Rodamiento localizador para cajas de engranajes de turbinas eólicas

Transcripción

1 Rodamiento localizador para cajas de engranajes de turbinas eólicas Biswanath Nandi y Doug Lucas, The Timken Company Abstract - General Este documento presenta un tipo de rodamiento para las cajas de engranajes de turbinas eólicas denominado rodamiento localizador. Este estilo de rodamiento ofrece una solución alternativa para solucionar los problemas de rendimiento, coste y eficiencia asociados a los rodamientos que se suelen utilizar actualmente en los ejes intermedios y de salida de alta velocidad de la caja de engranajes de las turbinas eólicas. Los rodamientos localizadores combinan un rodamiento de rodillos cónicos de hilera única (TRB) que ayuda a conservar las cargas radiales y axiales en toda la pista de rodadura en condiciones normales de par positivo, con un anillo de pestaña secundaria cuidadosamente diseñado para soportar las cargas axiales en condiciones de par inverso, como al accionar los frenos o el motor. Este tipo de rodamiento de hilera única puede sustituir a una disposición de dos rodamientos TRB de hilera única de varios localizadores, un diseño TRB de doble hilera o una combinación de rodamientos de bola de contacto de cuatro puntos (FPCBB) y rodamientos de rodillos cilíndricos (CRB). El rodamiento localizador requiere menos espacio axial, mejora la eficiencia del eje de salida y mejora el rendimiento del sistema del eje de salida. Introducción Los ejes de salida de la caja de engranajes a veces están equipados con un rodamiento

2 CRB de tipo NU no localizador y un rodamiento de bola de contacto de cuatro puntos localizadores axialmente (consulte la figura 1) en la posición fija de los ejes intermedio y de salida. El rodamiento CRB soporta solo la carga radial, mientras que el rodamiento FPCBB soporta toda la carga axial del sistema. FIGURA 1: disposición de rodamientos actual En la figura 2, se muestra otra disposición de rodamientos que se aplica a dos rodamientos TRB (de serie similar o diferente) de hilera única en posición localizadora como alternativa a la combinación de rodamientos FPCBB y CRB. Se debe prestar especial atención a la selección de los ángulos correctos de la pista de rodadura al aplicar este diseño con el objetivo de garantizar que las hileras de ambos rodamientos mantengan zonas de carga de tamaño suficiente durante todo el espectro de condiciones de funcionamiento. FIGURA 2: disposición con dos rodamientos de rodillos cónicos

3 Deficiencias de la disposición actual Diseñados con contacto de puntos, los rodamientos FPCBB están diseñados para soportar cargas radiales y son adecuados hasta cierto punto para soportar cargas axiales moderadas. Este diseño de rodamientos no resulta idóneo para soportar las cargas axiales fluctuantes y constantes de los engranajes habituales durante un funcionamiento normal. Bajo una carga axial pura, las bolas entran en contacto con la pista en ángulo y deben rotar a través del ángulo de contacto, pero al mismo tiempo deben hacerlo alrededor de la línea central del eje. Esta acción de las bolas causa un micro deslizamiento entre las bolas y la pistas de rodadura, causando principios de daño en la superficie como, por ejemplo, el descascarillado que se muestra en la figura 3. FIGURA 3: descascarillado en las bolas Asimismo, el anillo externo del rodamiento de bolas debe estar ajustado muy holgadamente en el alojamiento para evitar que cualquier carga radial se transmita a este rodamiento. En consecuencia, es necesario utilizar componentes adicionales como chaveteros para evitar la rotación del anillo externo, a diferencia del rodamiento localizador que se aborda a continuación, que está firmemente sujeto entre el hombro del alojamiento y el tope final.

4 Aunque la disposición que se muestra en la figura 2 soluciona las deficiencias del diseño de rodamiento de bola, la distribución adecuada de la carga y el mantenimiento de las fuerzas de tracción en ambas hileras del diseño de TRB siguen siendo un problema de diseño que debe estudiarse con atención. Diseño del rodamiento localizador La figura 4 muestra un diseño de rodamiento localizador típico. La figura 5 muestra un rodamiento localizador fijo en el extremo derecho del eje para soportar la carga radial y la carga axial del engranaje, mientras que el rodamiento CRB de tipo NU está flotando en el extremo opuesto. El rodamiento localizador es un rodamiento bidireccional de alto rendimiento que sustituye la combinación de rodamientos CRB y FPCBB que se muestra en la figura 1. Una solución alternativa a las disposiciones de una hilera con varios localizadores o a las disposiciones de TRB 2TS-DM de doble hilera utilizadas en algunos diseños. Parece un rodamiento de rodillos cónicos de hilera única con un anillo de pestaña adicional fijado en la pista externa. FIGURA 4: configuración típica del rodamiento localizador

5 FIGURA 5: disposición con rodamiento localizador La figura 6 ilustra cómo el rodamiento localizador soporta la carga axial en ambas direcciones. La carga axial mayor indicada por la flecha gruesa se debe a la carga axial del engranaje helicoidal predominante presente durante condiciones de par positivo en más del 99% del ciclo de servicio. Durante condiciones de par positivo, las cargas se soportan a lo largo de las pistas de rodadura y la construcción sobre el vértice del rodamiento de rodillos cónicos acomoda la carga combinada completamente con un movimiento de rotación y sin ninguno de los micro deslizamientos que se producen con el rodamiento de bola. FIGURA 6: carga compartida Sin embargo, los fallos ocasionales en la red eléctrica o en el generador, así como la resonancia durante los procedimientos de frenado, forzarán al par de propulsión y a la

6 carga axial del engranaje a invertir la dirección durante breves intervalos. Además, en algunos casos el generador hace las veces de motor para impulsar el rotor de la turbina a baja velocidad para tareas de mantenimiento, y en otros casos con poco viento, solo a velocidad de intercalar. Todas estas condiciones requieren que el rodamiento localizador soporte la carga axial en la dirección menor mostrada por la flecha delgada (consulte la figura 6). Esta carga axial menor se transmite a través del extremo grande y del pequeño del rodillo, la pestaña de la pista interna y el anillo de pestaña de la pista externa. Entre las principales funciones y ventajas del rodamiento localizador se incluyen: 1) Espacio axial reducido: el rodamiento de hilera única sustituye las disposiciones de dos hileras convencionales, lo que origina un diseño más estrecho que también puede reducir la longitud y el peso requeridos del alojamiento pesado de la caja de engranajes. 2) Capacidad de adaptación sencilla a los diseños actuales. 3) Mejor posicionado de contacto de los engranajes gracias a las características de centrado del rodamiento localizador en una zona de carga de ) Coste reducido del sistema. 5) Menor tensión y una mayor vida útil del rodamiento: de nuevo, el rodamiento funciona con una zona de carga de 360 y todos los rodillos están en contacto (como muestra la figura 7) a lo largo de todo el rango de par positivo durante la generación normal de potencia. FIGURA 7: zona de carga de 360

7 6) Ángulo de contacto optimizado entre la pista y el rodillo en función de la proporción entre la carga radial (Fr) y la carga axial (Fa) del sistema de engranajes. Se ha prestado especial atención al diseño de los rodamientos para que la carga axial inducida por la reacción radial en el localizador siempre sea inferior a la carga axial del engranaje. Como la proporción entre la reacción radial del rodamiento y la carga axial del engranaje será constante durante el ciclo de servicio, la carga axial del engranaje siempre será suficiente para mantener el rodamiento en su posición correcta. 7) A ambos extremos de la pista externa hay un pequeño reborde externo para evitar que se invierta la orientación durante el montaje (figura 8). FIGURA 8: rodamiento con reborde externo de localización 8) La holgura interna se establece con precisión durante la fabricación del rodamiento. Por tanto, no es necesario ajustar manualmente el rodamiento durante el montaje. 9) La norma AGMA 6006 restringe el uso de los rodamientos TRB de hilera única en una disposición con varios localizadores de cajas de engranajes de turbinas eólicas. El rango de holgura o el juego axial del rodamiento se deben controlar con atención para garantizar que haya una holgura adecuada en todo el espectro de cargas operativas y condiciones de temperatura. Como el rodamiento localizador fijo se utiliza junto con un rodamiento CRB de estilo NU flotante, no es necesario ajustarlo manualmente para garantizar una holgura adecuada. 10) Según la norma AGMA 6006, la tensión de contacto máxima permitida con cargas equivalentes no debe superar los MPa en los rodamientos del eje de alta velocidad (HSS) y los MPa en los rodamientos del eje intermedio de alta velocidad (HS-INT) durante los 20 años de vida útil para los que están diseñadas las

8 turbinas eólicas. El análisis típico muestra que para un rodamiento localizador que soporta tanto la carga radial como la axial con una zona de carga de 360 grados, la tensión de contacto es inferior a MPa (igual que el rodamiento FPCBB que soporta solo la carga axial), y mucho menor que la carga de los rodamientos CRB que solo soportan la carga radial con una zona de carga reducida (consulte la figura 9). FIGURA 9: comparación de la tensión de contacto Configuración del rodamiento localizador Los rodamientos localizadores estándar están diseñados con una jaula por encima de la línea central que retiene los rodillos con la pista interna. De forma alternativa, el rodamiento localizador también puede incluir una jaula por debajo de la línea central que retiene los rodillos con la pista externa. Este tipo de configuración puede incluir 2 anillos de pestaña separables (consulte la figura 10). La construcción más adecuada depende del procedimiento de montaje de la caja de engranajes y puede ser particularmente útil cuando se monta un sistema de transmisión intermedio pesado en el alojamiento mientras la línea central del eje está orientada de forma vertical. FIGURA 10: localizador con dos pestañas separables

9 Los ejes de alta velocidad suelen necesitar más inspecciones de servicio y cambios más frecuentes. Durante estas inspecciones, todo el montaje del eje de salida con rodamientos localizadores se puede sacar del alojamiento, de forma similar al modo en que se realizan las inspecciones en la actualidad. Rodamientos resistentes a los residuos Es típico que las cajas de engranajes de las turbinas eólicas sufran fatiga y daños prematuros o la contaminación de partículas sólidas que abollan las superficies de contacto críticas. Debido a que el eje de salida experimenta muchas menos revoluciones, los rodamientos de este eje son incluso más vulnerables a los efectos de la contaminación. Por tanto, para mejorar la fiabilidad del eje de salida, el rodamiento localizador puede incluir materiales resistentes a los residuos y un revestimiento ES300 en rodillos para maximizar la fiabilidad. La figura 11 muestra un conjunto de resultados experimentales que demuestra que la vida útil de los rodamientos puede multiplicarse por 4,5 aplicando un revestimiento ES300. FIGURA 11: resultado de la prueba de cómo afecta la fatiga a la vida útil tecnología ES300

10 Limitaciones Aunque los rodamientos localizadores son más adecuados para un entorno de baja carga axial y alta velocidad como, por ejemplo, ejes intermedios de alta velocidad y ejes de alta velocidad de cajas de engranajes, también cuenta con algunas limitaciones que restringen su uso para otras aplicaciones. Este tipo de rodamiento no puede tolerar una precarga de rodamientos interna en todas las condiciones. La capacidad axial del rodamiento en la dirección menor a lo largo de las pestañas es limitada en comparación con la gran capacidad axial en la dirección mayor a lo largo de las pistas de rodadura. Sin embargo, la capacidad axial es muy similar a la de los rodamientos CRG de tipo NJ, que han resultado útiles en las cajas de engranajes de las turbinas eólicas en otras posiciones. Es interesante destacar también que los rodamientos bidireccionales como los rodamientos localizadores se han utilizado en muchas aplicaciones aeroespaciales y de automoción, donde han sido expuestos a cargas axiales en la dirección menor con unos resultados muy satisfactorios. Estos regímenes operativos de carga y velocidad están bien establecidos y, por tanto, el reto principal para los diseñadores de cajas de engranajes de turbinas eólicas es poder identificar su ciclo de servicio completo con el fin de evaluar el rendimiento de los rodamientos localizadores bajo todas las circunstancias conocidas. Al final, se deben realizar pruebas de aplicación de los rodamientos localizadores en cajas de engranajes para verificar su rendimiento, pero este suele ser el caso de cualquier diseño, ya siga las prácticas convencionales o no. Conclusión Mientras que la combinación de rodamientos de bola de contacto de cuatro puntos con rodamientos de rodillos cilíndricos de estilo NU se utiliza de forma generalizada en las posiciones del eje de salida de alta velocidad de las cajas de engranajes de las turbinas eólicas, la fiabilidad de los rodamientos del eje de salida sigue siendo un punto débil del diseño del sistema. La industria reconoce que se puede utilizar otra disposición de rodamientos más adecuada, por lo que los rodamientos de rodillos cónicos fijos de

11 doble hilera se están viendo favorecidos actualmente. El rodamiento localizador es una alternativa más que hay que tener en cuenta para la localización fija del eje de salida. Más estrecho que las alternativas de doble hilera, este estilo de rodamiento ofrece a los diseñadores la oportunidad de reducir la longitud y el peso de la caja de engranajes. Como se aplica una hilera en lugar de dos, la eficiencia se ve mejorada en aproximadamente un 30-50%, en comparación con la disposición de dos rodamientos TRB de hilera única en la posición de localización. Como el localizador trabaja constantemente con una zona de carga de 360º en todas las condiciones de par positivo, el movimiento del eje se minimiza y el contacto de los engranajes deja de ser una función de la holgura de rodamiento. La acumulación de suciedad en las pistas con rodamientos no asentados deja de ser un problema. Aunque se cuenta con una gran experiencia en el uso de rodamientos bidireccionales como los rodamientos localizadores en muchas aplicaciones diferentes, es importante que se realicen pruebas de campo para validar su uso, ya que existen muchas condiciones transitorias en las cajas de engranajes de las turbinas de vapor que no se tienen en cuenta en la fase de diseño. Además, se sigue llevando a cabo un análisis detallado y pruebas de laboratorio en la empresa de los autores para determinar cuál es la mejor forma de aplicar esta valiosa alternativa de rodamientos al soporte paralelo al eje de las cajas de engranajes de turbinas eólicas. Referencias AGMA 6006 Todas la imágenes: The Timken Company