La colaboración sobre la confiabilidad del tren motriz busca causas y soluciones de fallas en la caja de cambios
En el exterior, las turbinas eólicas aparecen como estructuras elegantes y minimalistas que marcan las laderas onduladas. Pero dentro de muchas turbinas eólicas, una caja de engranajes trabaja arduamente para convertir las rotaciones relativamente lentas de las palas de la turbina en las altas velocidades necesarias para generar electricidad de manera rentable.
Las cajas de engranajes están diseñadas para realizar este importante trabajo durante 20 años o más, pero a menudo deben repararse o incluso reemplazarse por completo varios años antes. La razón más común de esto es un modo de falla atribuido a grietas axiales o de grabado blanco (WEC, por sus siglas en inglés) en los cojinetes de elementos rodantes dentro de una caja de engranajes.
Debido a que conducen a un mantenimiento no planificado, tiempo de inactividad y costos superiores a los previstos en las plantas de energía eólica, las fallas de las cajas de engranajes seguirán causando problemas a los operadores de las plantas eólicas a medida que las turbinas eólicas aumenten de tamaño y se instalen en alta mar.
Es por eso que, con fondos de la Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del Departamento de Energía de EE. UU., el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y el Laboratorio Nacional de Argonne (Argonne), los investigadores se han asociado con socios de la industria como SKF, Winergy, General Electric y Afton Chemical para comprender las causas del agrietamiento axial, crear una ecuación de vida útil de diseño que lo tenga en cuenta y desarrollar y validar soluciones para reducir esta y otras causas de falla de la caja de engranajes.
“Estamos tratando de descubrir el principal impulsor del agrietamiento axial”, dijo Jonathan Keller, ingeniero senior de NREL e investigador principal de Drivetrain Reliability Collaborative. “Probablemente esté en juego una combinación de factores, pero ¿cuál es el más importante? ¿Cuál hace que el agrietamiento axial ocurra más rápido? ¿Y cuál de estas causas podemos corregir más fácilmente?”
Para reproducir el fenómeno en un laboratorio, los investigadores de Argonne utilizaron una plataforma de prueba de sobremesa para simular el rodamiento y el deslizamiento entre el rodillo y el anillo interior dentro del rodamiento. Bajo una carga típica, este deslizamiento resultó en un agrietamiento axial. El equipo también determinó que ciertos aditivos químicos en el lubricante y, por separado, la presencia de corriente eléctrica en la superficie del cojinete, también pueden contribuir a esta falla por agrietamiento axial.
Una teoría prometedora es que el agrietamiento axial está relacionado con las condiciones operativas dinámicas en las turbinas eólicas que pueden dar como resultado una alta tensión en los cojinetes y el deslizamiento de los elementos rodantes. Para crear y medir estas condiciones, Keller y otros investigadores del NREL equiparon una turbina eólica de 1,5 megavatios en el Campus Flatirons del NREL con instrumentación personalizada para recopilar datos experimentales a escala.
“Nuestros hallazgos confirmaron que el deslizamiento de los cojinetes bajo cargas pesadas ocurre durante las operaciones de las turbinas eólicas como resultado de factores como el diseño de los cojinetes, la carga, la velocidad, la lubricación y la temperatura”, dijo Keller. “Usando estos datos, desarrollamos un modelo de deslizamiento de rodillos que es escalable a diferentes plataformas de turbinas y cajas de engranajes y un modelo de probabilidad de falla que llena un vacío de la industria en la evaluación de la confiabilidad de los componentes. A continuación, trabajaremos para mejorar la precisión de la probabilidad de modelo de fracaso”.
Esto incluirá recopilar una mayor cantidad de datos históricos de las plantas donde se han producido fallas atribuidas a los WEC, modelar los datos y ajustar los modelos para tener en cuenta los principales impulsores de los WEC. Hacerlo permitirá al equipo identificar los métodos más viables para prevenir o minimizar el agrietamiento axial.
“Nuestro objetivo es, en última instancia, ayudar a reducir los costos de operación y mantenimiento de las plantas eólicas y aumentar la productividad de las plantas eólicas”, dijo Keller. “Invitamos a los representantes de la industria a que se comuniquen con nosotros para que podamos identificar exactamente qué está causando fallas en las cajas de engranajes en las instalaciones eólicas”.
