Ingeniería

Se acelera el desarrollo de rodamientos para aplicaciones en alta mar

Con el aumento de la capacidad de generación de las turbinas eólicas en alta mar, crecen las exigencias que deben soportar los rodamientos del eje principal. Por ello, para garantizar su durabilidad, estos rodamientos deben poder someterse a pruebas rigurosas antes de su instalación en alta mar.

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En julio de 2019, SKF logró un nuevo hito en su banco de pruebas para ejes principales al acelerar un rodamiento SKF Nautilus hasta 30 r. p. m. Las velocidades de giro elevadas pueden reducir tanto la duración como el costo de las pruebas de resistencia.

Las pruebas se llevaron a cabo en el prestigioso Centro de pruebas Sven Wingquist (Sven Wingquist Test Centre, SWTC), en Schweinfurt, Alemania. Esta instalación galardonada ha sido diseñada específicamente para probar rodamientos de gran tamaño y para asegurar su adecuación a los requisitos del sector.

Un banco de pruebas potente

La instalación SWTC está diseñada para reproducir todas las cargas concebibles que pueda experimentar un rodamiento a lo largo de varios años de uso, condensadas en unas pocas semanas. Este programa de pruebas acelerado ahorra tiempo, dinero y energía.

El Centro de Pruebas SKF Sven Wingquist en Schweinfurt, Alemania, fue galardonado con el premio de diseño en la categoría industrial en los Premios Internacionales de Arquitectura.

El banco de pruebas para ejes principales (main shaft test rig, MSTR) del SWTC es el más potente del mundo para rodamientos de gran tamaño. Puede probar rodamientos individuales de hasta 6 metros de diámetro exterior, así como la unidad de rodamiento completa y los componentes asociados. Stefan Engbers, ingeniero de desarrollo de productos en el centro de competencia para el desarrollo y aplicación de productos para ejes principales de turbinas eólicas, explica: “el MSTR nos permite aplicar cargas de viento realistas con cambios dinámicos muy elevados. Podemos investigar la dinámica de los rodamientos en condiciones tanto normales como extremas, por ejemplo, tormentas, fallas de la turbina o terremotos”.

Régimen de pruebas

Antes del MSTR, la falta de bancos de pruebas adecuados para estos rodamientos de gran tamaño, así como las dificultades propias de las pruebas, limitaban el alcance de estas últimas. El MSTR, en cambio, puede ejecutar un abanico de pruebas que pueden durar minutos, semanas o meses, y puede medir la temperatura en múltiples posiciones; la carga de entrada, la velocidad y el momento del banco de pruebas; el par de fricción del rodamiento; la vibración del rodamiento y de la configuración de prueba; la cinemática de los rodillos; y las deformaciones de la estructura del banco de pruebas.

Stefan Engbers, ingeniero de desarrollo de productos, SKF.

Gracias a los sensores inteligentes desarrollados por SKF, es posible conocer directamente las condiciones existentes en el interior del rodamiento. “Podemos medir la carga de los rodillos y, de este modo, evaluar las zonas del rodamiento sometidas a carga”, explica Engbers. “Además, podemos detectar a qué velocidad giran los rodillos, la existencia de deslizamiento y mucho más. Hemos comparado estas mediciones con herramientas de simulación de SKF”, continúa. “La correlación entre las mediciones es muy buena, y eso nos permite seguir avanzando en el desarrollo de las capacidades de prueba y simulación de SKF”.

En el MSTR, el rodamiento de prueba se aceleró hasta 30 r. p. m. Actualmente, este hito marca el límite de la capacidad del banco de pruebas. Las velocidades de giro más elevadas aumentan directamente el número de rodaduras en el rodamiento y, de este modo, ayudan a cumplir los requisitos de una prueba de resistencia en un tiempo mucho más corto, lo que influye a su vez en el costo y la duración del régimen de pruebas. La capacidad de producir velocidades extremas tiene una importancia fundamental para los componentes del rodamiento (por ejemplo, los segmentos de la jaula). Debido a la mayor velocidad de giro, aumentan significativamente las fuerzas basadas en la inercia y los impactos de los rodillos contra las pestañas y las jaulas. El conjunto de rodillos, que gira a la mitad de la velocidad del rodamiento, tiene una masa de 1,6 toneladas, equivalente a la de un automóvil de tamaño medio. Para acelerar de 0 a 30 r. p. m., el MSTR es capaz de aplicar 880 kW. A modo de guía, el rotor típico de una turbina eólica grande gira a una velocidad entre 5 y 20 r. p. m.; alcanzar una velocidad de giro más elevada permite reducir la duración de las pruebas y, asimismo, realizarlas en condiciones extremas.

El banco de pruebas para ejes principales en el Centro de Pruebas SKF Sven Wingquist es el más potente del mundo para rodamientos de gran tamaño. Puede probar rodamientos individuales de hasta 6 metros de diámetro exterior.

“Los conocimientos adquiridos en estas campañas de pruebas proporcionarán una base sólida para el desarrollo futuro de productos y aplicaciones que permitirán a SKF situarse a la vanguardia del sector”, afirma Juergen Reichert, jefe de proyecto en el centro de competencia para el desarrollo y la aplicación de productos para ejes principales de turbinas eólicas. “Las pruebas de los ejes principales influirán en el sector al acortar el tiempo de desarrollo, potenciar la resistencia del producto, y reducir sus costos y riesgos”, agrega Thomas Zika, director del SWTC.

La campaña actual de pruebas finalizará a finales de 2020, y está previsto que las pruebas incluyan el cambio del rodamiento de prueba por otro con una geometría interna diferente. Se están preparando campañas de pruebas para el año 2021 y posteriores destinadas a optimizar el uso del MSTR.

Camino hacia el futuro

Hasta ahora, las pruebas han permitido comparar datos recopilados en distintas condiciones de funcionamiento simuladas.

“Estamos muy satisfechos con los datos que hemos obtenido”, reconoce Engbers. “Tenemos aún muchas expectativas puestas en las próximas campañas de pruebas. Es fundamental probar los rodamientos en estas condiciones límite para poder desarrollar turbinas resistentes, sobre todo cuando empiecen a desplegarse turbinas con capacidades de generación de 15 MW o más”.

Un rodamiento SKF Nautilus listo para el banco de pruebas.

Las pruebas del rodamiento Nautilus continuarán con la aplicación de dinámicas altas, y cargas de viento y resistencia reales en ciclos de pruebas que duran varias semanas.

Además del Nautilus, en los cuatro bancos de pruebas del SWTC se probarán otros tipos de rodamientos, incluidos, entre otros, rodamientos de rodillos cilíndricos de gran tamaño e hileras múltiples, rodamientos de una hilera de rodillos cónicos, rodamientos de rodillos a rótula y rodamientos CARB.

Los rodamientos SKF Nautilus

El SKF Nautilus es un gigante en el mundo de los rodamientos. Mide hasta 4 metros de diámetro exterior y pesa hasta 14 toneladas. Se utiliza como rodamiento del eje principal en turbinas eólicas en alta mar con potencias nominales de 8 MW. Su función es soportar el peso del rotor y las palas, y acomodar las fuerzas del viento que actúan sobre el rotor.

El SKF Nautilus es un rodamiento de dos hileras de rodillos cónicos en una disposición espalda con espalda (también llamada disposición en O). Al hacer el mismo trabajo que dos rodamientos individuales, permite conseguir diseños más compactos para la unidad de transmisión. Además, en el caso de precisar disposiciones especiales de rodamientos, puede integrarse en la multiplicadora, aunque su función seguirá siendo la de rodamiento del eje principal.

La vida útil prevista del rodamiento SKF Nautilus es de más de 20 años. Por eso, es vital poder probarlo a fondo antes de su instalación.