Los cojinetes de rotor mejorados ofrecen viento mejorado

Sep 02, 2023

Por colaborador de WPED | 30 de agosto de 2019

Por Andreas Bierlein, Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG y Antonio Silverio, Schaeffler Group USA Inc.

En un esfuerzo por aumentar la confiabilidad, durabilidad y eficiencia de las turbinas eólicas, Schaeffler ha actualizado toda su línea de rodamientos de rodillos a rótula (SRB) para el eje del rotor de la turbina.

Mediante el uso de datos recopilados de 10 000 aerogeneradores, se realizó una investigación exhaustiva de varios patrones de daños y se desarrollaron contramedidas y soluciones apropiadas. Estos nuevos diseños de SRB ofrecen una alta resistencia al desgaste y un par de fricción y unas temperaturas de funcionamiento considerablemente más bajos, lo que amplía significativamente la vida útil de la turbina.

Los cojinetes del eje del rotor están sujetos a una variedad de cargas dinámicas, especialmente cargas axiales altas.

Diseño robustoDebido a que el rodamiento del rotor es un componente crítico dentro de las turbinas eólicas, Schaeffler ha optimizado sustancialmente su gama de SRB estándar para mejorar aún más su rendimiento.

Las mejoras de diseño iniciales se centraron en dos áreas: el primer paso fue modificar los perfiles de los rodillos y las pistas de rodadura para lograr las tensiones de contacto más bajas, incluso en las condiciones más extremas. El segundo paso fue diseñar una nervadura central para el aro interior que aumenta la rigidez axial y reduce drásticamente el desplazamiento axial excesivo del rodillo, que es uno de los principales contribuyentes al desgaste prematuro observado en todos los rodillos y caminos de rodadura.

Estos nuevos diseños SRB han superado con éxito una amplia gama de pruebas como parte de su validación para el sello de calidad "X-life" de Schaeffler. Los pasos de validación necesarios para ello han sido certificados por el organismo alemán de certificación de energía eólica, Germanischer Lloyd (certificado GL GL-CER-002-2015). También se desarrolló un diseño patentado de cojinete de rodillos esféricos asimétricos (ASRB) para mejorar aún más la eficiencia de la turbina.

El ASRB aumenta significativamente la capacidad de carga axial al mismo tiempo que logra una distribución de carga interna más equilibrada entre ambas filas de rodillos. La distribución de carga mejorada entre las filas de rodillos proporciona una mayor resistencia contra la deformación plástica y prolonga significativamente la vida útil de los rodamientos.

Con dos ángulos de contacto diferentes, el ASRB tiene una capacidad de carga doble. Las cargas axiales son transportadas por el lado de la fila con el ángulo de contacto más alto (a favor del viento), mientras que las cargas radiales son soportadas principalmente por el lado de la fila con el ángulo de contacto más bajo (contra el viento).

Investigación de datos operativos Durante la investigación de los cojinetes defectuosos, se observó que un porcentaje significativo de fallas se produjo principalmente en la ubicación de los cojinetes de los sistemas de eje del rotor de soporte de 3 y 4 puntos. Además, la mayor parte del daño se concentró en la fila cargada axialmente (a favor del viento) de los cojinetes de posicionamiento. El daño, que se encontró principalmente a nivel de la superficie, se clasifica de acuerdo con ISO15243 como fatiga que ocurre cerca de la superficie (desgaste superficial) o desgaste abrasivo.

El innovador rodamiento de rodillos a rótula asimétrico de Schaeffler genera desplazamientos axiales más bajos, lo que reduce sustancialmente el riesgo de daños en los rodillos y caminos de rodadura del rodamiento.

El desgaste abrasivo en los cojinetes principales de las turbinas eólicas que funcionan en condiciones aleatorias ya es un problema ampliamente reconocido. Este tipo de daño es causado principalmente por la variación de la velocidad del eje y las cargas que pueden generar una película lubricante muy delgada o inexistente. Si se permite que la película lubricante de separación entre las superficies de los rodillos y las pistas de rodadura se degrade, se producirán micropicaduras, manchas y, eventualmente, daños extensos en los niveles de la superficie.

Se realizó una batería integral de simulaciones de prueba internas para definir la mejor solución a los patrones de daño encontrados cerca de la superficie. Se identificaron, simularon y probaron varias características relevantes de los rodamientos con herramientas y equipos de prueba de última generación. Se diseñaron e implementaron una variedad de soluciones para reducir o incluso eliminar el desgaste de la superficie causado por las condiciones límite de lubricación.

Una de las primeras contramedidas fue desarrollar y validar un lubricante formulado con las propiedades de carga adecuadas para una variedad de condiciones operativas, incluidas velocidades bajas del eje y cargas extremas. Además de mejorar las condiciones de lubricación, se hizo especial hincapié en optimizar el diseño de los rodamientos con mejoras como límites de acabado superficial extremadamente estrictos y revestimientos especiales para los rodillos. Finalmente, todos los pasos de fabricación y procesos de producción fueron reevaluados y optimizados.

La instalación de un rodamiento de rodillos a rótula asimétrico puede reducir las fuerzas axiales en los rodamientos del portasatélites de la caja de engranajes en un 70 %.

El resultado: nuevos diseños de SRB que ofrecen una resistencia mucho mayor al desgaste causado por malas condiciones de lubricación o incluso partículas contaminantes.

Mejoras de diseñoComo se mencionó anteriormente, el diseño del SRB estándar se optimizó mejorando la calidad del acabado superficial.

Otras mejoras de diseño incluyeron:

Además de optimizar sus diseños estándar existentes, Schaeffler desarrolló y patentó una solución de rodamientos completamente nueva para los rodamientos del eje principal de las turbinas eólicas: el rodamiento de rodillos a rótula asimétrico. Con sus diferentes ángulos de contacto, esta innovación de diseño mejora la distribución de la carga entre ambas filas de rodamientos, reduce la presión de contacto y el par de fricción y aumenta la rigidez axial en aproximadamente un 50 %.

El aumento de la rigidez axial da como resultado una reducción drástica del desplazamiento axial del eje principal, menos deslizamiento axial y derrape de los rodillos, y mayor confiabilidad para los cojinetes de la caja de engranajes y los soportes de elastómeros del brazo de torsión. Se pueden realizar mejoras adicionales mediante la aplicación de recubrimientos opcionales, como el recubrimiento de carbono tipo diamante Triondur C en los rodillos para mayor resistencia al desgaste, así como el recubrimiento de cromo Durotect CK aplicado al aro interior para evitar la corrosión por fricción.

Validación El nuevo diseño ASRB de Schaeffler se sometió a una extensa batería de pruebas de validación, tanto internas como de campo. En comparación con el diseño estándar, los resultados de las pruebas en el ASRB confirmaron una reducción del 50 % en el desplazamiento axial, una mejor distribución de la carga de los rodillos en ambas filas de cojinetes, una reducción del 70 % en las fuerzas transmitidas a los cojinetes del portasatélites de la caja de engranajes y un aumento del 67 % en el índice de vida.