Nuevos retos de los rodamientos en rotores de turbinas en alta mar de 8 MW

Nuevos retos de los rodamientos en rotores
de turbinas en alta mar de 8 MW

En el proyecto de parque eólico en alta mar de 33 GW “Round 3” del Reino Unido, se ha introducido una nueva generación de turbinas.

Autor:
Matthias Hofmann,
ingeniero sénior de aplicaciones de SKF, Centro de competencia de aplicaciones, Schweinfurt, Alemania

Rodamientos de rodillos cilíndricos Rodamientos de rodillos a rótula Rodamientos de rodillos cónicos Suministro de electricidad, gas y agua

Resumen

SKF es una empresa altamente calificada en rodamientos de rotores de la categoría de 8 MW para afrontar los retos que esta comporta. Su gama de trenes de accionamiento de diferente tipo seguirá ampliándose en el futuro. SKF es un aliado de los diseñadores, fabricantes y operadores de turbinas eólicas y posee plantas de producción en todo el mundo. Los expertos de la empresa trabajan en ellas para desarrollar nuevos trenes de accionamiento, desde el proyecto hasta la producción en serie.

Las turbinas de un nuevo proyecto de parque eólico en alta mar de 33 gigavatios en el Reino Unido incorporan palas de rotor extremadamente grandes, de hasta 90 m, que con el cubo alcanzan un peso de aproximadamente 220 toneladas. La separación entre el cubo y el centro de la torre es relativamente grande para ofrecer espacio adecuado de flexión a las puntas de las palas. Uno de los objetivos es desarrollar trenes de accionamiento lo más livianos y compactos posible, a fin de reducir el costo total de la maquinaria y la instalación.

SKF ofrece una amplia gama de rodamientos de rotor para distintos conceptos de trenes de accionamiento, a fin de proporcionar el máximo rendimiento posible manteniendo la disposición de la turbina, y reducir al mínimo posible el costo operativo.

Rodamientos de rodillos a rótula en turbinas engranadas
La suspensión en dos puntos con un rodamiento de rodillos toroidales (CARB) y un rodamiento de rodillos a rótula en soportes de rodamientos de rotor separados se ha impuesto en la categoría de 5 MW (fig. 1). El rodamiento CARB actúa puramente como un rodamiento libre; el movimiento axial se realiza mediante los aros sin pestaña. El rodamiento de rodillos a rótula, más pequeño, es el fijo y está situado en el lado del generador a una distancia apropiada del rodamiento CARB. En el futuro, el juego inherente en rodamientos de este tamaño exigirá un enfoque dinámico más holístico en todo el tren de accionamiento y esto, por ejemplo, es relevante en los rodamientos de apoyo planetarios de la caja de engranajes, al igual que sus soportes.

Fig. 1: Disposición con un rodamiento libre CARB y un rodamiento de rodillos a rótula fijo.

Fig. 1: Disposición con un rodamiento libre CARB y un rodamiento de rodillos a rótula fijo.

Los rodamientos autoalineables contribuyen a contrarrestar muy eficazmente una flexión pronunciada del eje, errores de ángulo y desviaciones de los dos soportes de rodamiento. Con su función autorreguladora, siempre adoptan independientemente una posición en la que la carga se distribuye por igual a lo largo de los rodillos (fig. 2). Incluso cuando se produce desa­lineación o desplazamiento axial, la capacidad de soportar carga del rodamiento sigue siendo muy alta.

Gracias a su brillante historial, la suspensión en dos puntos con el rodamiento CARB y el rodamiento de rodillos a rótula está predestinada a usarse en una nueva turbina engranada de 8 MW y diseño modular. Basada en un eje hueco, puede usar un rodamiento CARB con un agujero de 1 700 a 1 800 mm, y un rodamiento de rodillos a rótula con un agujero de 1 200 a 1 300 mm. SKF también ofrece la “nueva generación” de rodamientos CARB y de rodillos a rótula para estos tamaños. Sus parámetros de rendimiento se han mejorado considerablemente en cuanto a duración, capacidad operativa y capacidad de carga dinámica. El mejor rendimiento se obtiene con un acero de muy alta calidad que aumenta la resistencia a la fatiga, con el tratamiento térmico optimizado X-Bite y con una distribución uniforme de la carga en el rodamiento.

SKF también asume el reto de ofrecer soportes diseñados y fabricados individualmente para esos tamaños de rodamiento. Están concebidos para una distribución óptima de la carga, teniendo en cuenta las cargas operativas y la deformación de los soportes (fig. 3). Además, pueden integrarse los sellos de contacto o laberínticos de SKF, según si se usa grasa o una (futura) lubricación con aceite.

Fig. 2: Distribución de las tensiones en los rodillos sometidos a mayor carga en un rodamiento CARB C39/1700 y un rodamiento de rodillos a rótula 240/1320, en un caso de carga extrema, proyecto de 7 MW.

Fig. 2: Distribución de las tensiones en los rodillos sometidos a mayor carga en un rodamiento CARB C39/1700 y un rodamiento de rodillos a rótula 240/1320, en un caso de carga extrema, proyecto de 7 MW.

Fig. 3: Modelo de cálculo “flexible” con el SKF Bearing Beacon para un rodamiento CARB C39/1700 y un rodamiento de rodillos a rótula 240/1320 montados en soportes individuales separados, proyecto de 7 MW.

Fig. 3: Modelo de cálculo “flexible” con el SKF Bearing Beacon para un rodamiento CARB C39/1700 y un rodamiento de rodillos a rótula 240/1320 montados en soportes individuales separados, proyecto de 7 MW.

Rodamientos rígidos en turbinas engranadas
El diseño consta de un rodamiento de rodillos cilíndricos y un rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos (fig. 4). Esta disposición ha demostrado su eficacia durante años en turbinas sin engranajes. Es un diseño que proporciona posibilidades interesantes de disposición del rodamiento principal, incluso en turbinas engranadas de 8 MW con un diseño de tren de accionamiento modular.

La precisión con que se fabrican, y la forma y tolerancias de posición de los dos asientos del aro exterior del rodamiento son muy exigentes en comparación con el diseño de una disposición de rodamiento autoalineable. En este sistema, se precisa un soporte largo del conjunto de rodamiento de rotor en el que los asientos del aro exterior del rodamiento se fabrican en un paso, con lo que se elimina la desalineación radial (fig. 5).

Con el software de cálculo SKF SimPro Expert, puede realizarse un examen de la deformación del eje del rotor así como de los soportes del rodamiento, incluida la estructura de soporte, en cuanto a factores perjudiciales en la zona de carga y la desalineación del rodamiento.

Según la experiencia obtenida, el diseño del soporte debe optimizarse y los caminos de rodadura del rodamiento deben perfilarse para reducir a un nivel razonable las tensiones en los bordes. En general, se necesitan rodamientos de una y dos hileras de rodillos cilíndricos con juegos de rodillos delgados y cajas diseñadas de manera óptima para diámetros de agujero del rodamiento superiores a 1 700 mm, y es el producto apropiado para una turbina de 8 MW.

Un rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos es apto en una disposición cara a cara, para actuar como rodamiento fijo en el lado interior del generador. En grandes diámetros de agujero (> 1 000 mm), también es necesario examinar constructivamente el uso de unidades de rodamientos con un diseño de TDI (aro interior enterizo) como una posible alternativa a dos rodamientos de una hilera de rodillos cónicos.

En comparación con el rodamiento CARB “flexible” y las disposiciones con rodamientos de rodillos a rótula, las disposiciones con rodamientos de rodillos cilíndricos “rígidos” y de rodillos cónicos pueden diseñarse algo más compactas (cortas).

Fig. 4: Disposición con un rodamiento de dos hileras de rodillos cilíndricos y un rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos. El resultado es un diseño algo más compacto (corto).

Fig. 4: Disposición con un rodamiento de dos hileras de rodillos cilíndricos y un rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos. El resultado es un diseño algo más compacto (corto).

Fig. 5: Soporte del conjunto de rodamiento de rotor provisto de un rodamiento de dos hileras de rodillos cilíndricos y un rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos, proyecto de 5 MW.

Fig. 5: Soporte del conjunto de rodamiento de rotor provisto de un rodamiento de dos hileras de rodillos cilíndricos y un rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos, proyecto de 5 MW.

Una disposición de rodamiento con fijación cruzada con dos rodamientos de una hilera de rodillos cónicos en una posición espalda con espalda también se considera como una suspensión en dos puntos “rígida” en turbinas con y sin engranajes. Para una turbina de 8 MW y en función de dos rodamientos de una hilera de rodillos cónicos diseñados individualmente con diámetros de agujero de aproximadamente 2 200 mm, es posible crear con diferentes ángulos de presión y diferentes capacidades de carga una unidad de rodamiento de rotor relativamente compacta de formato XXL basada en un eje de rotor hueco moldeado y un soporte enterizo (fig. 6).

La reducción del peso y la obtención de una unidad compacta también son aspectos clave. Por consiguiente, en una fase inicial del diseño, es necesario examinar las opciones de montaje para toda la disposición de rodamientos, así como la rigidez, deformidades e influencias sobre la precarga en los dos rodamientos de rodillos cónicos. Debido al espacio relativamente pequeño entre los rodamientos en la disposición espalda con espalda y al gran diámetro del rodamiento, debe tenerse en cuenta una pérdida de precarga y la consiguiente influencia que pueda tener sobre la vida útil del rodamiento. Esto es un reto y, en esta disposición, un cambio a lubricación con aceite podría ser una manera adecuada de controlar la temperatura (dilatación térmica) del sistema de rodamiento precargado de rotor.

Rodamiento SKF Nautilus en turbinas engranadas
En las clases de potencia de 2 a 6 MW con diámetros de rotor de aproximadamente 125 m, durante los últimos años se han fabricado trenes de accionamiento muy compactos con un rodamiento SKF Nautilus semiintegrado. En este caso, la estructura del bastidor aloja en el lado delantero de la góndola el rodamiento que soporta el momento (fig. 7). Todas las fuerzas y momentos de flexión se transfieren de manera óptima desde el eje del rotor a través del rodamiento del rotor hasta el bastidor de la turbina. El rodamiento que soporta el momento se fija a un eje de rotor corto entre el cubo y la caja de engranajes.

Fig. 6: Disposición con dos rodamientos de una hilera de rodillos cónicos de diseño individual, que forman una unidad relativamente compacta en un formato XXL.

Fig. 6: Disposición con dos rodamientos de una hilera de rodillos cónicos de diseño individual, que forman una unidad relativamente compacta en un formato XXL.

Fig. 7: Disposición con un rodamiento SKF Nautilus semiintegrado que redunda en un tren de accionamiento compacto.

Fig. 7: Disposición con un rodamiento SKF Nautilus semiintegrado que redunda en un tren de accionamiento compacto.

Este rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos en una disposición espalda con espalda, junto con su gran diámetro, forma la base del gran centro de presión del rodamiento, a fin de soportar y transferir los grandes momentos de inclinación. El ángulo de contacto interno de 45° y el ángulo relativamente pequeño de los rodillos cónicos que se encuentran en el vértice proporcionan un puro contacto de rodadura a lo largo de todo el rodillo sobre los caminos de rodadura sin que se produzcan daños por el deslizamiento de los rodillos. El diseño de SKF con jaulas segmentadas proporciona la flexibilidad necesaria para poder soportar flexiones importantes del sistema bajo grandes cargas.

En el caso de diámetros de rotor de hasta 180 m en la próxima categoría de 8 MW, la separación entre el centro del cubo y el centro de la torre será aún mayor para proporcionar espacio adecuado de flexión para las puntas de las palas. Esto significa que se dispone de una longitud de góndola suficiente como para soportar un tren de accionamiento modular con una disposición de dos rodamientos y una caja de engranajes en montaje con pestaña. Al utilizar un rodamiento SKF Nautilus, es oportuno acortar la separación del cubo para mantener lo más corto posible el punto de conexión del cubo de la pala con el rodamiento que soporta el momento, y permitir que el centro de gravedad de la caja de engranajes de 80 a 110 toneladas actúe más o menos cerca del centro de la torre.

Lo mismo rige para los conceptos de turbina híbrida de 8 MW en los que todo el tren de accionamiento (rodamiento del rotor, caja de engranajes y generador) está integrado en una unidad. Al integrar un rodamiento de rotor en la caja de engranajes, es esencial desligar las deformaciones en el rodamiento del rotor y las estructuras circundantes de la siguiente etapa de engranajes (planetaria). Esto asegura que el eje primario de la caja de engranajes motriz tenga un par de accionamiento puro (de hasta 10 000 kNm nominales) y que no se altere el engrane preciso.

El rodamiento SKF Nautilus en accionamientos directos
La selección de los tipos de rodamiento y su disposición influye en la deformación total y en la rigidez del tren de accionamiento y, por ello, también en el diseño del generador eléctrico en términos de fuerza de imán y masa, y del entrehierro que se debe mantener en el generador. Una reducción en el entrehierro del generador de apenas 1 mm puede proporcionar unos enormes ahorros de costos y un impresionante incremento de la eficiencia de la turbina a lo largo de su vida útil.

Además de los dos rodamientos de rodillos cónicos, así como de los conceptos de rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos y rodamiento de rotor de rodillos cilíndricos montados principalmente en un perno maestro fijo, la versión con un rodamiento que soporta el momento se usa cada vez más en todo el mundo. El rodamiento que soporta el momento actúa como enlace central entre el cubo y un generador de funcionamiento lento, que se sitúa delante de la torre (“bug generator”).

Fig. 8: Disposición con un rodamiento SKF Nautilus entre el cubo de las palas y el generador.

Fig. 8: Disposición con un rodamiento SKF Nautilus entre el cubo de las palas y el generador.

Las versiones de rodamiento que soporta el momento del SKF Nautilus exigen elaborar detalladamente el rendimiento del rodamiento y la optimización del entrehierro del generador (excentricidad, flexión, flexión angular), teniendo en cuenta la deformación de todo el diseño. Asimismo, también hay consideraciones muy pragmáticas que se deben tener en cuenta, relacionadas con la accesibilidad para el cambio de sellos así como para la adición de grasa lubricante y la extracción de la antigua. Para este fin, SKF ofrece los correspondientes sellos grandes en una versión de tipo enterizo y otra dividida.

Para cumplir los estándares de energía eólica de SKF y los requisitos externos de DNV-GL para la certificación de turbinas eólicas, se precisa que el rodamiento ­alcance una alta capacidad en cuanto a carga estática y dinámica, a fin de asegurar además la referencia de 20 años de rendimiento del rodamiento.

La clase de 8 MW necesitará una capacidad de carga en el rodamiento aún más elevada mediante el uso de aún mayores rodillos y secciones transversales en los aros. Se ha pedido a SKF que siga desarrollando la tecnología de rodamientos, incluidos nuevos sellos para la lubricación con aceite y nuevos sistemas de lubricación, teniendo en cuenta los límites físicos.

Fig. 9: Rodamiento SKF Nautilus de nueva generación.

Fig. 9: Rodamiento SKF Nautilus de nueva generación.

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