Lo que los cojinetes lisos pueden contribuir a las cajas de engranajes de las turbinas eólicas

May 24, 2023

Por Paul Dvorak | 27 de abril de 2017

Un programa reciente del Laboratorio Nacional de Energía Renovable evaluó la durabilidad de una caja de engranajes de 1 MW con cojinetes lisos. Los resultados son alentadores para un uso más amplio y cajas de cambios más confiables.

Un técnico ensambla la caja de cambios con cuatro cojinetes lisos.

Si la caja de engranajes de una turbina eólica aún no está equipada con rodamientos de rodillos mejorados en su etapa planetaria, pronto lo estará cuando se repare porque los nuevos diseños de rodamientos tienen una mayor capacidad de carga. Las preferencias de diseño recientes incluyen rodamientos de rodillos cónicos precargados o rodillos cilíndricos con caminos de rodadura integrados a los engranajes planetarios. Pero incluso estos arreglos eventualmente sufrirán daños por astillado debido a la fatiga del contacto rodante y requerirán reemplazo. ¿Es posible que una caja de cambios con cojinetes lisos resista mejor las duras condiciones que imponen los aerogeneradores?

Uno de los objetivos de la caja de cambios de próxima generación es aumentar la eficiencia del tren motriz.

Los ingenieros de NREL y Romax Technology y otros socios de la industria completaron recientemente un proyecto respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. para probar tecnologías de convertidores de energía, generadores y cajas de engranajes de última generación con el objetivo de reducir el costo nivelado de la energía. El diseño de la caja de engranajes incorporó pasador flexible y tecnología de cojinetes lisos para mejorar la distribución de la carga planetaria y mejorar la comprensión de los cojinetes lisos en esta aplicación de baja velocidad y alta carga. Dentro del proyecto, se diseñó, construyó y probó el tren motriz en un dinamómetro en el Centro Nacional de Tecnología Eólica.

La Dra. Ashley Crowther, vicepresidenta global de ingeniería de Romax Insight, presentó los prometedores resultados de las pruebas en la reciente reunión de colaboración sobre confiabilidad del tren motriz en NREL. El objetivo del programa era sugerir un tren motriz de próxima generación que hiciera avanzar la industria eólica. "Estábamos buscando una disposición de caja de cambios avanzada para la industria eólica para probar la tecnología con el objetivo de reducir los costos y el mantenimiento del sistema al tiempo que aumenta la eficiencia", dijo. Los cojinetes lisos en las cajas de cambios eólicas son poco comunes, aunque hay algunos ofrecidos recientemente por los fabricantes europeos de equipos originales (OEM) de las cajas de cambios.

Un proyecto anterior de NREL proporcionó un tren motriz para la modificación, con el eje principal soportado por dos cojinetes cónicos e incluyendo un generador de velocidad media. La caja de cambios convencional fue reemplazada por una equipada con cojinetes lisos en una sola etapa, con cuatro planetas montados en pasadores flexibles o flexibles. En cuanto a la rentabilidad, la caja de cambios de prueba tenía una etapa, pero durante la investigación del concepto, el líder del programa de NREL, Jon Keller, dijo que el equipo analizó una serie de relaciones y descubrió que el menor costo de energía es posible con una caja de cambios de dos etapas con una proporción de alrededor de 30.

La ilustración, una sección transversal, muestra el engranaje solar y los pasadores flexibles, que soportan los husillos, y los cojinetes lisos que soportan los planetas.

El pasador flexible dentro de un husillo le permite trasladarse ligeramente a medida que cambian las cargas planetarias. Un cojinete liso se monta en cada husillo.

En esta aplicación, el planeta gira sobre una película delgada de aceite sobre el material del muñón y el anillo permanece estacionario. El material es acero revestido con aleaciones especiales, propiedad del fabricante en Europa.

Los gráficos de galgas extensiométricas en la caja de engranajes mostraron que la carga compartida mejoró con la carga a una distribución de carga casi igual al par nominal.

El propósito del pasador flexible es mejorar el reparto de carga a través del sistema de cuatro planetas. Un taburete de tres patas proporciona una analogía. Las tres patas están en contacto con el suelo para que el taburete no se balancee. Pero un taburete de cuatro patas podría mecerse fácilmente si las patas están rígidas. De manera similar, un sistema planetario con más de tres planetas puede compartir las cargas planetarias de manera desigual. La deflexión del sistema, las pequeñas holguras y los errores de construcción (generalmente dentro de la tolerancia) influyen en la magnitud de la distribución desigual de la carga. Pero si hay cierta flexibilidad en el sistema, sería como tener un resorte en cada una de las patas del taburete, dejándolo descansar siempre sobre cuatro patas. El pasador flexible ofrece una forma de hacerlo en un sistema de cuatro planetas. Un artículo anterior (http://tinyurl.com/bearings-journal o WPE&D de mayo de 2016) proporciona más detalles sobre la reconstrucción de la caja de cambios.

Beneficios y desafíos

Se permite que el pasador se doble para que los planetas de los ejes puedan moverse o trasladarse hacia arriba y hacia abajo. Aunque el pasador flexible no es un concepto nuevo, y Romax ha diseñado estas cajas de engranajes antes, mejora el diseño y permite combinar una caja de engranajes más compacta con los cojinetes lisos.

Aunque la temperatura del aceite aumentó con la carga, las temperaturas se mantuvieron dentro de un rango aceptable.

Otro beneficio de los cojinetes lisos son los costos más bajos debido a su simplicidad en comparación con los cojinetes de elementos rodantes. El equipo de Crowther también sospecha que estos tipos de cojinetes mejorarían la confiabilidad porque están hechos de menos piezas y aún necesitan pruebas de durabilidad y pruebas de campo a más largo plazo. Sin embargo, el diseño reduce en gran medida el número de piezas y, en ese sentido, debería mejorar la fiabilidad. Por ejemplo, el diseño elimina entre dos y cuatro filas de rodamientos (según el diseño) de cada planeta y los reemplaza con un rodamiento. Los cojinetes lisos pueden

Los conteos de partículas se mantuvieron estables durante el año simulado de arranques y paradas.

además reducen el peso y su montaje es más sencillo que con los diseños precargados. "Así que hay muchos beneficios para los cojinetes lisos, aunque ciertamente no somos partidarios de los cojinetes lisos o los rodillos en este momento", dijo Crowther.

También hay desafíos en el diseño. Por ejemplo, un ajuste de interferencia mantiene los pasadores en el portador, y el pasador y el husillo combinados también son un ajuste de interferencia. Es importante comprender la rigidez del ajuste y su efecto en los modelos a nivel de sistema. Modelar todos estos elementos en el software de simulación es un desafío y un área de mejora recomendada.

Pasadores flexibles

Los pasadores flexibles permiten que los engranajes floten, por lo que las cargas que aumentan con el par doblan los pasadores. Debido a los pares en el eje, el husillo se traslada ligeramente, por lo que los pares se ajustan para ser casi iguales en cada planeta. Los husillos no se inclinan. Eso es importante. La carga compartida en un diseño de cuatro planetas absorbe las fluctuaciones de par y reduce la desalineación de los dientes. El gráfico de barras Torque versus carga muestra resultados, donde 417 kNm está cerca de la carga nominal y la carga relativa en cada planeta está cerca de 1.

Lubricación

El sistema de lubricación tenía que proporcionar aceite al rodamiento. Una alimentación de aceite pasa a través de la carcasa del eje principal, al portador, baja por el pasador y sube por el husillo hasta el planeta. Una junta giratoria permite bombear aceite desde una sección estacionaria al planeta o sección giratoria.

Hay desafíos aquí. "Debido a las limitaciones de modificar un tren de transmisión más antiguo, no pudimos obtener la presión que queríamos. La rotación también provocó fluctuaciones de presión. Pero funcionó razonablemente bien, generando una presión de un bar con un aceite de caja de cambios muy conocido. Para mantener la limpieza, el El sistema usó filtros de 8,5 y 3 micras. Además, calentamos el aceite para mantenerlo a 55 °C y lograr una viscosidad ideal. Esto dio un caudal de alrededor de 0,5 a 4 l/min al eje", dijo Crowther.

El diseño del eje se ejecuta a una velocidad relativamente lenta en comparación con otras aplicaciones de cojinetes de eje. "Calculamos el parámetro de diseño para los cojinetes lisos considerando un componente axial de carga debido a la inclinación del tren motriz a 5°, pero no hubo una gran carga desde un ángulo helicoidal en los engranajes como es común. Luego, hubo cargas radiales en el muñones de las fuerzas del engranaje, así como algunas pequeñas cargas de los ángulos de presión en los engranajes y las desviaciones en la fabricación", dijo Crowther.

El modelado del diario requería comprender las desviaciones, incluida la inclinación de los engranajes y, en particular, cómo afecta la inclinación de la malla del engranaje planetario. "Calculamos la rigidez de la película, y eso fue investigación, pero a partir de ese y otros trabajos, Romax Technology realizó algunos desarrollos de modelado para Romax Designer. Investigamos la distribución de presión a lo ancho del diario. Al final, pudimos obtener un buen cálculo de rigidez para terminar el diseño", afirmó Crowther.

Instrumentación

Fue necesario medir muchos parámetros para confirmar la función del diseño. La durabilidad se juzgó en el momento del desmontaje y mediante un contador de partículas de residuos en el aceite. "Para el funcionamiento, queríamos saber si teníamos la presión adecuada, temperaturas de funcionamiento frías y la capacidad de recopilar medidas físicas, como las tensiones de los componentes. La caja de engranajes estaba instrumentada para medir la temperatura y la presión al final del pasador, lo que brindaba buena información en cuanto a cómo funcionaba la revista", dijo. Los medidores de tensión en el pasador flexible midieron la flexión y validaron que estaba actuando correctamente. Esto también verificó el reparto de carga entre los cuatro pines.

Pruebas funcionales

El gráfico anterior, Torque versus carga, muestra cargas a torque bajo y nominal, donde el reparto de carga se vuelve bastante bueno. Con un par bajo, la distribución desigual no importa porque hay poca tensión en los cojinetes y engranajes. Pero a medida que aumenta el par, las cargas se igualan. "Estaban entre 0,95 y 1,05 de carga relativa, lo cual es bastante bueno. Si se diseña una caja de engranajes convencional con cuatro planetas y sin pasadores flexibles, sería apropiado un factor de carga compartida de aproximadamente 1,25. Los pasadores flexibles permiten una caja de engranajes más pequeña o una mayor confiabilidad , o puede diseñar para una compensación en el medio", dijo Crowther.

La distribución de la carga del diente, otro criterio de rendimiento importante, se evaluó mediante el uso de un compuesto para marcar los dientes y una medición de la tensión de la raíz del diente. Las medidas de las galgas extensiométricas permitieron calcular las distribuciones de carga de los dientes, que se consideraron adecuadas. "Se mostró un pequeño contacto a un lado. El factor desafiante de modelar la rigidez del pasador flexible con el ajuste de interferencia del husillo fue el motor detrás de eso, si fuéramos a producir, corregiríamos fácilmente la siguiente caja de engranajes", dijo.

"El factor de carga, KHß, cumplió con los requisitos", dijo Crowther. "Es la carga máxima sobre la carga principal, y el valor disminuyó a medida que aumentó el par, por lo que mejora hacia el par nominal, pero podría mejorarse aún más", dijo.

Las pruebas de rendimiento hicieron funcionar la caja de cambios en estado estable bajo carga hasta que todo se resolvió. "Las temperaturas eran bastante frías. Un termopar estaba en la zona de carga y el otro fuera, y las temperaturas aumentaron bastante juntas, pero mucho más bajas de lo que haría que una caja de cambios se apagara. Por lo tanto, los cojinetes funcionan fríos y hay poco desgaste. Mantenimiento del sumidero la temperatura del aceite con calentadores fue lo que impulsó la temperatura del aceite más que nada", concluyó Crowther.

Un contador de partículas ajustado a las normas o contenedores de la Organización Internacional de Normalización (ISO) formó parte de las pruebas de durabilidad, que proporcionaron el equivalente a 1 año de arranques y paradas, unos 5000 ciclos. A través de esa prueba, el recuento de partículas se mantuvo estable. "Durante las pruebas de arranque y parada, no vimos la generación de partículas que desgastarían esta cosa, lo cual fue bueno. Tuvimos un desgaste bastante bajo. El desmontaje también reveló un desgaste mínimo de las pruebas funcionales y el estándar para las pruebas de durabilidad", dijo Crowther. .

Con un presupuesto limitado, el equipo se decidió por dos pruebas: arranques y paradas, que implicaban recorridos desde parado hasta 10 rpm en 10 segundos sin carga de torsión durante 5000 ciclos. Este enfoque simularía aproximadamente un año de operación en aproximadamente 21 horas.

Incluso con la bomba de aceite apagada durante la prueba de oscilación, el cojinete liso no se calentó.

Estas pruebas fueron seguidas por una prueba de oscilación, o una oscilación de la caja de cambios. "Esta última prueba simularía una turbina en ralentí o con poca brisa y podría representar miles de horas en la vida útil de una turbina. Por lo tanto, la prueba de tramado simuló rotaciones lentas. Es importante porque una rotación lenta no genera el espesor de la película ni la presión para levantar los ejes. . El rodamiento operó en el régimen de lubricación límite: las superficies se frotan entre sí. El objetivo era ver qué tan bien aguantaría la caja", dijo Crowther.

Por último, se hizo una llamada para hacerlo funcionar sin presión de aceite. "Así que cortamos el suministro de petróleo, sin siquiera tener una barra, para ver qué pasaba. Y luego, hicimos un desmontaje", dijo.

Los engranajes sufrieron el daño esperado en los dientes en la prueba sin aceite + oscilación. Tal daño aparecería en cualquier caja de cambios en una situación similar, pero los cojinetes lisos tenían poco desgaste.

Durante el desmontaje, el equipo buscó daños en el muñón y otros desgastes en los engranajes. No es posible ver dentro de los muñones como con los cojinetes de elementos rodantes, por lo tanto, no fue posible usar un boroscopio de la caja de engranajes durante la prueba para buscar daños.

"Los engranajes no funcionaron tan bien en esta dura prueba de oscilación, como resultado de hacerlos funcionar sin aceite", informó Crowther. "Observamos una terrible corrosión por contacto. Esta prueba de durabilidad fue lo suficientemente horrible como para ocasionar un daño significativo a los engranajes. Esto demuestra cuán difícil fue esta prueba para los muñones porque cualquier caja de engranajes de turbina eólica vería engranajes con este tipo de corrosión por contacto si realizó tal prueba", dijo Crowther.

Los criterios estándar de desgaste aceptable y deficiente de los cojinetes lisos (imágenes con rangos de bandas oscuras en las superficies de los cojinetes) permiten que el equipo juzgue o evalúe los resultados. "Recuerde", dijo Crowther, "que los cojinetes lisos fallan por el desgaste, no por la vida de fatiga del contacto rodante, porque la carga no está en una línea, se distribuye en un área grande".

Él informa que en el desmontaje, el equipo vio algo de desgaste en el muñón y el husillo, pero se consideró menor y aceptable.

Siguieron otras pruebas. Uno estuvo sin suministro de aceite, durante 54.000 ciclos a ± 0,5° a 2 Hz, otro durante 1 hora de tramado con un flujo de aceite del 25 % y luego 6 horas de tramado con flujo de aceite cero.

El gráfico Interpolación acelerada: caudal de aceite cero muestra la presión de la bomba. "La temperatura del aceite es interesante porque pensábamos que la chumacera se calentaría, pero no fue así", dijo Crowther. "Cuando se volvió a encender la bomba de aceite, salieron los desechos que se pudieron haber acumulado en el cojinete debido al desgaste y el conteo aumentó un poco".

El cojinete del diario mostró un desgaste aceptable y funcionó bastante bien. Expuso la capa de cobre suave (~700 µm de espesor) después de desgastar el material de recubrimiento (~20 µm). Además, está un poco hacia un lado debido a la gravedad.

El pequeño daño encontrado en los cojinetes lisos muestra una notable promesa para esta aplicación.

Crowther cerró con varias recomendaciones de la industria:

• Mantener cierto nivel de lubricación durante el envío, el montaje, el modo de espera, la reducción, el paro prolongado y períodos similares

• Alentar a los OEM de turbinas a trabajar con los OEM de cajas de engranajes para poner en servicio más cajas de engranajes con rodamientos lisos para una evaluación a largo plazo.

• Desarrollar la cadena de suministro para los OEM, calificar a los proveedores de rodamientos y determinar el volumen necesario

• Desarrollar nuevos cálculos de certificación y prácticas de diseño.

• Ampliar las pruebas de prueba o el rendimiento de campo a largo plazo en volumen

• Desarrollar estándares de inspección y monitoreo de condición

• Mida el espesor de la película y valide el análisis

• Mejorar el modelado y las validaciones de ajuste de interferencia

WINERGY YA UTILIZA RODAMIENTOS DE MUÑON EN GRANDES CAJAS DE CAMBIOS

El fabricante de cajas de engranajes Winergy reconoció que los cojinetes lisos han demostrado sus ventajas en varias otras industrias pesadas, entonces, ¿por qué no en la industria eólica? El año pasado, la compañía dijo que desde marzo de 2013, un prototipo de caja de cambios de 2 MW con cojinetes lisos ha estado en funcionamiento en una turbina Vestas V90 en Suecia.

Más recientemente, un portavoz de Winergy, Tobias van der Linde, informa que la turbina Vestas con cojinetes lisos todavía está en funcionamiento y está funcionando bien. Mientras tanto, la compañía ha puesto en servicio dos reductores más en la clase de 2 a 3 MW y para otros fabricantes de turbinas. Varias puestas en servicio adicionales están previstas para 2017.

Van der Linde también informa que la compañía está construyendo y probando cajas de engranajes con cojinetes lisos para futuras turbinas marinas de varios megavatios que se espera que entren en servicio a fines de 2018.

La empresa no compartió datos técnicos sobre las cajas de cambios, pero dijo que no se necesitaban cambios en los equipos periféricos, como el sistema de suministro de aceite, en comparación con las cajas de cambios con rodamientos de rodillos. Además, no hay mayor demanda de aceite, las temperaturas de los cojinetes se mantienen constantes a la potencia nominal y todas las pruebas no muestran desgaste en los cojinetes. Los cojinetes lisos están disponibles en cajas de cambios Winergy y para HybridDrive.