Selección y cálculo de rodamientos para plantas de energía eólica

Las exigencias impuestas a los rodamientos para plantas de energía eólica son extremadamente altas. Por lo tanto, los procedimientos para la selección de rodamientos y los cálculos de vida útil son fundamentalmente diferentes a la selección de rodamientos en otras áreas de aplicación.

Al seleccionar rodamientos para uso industrial, los ingenieros de diseño pueden elegir rodamientos para una ubicación de rodamiento definida con relativa facilidad, trabajando junto con sus proveedores si es necesario, y basando sus decisiones en parámetros como el par y el número de revoluciones, la carga radial y axial, y la rigidez y precarga o juego requeridos. La amplia gama ofrecida por proveedores completos como NSK significa que el rodamiento adecuado siempre está disponible, incluso para aplicaciones inusuales o condiciones de funcionamiento especiales. Si este no es el caso, también se pueden utilizar rodamientos especiales personalizados.

Requisitos exactos
En la tecnología de la energía eólica, los procedimientos que conducen a la selección de un rodamiento son fundamentalmente diferentes, esencialmente debido a un solo parámetro:la vida útil del rodamiento. Los fabricantes de plantas de energía eólica y los engranajes para esas plantas requieren una vida útil de los rodamientos de 20 años (es decir, 175.000 horas) para sus rodamientos. Este ya es un valor extremo, pero no cubre todos los requisitos. Además, hay que tener en cuenta que las cargas externas que actúan sobre el rodamiento son muy dinámicas (es decir, irregulares) debido al viento. Las condiciones ambientales desfavorables para las instalaciones marinas, cada vez más utilizadas, son otro factor:el aire del mar es altamente corrosivo. Para las plantas generadoras, también se debe tener en cuenta la corrosión eléctrica. Finalmente, las opciones de servicio disponibles para los operadores de parques eólicos son extremadamente limitadas y cualquier tiempo de inactividad no programado para un rodamiento resultará en costos significativos.

La importancia de calcular la vida útil
El simple cálculo de la vida útil de este tipo de rodamiento requiere un gran grado de experiencia. Por eso, la selección de rodamientos para plantas de energía eólica es más compleja que en otras áreas de uso. Deben tenerse en cuenta numerosos parámetros. Además de las cargas de los rodamientos y las velocidades de rotación en el contexto de la aplicación, los ingenieros de diseño deben considerar la construcción en la que se colocará el rodamiento, es decir, la configuración del eje y la carcasa, sus materiales y sus tolerancias.

A partir de estos datos, en primer lugar se realizan los cálculos estandarizados convencionales de acuerdo con DIN ISO 281, también conocido como método de catálogo. Los parámetros son la carga del rodamiento, la velocidad de rotación, la capacidad de carga y el tipo de rodamiento. En otros cálculos, también se tienen en cuenta parámetros como la temperatura, la lubricación y la pureza del aceite.

Mayor precisión que la requerida por el estándar
El apéndice 4 de DIN ISO 281 asume una geometría de rodamiento simplificada como base para calcular la vida útil de referencia modificada. En la mayoría de los casos, este tipo de cálculo es adecuado. Sin embargo, en la industria de la energía eólica, se prefieren valores más precisos. NSK ha desarrollado su software STIFF para este propósito. Al calcular la vida útil del rodamiento, STIFF también tiene en cuenta la geometría interna exacta, el juego de funcionamiento y la precarga, la deformación del sistema de rodamiento del eje y la zona de carga y la distribución de la carga entre los elementos rodantes y el camino de rodadura del rodamiento.

En este modelo, los elementos rodantes se dividen en rodajas. Se determina una vida útil del rodamiento de referencia individual y modificada para cada corte. Se obtiene una indicación más realista de la vida útil total del rodamiento en función del tiempo compartido para cada caso de carga.

Optimización de diseño dirigida
Además del cálculo rápido y preciso de la vida útil del rodamiento, el software STIFF también permite análisis de versión a corto plazo y, por lo tanto, optimización de diseños existentes. Además, se pueden probar rápidamente adaptaciones especiales del rodamiento. Esta ventaja particular se aprovecha con frecuencia:los rodamientos personalizados se utilizan a menudo en la tecnología de energía eólica precisamente debido a los exigentes requisitos. Además, las predicciones de rigidez, la estimación de la pérdida de eficiencia y la investigación de la seguridad operativa son parte de los objetivos de cálculo que persigue la unidad NSK Wind Energy al seleccionar los rodamientos.

Ingeniería a la vanguardia:cooperación intensa con los clientes
Dada la cantidad de datos que deben tenerse en cuenta en esta área y los exigentes requisitos de vida útil de los rodamientos, no es de extrañar que estos proyectos se ejecuten siempre en estrecha colaboración con el cliente. Junto con la ingeniería, las pruebas también juegan un papel importante. NSK ha diseñado bancos de prueba de rodamientos que permiten la simulación de cargas dinámicas y movimiento. Estos incluyen, por ejemplo, un gran banco de pruebas de rodamientos capaz de aplicar fuerzas dinámicas y momentos de la carga del rotor, y un banco de pruebas para simular aceleración y desaceleración y procedimientos de frenado para rodamientos de rodillos que giran rápidamente.

Tecnología Super-TF para tecnología de energía eólica
Aparte de la selección del diseño del rodamiento, la elección del material también juega un papel crucial:una vida útil del rodamiento de 175.000 horas, por ejemplo, en condiciones desfavorables y cargas dinámicas, solo se puede lograr mediante el uso de materiales especiales. Es por eso que NSK se ha valido de sus muchos años de experiencia en materiales para desarrollar materiales especiales adecuados para condiciones operativas extremas. Uno de esos desarrollos es la tecnología Super-TF. Esta tecnología despliega un acero para cojinetes de alta pureza combinado con una tecnología especial de tratamiento térmico, lo que garantiza un contenido optimizado de austenita retenida. Este material asegura que cualquier materia extraña que penetre en el rodamiento genere menos tensión en el material que en el acero convencional. Como resultado, el daño por impurezas ocurre con menos frecuencia.

Los cojinetes fabricados con este material y utilizados con un lubricante limpio tienen aproximadamente el doble de vida útil. La tecnología Super-TF se puede utilizar para una amplia gama de tipos de rodamientos, como los rodamientos de rodillos cilíndricos, que se encuentran entre los tipos de rodamientos más utilizados en la tecnología de energía eólica, así como para los rodamientos de rodillos cónicos y esféricos.

Diferentes tipos de rodamientos
En las plantas de energía eólica modernas de las clases de megavatios y megavatios, los engranajes planetarios de etapas múltiples y los engranajes diferenciales proporcionan principalmente la reducción de velocidad necesaria del tren de potencia principal. En este caso, los ingenieros de diseño deben seleccionar no solo el tipo de cojinete apropiado, sino también determinar el tipo de disposición de cojinetes. Se encuentran disponibles conjuntos de cojinetes con cojinetes fijos y de extremo libre, un conjunto de cojinetes ajustados o un conjunto de cojinetes flotantes.

Cada tipo de rodamiento tiene ciertas ventajas y desventajas. Un conjunto de cojinetes ajustado que permite una guía precisa del eje, particularmente en la dirección axial, por lo tanto, corre el riesgo de tensión recíproca. Por lo tanto, aquí se deben seleccionar tipos de conjuntos de rodamientos, como rodamientos de rodillos cónicos, que permiten que las fuerzas axiales se acomoden en al menos una dirección junto con las fuerzas radiales. Lo mismo se aplica a los conjuntos de cojinetes flotantes, en los que el eje puede moverse axialmente una cierta distancia. Los conjuntos de cojinetes fijos y flotantes se utilizan, por ejemplo, en diseños de cojinetes para portasatélites y ruedas planetarias.

Nuevos diseños para engranajes principales
Además de la tendencia de instalaciones marítimas y de rendimiento cada vez más alto, los nuevos diseños de transmisión y engranajes también presentan nuevos desafíos a los ingenieros de diseño. NSK está trabajando en estrecha colaboración con los fabricantes de plantas de energía eólica y sus componentes de propulsión. El objetivo es ayudar a desarrollar nuevos diseños (que aumenten la eficiencia de los aerogeneradores o reduzcan el peso en la góndola, por ejemplo) para el mercado de forma rápida y que den a sus usuarios una ventaja competitiva. NSK tiene la ventaja de tener más de 20 años de experiencia en el desarrollo de rodamientos para la industria de la energía eólica, una ventaja que también beneficia a los usuarios de rodamientos fuera del sector de la energía eólica.

Para obtener más información sobre los productos y servicios de NSK, visite www.nsk.com.