Por el Dr. John Coultate, Jefe de Desarrollo de Ingeniería
& Mike Hornemann, Ingeniero de Fiabilidad
Romax InSight

Una explosión del pasado. Este es un ejemplo del diseño de una caja de engranajes de dos etapas paralelas, típico de un aerogenerador de mediados de los 90.

A medida que los aerogeneradores de escala comercial han ido evolucionando desde la clase de kilovatios hasta las máquinas de varios megavatios instaladas hoy en día, los componentes del interior de una góndola también han evolucionado para mantenerse al día con las nuevas demandas de potencia.

Los trenes de transmisión, en particular, han tenido que cambiar significativamente para hacer frente a cargas de viento más fuertes y variables y a niveles de potencia más elevados, y sin un aumento significativo de los costes. Así que los ingenieros aceptaron el reto y los fabricantes cumplieron.

Lo que antes era una caja de engranajes industrial estándar, ahora está diseñada de forma exclusiva para hacer frente a las duras condiciones típicas de una turbina de varios megavatios. Una turbina moderna con engranajes suele tener una caja de cambios de tres etapas con una etapa planetaria de baja velocidad y dos etapas paralelas. Mediante el uso de engranajes planetarios, los diseñadores crearon cajas de engranajes de alta potencia que son lo suficientemente duraderas como para soportar cargas duras, pero lo suficientemente compactas como para mantener un tamaño de góndola razonable.

Este diseño de caja de engranajes también ha demostrado ser económico para las turbinas con potencias entre 500 kW y 2,5 MW. Sin embargo, la longevidad es el único reto que aún no se ha superado en la industria de las cajas de engranajes de turbinas eólicas. Las cajas de engranajes de las turbinas suelen tener una vida útil de 20 años, pero pocas superan los 10 años.

¿Por qué esta discrepancia? Parte de la respuesta está en la forma en que se definen las vidas de los engranajes y los rodamientos. La vida de un componente de la caja de cambios es estocástica, no determinista. Esto significa que es imposible predecir con exactitud cuándo fallará un componente, aunque es posible estimar la probabilidad dados ciertos parámetros.

Un diseño moderno. Este diseño de 3 etapas (planetario/paralelo/paralelo) es común a las cajas de engranajes más recientes.

Tenga en cuenta que los trenes de transmisión de los aerogeneradores se someten a cargas transitorias severas y variables durante los arranques, paradas, paradas de emergencia y conexiones a la red. La carga de una turbina depende de su ubicación en el parque eólico y del terreno. Los casos de carga que dan lugar a inversiones de par pueden ser especialmente perjudiciales para los rodamientos, ya que los rodillos pueden patinar durante la repentina reubicación de la zona cargada. El micropitting, una forma de fatiga superficial, es un ejemplo de daño en los rodamientos que puede afectar a su longevidad.

La vida de un rodamiento se define generalmente como la vida «L10», que es la duración tras la cual fallará el 10% de los rodamientos. Si L10 para un rodamiento es de 20 años, entonces hay un 10% de posibilidades de que el rodamiento falle en menos de 20 años. Esto es importante porque obliga a los fabricantes y a los operadores eólicos a pensar en la «vida útil» en términos de probabilidades.

También es importante considerar que una turbina eólica tiene más de un rodamiento. Un tren de transmisión típico tiene entre 20 y 25 rodamientos, incluyendo los rodamientos principales, la caja de cambios y los rodamientos del generador. Entonces, ¿qué ocurre si combinamos la vida L10 de cada rodamiento de un tren motriz para calcular una «vida a nivel de sistema»? Un simple cálculo para un tren motriz con 25 rodamientos, todos ellos con una vida útil L10 de 20 años, indica que la probabilidad de que uno o más rodamientos fallen antes de 20 años es del 93%.

Un aerogenerador típico contiene entre 20 y 25 rodamientos, todos los cuales deben considerarse en un cálculo de fiabilidad a nivel de sistema de la esperanza de vida.

Basándose en este cálculo, es probable que casi todas las cajas de engranajes de un parque eólico fallen antes de 20 años. Esto puede parecer chocante, pero es una realidad sobre el terreno. Muchos operadores de parques eólicos atestiguarán que la mayoría de las cajas de engranajes han sido cambiadas o sometidas a algún tipo de reparación en la torre, como un nuevo eje de la etapa de alta velocidad o rodamientos, mucho antes de que se cumpla su vida útil de 20 años.

Ahora preguntémonos cuántas cajas de engranajes fallarán en siete años. El mismo cálculo indica que la probabilidad de que uno o más rodamientos fallen antes de siete años es del 37%. Esto significa que más de un tercio de las cajas de cambios sufrirán algún tipo de fallo en los rodamientos.

Estos resultados proceden de un cálculo simplificado y sólo pretenden mostrar las tendencias generales, pero muestran algunos resultados sorprendentes. Lamentablemente, el cálculo puede subestimar las tasas de fallo de la caja de cambios porque no tiene en cuenta los modos de fallo no relacionados con la fatiga. Pero la buena noticia es que, en la práctica, algunos rodamientos ofrecen una vida de diseño superior a los 20 años porque su tamaño viene dictado por otros factores, como la rigidez o los factores de seguridad durante los casos de carga extrema.

Por eso el término «vida de diseño» es engañoso, y una de las razones por las que muchas cajas de cambios en el campo están fallando en menos de 20 años. Una forma de mitigar estos fallos es emplear métodos de ingeniería más fiables durante toda la vida útil de una turbina. Por ejemplo, mediante el uso de normas de diseño y simulaciones, junto con datos operativos fiables y tasas de fallo históricas, es posible proporcionar predicciones precisas de los fallos del tren motriz.

Este artículo formó parte de nuestra Guía de Energías Renovables 2018. Vea la publicación completa aquí.