IDEAS SOBRE FRENOS PARA AEROGENERADORES

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1 IDEAS SOBRE FRENOS PARA AEROGENERADORES Con la necesidad de producir energías limpias poniendo cada vez más énfasis en los aerogeneradores, la obtención de la máxima potencia disponible de una instalación es más importante que nunca. La energía útil que un aerogenerador puede extraer del viento es proporcional al área total de barrido de las palas. No es entonces sorprendente constatar que las dimensiones de los aerogeneradores están en constante aumento, pero esto a su vez impone mayores cargas y esfuerzos en los elementos de la cadena cinemática del aerogenerador, y particularmente en sus frenos. Los frenos de los aerogeneradores están sometidos a ciclos de trabajo más intensos, cargas más elevadas y mayores exigencias de fiabilidad, todo ello a menudo en construcciones más compactas que las de los frenos utilizados en otros equipos industriales convencionales. Téngase también en cuenta que deben operar automáticamente en instalaciones sin dotación permanente, a menudo en lugares remotos con acceso costoso y dificultoso para el mantenimiento. Igualmente, los frenos deben operar de manera fiable en algunas de las condiciones ambientales más severas, a menudo sujetos a humedades o temperaturas extremas, debiendo ofrecer la más absoluta fiabilidad en situaciones tan diversas como los parques eólicos marinos en presencia de atmósferas salinas, o las instalaciones en desiertos sometidas a grandes cantidades de polvo. Los frenos son los elementos clave en diversas partes del aerogenerador. Cualquiera que sea el tamaño del aerogenerador, éste siempre incorpora frenos de rotor, frenos de guiñada, y frenos de regulación del paso de las palas, todos ellos con sus características de cálculo y construcción particulares. Los frenos de rotor ofrecen protección contra la sobrevelocidad, actuando como freno de seguridad y como freno de bloqueo. La empresa Twiflex del grupo Altra Industrial Motion tiene una experiencia considerable en el suministro de frenos para los rotores de los aerogeneradores de mayor potencia del mundo. Su director de ventas y marketing Jon Cooksley comenta: "Prácticamente todos los frenos de rotor para aerogeneradores son intrínsecamente seguros en caso de fallo, con accionamiento por resorte y apertura hidráulica. Incorporan resortes de elevada carga que, directamente o mediante un actuador, ejercen la fuerza que presiona las pastillas de freno contra el disco. Estos frenos se abren comprimiendo los resortes por la presión hidráulica generada por un grupo hidráulico". Los frenos de rotor pueden montarse en el eje principal de baja velocidad, en el eje de alta velocidad, o en algunos casos en ambos ejes. El freno del eje de baja velocidad es relativamente simple; con un freno de disco de grandes dimensiones y una gran área efectiva de actuación de las pastillas de freno, el montaje no presenta dificultades. No obstante, los aerogeneradores requieren un par de frenado muy elevado, y generalmente, la configuración más económica lleva a tener el freno montado en el eje de alta velocidad, entre la multiplicadora y el generador, donde la alta relación de multiplicación ha reducido proporcionalmente el par. Date: 24/01/2011 ALTRA104 page 1 / 6

2 Sin embargo, montar el freno en el eje de alta velocidad conlleva tener que limitarse a un espacio disponible mucho más reducido. La energía a disipar es la misma sea cual la posición del freno, lo que significa que el área total de las pastillas de freno sea la misma. Igualmente, el área de las pastillas de freno debe ser suficiente para poder disipar el calor generado durante el frenado, especialmente en las paradas de emergencia. La velocidad y el espacio disponible constituyen claramente los factores limitadores con relación al diámetro máximo del freno, lo que afecta la selección del freno. Otro factor a considerar respecto a la posición del freno es el riesgo de producir daños a los engranajes. Cuando el freno está montado en el eje de salida de la multiplicadora y el aerogenerador está parado, las ráfagas de viento son capaces de generar oscilaciones en el tren de engranajes debidas al juego al juego existente en el mismo. Sin una lubricación forzada entre los dientes en contacto, este fenómeno puede llegar a producir fatiga por contacto, y como consecuencia, daños económicamente cuantiosos. El par de frenado de un freno de rotor es un factor crucial que debe determinarse en las fases iniciales del cálculo del freno. El par máximo permisible con el freno en el eje de baja velocidad lo imponen normalmente las palas del rotor, o la unión de las mismas al eje de entrada de la multiplicadora. Por otro lado, con el freno en el eje de alta velocidad, se considera normalmente la carga máxima permisible de los dientes del engranaje. Hay también que considerar un par mínimo de frenado, por debajo del cual la naturaleza variable de las fuerzas de rozamiento que intervienen en las diversas condiciones de trabajo supone un riesgo para el rotor. Es pues importante establecer un margen de seguridad adecuado, o un factor de trabajo, que asegure el funcionamiento efectivo del freno en todo tipo de condiciones meteorológicas. Los factores que intervienen en el cálculo son la inercia del rotor, el par aerodinámico, la velocidad del rotor, las características del material de las pastillas de freno, y las características térmicas del disco. Pero además, hay también otros factores a considerar como la posible presencia de suciedad o aceite en las superficies de trabajo del freno, la condensación en el ambiente, la presión y velocidad en condiciones de deslizamiento, y las incrustaciones de residuos en las pastillas de freno. Dado que los aerogeneradores operan sin dotación permanente, no es posible mantener una vigilancia constante de estas condiciones, lo que obliga a incluir el correspondiente factor de seguridad para el cálculo del par de frenado. Frenos para la regulación de la guiñada En condiciones normales, puede pararse un aerogenerador de eje horizontal moviendo las palas con relación a la dirección del viento. Los frenos de guiñada ofrecen un medio efectivo de regulación de guiñada para mantener la orientación de la góndola cara al viento a medida que éste cambia. Están normalmente montados para actuar como frenos de arrastre, y funcionan controlando la contrapresión que a su vez actúa sobre el resorte, controlándose así el par de frenado. Date: 24/01/2011 ALTRA104 page 2 / 6

3 El proceso se inicia cuando el anemómetro señala un cambio de dirección del viento, lo que arranca el motor de accionamiento de la corona dentada del mecanismo de guiñada. Eventualmente, el motor se para cuando se genera la señal que indica que el mecanismo de guiñada ha alcanzado la orientación óptima cara al viento, parándose de esta manera la góndola. Edouard Haffner, responsable de desarrollo de nuevos mercados en Europa de Altra, comenta: La intensidad variable del viento genera cargas variables en el motor, lo cual afecta la exactitud del punto de parada de la góndola con respecto al cambio de dirección del viento. Independientemente de la intensidad del viento, la carga del motor puede controlarse de forma efectiva mediante un freno de actuación permanente y con apertura electromecánica en la corona dentada, generándose un par de frenado variable en función de una señal dependiente del aumento o disminución de la corriente del motor". Normalmente hay entre cuatro y ocho motores de guiñada en un aerogenerador. Generalmente, los frenos se montan en el extremo posterior de estos motores, en el lado inferior de la corona dentada de guiñada. Esta construcción asegura la precisión de la orientación de la góndola y la mejor eficacia del sistema. Además, con ello se elimina el riesgo de daños producidos por oscilaciones inestables debidas al juego del engranaje, y el freno supone un sistema de bloqueo efectivo para el propio mecanismo. Los especialistas en aerogeneradores coinciden en que el freno de disco es la mejor solución por su fiabilidad, simplicidad de construcción, facilidad de mantenimiento, y coste inicial. Está demostrado que los frenos de disco ofrecen excelentes prestaciones en condiciones ambientales severas y ocupan relativamente poco espacio con relación a la capacidad de frenado que puede desarrollar. Consideraciones sobre el freno de regulación del paso de las palas En grandes aerogeneradores de eje horizontal se regula el ángulo de paso de las palas para obtener el óptimo rendimiento. Además, en situaciones de fuertes vientos y durante operaciones de mantenimiento se recurre a la puesta en bandera de las palas para parar el rotor. Edouard Haffner añade: "Los accionamientos de regulación del paso de pala pueden ser eléctricos o hidráulicos, pero el accionamiento eléctrico es más común por tratarse de una solución más limpia y compacta. Además, el accionamiento eléctrico es más preciso y puede programarse fácilmente en función de toda una serie de variables. En cualquier caso, el freno de bloqueo integrado en el accionamiento cumple una función suplementaria de seguridad además de la función de freno dinámico de emergencia". La construcción general de un sistema con accionamiento eléctrico incluye un motor eléctrico de corriente alterna, corriente continua o un servomotor, un detector de posición un codificador o un resolutor, y un freno de bloqueo de seguridad. La lógica de control abre el freno, acciona el motor, detecta la posición, para el motor, y permite la actuación del freno para bloquear las palas en un ángulo de paso determinado. El motor mueve una corona dentada montada en cada una de las palas, normalmente con una relación de transmisión aproximada de 1 000:1. Date: 24/01/2011 ALTRA104 page 3 / 6

4 Hay varios factores a considerar en la elección del freno adecuado para el paso de pala. El propio sistema de accionamiento debe ser compacto ya que el espacio disponible para su montaje en el buje del rotor es limitado, por lo que el freno en sí debe ofrecer el par necesario en una construcción compacta. Normalmente, el diámetro del freno no debe ser mayor que los del motor y el detector de posición, y no debe incrementar la longitud del sistema excesivamente. La vida útil debe también considerarse. Un aerogenerador de gran diámetro puede calcularse con una vida útil de veinte años, por lo que sus componentes y sistemas deben igualar o exceder este valor. El número de paradas de emergencia del sistema de regulación del paso de pala durante los veinte años de vida útil se suele definir entre 500 y paradas. Y debido a las altas inercias que intervienen en estas paradas, han de tenerse en cuenta los criterios de disipación térmica y de máxima energía del sistema. Un freno de disco calculado correctamente debe cumplir las condiciones de par y térmicas impuestas. No obstante, este tipo de freno tiende a tener un diámetro relativamente grande y presentar dificultades de montaje en espacios reducidos. Un motor embridado con freno de actuación por resorte y apertura electromagnética puede respectar las limitaciones de espacio, pero normalmente se queda corto con respecto a los criterios de par y de capacidad térmica. Para este tipo de aplicaciones se han tenido que diseñar frenos más robustos a la altura de las exigencias impuestas. Para estas aplicaciones, Warner Electric ha desarrollado una serie de frenos de bloqueo de alto par, con actuación del freno por resorte y apertura electromagnética. La serie ERS de frenos son normalmente de menor diámetro que el motor, contribuyen a una incremento mínimo de la longitud del sistema, y están calculados para paradas dinámicas, superando holgadamente las condiciones impuestas. Otra ventaja suplementaria de un freno eléctrico es su reducido tiempo de reacción de 0,20 segundos, e incluso menos, lo que supone una opción superior para los sistemas de regulación del paso de pala. Este tipo de freno fiable tiene más capacidad de disipación térmica que la necesaria para el ciclo normal de trabajo. Por lo tanto, se trate de frenos de rotor, frenos de guiñada o frenos de paso de pala, está claro que hay numerosos factores cruciales a considerar, y que determinadas decisiones relativas al diseño han de tomarse cuanto antes en el proceso de diseño con el fin de asegurar el sistema más óptimo. En caso de duda, el mejor consejo es siempre que se consulte a los expertos en la materia, y empresas como las del grupo Altra Industrial Motion tienen la más amplia experiencia disponible para que los frenos empleados en aerogeneradores ofrezcan muchos años de vida útil con fiabilidad, cualquiera que sea el tiempo. Om Altra Industrial Motion Corp. Altra es una empresa global líder en el diseño y la fabricación de productos de transmisión mecánica y de control de movimientos de alta calidad empleados en una amplia variedad de aplicaciones industriales. Date: 24/01/2011 ALTRA104 page 4 / 6

5 Los embragues, frenos, acoplamientos, reductores y demás productos de transmisión mecánica de la gama Altra se distribuyen bajo 23 marcas de fabricantes bien conocidos, cada uno de ellos con más de 50 años de existencia. Cada uno de estos fabricantes se rige por un compromiso por la excelencia de sus actividades, la mejora constante y la satisfacción del cliente. Las soluciones técnicas de Altra se venden en más de 70 países y se emplean en los principales sectores industriales, entre ellos la producción de alimentos, el movimiento de materiales, la maquinaria de envasado, la minería, la energía, la automoción, la transformación metálica y la agricultura. Para toda información suplementaria, visite Es propiedad. El uso de las imágenes distribuidas con esta nota de prensa está autorizado exclusivamente cuando acompañan dicha nota de prensa, manteniéndose en todo caso los derechos de autor. Se ruega a los interesados en obtener la debida autorización para otros usos de las imágenes que se dirijan a DMA Europa Ltd. Date: 24/01/2011 ALTRA104 page 5 / 6

6 Editor Contact DMA Europa Ltd. : Carlos Segura Tel: +44 (0) Fax: +44 (0) Web: carlos.segura@dmaeuropa.com Company Contact Altra Industrial Motion : David Brooksbank Tel: Web: david.brooksbank@altramotion.com Date: 24/01/2011 ALTRA104 page 6 / 6