Aumento de la fiabilidad de los rodamientos en el sistema de soporte del eje principal

Sep 04, 2023

Por Nic Sharpley | 21 de enero del 2014

El eje principal de una turbina eólica requiere un cojinete confiable para su funcionamiento. Se sabe que algunos diseños de rodamientos fallan prematuramente, lo que resulta en costosas reparaciones de mantenimiento. Las actualizaciones y avances recientes en los diseños de rodamientos aumentan la confiabilidad y aseguran la estabilidad del eje principal.

Bradley Baldwin • Gerente General de Energía Eólica • Timken • www.timken.com

La SRB resistente al desgaste de Timken reduce las tensiones de cizallamiento y las interacciones de aspereza que protegen contra el desgaste, como el micropitting.

Los diseños modulares de turbinas eólicas suelen utilizar rodamientos de rodillos esféricos (SRB) para soportar y transportar las cargas del eje principal. El diseño SRB único, conocido como montaje de 3 puntos que está soportado por un solo cojinete principal y dos brazos de torsión reaccionarios de la caja de engranajes, se selecciona comúnmente para permitir:

• Un paquete de góndola más corto • Alta desviación y desalineación del sistema • Una cadena de suministro comercialmente económica

Desafortunadamente, algunos operadores han experimentado fallas de campo mucho antes de lo esperado con algunos diseños de SRB individuales, lo que redujo significativamente la vida útil. La sustitución no planificada del cojinete del eje principal puede costar a los operadores de parques eólicos hasta 450 000 dólares y tener un impacto evidente en el rendimiento financiero.

Factores contribuyentes Alta carga de empuje en un rodamiento radial SRB : Si bien no existe un límite máximo oficial, una relación convencional entre la carga axial y la carga radial admisible para los rodamientos de rodillos a rótula de dos hileras está entre 0,15 y 0,20. Por lo tanto, la carga axial debe ser solo del 15 al 20 % de la reacción radial del rodamiento de dos hileras. En algunas aplicaciones, esta relación puede extenderse a 0,30 o 0,35. Cuando esto ocurre, varios modos de daño se hacen evidentes y están relacionados con el desalojo de la fila de cojinetes. Este desplazamiento puede afectar la distribución de la carga entre filas, el sesgo de los rodillos, la tensión del retenedor, la generación excesiva de calor y el manchado de los rodillos. En la posición fija del eje principal, esta relación suele estar cerca de 0,60, lo que da como resultado que solo una de las dos filas soporte la carga radial y de empuje. Con esta reacción desigual, es posible que el rodamiento no funcione como se pretendía o diseñaba originalmente.

El diseño SRB de montaje de 3 puntos soporta el cojinete del eje principal y dos brazos de torsión reaccionarios en la caja de engranajes.

Generación de película lubricante inadecuada: En términos generales, las condiciones de funcionamiento del cojinete del eje principal no son las ideales para la generación de una película lubricante. Con una velocidad operativa máxima de ~20 rpm, la velocidad de la superficie del rodamiento y la generación de película lubricante pueden ser insuficientes para mantener separadas las asperezas entre el rodillo y la pista. Además, los momentos cambiantes de cabeceo y guiñada modifican constante y casi instantáneamente la ubicación y la dirección de la zona de carga. Esto interrumpe la formación y la calidad de la película lubricante. El cambio se acelera en los SRB de montaje de 3 puntos, que funcionan con juego radial, y aumenta el riesgo de micropicaduras o manchas.

La distribución desigual de la carga se produce cuando la relación admisible entre la carga de empuje y la radial para los rodamientos de dos hileras de rodillos a rótula aumenta más allá de 0,15 a 0,20. La fila de apoyo contra el viento se desmonta y da como resultado que solo la fila de apoyo contra el viento soporte la carga.

Diseñar soluciones para mejorar el rendimientoAfortunadamente, existen actualizaciones fácilmente disponibles en el mercado para las turbinas existentes, así como soluciones de diseño de ingeniería más sofisticadas para las plataformas de turbinas más nuevas.

En las primeras etapas de desgaste en el SRB de montaje de 3 puntos, la trayectoria de desgaste distintiva en la fila a favor del viento puede erosionar la geometría de contacto diseñada, lo que genera tensiones en la pista de rodadura más altas de lo previsto y posibles fallas en los cojinetes.

Actualizaciones de SRB para turbinas existentes Para un intercambio directo con las flotas existentes, una empresa ofrece un SRB resistente al desgaste que utiliza tecnología de superficie diseñada en combinación con acabados superficiales mejorados. Los rodamientos resistentes al desgaste aumentan la protección de la pista de rodadura contra el micropitting al reducir las tensiones de cizallamiento y las interacciones de aspereza. La superficie diseñada es un revestimiento de hidrocarburo amorfo (WC/aC:H) único y duradero de carburo de tungsteno. Generalmente, los recubrimientos WC/aC:H son moderadamente más duros que el acero HRC60, tienen un espesor de 1 a 2 micrómetros y tienen coeficientes de fricción bajos cuando se deslizan contra el acero. La superficie de ingeniería avanzada de los rodillos pule y repara las pistas de rodadura dañadas durante el funcionamiento. Con acabados superficiales mejorados, la película lubricante aumenta el espesor, lo que ayuda a mejorar los contactos de aspereza. La superficie diseñada reduce las interacciones de la aspereza y las tensiones de cizallamiento de la superficie que causan el desgaste. Los beneficios conducen a una mayor vida útil calculada del rodamiento y también a una reducción en el par de rodadura.

Los ángulos de carrera pronunciados de un TDO crean una gran rigidez de inclinación en un espacio axial corto para contrarrestar los momentos de cabeceo y guiñada aplicados. El rodamiento también puede actuar como una sola unidad agregando sellos y grasa.

Beneficios de los diseños de rodamientos de rodillos cónicos (TRB) El diseño del eje principal TRB y las características de precarga mejoran el rendimiento del tren motriz. Los TRB ayudan a garantizar la estabilidad y la rigidez del sistema, el reparto de la carga entre filas y las interacciones previstas entre los rodillos y la pista. El diseño también permite múltiples configuraciones de rodamientos de rodillos cónicos.

Rodamientos de rodillos cónicos simples (2-TS) El estilo 2-TS generalizado ofrece una solución cónica económica que puede precargar un sistema completo con dos TRB diferentes. Las series de rodamientos contra el viento y contra el viento se diseñan para adaptarse a la carga de la aplicación ajustando el ángulo de contacto y la capacidad de carga según sea necesario. Con el centro efectivo extendido, los rodamientos suelen ser más compactos y económicos.

A diferencia de un solo diseño SRB, el TDI puede acomodar altas capacidades de carga y garantiza una distribución uniforme de la carga que reduce el desgaste.

Diseños de rodamientos de rodillos cónicos de doble hilera (TNA, TDO o TDI) El rodamiento TNA de gran diámetro, también llamado TDO cuando se utiliza un espaciador entre las pistas del cono, se ha convertido en una opción atractiva en función de su rendimiento en el campo y su facilidad de montaje. Los ángulos de carrera pronunciados crean una gran rigidez de inclinación en un espacio axial corto para contrarrestar los momentos de cabeceo y guiñada aplicados. Los componentes de rodamientos separados se pueden unir con sellos y grasa para simplificar el manejo y la instalación. La precarga configurada de fábrica garantiza una configuración correctamente montada. La construcción axial compacta ofrece a los diseñadores de turbinas la oportunidad de reducir la longitud total de la góndola. El rodamiento aumenta de diámetro a medida que crece el tamaño de la turbina (aproximadamente 3,2 m de diámetro exterior para 5 MW). Estos diseños son particularmente adecuados para turbinas eólicas de transmisión directa, pero también se encuentran en diseños con engranajes.

Un único TDI precargado ofrece una gran capacidad de carga y gestiona la combinación de cargas radiales y de empuje en comparación con un único rodamiento de rodillos a rótula. El TDI garantiza que se comparta la carga entre ambas filas de rodamientos y tolera una mayor desalineación del sistema en comparación con un diseño TDO. Además, la precarga del cojinete ayuda a mitigar las manchas, el deslizamiento y las micropicaduras. En algunos casos, un TDI se intercambia directamente con el SRB en turbinas de estilo modular.

La disposición de cojinetes del eje principal 2-TS ofrece una solución cónica económica en un diseño compacto.

Iniciados por el requisito de mejorar la sustentabilidad general, los OEM de turbinas eólicas y los fabricantes de cojinetes están trabajando para diseñar sistemas de ejes principales más confiables. Los avances en ingeniería han impulsado actualizaciones a los diseños de turbinas de montaje esférico de 3 puntos existentes. Además, los requisitos de confiabilidad para las turbinas marinas han aumentado el uso de rodamientos de rodillos cónicos precargados. Estas mejoras en el diseño del eje principal pueden aumentar la confiabilidad de todo el sistema de tren motriz y conducir a un costo total de propiedad más bajo en general.WPE

Contribuciones adicionales: Tony Fierro, Jerry Fox, Laurentiu Ionescu y Thierry Pontius, todos de Timken.