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Lubricación en aerogeneradores

Los aerogeneradores han sido usados de alguna manera durante los últimos 7000 años. De igual manera los principios de la lubricación también han existido desde los tiempos de los egipcios. En los modernos aerogeneradores los Sistemas de Lubricación Centralizada (CLS) están siendo implementados más y más en las plantas de producción de energía eólica. Los objetivos principales son la simplificación del servicio, reducción de costes, minimización de desgaste y roturas, y el distanciamiento de las revisiones programadas al máximo

A pesar de mejorar los servicios, todavía sigue siendo esencial incrementar la vida eficaz de los aerogeneradores y reducir los costes de operación. Uno de los mayores problemas para el mantenimiento de los aerogeneradores es el hecho de que algunos fabricantes no incluyan un sistema de lubricación automática. El aporte de pequeñas cantidades de lubricante a intervalos regulares renueva la capa de lubricante de los componentes de los puntos de fricción; con el efecto inmediato de reducción de ruidos y prevención ante la posibilidad de que elementos contaminantes puedan alojarse en las zonas de rozamiento. El resultado de una correcta lubricación es trabajo uniforme de los cojinetes durante largos periodos de tiempo.

Una lubricación incorrecta o insuficiente puede provocar paradas prolongadas. El gran incremento de los costes de equipos, lubricantes y del mantenimiento, conduce a la necesidad de los sistemas de lubricación centralizada.

Las condiciones severas de trabajo, tales como vibraciones, cargas mecánicas, contaminación, humedad, etc... incrementan el desgaste de los rodamientos y puntos de fricción. Una lubricación adecuada es absolutamente necesaria para asegurar una correcta protección. Debe también tenerse en cuenta la dificultad de acceder al aerogenerador para realizar las labores de mantenimiento.

Mientras el aerogenerador está trabajando, el lubricante es aportado de forma controlada tanto en frecuencia como en caudal a todos los puntos del sistema de engrase. La lubricación en continuo asegura que el lubricante es siempre distribuido de forma óptima dentro del rodamiento.

Los fallos en los aerogeneradores son una de las principales causas de la baja disponibilidad, y por tanto, el conocimiento del número y tipo de fallos, su frecuencia y su incidencia, tanto en el coste de reparación como en el productivo, son necesarios para abaratar costes y mejorar el rendimiento.

En la Fig. I se puede apreciar la distribución de fallos por componentes en aerogeneradores, tomando como base de datos las estadísticas de Alemania en el año 2003, proporcionadas por el ISET (Instituto de Energías Renovables de la Universidad Alemana de Kassel). Se puede concluir que un 23% de las pérdidas de producción son – directa o indirectamente – debidas a fallos mecánicos en sistema Yaw o Pitch, Generador y Multiplicadora.

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Fig. I. Fuent: AEE/ISET

La implantación de sistemas de lubricación automáticos para los componentes mecánicos más sensibles no sólo reduce drásticamente estos porcentajes, sino que permite distanciar en el tiempo las actuaciones programadas de mantenimiento preventivo, con el consiguiente ahorro de costes para el propietario del parque e incremento de la productividad.

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Fig. II – Aplicaciones CLS Aquí se muestran las potenciales aplicaciones de engrase centralizado mediante equipos CLS en los aerogeneradores: los rodamientos de las palas, el eje principal, rodamientos principales, el sistema de orientación, y el generador requieren de una lubricación adecuada

Hasta tal punto llega el interés por reducir costes de mantenimiento preventivo y correctivo, que determinados fabricantes diseñan sus máquinas bajo el objetivo de minimizar estos costes y las temidas pérdidas de producción por averías mecánicas. La Fig. II muestra los componentes más críticos de un aerogenerador standard y sus correspondientes soluciones para la lubricación.

¿Qué requiere lubricación en los aerogeneradores?

Como resultado de las extremas cargas mecánicas y condiciones medioambientales a los que los aerogeneradores están expuestos, algunos fabricantes comenzaron a utilizar sistemas de lubricación para prolongar la vida útil de todos los componentes clave, desde finales de los años 80. En la actualidad, la práctica totalidad de los fabricantes consideran como fundamental un sistema de lubricación automática. La lubricación automática por zonas clave mediante sistemas centralizados fiables (Fig. II – Aplicaciones CLS) está siendo implementada en la mayoría de marcas y modelos de aerogeneradores.

Los sistemas de lubricación por grasa se usan para el engrase del generador, rodamiento principal, sistema de giro y de orientación. Tanto en Yaw como en Pitch (donde exista) requieren de lubricantes adhesivos, y debe aplicarse mediante un sistema de pulverización o mecánicamente (mediante un piñón apropiado). En el caso de la multiplicadora, la lubricación se efectúa normalmente con el método de inmersión en aceite, aunque para un rendimiento óptimo se requiere de un sistema de recirculación de aceite.

Componentes clave

El elemento fundamental en una turbina eólica es el generador. Aunque existen varios diseños de aerogeneradores, para este propósito examinaremos un aerogenerador típico con Generador asíncrono.

Descrito superficialmente, un aerogenerador recoge la energía del viento, que hace girar un eje que a su vez acciona un generador produciéndose electricidad.

Las palas, que giran por acción del viento, accionan el rotor, que va solidario a la cubierta de la nacelle, que a su vez incluye la multiplicadora, el generador, la unidad de control y el sistema de bloqueo. La turbina completa, ubicada en la zona superior de la torre, se orienta en función de la dirección del viento.

El sistema de orientación dirige la turbina hacia el viento. Además, para proteger el rotor, cambia la orientación de las palas cuando hay vientos demasiado elevados o insuficientes para generar electricidad.

El generador es normalmente standard de inducción o de velocidad variable. La unidad de control del aerogenerador evalúa las condiciones del viento y ajusta la turbina para maximizar la cantidad de energía generada, además de protegerla del desgaste y roturas. Los engranajes conectan el eje de baja velocidad al de alta velocidad e incrementan la velocidad de giro de 40-60 rpm a 1500-1800 rpm. Esto requiere grandes engranajes y ejes. Por ejemplo, en un aerogenerador de 3,2 Mw el par es 2,5 x 106 Nm.

Sistemas de lubricación con grasa

Para simplificar el proceso de suministrar lubricante a los diversos puntos de los rodamientos de las palas, se instala un distribuidor progresivo que a su vez alimenta a los inyectores que abastecen a cada punto de engrase (Fig. III – Sistema de engrase agrupado). De esta forma, se reduce de 9 ó más puntos de engrase por cada pala a un único punto de engrase para la totalidad de puntos de engrase de las palas. De esta forma, los puntos que previamente eran de difícil acceso, son ahora engrasados rápida y eficazmente desde un sólo punto. Debido al diseño modular del sistema de línea simple, el siguiente paso es la instalación de un equipo de engrase automático para el suministro de grasa.

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Fig. III – Sistema de engrase agrupado Todos los puntos de lubricación de las palas son engrasados desde un único punto de aplicación

Los aerogeneradores, en la actualidad, utilizan fundamentalmente dos sistemas de lubricación por grasa: el sistema progresivo y el sistema de línea simple. Puede utilizarse un mismo equipo de bombeo para ambos sistemas y la configuración de la bomba se selecciona de acuerdo con la aplicación. Básicamente, cada bomba se compone de un elemento de bombeo de tipo pistón (capaz de aportar grasa a presiones superiores a 350 bar), un depósito y dispositivos de control. La configuración del depósito es de gran importancia debido a que algunas grasas, con el paso del tiempo, tienden a sufrir separaciones, perdiendo sus propiedades lubricantes. Teniendo además en cuenta que la tendencia es distanciar los ciclos de mantenimiento al máximo (lo que significa que la grasa va a permanecer en el deposito durante un año o más), manteniendo una calidad de engrase constante, la solución correcta reside en una permanente agitación del lubricante. Por esta razón Lincoln ha reforzado su rango de productos incorporando agitadores en los depósitos de las bombas de engrase (Fig. IV). Para la lubricación de los rodamientos de las palas ha sido necesario diseñar una bomba que incorpore un homogeneizador de grasa y un plato seguidor. El plato seguidor es requisito imprescindible, ya que la bomba gira junto con las palas y debe ser capaz de suministrar lubricante en todas las posiciones, incluso cuando la bomba está boca abajo.

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Fig. IV – Bomba de engrase QLS 401 La QLS 401 ha sido específicamente diseñada para prolongar las propiedades de la grasa, incorporando un rascador que homogeiniza el lubricante, y previene la descomposición

En los distribuidores progresivos CLS el lubricante es bombeado desde el depósito de la bomba. El distribuidor reparte y dosifica la cantidad de lubricante aportado a cada punto de engrase. Cada salida del distribuidor debe dar la cantidad total de lubricante antes de que la siguiente salida pueda hacer lo propio, y así sucesivamente mientras se siga recibiendo lubricante desde la bomba. Este principio de funcionamiento permite monitorizar fácilmente la operación mediante un detector de proximidad.

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Fig. V – Sistema Centromatic

Los sistemas de línea simple también usan una bomba eléctrica, pero el sistema de bombeo de lubricante a los inyectores es diferente que a los distribuidores progresivos. Este sistema, denominado Centro-Matic (Fig. V), es un sistema de línea simple que permite trabajar a presiones de hasta 350 bar, y aportar diferentes y precisas cantidades de lubricante a cada punto, según necesidad.

La principal ventaja del sistema de línea simple en los aerogeneradores es el aporte de lubricante a cada punto es regulable, muy preciso, y permite monitorizar eléctricamente el engrase de cada punto individualmente.

Sistema de Recogida Automática de Grasa

Los rodamientos de Yaw (Fig. VI) y Pitch, pueden incorporar un sistema de engrase y recogida de grasa usada totalmente automático (QSL de Lincoln), en el que únicamente se debe –con una periodicidad aproximada de un año (incluso superior en función del tipo de lubricante)– retirar la grasa gastada y rellenar de grasa nueva el depósito del sistema. Por supuesto, se recomienda incorporar los sistemas de monitorización pertinentes en cada caso. El tiempo de mantenimiento con un QSL instalado, se reduce a pocos minutos/año.

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Fig. VI - Fuente: LINCOLN GMBH / G.T.RIVI Elementos de recogida de grasa, instalados en Pitch
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Sistema completo (engrase y recogida) instalado en Yaw

Lubricación de la corona de giro

El engrase de la corona de giro es muy importante tanto para los fabricantes como para el personal de mantenimiento del parque. Dependiendo del tipo de máquina, hay un mínimo de uno y un máximo de cuatro de engranajes abiertos.El sistema de giro (yaw) es común para todos los aerogeneradores. Consiste en un engranaje abierto que alinea la turbina hacia el viento. Si el rotor también dispone de sistema de orientación (pitch), entonces habrá tres ejes más en el buje. La reductora de giro esta relativamente accesible comparada con el ajuste de las palas en el rotor, de forma que es factible llegar a los puntos mediante un sistema de lubricación. La situación es diferente con el ajuste de las palas al rotor. Aquí sólo se usa un segmento de 90º. Esto lo hace muy dificultoso por el hecho de que alrededor del 90% del tiempo de producción de un aerogenerador, las palas permanecen en lo que se conoce como ‘posición 0’ y se ajustan sólo mínimamente. Por consiguiente, solamente dos o tres de los engranes están expuestos a las extremas cargas durante el 90% del tiempo. La lubricación convencional de este segmento de dientes sólo se puede dar si las palas del rotor giran 90º durante una sesión para mantenimiento. Sin embargo, como normalmente esta operación no puede llevarse a cabo sin desconectar la turbina, sólo hay dos opciones para lubricar los engranajes del rotor:

  • lubricación durante las fases naturales inactivas (sin viento)
  • intervalos obligatorios de mantenimiento (asociados a perdidas de producción)
  • La idea de adaptar las tareas de mantenimiento a las fases naturales inactivas es atractiva para los operadores de los parques, pero no tanto para el personal técnico y de mantenimiento. El hecho es que existen periodos de producción que pueden a ser extremadamente largos en determinadas épocas y que tienden a ser más largos en los parques eólicos off-shore. En estos casos, existe la posibilidad de que la capa de lubricante llegue a ser insuficiente antes de que finalice un periodo de producción, provocándose daños en los engranajes. El coste de sustitución es enorme, y excede con creces las pérdidas de producción. El menor de los males, por lo tanto, reside en programar una parada de mantenimiento estableciendo unos intervalos que supongan una pérdida de producción aceptable. Para la lubricación de una corona existen, fundamentalmente, dos métodos válidos que pueden implementarse en los aerogeneradores.

    1. Lubricación mecánica, mediante Piñón de Imprimación
    2. Lubricación por Pulverización, utilizando aire comprimido

    Con independencia del método elegido, es importante que la aplicación del lubricante sea correcta, tanto en cantidad como en frecuencia.

    Diseño de un Piñón de Imprimación para una corona de giro

    Los sistemas de lubricación para coronas son esencialmente diseños clásicos mediante el sistema progresivo; sin embargo, el lubricante se aplica por medio de un piñón de imprimación (Fig. VII) – también denominado “dummy wheel” – y no directamente punto de aplicación.

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    Fig. VII – Engrase de la Corona El engrase de la corona de giro está basado en el sistema progresivo clásico

    El piñón de imprimación, fabricado en un material especial, se sincroniza con la corona de giro o con el piñón de ataque. El piñón gira sin cargas, sobre un eje conectado a un plato de sujeción. El eje está taladrado y tiene conexiones de lubricación a ambos lados. El lubricante se suministra a las distintas capas del piñón desde el eje y fluye hacia el exterior por los flancos de los dientes. Cuando el piñón engrana, el lubricante se transfiere por contacto a la corona o al piñón de ataque. El piñón debe ser fabricado a medida para adaptarse a la forma del engrane.

    En función del diseño, el piñón de imprimación puede adaptarse al piñón o directamente a la corona en la zona de ajuste de las palas. En el primer caso, debe tenerse en cuenta que el lubricante se transfiere indirectamente a la corona. En el segundo caso, el lubricante puede ser aplicado directamente a los flancos de los dientes en un segmento de más del 90º. Cuando se usa un único piñón de imprimación por ajuste de pala, entonces sólo es posible el engrase a un lado del piñón de ataque. Esto lleva a una transferencia indirecta desde el piñón al otro lado del segmento de giro.

    Con todo esto, el piñón de imprimación es una solución perfectamente válida para el engrase de la corona. Muchos ensayos han mostrado que hay problemas con algunos lubricantes y, hasta la fecha, sólo dos tipos de los lubricantes adhesivos probados han dado un resultado totalmente satisfactorio y no han producido goteo.

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    Fig.VIII - Fuente: LINCOLN GmbH / G.T.RIVI Piñón de engrase de última generación, que mejora la fiabilidad y coste de modelos clásicos de fieltro, espuma...

    En particular, el sistema de orientación Yaw, normalmente accionado por engranes piñón-corona, es uno de los componentes más sensibles, por su tamaño y la dificultad intrínseca del aporte de lubricantes adhesivos sobre una superficie, en los rangos de temperatura entre los que el aerogenerador es productivo. Para ello, y tras muchos años de estudios y pruebas de laboratorio, se ha desarrollado el producto (Fig. VIII) que, no sólo es capaz de realizar este trabajo de forma fiable (aplicando de forma uniforme el lubricante, justo en el flanco del diente que va a engranar), sino que además conlleva un coste muy económico por su fabricación modular en serie para cada módulo y diámetro primitivo de piñón de ataque.

    Engrase por pulverización utilizando aire comprimido

    La pulverización es un modo de aplicar lubricante a los dientes de una corona que ha sido probado con éxito en un multitud de aplicaciones industriales. En los sistemas convencionales de pulverización, el lubricante se pulveriza con la ayuda de aire comprimido a los flancos de los dientes mediante boquillas de gran ángulo. Mediante una alineación óptima de las boquillas se logran excelentes resultados, cubriendo de lubricante la totalidad de la superficie de los dientes. Además, a diferencia de otros sistemas, al minimizarse el consumo de lubricante se mantiene limpia la zona.

    En un sistema de pulverización el lubricante se suministra desde la bomba y por medio de distribuidores progresivos llega hasta las boquillas pulverizadoras. Las boquillas utilizadas por Lincoln también se denominan ‘boquillas de control’. Los pistones integrados operan dependientemente, lo que quiere decir que el propio lubricante abre el canal de aire dentro de la boquilla, permitiendo su pulverización. En el instante que se ha producido la pulverización, el canal de aire se cierra. Este diseño facilita la monitorización eléctrica del funcionamiento y reduce el consumo de aire. Debido a que el canal de aire únicamente puede ser abierto por acción del lubricante, el consumo de aire se reduce al 50% respecto de un boquilla de pulverización permanentemente abierta.

    Este tipo de aplicación, combinada con un diseño único de la boquilla, permite una pulverización óptima y una fina capa de lubricante. Este sistema de pulverización permite el uso de diferentes tipos de lubricantes adhesivos, ya que la finísima capa de lubricante pulverizado no gotea. Desafortunadamente todavía no está disponible el aire comprimido en los aerogeneradores y la instalación de un compresor aceptable (40-50 l/min) es difícil. Una vez se supere el problema, este sistema de lubricación se impondrá como el método ideal para la aplicación de lubricante adhesivo a los engranajes.

    Sistemas de circulación de aceite para multiplicadoras

    Muchos de los fallos de funcionamiento son consecuencia de un fallo del multiplicador, y están directamente relacionados con una lubricación insuficiente o inadecuada y con una falta de rutina de mantenimiento. El rendimiento de la turbina depende en gran medida del rendimiento del multiplicador. En función de las condiciones de trabajo, el multiplicador debe soportar cargas medio-altas a bajas velocidades, mientras en otras situaciones se soportan cargas bajas pero a velocidades muy altas. Las condiciones de ‘altas cargas & baja velocidad’ se producen cuando el viento es suave y puede llevar a la rotura de la película de lubricante, necesaria para proteger a los componentes. Actualmente, el método más común para la lubricación del multiplicador consiste en una lubricación mediante baño por inmersión. Cada inmersión es una lubricación aleatoria que se presupone suficiente para todas las condiciones de operación que se necesiten. ¿Qué se necesita realmente para la lubricación óptima del multiplicador?

    1. Suficiente cantidad de aceite en los engranajes y rodamientos
    2. Pureza aceptable del aceite, en lo que a partículas contaminantes se refiere (incluso aire y agua), y temperatura adecuada
    3. Viscosidad mínima del aceite perfectamente definida, para todas las condiciones de trabajo.

    Ninguno de estos parámetros es totalmente cumplido en una lubricación por inmersión.

    Si la cantidad fuera suficiente y correctamente distribuida, entonces sería necesario bombear desde el fondo del cárter para asegurar una correcta distribución. Es obvio que la circulación debe complementarse de la ayuda de un filtro, con el objeto de eliminar las partículas contaminantes hasta obtener el grado de pureza requerido. La condensación no puede evitarse y el aire penetra en el aceite. Con medios normales, el aire y el agua no se pueden eliminar del fondo y reducen el rendimiento. Para lograr que el aceite mantenga una viscosidad constante debe ser enfriado y calentado, por lo que debe incorporarse algún sistema de calentamiento de aceite. La refrigeración del aceite ha de instalarse en un circuito separado.

    Con todas estas consideraciones, la incorporación de un sistema de lubricación por circulación de aceite debe ser tenida muy en cuenta. El diseño del depósito puede adaptarse a las condiciones locales, pero siempre teniendo en cuenta la eliminación de agua y aire, la filtración del aceite y el mantenimiento de la viscosidad y temperatura de trabajo.

    Una máquina bien engrasada

    Queda claro que el uso de sistemas de lubricación centralizada conlleva considerables ventajas en los aerogeneradores. La mayoría de los fabricantes de aerogeneradores han desarrollado o están desarrollando nuevas especificaciones de lubricación. Estas especificaciones son mas exigentes que para la lubricación de engranajes o rodamientos industriales, y reflejan más exactamente las condiciones reales de funcionamiento, incluyendo condiciones de temperatura extremas, altas cargas, desgastes, mantenimiento y accesibilidad.

    A día de hoy, todavía es bastante habitual encontrar parques eólicos con procedimientos y sistemas de mantenimiento deficientes. Esta circunstancia está cambiando drásticamente, debido especialmente a los nuevos aerogeneradores, donde las cargas, desgastes y fricciones adquieren valores muy elevados.

    Incluso aunque una buena proporción de turbinas ya implementan CLS (Centralized Lubrication Systems), fabricantes y operarios deberían tener en consideración que las nuevas generaciones de aerogeneradores, particularmente para parques ubicados en el mar (OffShore), tienden a prolongar el tiempo de servicio, lo que exige la utilización de sistemas de lubricación centralizada eficaces. La industria energética está en un proceso de crecimiento enorme que continúa evolucionando, por lo que el desarrollo de productos de lubricación para este mercado lleva un ritmo de desarrollo paralelo.

    A la hora de elegir el sistema de lubricación más adecuado, es fundamental tener en cuenta la siguiente premisa: “Fiabilidad, Durabilidad y Eficacia son directamente proporcionales a Calidad, Diseño y Precio”. Por supuesto, es fundamental la elección del lubricante óptimo, bombeable a bajas temperaturas, y con bajo grado de separación a lo largo del tiempo.

    Eduardo Vicente
    GRUPO T. RIVI - LINCOLN SPAIN
    tel. 976 126585
    www.lincolnindustrial.es