Energía y medio ambiente

Factores en la falla de la caja de engranajes de la turbina eólica

Factores en la falla de la caja de engranajes de la turbina eólica

El mantenimiento de turbinas eólicas puede cubrir una amplia variedad de actividades, pero uno de los principales problemas se refiere a la reparación o reemplazo de las cajas de engranajes de las turbinas eólicas, que a menudo fallan prematuramente antes de que hayan completado su vida útil de 20 años. Algunos proyectos eólicos experimentan tasas de falla de hasta el 50 por ciento en el espacio de unos pocos años. Esto, a su vez, aumenta los costos a través de un mayor tiempo de inactividad, mayor mantenimiento y reconstrucción y reemplazo de la caja de engranajes.

Una de las razones de esto es el hecho de que la industria es tan nueva en comparación con otras industrias, pero también podría deberse al ritmo de desarrollo de las turbinas eólicas con diseños cada vez más grandes que llegan al mercado. La falta de comprensión de las cargas de la turbina es otro factor, al igual que un problema emergente con el agrietamiento axial en los cojinetes de la turbina.

En 2007, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) estableció su Colaborativa de Confiabilidad de Caja de Engranajes NREL para evaluar por qué ocurren las fallas de la caja de engranajes y cómo abordar el problema. Los Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque también están analizando este tema. El resultado de esto ha sido una mayor disposición a compartir los datos resultantes con el público en general, mientras que anteriormente la industria se mostraba algo reacia a hacerlo. La ventaja de hacerlo es que permite a la industria explicar al público lo que está haciendo para ayudar a reducir el costo de la energía eólica.

Por ejemplo, en años anteriores, las pruebas a gran escala eran caras, por lo que los fabricantes de equipos originales (OEM) tendían a realizar pruebas cortas en su lugar, y no muchas de ellas. Sin embargo, las pruebas ahora son más extensas, generalmente se llevan a cabo en grandes bancos de pruebas y, por lo tanto, también son más rigurosas.

Prueba de fase 1 de la caja de engranajes de la turbina eólica en NREL [Fuente de la imagen: NREL]

El conocimiento de cómo responden las cajas de engranajes de las turbinas eólicas a las cargas ahora ha mejorado enormemente, a menudo gracias al software de diseño desarrollado por empresas como Romax Technology, con sede en Troy, Michigan, que ha producido un paquete de software llamado Romax Wind. Equipados con dicho software, los ingenieros son mucho más capaces de evaluar con precisión las tensiones impuestas a los engranajes y cojinetes y esto significa que están mucho mejor situados para poder desarrollar turbinas eólicas más resistentes.

Por ejemplo, ahora está bastante claro que la mayoría de las fallas de las cajas de engranajes de las turbinas eólicas, que representan el 76 por ciento de las fallas, se deben a fallas en los rodamientos, aunque este no es el único problema, por supuesto. El agrietamiento axial en los cojinetes es una de las principales causas de tal falla.

Aparte del agrietamiento axial en los rodamientos, la contaminación de los lubricantes con partículas afiladas puede provocar fallas por picaduras en los rodillos de los rodamientos. Comienza como micropicadura, también conocida como tinción gris o glaseado debido al color causado por la presencia de grietas microscópicas que generalmente son demasiado pequeñas para ser visibles en sí mismas, pero colectivamente hacen que una superficie adopte un color gris. Luego, la superficie del rodillo se debilita, lo que resulta en una pérdida de tolerancia de precisión. Los contaminantes suelen ser materiales como arena, óxido, virutas de mecanizado, polvo de trituración y salpicaduras y escombros causados ​​por el desgaste. Desafortunadamente, la mayoría de estas partículas no se pueden filtrar del lubricante.

Las manchas oscuras son contaminantes en el aceite [Fuente de la imagen: NREL]

Las cajas de cambios de alta velocidad a menudo sufren altas tasas de fallas. Los ingenieros tendían a instalarlos en turbinas eólicas porque esto les permitía instalar también pequeños generadores, reduciendo así el costo inicial. La tendencia ahora se mueve más hacia la instalación de cajas de cambios de velocidad media. Estos tienen menos engranajes y rodamientos y, por lo tanto, son mucho más confiables, pero también son más costosos. No obstante, las cajas de cambios de velocidad media podrían incrementar el número de turbinas en funcionamiento en cualquier momento, aumentando así la cantidad de energía limpia generada y creando miles de puestos de trabajo en diseño, fabricación y operación.

Muchas cajas de engranajes fallan debido al templado de rectificado. Esto ocurre cuando la temperatura de una parte del engranaje excede la temperatura de templado del acero del que está hecho. Esto, a su vez, reduce su dureza y, por tanto, su resistencia. Para contrarrestar esto, los fabricantes de equipos originales exigen a sus proveedores que revisen los engranajes para ver si están templados. Se puede utilizar un proceso llamado grabado nital para identificar las diferencias en la microestructura de los componentes, lo que permite identificar las áreas dañadas por el mecanizado o la abrasión. Si tales áreas no se enfrían adecuadamente, pueden sobrecalentarse. Aparecerán más oscuros bajo la prueba de grabado nital que las áreas no dañadas.

La inclusión de una partícula extraña en un engranaje aumenta la tensión. Si es lo suficientemente grande y lo suficientemente cerca de una superficie de contacto activa, hará que el engranaje falle prematuramente. El remedio para esto son las pruebas no destructivas, como las pruebas ultrasónicas phased-array, que están ayudando a reducir la cantidad de "inclusiones" y, por lo tanto, la cantidad de fallas en los engranajes.

Volviendo al problema de agrietamiento axial mencionado anteriormente, esta es una causa regular de falla en la caja de engranajes de la turbina. El agrietamiento axial en los rodamientos generalmente ocurre en forma de grietas largas en el aro interior de un rodamiento. A veces se le llama "agrietamiento por grabado blanco" debido a las áreas blancas irregulares que aparecen en las superficies de los cojinetes cuando se graban químicamente y se examinan mediante micrografías. Es un problema que afecta a las cajas de cambios de todos los fabricantes y los rodamientos de rodillos cilíndricos son particularmente vulnerables. El tratamiento térmico durante la fabricación puede exacerbar el problema, ya que un enfriamiento no uniforme puede causar tensiones localizadas que conducen al agrietamiento. Una forma particular de tratamiento térmico conocida como carburación de la carcasa puede ayudar a reducir la aparición de fisuras axiales en los cojinetes. Esto implica que el componente se coloque en un horno con atmósfera de carbono, seguido de un enfriamiento rápido y un revenido, obteniendo un núcleo endurecido con bajo contenido de carbono y una carcasa dura con alto contenido de carbono.

Daños en el engranaje de la etapa intermedia y de alta velocidad [Fuente de la imagen: NREL]

El agrietamiento también puede ocurrir debido a la transformación desigual de austenita en martensita. La martensita es una forma de acero muy dura. Se produce una transformación martensítica cuando se enfrían metales específicos y, a menudo, cuando la austenita se enfría a temperatura ambiente. La austenita es un alótropo del hierro, siendo la alotropía la propiedad de algunos elementos químicos de existir en dos o más formas diferentes en el mismo estado físico. Por ejemplo, los alótropos del carbono incluyen diamante, grafito, grafeno y fullereno. Además de la austenita, otros dos alótropos de hierro son el hierro alfa (ferrita) y el hierro delta. La austenita también se conoce como hierro gamma. Si la transformación de austenita en martensita no es uniforme, puede causar diferentes velocidades de enfriamiento, lo que a su vez conduce a crecimiento, encogimiento y distorsiones de torsión que causan agrietamiento.

El agrietamiento axial aún no se comprende completamente, pero otra solución, además del tratamiento térmico de carburación de la carcasa, podría ser un recubrimiento de óxido negro en los rodamientos. Esto podría mejorar las propiedades estructurales del acero utilizado para fabricar cojinetes y al mismo tiempo eliminar el hidrógeno. Esto es importante porque el hidrógeno puede hacer que el acero se vuelva quebradizo. Las fuentes de hidrógeno pueden incluir aceite de caja de cambios, humedad en aceite y varios aditivos de aceite. Otra fuente puede ser la descarga electrostática de los sistemas eléctricos o de lubricación que pueden extraer hidrógeno del agua y aceite en la caja de cambios.

Aunque la falla de la caja de cambios es de hecho un problema persistente en el sector eólico, la comprensión de estos problemas está mejorando todo el tiempo y, con ello, la confiabilidad de las turbinas eólicas.

Ver el vídeo: Falla de turbina 350 (Octubre 2020).