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Nuevo diseño de rodamiento para cajas de engranajes de turbinas eólicas

Demos la bienvenida a un nuevo rodamiento de SKF para cajas de engranajes de turbinas eólicas, que ofrece una vida útil y nominal más prolongada, y mayor robustez.

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La constante presión sobre la industria eólica para reducir el Costo actualizado de la energía (Levelized Cost of Energy, LCoE) impulsa nuevos diseños de trenes de accionamiento. Para ello se precisa aumentar la densidad de par de la caja de engranajes a fin de limitar el peso sobre la torre y el tamaño de los componentes más grandes que se van a transportar [1]. Todos los componentes, incluidos los rodamientos de rodillos, deben ser de menor tamaño sin que ello arriesgue su rendimiento en el terreno.

Las cajas de engranajes de las turbinas eólicas modernas constan de dos o más etapas de engranaje planetario. Para obtener una mayor densidad de par, se incrementa la cantidad de engranajes planetarios. De este modo, el par se divide en más contactos de engranaje, lo que permite reducir el diámetro de la corona dentada y el engranaje planetario. Esas nuevas tendencias de diseño han conducido a una reducción significativa del tamaño de la caja de engranajes, y también a un menor espacio para el rodamiento que soporta los planetas del engranaje (fig. 1).

Se precisan soluciones efectivas en rodamientos de rodillos

Un factor que facilita la reducción del tamaño de los engranajes planetarios es el uso de rótulas hidrodinámicas. Sin embargo, según las condiciones operativas, velocidad de rotación, geometría de engranaje planetario, al igual que la relación del ancho respecto del diámetro, los rodamientos de rodillos son una solución rentable y bien probada. Por lo tanto, se precisan nuevas soluciones de rodamientos de rodillos capaces de recibir cargas y presiones de contacto más elevadas a fin de soportar el incremento en densidad de par.

Esas nuevas tendencias de diseño han conducido a una reducción significativa del tamaño de la caja de engranajes

Otro importante factor que impulsa el desarrollo de nuevas soluciones de rodamientos para cajas de engranajes de turbinas eólicas es la necesidad de incrementar la confiabilidad y robustez ante los modos de falla típicos en el terreno, como fallas prematuras por grietas de corrosión blanca por ataque ácido (white etching cracks, WEC) [2] o micropicado [4].

En este artículo presentamos el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas, que es el resultado de un proyecto de desarrollo enfocado a un nuevo diseño de rodamiento con:

  • Mayor vida nominal para permitir una reducción del tamaño del rodamiento.
  • Mayor robustez ante modos de falla típicos en cajas de engranajes de turbinas eólicas.

Fig. 1: Diámetro de corona dentada y engranaje planetario típicos en la primera etapa de cajas de engranajes de turbinas eólicas (izquierda) y esquema de etapa de engranaje multiplanetario (derecha).

Rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas

El rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas se ha desarrollado para atender las altas exigencias que se imponen a los rodamientos para estas aplicaciones. Combina un acero cuidadosamente seleccionado para rodamientos de alta calidad con un proceso termoquímico que enriquece la superficie y subsuperficie de los componentes del rodamiento.

Fig. 2: Tratamiento termoquímico del rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas.
El enriquecimiento de la superficie y subsuperficie redunda en una microestructura con precipitados finos y un nivel personalizado de austenita retenida estable, uniformemente distribuida por la microestructura. Comúnmente se considera que todas estas características tienen un efecto positivo sobre la resistencia a la fatiga del acero para rodamientos, incluida resistencia a fallas iniciadas en la superficie y su propagación [5]. Dicho enriquecimiento también mejora la dureza de la superficie y de los esfuerzos de compresión respecto de los rodamientos estándares usados en la actualidad en la industria eólica, lo que aumenta aún más la resistencia a la fatiga por contacto rodante de este nuevo rodamiento.

Evaluación del rendimiento

Ensayos de vida útil del rodamiento

Se realizó una campaña de ensayos utilizando cargas muy elevadas, caminos de rodadura preindentados, película de lubricante completa y condiciones de lubricación reducida. La preindentación incrementa las tensiones locales en la superficie, lo que reduce la eficacia de la lubricación. Los parámetros de los ensayos se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1: Condiciones del ensayo en términos de condiciones de carga (C/P) y lubricación (kappa).

Los ensayos se realizaron con rodamientos de rodillos cónicos de tamaño mediano, usados actualmente en los ejes de alta velocidad de cajas de engranajes del rango de 2 MW y 3MW.

Se probaron dos versiones de rodamiento. El punto de referencia es un avanzado rodamiento de temple integral, que incluye características del SKF Explorer [3] y revestimiento de óxido negro. Se compara con el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas.

Todos los resultados de resistencia se han agrupado en un gráfico Weibull normalizado, que se presenta en la fig. 3. Esta figura destaca el significativo aumento en el rendimiento del rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas respecto del punto de referencia. La estrella muestra la vida útil ISO/TS 16281:2008 modificada del rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas (ver la sección 4). Los parámetros del modelo se han seleccionado para que la vida nominal calculada esté cerca del límite inferior del intervalo de confianza del L10h.

Fig. 3: Resultados de los ensayos agrupados y normalizados junto con el pronóstico del modelo.

Robustez ante fallas prematuras por WEC

Aun cuando la implementación de medidas para incrementar la robustez, como el revestimiento con óxido negro, reduce significativamente la cantidad de fallas prematuras en el rodamiento [6], el mercado, no obstante, precisa soluciones más robustas. Esto es válido tanto en el mercado de reposición para solucionar problemas de diseños antiguos afectados por fallas prematuras, como en nuevos diseños de cajas de engranajes, debido a que no se posee una comprensión total de los límites exactos de las condiciones operativas cuando los rodamientos se ven afectados por fallas prematuras [6].

Se han identificado varios factores que favorecen las fallas prematuras por WEC (grietas de corrosión blanca por ataque ácido) [4]. Para verificar la robustez de las soluciones de rodamiento, se han desarrollado varios ensayos. SKF utiliza un banco de pruebas en el que se reproducen fallas prematuras introduciendo tensiones de tracción elevadas [7]. En la aplicación pueden producirse tensiones de tracción elevadas por ajustes inadecuados, descentramiento radial del diámetro de eje o deformación del asiento del rodamiento. En este banco de pruebas, el rodamiento se monta en un eje con ondulación artificial, lo que provoca tensiones de tracción elevadas en el camino de rodadura en las crestas de las ondulaciones (fig. 4). Incluso con presiones de contacto de alrededor de 1,5 GP en el contacto rodante, que son representativas de condiciones operativas normales en cajas de engranajes de turbinas eólicas, después de un período de prueba relativamente corto se generan fallas prematuras de un aspecto muy similar a las observadas sobre el terreno (fig. 4).

El gráfico de barras de la fig. 5 muestra seis rodamientos SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas probados en condiciones idénticas y donde ninguno mostró fallas. Todos los ensayos se suspendieron después de 1600 horas o más. Los rodamientos de acero y tratamiento térmico estándar tuvieron fallas en promedio después de 178 horas.

Fig. 4: Reproducción de fallas prematuras por WEC aplicando tensiones circunferenciales más altas [7]: tensiones de tracción en el aro interior (a), y rodamiento averiado después de ensayo con WEC y característica en forma de lente en superficie agrietada (b) como también se observa en varias fallas en el terreno.
Fig. 5: Comparación de tiempo de funcionamiento en banco de pruebas de tensiones de tracción entre acero y tratamiento térmico estándar, y el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas. El tiempo medio hasta la falla con acero y tratamiento térmico estándar es de 178 horas, mientras que ninguno de los rodamientos SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas probados mostró fallas hasta la finalización de los ensayos.

Nuevos modelos de vida nominal para el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas

La industria eólica exige una evaluación de la vida nominal de los rodamientos usando ISO/TS 16281:2008 [10]. La norma ISO/TS 16281:2008, al igual que ISO 281:2007, no permite el cálculo de la vida nominal presentada mediante soluciones de rodamiento avanzadas. Por ello, SKF ha desarrollado una metodología para incorporar el rendimiento del rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas en la vida nominal modificada ISO/TS 16281:2008. Combina un incremento en la capacidad de carga dinámica y un incremento en el factor de modificación de vida útil αISO.

Según ISO 281:2007, αISO se calcula de la siguiente manera:

Tal como se presenta en Ioannides et al. [11], el efecto favorable de tratamientos térmicos avanzados y acabado de la superficie mejorado puede justificarse en el modelo de ISO añadiendo números de características adecuadas en αISO. Para incorporar la mejora en el rendimiento del rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas, en αISO se han incluido los factores Ψbrg, que reflejan el efecto del Explorer, y ΦHDB que reflejan el efecto adicional del mejor acero y tratamiento térmico:

A partir del ensayo de resistencia antes presentado, puede determinarse la función de ajuste Ψbrg y ΦHDB.

El rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas posee mejores propiedades del material, tanto en la subsuperficie como en la superficie. Por lo tanto, el Modelo generalizado de vida útil de rodamientos SKF (SKF Generalized Bearing Life Model, GBLM) [8] es el modelo de vida nominal más apropiado para reflejar de la forma más realista posible el aumento en el rendimiento, que separa los efectos en la superficie y en la subsuperficie (ver fig. 6). La base del SKF GBLM puede formularse de la siguiente manera:

El término “subsuperficie” de la ecuación, representado por la integral de volumen, puede resolverse con métodos de fatiga por contacto rodante establecidos [8]. No obstante, el término “superficie”, determinado por la integral del área, explica los modos de falla relacionados con la fatiga de la superficie. El término “superficie” también incorpora la modelización de la característica de diseño del rodamiento que puede reforzar la resistencia de la superficie al igual que en la presente aplicación. Este enfoque ya se aplicó con éxito en el cálculo de la vida nominal de los rodamientos híbridos [9] e irá abarcando cada vez más productos de SKF.

Una vez definidos los distintos factores del nuevo modelo de vida nominal en función de los ensayos de vida útil antes descritos, puede evaluarse la vida nominal de los rodamientos SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas.

Fig. 6: Separación de superficie y subsuperficie tal como se ha propuesto por el SKF GBLM.

El proceso de actualización y validación de los modelos de vida nominal ISO/TS 16281:2008 y SKF GBLM para el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas ha sido auditado con éxito por DNV.

El incremento en la vida nominal del rodamiento depende de las condiciones operativas existentes. La fig. 7 muestra una indicación del incremento promedio en la vida útil en varios ejemplos de cálculo de las diferentes etapas en cajas de engranajes típicas. El incremento en la vida útil obtenido es más de cuatro veces mayor. Gracias a la mejora combinada del rendimiento de la superficie y la subsuperficie, se obtiene un incremento significativo en la vida nominal en un amplio rango de condiciones operativas.

Fig. 7: Incremento promedio en la vida nominal obtenido modelizando un cambio de SKF Explorer al rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas en las diferentes etapas de una caja de engranajes de turbina eólica típica. Es el resultado promedio de muchos cálculos de modelización de diferentes condiciones operativas relevantes, debido a que el incremento de la vida nominal depende de la limpieza del aceite, kappa y condiciones de carga.

Cómo puede contribuir el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas a aumentar la densidad de par

La dimensión del rodamiento que soporta el engranaje planetario determina frecuentemente el tamaño mínimo de dicho engranaje. Por ello, una posible reducción del tamaño de este rodamiento influye directamente en las dimensiones del engranaje planetario y, por lo tanto, en el tamaño de corona dentada y, consecuentemente, en la densidad de par de la caja de engranajes.

Esta sección muestra con un ejemplo de aplicación cómo los rodamientos SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas pueden soportar este incremento en la densidad de par reduciendo el tamaño del rodamiento planetario, y manteniendo al mismo tiempo su vida nominal. Se basa en una moderna turbina eólica de 6 MW, soportada por un rodamiento de 4 hileras de rodillos cilíndricos, con el camino de rodadura exterior integrado en la rueda dentada. Los requisitos del cliente son conseguir una vida nominal de 30 años, cumplir las exigencias de IEC 61400-4 [10] y minimizar el diámetro exterior del camino de rodadura.

La fig. 8 muestra cómo el tamaño de rodamiento puede reducirse y mantener al mismo tiempo su vida nominal. La primera columna presenta la vida nominal del rodamiento seleccionado originalmente. La segunda, muestra cómo aumentaría su vida nominal si se cambiara por un rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas. En la tercera columna, aparece la vida nominal del diseño de rodamiento optimizado usando un rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas. El diámetro del camino de rodadura exterior se ha reducido en el 25%, de 460 mm a 350 mm, mientras que la vida nominal sigue cumpliendo los requisitos del cliente.

Fig. 8: Vida nominal y diámetro de camino de rodadura exterior en un diseño de caja de engranajes de 7 MW: (1) tamaño original, SKF Explorer, (2) tamaño original, rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas y (3) diámetro de camino de rodadura exterior optimizado, rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas.
Esto permite al cliente reducir las dimensiones de los engranajes planetarios hasta el 25% y, en consecuencia, también la corona dentada de la etapa del engranaje planetario, tal como se indica en las ilustraciones de la fig. 9.
Fig. 9: Ilustración del incremento de la densidad de par aplicando el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas: la reducción de tamaño del rodamiento planetario (b) permite disminuir su rueda dentada en el 25%, incrementando así la densidad de par (c).

En diferentes posiciones de la caja de engranajes, pueden obtenerse reducciones de tamaño similares:

  • Según la etapa del engranaje, el fabricante de la caja de engranajes requiere una reducción de tamaño centrada en el diámetro o en el ancho del rodamiento (mayor relevancia en etapas de velocidad más alta).
  • En el eje de alta velocidad, una reducción de tamaño con el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas contribuirá a un menor riesgo de daños relacionados con el deslizamiento, donde la inercia (del conjunto) de rodadura desempeña un papel importante.

Conclusiones

El acero y el proceso de tratamiento térmico optimizados que se aplican en el rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas redundan en los siguientes beneficios comprobados:

  • Una reducción segura de hasta el 25% en la dimensión del rodamiento y la caja de engranajes con las mismas cargas proporciona una duración a la fatiga de la superficie y subsuperficie 5 veces mayor.
  • Cumplimiento de los requisitos de mayor confiabilidad del diseño y exigencias de vida útil del diseño de 30 a 40 años, con una vida nominal del rodamiento situada a la vanguardia de la industria, incluida en una modificación de ISO/TS 16281:2008 y pronto también en SKF GBLM, auditada con éxito por DNV.
  • Mayor confiabilidad en el terreno mediante mayor robustez ante condiciones operativas difíciles en cajas de engranajes de turbinas eólicas.

Además, la mayor robustez del rodamiento SKF de gran duración para cajas de engranajes de turbinas eólicas ante modos de falla típicos en las cajas de engranajes redunda en menos paradas imprevistas en las turbinas eólicas y menos reparaciones. Esto lo convierte en un solucionador de problemas para incrementar la confiabilidad en caso de fallas de rodamiento prematuras.

Referencias

  1. “Focus areas in Vestas Powertrain”, A. Weber, A. Hansen, Conference for Windpower Drives, Aachen (2021)
  2. “Grietas de corrosión blanca por ataque ácido: una consecuencia pero no la causa raíz de fallas en rodamientos”, K. Stadler, R.H. Vegter, D. Vaes, SKF Evolution (2018)
  3. “SKF Rolling Bearing Catalogue”, 2018, SKF
  4. “Comprender y evitar la deformación superficial”, G. Morales, V. Brizmer, SKF Evolution (2011)
  5. “Steels for bearings”, H.K.D.H. Bhadeshia, Progress in Materials Science, 57 (2012)
  6. “Beneficios de los rodamientos revestidos de óxido negro en aplicaciones eólicas”, K. Stadler, B. Han, V. Brizmer, R. Pasaribu, SKF Evolution (2015)
  7. “Investigation on the mechanisms of white etching crack (WEC) formation in rolling contact fatigue and identification of one root cause for bearing premature failure”, J. Lai, K. Stadler, Wear (2016)
  8. “Un importante paso en la modelización de la vida útil”, G. Morales, A. Gabelli, SKF Evolution (2015)
  9. “El modelo generalizado de vida útil de rodamientos híbridos SKF”, G. Morales, A. Gabelli, A. Felix, SKF Evolution (2019)
  10. “Wind turbines – Part 4: Design requirements for wind turbine gearboxes”, IEC 61400-4:2012
  11. “An Analytical Formulation for the Life of Rolling Bearings”, E. Ioannides, G. Bergling, A. Gabelli, Acta Polytechnica Scandinavica, vol. 137 (1999)