento y una mayor tolerancia a la mala lubricación de los cojinetes.

El corte muestra cómo un OEM maneja una configuración de transmisión directa con una suspensión de dos puntos, a cada lado del rotor.

Además del entorno marino, los rodamientos también deben hacer frente a los efectos potencialmente dañinos de las altas corrientes eléctricas. Por ejemplo, los generadores de turbinas eólicas están equipados con convertidores de frecuencia que plantean un nuevo conjunto de problemas para los rodamientos. Las salidas trifásicas de voltaje ca del convertidor toman la forma de una serie de pulsos rectangulares, en lugar de ondas sinusoidales verdaderas, con el resultado de que el total de estos voltajes no es cero y que hay un voltaje de modo común. Este voltaje de modo común puede generar corrientes de fuga al rotor del generador a través de sus cojinetes, dañar las pistas de rodadura y comprometer las propiedades del lubricante.

Para evitar el paso de estas corrientes de fuga, los elementos rodantes de los cojinetes del generador están construidos con materiales cerámicos, que también tienen una inercia menor que la que es posible con cojinetes de bolas de acero equivalentes. Además de los elementos rodantes no conductores, los rodamientos también están disponibles con anillos revestidos de cerámica, que brindan un aislamiento adicional para prolongar la vida útil del rodamiento.

Para diseños de mayor rendimiento, la tendencia es utilizar una disposición de rodamientos "rígida". Combina un cojinete libre, un diseño de rodillos cilíndricos (justo detrás del rotor), con un cojinete de rodillos cónicos de dos filas (justo antes de la caja de engranajes). La turbina con cojinete de momento de la caja de cambios separa la caja de cambios.

De igual importancia es la capacidad de la góndola de la turbina para alinearse de acuerdo con la dirección del viento y las palas para "distenderse" en respuesta a la velocidad del viento. Estas funciones están respaldadas por cojinetes de giro, que también se han vuelto más grandes con el aumento de la capacidad de potencia de la turbina. Los cojinetes de contacto de cuatro puntos de dos hileras normalmente se implementan en los mecanismos de abanderamiento de las palas, mientras que los cojinetes de torre suelen ser cojinetes de contacto de cuatro puntos de una hilera, pero hay nuevos conceptos en desarrollo debido a la longitud cada vez mayor de las palas. Estos cojinetes están galvanizados por aspersión para evitar la corrosión y, debido a las condiciones climáticas extremas del entorno marino, también están equipados con sellos especiales.

Los cuatro perfiles muestran cómo ha evolucionado el diseño del tren motriz con los resultados. Los diámetros de los rotores y los pesos de las góndolas se publican debajo de cada uno. Debajo hay cifras para los pesos de las turbinas si los diseños se ampliaran para una calificación de 10 MW. Direct Drive HTS, de AMSC, se refiere a superconductores de alta temperatura, un material que promete reducir significativamente el peso del generador.