Es frecuente que un diseño híbrido contenga un sistema de engranajes planetarios de una o dos fases con el fin de simplificar el tren de potencia y mejorar el rendimiento y la fiabilidad. La teoría es que la fiabilidad mejora reduciendo el número de piezas y eliminando las fases de velocidad alta, propensas a producir daños debido a algunas de las condiciones operativas dinámicas. En las fases planetarias de estas cajas de engranajes de velocidad media, es habitual que los engranajes planetarios se apoyen sobre rodamientos de rodillos cilíndricos en un portaengranajes planetario cerrado (Figura 1). En este diseño, el pasador que soporta los engranajes planetarios está apoyado en ambos lados por una de las dos paredes del portaengranajes, que están conectadas a cada lado con redes colocadas entre dos engranajes planetarios adyacentes.
Figura 1. Sistema de engranajes planetarios en portaengranajes cerrado.
Algunos trenes de transmisión planetarios se están actualizando gradualmente para incorporar rodamientos de rodillos cónicos con carga previa (Figura 2) bajo los engranajes planetarios para añadir fiabilidad al eliminar las micropicaduras y la acumulación de suciedad que se pueden producir cuando los rodamientos se deslizan sin carga y con espacio entre el rodillo y las pistas. Esta condición se da con frecuencia en un aerogenerador que gira pero que no produce energía. Con un diseño adecuado, la carga previa que se puede incorporar mediante el uso de los rodamientos de rodillo cónico mantendría las fuerzas de tracción y carga en cada uno de los contactos de los rodillos en este estado sin carga, manteniendo así un rodamiento puro en lugar de provocar deslizamiento.
Figura 2. Engranaje planetario con carga previa y rodamientos de rodillos cónicos.
Otra construcción idónea para turbinas eólicas híbridas incorpora la tecnología de los pasadores flexibles en el sistema de engranajes planetarios. De ello habla este artículo.
Tecnología de pasadores flexibles
La figura 3 muestra el diseño de los pasadores flexibles integrados. En los últimos años se han desarrollado varios bloques de construcción nuevos relacionados con esta tecnología. Estos avances adaptan la tecnología de los pasadores flexibles para crear una solución sencilla con la que conseguir una mayor fiabilidad de la caja de engranajes de las turbinas híbridas. Esta tecnología puede hacer que el diseño híbrido sea más competitivo al hacer posible un diseño de transmisión directa que puede ofrecer una mayor fiabilidad al eliminar completamente la caja de engranajes.
Figura 3. Engranaje planetario con tecnología de pasadores flexibles integrados.
Raymond Hicks, inventor británico, introdujo originalmente la tecnología de los pasadores flexibles alrededor de 1965. Desde 2001, esta tecnología ha avanzado mediante una serie de pasos innovadores. La configuración típica incluye varios pasadores flexibles de engranajes cilíndricos rectos dispuestos alrededor de un portaengranajes planetario de una sola pared (Figura 4). Los pasadores están en voladizo desde el portaengranajes de una pared, lo que elimina la desalineación no deseada de la cara del engranaje provocada por el giro torsional producido en los sistemas con portaengranajes planetarios de dos paredes, una a cada lado (Figura 1). Esto elimina la necesidad de realizar una corrección en la cara de los engranajes.
Figura 4. Sistema de engranajes planetarios con pasador flexible normal y portaengranajes de una sola pared.
En la figura 5 se muestra cómo se integran los portaengranajes flexibles en el eje principal de una estructura en voladizo doble que se curva bajo una carga en dirección circunferencial a lo largo del círculo de contacto de los engranajes planetarios, a la vez que se mantiene una alineación casi perfecta. La curvatura de cada pasador también proporciona resistencia a la vibración en este punto de transferencia de la carga, que equilibra las cargas en varios engranajes planetarios adyacentes. Generalmente, los sistemas de pasadores flexibles contienen siete engranajes de transmisión planetarios y, aplicando métodos de ingeniería específicos, se puede obtener una distribución equitativa de la carga entre todos ellos. Por tanto, un sistema de pasadores flexibles puede permitir al ingeniero distribuir el par motor de entrada de forma más equitativa en un número mayor de engranajes planetarios y eliminar la mayor parte de la desalineación de la cara de los engranajes producida por el giro torsional, dos pasos fundamentales para reducir la tensión de los engranajes y aumentar la fiabilidad.
Figura 5. Patrón de curvatura de un pasador flexible con una construcción en voladizo doble.
Diseño del rodamiento con pasador flexible
Los pasadores flexibles se pueden fabricar de numerosas formas, pero el rodamiento con pasador flexible integrado que se muestra en la figura 3 está fabricado de una forma única y simple, ya que contiene muy pocas piezas (concretamente el pasador, el manguito, los conjuntos de rodillos, el engranaje y el anillo de pestaña atornillado). Su diseño compacto ofrece una densidad de potencia extrema ya que, a diferencia de otros diseños en los que se montan por separado las pistas interiores en el manguito y las exteriores en el interior del engranaje planetario, este rodamiento con pasador flexible integra las pistas en sus superficies de montaje, combinando las secciones transversales para obtener una fuerza de viga suficiente y soportar índices de carga dinámica en una sección transversal del perfil inferior. De forma parecida, la adaptación de un anillo de pestaña estrecho atornillado a una abrazadera y la holgura en el rodamiento ofrecen una solución única para reducir la anchura total del pasador flexible. Esta construcción permite al fabricante de la caja de engranajes montar el pasador flexible y el engranaje y ajustar el rodamiento. Al reducir el tamaño radial y axial del pasador flexible mientras se mantiene el índice de carga dinámica, la configuración de este rodamiento con pasador flexible integrado resulta ventajosa al reducir el tamaño de los diseños de las cajas de engranajes.
Anteriormente mencionamos que los pasadores flexibles se utilizan junto con un engranaje cilíndrico. Los engranajes cilíndricos son recomendables debido a que crean un patrón de fuerza óptimo para el pasador flexible, que debe curvarse sin desalinearse solo en una dirección circunferencial a lo largo del círculo de contacto de los engranajes planetarios. Las dos fuerzas tangenciales de la figura 7 que actúan en el engranaje planetario son aditivas y crean zonas de carga bastante iguales, equilibradas y simétricas en la parte posterior de las dos hileras del rodamiento. Las fuerzas de separación se anulan.
Figura 7. Patrón de fuerza al utilizar engranajes cilíndricos.
Nuevo rodamiento con pasador flexible
Otro avance novedoso es el rodamiento integrado en engranaje helicoidal con eje flexible (Figura 8), que permite incrementar la resistencia a flexión en los dientes, obtener más fácilmente un mejor contacto en los dientes del engranaje y reducir el ruido y la vibración. Este avance constituye un verdadero hito hasta la fecha y solo se utilizaban diseños con engranajes de diente recto.
Figura 8. Rodamiento con pasador flexible integrado helicoidal con retenedor.
Los engranajes helicoidales añaden un elemento disruptivo al patrón de fuerza. Los ángulos helicoidales en ambos engranes del engranaje planetario generan dos fuerzas axiales iguales y opuestas que se anulan, pero crean un momento de giro que curva las zonas de carga en las dos hileras y añade una nueva desalineación en un plano (plano radial de 90º respecto al plano de las dos fuerzas tangenciales). La solución es integrar un pasador flexible con características de deflexión normales en el plano de curvatura deseado y características de deflexión mucho más rígidas en el plano radial para minimizar el efecto del momento de giro. Con métodos de ingeniería específicos, esto se puede llevar a cabo uniendo el manguito con el pasador solo en el plano radial a fin de incrementar su capacidad de resorte combinada y reducir la curvatura no deseada a un nivel aceptable.
Ahora los rodamientos con pasadores flexibles integrados de engranajes helicoidales se pueden aplicar a sistemas de engranajes planetarios en portaengranajes con una sola pared (abiertos). Este avance constituye el siguiente paso en la densidad de potencia para sistemas que emplean pasadores flexibles en cajas de engranajes de turbinas eólicas. Sin embargo, estos sistemas a menudo contienen un gran número de engranajes planetarios, quizás siete u ocho, para reducir la tensión de curvatura del pasador en voladizo a un nivel aceptable. Estos diseños emplean un engranaje central con un diámetro mayor y engranajes planetarios con un diámetro menor (en la figura 4 se muestran engranajes cilíndricos), reduciendo así el índice de aceleración. Para algunos diseños, se considera aceptable un índice de aceleración menor, pero si se desea una velocidad de salida mayor (por ejemplo, para proporcionar un movimiento de entrada a un generador magnético permanente de velocidad media), resultaría ventajoso disponer de un índice de aceleración más elevado a fin de reducir el tamaño del generador.
Para abordar esta necesidad, los ingenieros han desarrollado el sistema de transmisión flexible (Figura 9), que coloca engranajes planetarios suficientes (cilíndricos o helicoidales) para transferir el par motor con tensiones de pasador aceptables a dos hileras opuestas en un portaengranajes de apariencia convencional y con dos paredes. Al reducir el número de engranajes planetarios en las hileras, el espacio entre estos permite utilizar engranajes planetarios con un diámetro mayor. A su vez, esta construcción permite utilizar un sistema de pasadores flexibles con más pasadores para transferir el par motor y obtener un índice de aceleración mayor. En función de la variabilidad del ciclo de servicio, una transmisión flexible puede aumentar significativamente la densidad de potencia, en comparación con los sistemas de engranajes planetarios convencionales montados a ambos lados (Figura 1). Esto es posible debido a que se elimina la desalineación del giro torsional y se obtiene una mejor distribución de la carga entre los engranajes planetarios.
Figura 9. Transmisión flexible de Timken con rodamientos con pasadores flexibles integrados y engranajes helicoidales.
La elección de cuál es la solución de rodamiento con pasador flexible integrado más adecuada para una determinada aplicación depende en gran medida de los resultados deseados (par motor y velocidad), la estructura circundante y las limitaciones impuestas por otros elementos. Sin embargo, la tecnología de rodamiento de pasador flexible integrado se puede adaptar y, con los métodos de ingeniería específicos y el soporte de los expertos, normalmente se puede llegar a una solución adecuada.
Enfoque en la funcionalidad
Con miras al futuro, los diseñadores de aerogeneradores con engranajes siguen realizando avances en sus productos, reduciendo la masa y aumentando la fiabilidad. Para complementar este esfuerzo, existe un enfoque reforzado en el aspecto funcional de las turbinas eólicas. Una posible solución es una configuración de tren de transmisión que utilice dos módulos independientes (Figura 10): un módulo con un rodamiento de eje principal contra el viento situado a la izquierda y un módulo con un generador y una caja de engranajes a favor del viento situado a la derecha. Esta estructura de tren de transmisión tiene dos ventajas: 1) incrementa el acceso a cada módulo y la funcionalidad de estos y 2) evita que la carga del eje principal entre en el módulo del generador y la caja de engranajes a favor del viento, siempre que se seleccionen los rodamientos del eje principal adecuados para el módulo del eje principal contra el viento. Esto constituye un avance significativo hacia el aumento de la fiabilidad de las cajas de engranajes debido a que los engranes no se ven afectados negativamente por la deflexión del eje principal, algo que ocurre a menudo en los trenes de transmisión de turbinas eólicas actuales.
Figura 10. Módulo de eje principal contra el viento y módulo de generador y caja de engranajes a favor del viento.
En la figura 11 se muestran las opciones de rodamientos recomendadas para el módulo de eje principal, entre ellas, una combinación habitual de 2-TS, un rodamiento de doble hilera y gran diámetro denominado TDO y, por último, una combinación de un TDI cónico fijo utilizado con un rodamiento de rodillos cilíndricos de tipo NU flotante. Todas las configuraciones tienen ventajas y es necesario evaluarlas teniendo en cuenta los requisitos de diseño específicos de cada turbina eólica.
Figura 11. Opciones recomendadas de rodamientos de eje principal para el módulo contra el viento.
La ilustración de la figura 12 muestra un diseño innovador para el módulo del generador y la caja de engranajes a favor del viento. Este módulo altamente funcional se aplica a una caja de engranajes planetarios compuestos y separados de índice elevado apoyada completamente en el lado del pedestal situado contra el viento. Suspendido totalmente desde el lado del pedestal orientado a favor del viento se sitúa un generador magnético. Este generador está conectado a la salida de la caja de engranajes mediante un acoplamiento que elimina el par motor y sirve de fusible mecánico para evitar picos en el par motor de la línea de transmisión creados desde cualquiera de los extremos de la turbina; es decir, por turbulencias del rotor, por fallos en la red eléctrica o por otras circunstancias dinámicas y transitorias. Este fusible mecánico controla la carga máxima, protege los engranajes y los rodamientos de cargas excesivas y permite al diseñador de la caja de engranajes reducir la masa de los engranajes a fin de obtener un diseño ligero.
Figura 12. Módulo de generador y transmisión por engranajes
Resumen
Estas soluciones representan posibilidades reales para los diseñadores de cajas de engranajes y solucionan el problema de muchas de las averías que se producen actualmente en la industria de las cajas de engranajes de aerogeneradores. Para que la industria de las cajas de engranajes compita en el sector de la energía eólica, es necesario adoptar la nueva tecnología que devolverá la fiabilidad y, al mismo tiempo, alcanzará objetivos relacionados con tecnología innovadora de reducción de masa.
