Ingeniería y otras frikadas: Multiplicadora eólica

Vamos a exponer brevemente las características generales del que fue mi proyecto de fin de carrera: multiplicadora eólica de tres etapas epicicloidales para un aerogenerador de 1.5MW. No vamos a entrar en cálculos ya que lo que intentamos es mostrar de manera cualitativa los principios de funcionamiento de la máquina y el porqué de ciertas características buscadas en su diseño.

Este tipo de máquina se construye porque existe una diferencia entre la velocidad de las palas y la velocidad angular necesaria en el generador para crear la electricidad que consumimos en nuestras casas (50 Hz). La velocidad angular de las palas queda limitada por la acción de la fuerza centrípeta. Cuanto mayar potencia tenga un aerogenerador mayor serán sus palas por lo que su velocidad de rotación en el eje principal será menor. Por otra parte, la velocidad angular en el generador depende del número de polos que tenga, a mayor número, se requiere menor velocidad acosta de aumentar significativamente el tamaño de la máquina. Debemos de llegar a una solución de compromiso entre estos factores y la mejor opción es mediante un sistema de multiplicación adecuado.

Multiplicador eólico de 3 etapas con relación de multiplicación de 75:1, cuya velocidad de entrada es 20 rpm para un sistema de generación eléctrica eólica terrestre de 1.5 MW.

Es vital el decidir dónde irá colocado el aerogenerador ya que esto condiciona el coeficiente de seguridad del sistema según el estudio estadístico del viento, por lo que podríamos encontrarnos sistemas que aunque generen menos energía, las rachas de viento nos obliguen a reforzarlos más incluso que otros que desarrollen más potencia pero con vientos más estables. Nuestro sistema está situado en Sierra de yeguas en Málaga por lo que según normativa tenemos un coeficiente de seguridad de 3.

Etapas de multiplicación:

El sistema está compuesto por 3 etapas de multiplicación. Como es de prever el grado de multiplicación es creciente a medida que vamos recorriendo la máquina desde el eje de entrada ya que las fuerzas a las que están sometidos los engranajes van disminuyendo progresivamente al aumentar la velocidad angular de los ejes. Nuestras relaciones de multiplicación serán: 4,2 - 4,2 - 4,5

Buscamos un sistema que sea lo más compacto posible por lo que vamos a encontrarnos en nuestra multiplicadora sistemas de multiplicación epicicloidales en vez de lineales. Los sistemas epicicloidales presentan la ventaja de tener un mayor rendimiento y de ser más compactos que los lineales pero en su contra tienen un diseño más complejo y debemos de tener especial cuidado tanto en el diseño como en la conservación del engranaje que hace de sol ya que este es el que más sufre, por el contrario, sabemos de que si este sistema debe de romper por alguna parte, este será posiblemente el sitio.

Los sistemas epicicloidales con un número de planetas superior a 2 tienen la característica de que la fuerza normal ocasionada por el contacto entre engranajes queda contrarrestada con la fuerza normal que provoca su engranaje opuesto, así, la fuerza normal entre engranajes queda fuera del diseño a fatiga.

Tipo de engranajes:

Como es de esperar y debido a las altas fuerzas implicadas en el movimiento de las piezas de la máquina, vamos a utilizar engranajes helicoidales inclinados un ángulo de 25° o 20° dependiendo de la etapa de multiplicación en la que estemos. En la primera etapa utilizaremos el ángulo de 25° ya que se le aplican al sistema unas fuerzas muy elevadas, mientras que en los otros utilizaremos el de 20° ya que el valor de las fuerzas es menor y que un ángulo menor facilita las condiciones de refrigeración por circulación de aceite. La calidad del dentado está entre ISO6 e ISO7 dependiendo de las solicitaciones mecánicas. Hemos optado por dentaduras no desplazadas o dentaduras a cero porque aunque la utilización de estas hubiera supuesto un leve aumento de la resistencia mecánica a fatiga, también hubieran influido negativamente sobre la lubricación y la transmisión de calor debido al aumento de la dificultad de movimiento del aceite entre los engranajes.

Material de los engranajes:

Hemos elegido un acero AISI 4140 de nitruración gaseosa con el fin de obtener unos dientes capaces de resistir los esfuerzos de funcionamiento. Este acero presenta un buen mecanizado y unas características mecánicas excelentes. La nitruración gaseosa aporta una dureza superficial que va a ser muy útil en la vida del engranaje.

Sistema de multiplicación1:

Es el primer sistema de la máquina por lo que su eje de entrada es el del eje principal del aerogenerador. Al tener una velocidad de funcionamiento muy baja, unos 20 rpm, el par con el que tiene que trabajar es enorme, alcanzando este un valor de 918.76 KNm.

Es de vital importancia que el sistema sea lo más compacto posible ya que es el que va a determinar la anchura de la máquina porque este es el de mayor tamaño debido a que trabaja con mayores fuerzas de contacto y momentos.

La principal ventaja que tienen los sistemas epicicloidales es que en vez de encontrarnos dos engranajes en contacto para pasar un torsor de uno a otro, es que nos podemos encontrar con tantos contactos simultáneos como planetas tengamos girando alrededor del sol o de la corona (en este caso la corona es el elemento estático), por lo que las fuerzas de contacto quedan divididas entre el número de planetas que tengamos.

Debido a que estamos trabajando con unas fuerzas de contacto muy altas, en este caso vamos a utilizar cuatro soles girando dentro de la corona externa que permanece en estado estático, por lo que esto se traduce en unas menores dimensiones de los engranajes y en un lubricante que tenga menos viscosidad dinámica para su engrase y refrigeración.

Necesitamos aumentar todo lo que podamos el coeficiente de engrane ya que así lograremos más dientes en contacto simultaneo lo que implica una mayor resistencia mecánica.

Para aumentar la resistencia de los dientes hemos decidido fabricarlos con una calidad ISO 6 ya que esta depende directamente del coeficiente C₃ del cálculo fatiga.

Es previsible que tengamos un módulo normal de dentado alto ya que el parámetro de cálculo de fatiga en pié de diente C_B1 depende del módulo normal al cuadrado, por lo que un módulo normal alto, favorecerá una resistencia a fatiga en el dentado alta.

Aparte de ello, utilizamos engranajes helicoidales con β = 25°, lo que hace que los engranajes sean más resistentes a pesar de que se penaliza un poco la refrigeración, pero esto no es crítico en este sistema ya que en este no se alcanzan velocidades elevadas.

Sistema de multiplicación2:

En este sistema tenemos unas condiciones de trabajo intermedias entre los sistemas de entrada y de salida por lo que en su diseño sólo tenemos que destacar que tanto este sistema como el sistema 3, llevan un aceite lubricante diferente al del sistema 1, el cual es optimo para velocidades medias-altas a menor fuerza tangencial entre dientes. Por otro lado, ya que los esfuerzos entre dientes son menores, el ángulo de inclinación β pasa a ser de 20°, por el mismo motivo, elegimos un número de planetas igual a 3. Otro factor a tener en cuenta es que la calidad de las dentaduras puede ser ISO 7 lo que abarata considerablemente su fabricación. Por otra parte es de esperar un módulo normal de dentado alto aunque no tanto como en el primer sistema de multiplicación.

Sistema de multiplicación3:

En este sistema es donde se alcanzan unas velocidades angulares mayores y unas fuerzas entre engranajes menores por lo que es el de menor dimensión. Aunque estas velocidades angulares sean las mayores de toda la máquina, son insuficientes como para un estudio de velocidad crítica debido a que la magnitud de esta no es lo suficientemente alta y de que estamos tratando con ejes que deben de trabajar con enormes torsores, por lo que las piezas tienen un índice de esbeltez muy bajo. Elegimos un número de planteas igual a 3 ya que aunque se podría , en este caso, escoger un número menor, no sería tan resistente. Este sistema es el que determina el tipo de lubricante de este y del sistema2 ya que es el que conlleva una velocidad periférica de diente mayor. Fijamos la calidad en ISO7. Tiene un módulo normal de dentado más bajo que el que nos podemos encontrar en los otros sistemas.

Ejes principales:

Vamos a llamar ejes principales a los ejes que son concéntricos con los ejes de entrada y salida de la multiplicadora. En principio pensamos que estos ejes debían de estar fabricados con acero AISI 4140 ya que este acero tiene unas excelentes propiedades mecánicas pero después nos dimos cuenta que estos ejes deberían de trabajar a fatiga, y para ello, la resistencia a fatiga a partir de 1400 MPa vienen a estar alrededor de los 700 MPa por lo que buscamos el acero más barato que pudiéramos encontrar cuya resistencia ultima a tracción fuera ligeramente superior a 1400 MPa y este es el acero AISI 4340 con Su = 1470MPa. La utilización de otro acero con mayor resistencia a tracción no provocaría un cambio significativo en el funcionamiento del conjunto aunque si en su precio.

Nosotros vamos a diseñar estos ejes para que resistan un torsor constante igual al torsor asociado a la máxima potencia de la máquina que en nuestro caso es de 1.9MW (para que genere 1.5MW de electricidad la potencia de entrada debe de compensar las pérdidas mecánicas del sistema de multiplicación y las originadas en el generador).

Cada eje tiene en sus extremos un chaflán para facilitar la colocación del retén de su rodamiento, aparte, llevan unos agujeros roscados por donde se insertarían enganches para su elevación mediante grúa.

Diseño a estático: Por normativa UNE-EN 61400-1 el diseño a fatiga debe de tener un coeficiente de seguridad mínimo de n = 3 por ser aerogenerador de clase II

Diagramas de flectores en ejes:

Eje 0:

Nota: hemos dimensionado la parte inicial del eje 0 o eje de entrada mediante la teoría de cilindros de pared gruesa para hacer el hueco lo más grande posible manteniendo el coeficiente de seguridad para ahorar peso innecesario.

Eje A:

Eje B:

Eje C:

Cabezales:

Son las piezas que van conectadas a los planetas que giran alrededor del sol en los sistemas epicicloidales. El cabezal del primer sistema de multiplicación es de 4 brazos ya que tiene que conducir los esfuerzos a los 4 satélites de que disponemos en la primera etapa, mientras que en la segunda y tercera tenemos sólo 3 brazos. Esto es así porque en la primera etapa de multiplicación la velocidad de entrada de rotación es muy baja lo que hace que el momento de rotación sea enorme lo que se traduce en unos esfuerzos muy grandes sobre los engranajes, pero al existir 4 satélites, la fuerza de contacto queda dividida entre 4 por lo que las dismensiones de los engranajes que aguantarían estos esfuerzos queda reducida. Una posible desventaja que presenta esta solución es que al tener más elementos móviles aumentan las pérdidas por fricción pero como estamos en la primera etapa de multiplicación las velocidades son bajas lo que hace que dichas pérdidas no sean apreciables. Por otro lado, para optimizar el sistema hemos hecho un estudio por ordenador para el dimensionado de estos elementos con el fin de que fueran lo más ligeros posibles al mismo tiempo que se ajustan a los coeficientes de seguridad de la normativa.

Cabezal sistema 1:

Cabezal sistema 2:

Cabezal sistema 3:

Uniones entre elemementos del sistema de engranajes:

En la unión entre el eje 0 y el cabezal del sistema 1 vamos llevarla a cabo mediante un eje nervado con perfil de evolvente. Vamos a utilizar la perfil de evolvente poruqe es más barata de fabricar que el estriado normal ya que podemos utilizar la maquinaria empleada en la fabricación de engranajes rectos, aparte de esto, la solución es óptima ya que el perfil de evolvente presenta un ensanchamiento en su base que es donde se produce la tensión máxima por lo que dicho perfil tendrá una resistencia mayor que los estriados normales de perfil cuadrado.

Vamos a utilizar chavetas de tipo B ya que estas poseen un mayor poder de trabajo a altos torsores a cambio de un pequeño aumento del riesgo de rotura por fatiga pero en nuestro diseño los ejes presentan un alto grado de resistencia a rotura por fatiga así que elegimos esta opción.

Carcasa:

Hemos diseñado la carcasa lo más liviana posible para hacer que nuestra multiplicadora pese lo mínimo. Para ello, nos hemos servido de herramientas informáticas sin las cuales sería muy complicado llegar a dicha solución. Para su diseño hemos partido de una cáscara fina aunque lo suficientemente gruesa como para poder ser construida por moldeo y un posterior mecanizado con herramientas de control numérico. La ventaja del diseño de piezas por ordenador es que nos permiten realizar una infinidad de ensayos y pruebas sobre la pieza antes incluso de ser construida por lo que poco a poco vamos subsanando posibles fallos que pudiese tener. El resultado ha sido una carcasa muy resistente y ligera con multitud de nervios que aparte de funcionar de manera estructural, actúan como disipadores del calor del aceite que contiene el sistema. Para su fabricación hemos elegido una función esferoidal que aparte de tener un mecanizado excepcional, presenta unas cualidades para el moldeo excelentes, de tal manera de que a partir de un molde podríamos llegar a una pieza similar a la terminada en la que quedarían hacerle una serie de retoques mediante control numérico. La carcasa presenta tres ventanas en uno de sus lados para la correcta inspección de los componentes de la máquina, el re-engrase de las partes que lo requieran y la colocación de sensores de medición de vibraciones. En la parte superior de la carcasa podemos ver los enchanches por donde puede ser izada la multiplicadora con una grúa.

Una vez terminada su fabricación, la carcasa debe de ser pintada para evitar su deterioro en el tiempo, dicha pintura debe de evitar de ser demasiado llamativa para no ocasionar fatiga visual por altos contrastes con otras partes del aerogenerador.

Carcasa superior:

Carcasa inferior:

Sistema de Refrigeración:

La elección de un sistema de engrase ha sido unos de los problemas más complicados a solucionar en este proyecto debido a que abarca al alto grado de multiplicación del mismo (condiciones de entrada y de salida muy distintas), eso sumado a las altas cargas de trabajo nos han hecho tener que dividir el sistema en dos partes diferenciadas cada una de ellas con su propio sistema de refrigeración y con su tipo de aceite optimizado para las condiciones de trabajo.

Hemos realizado los cálculos del sistema de refrigeración mediante el método de Downson y Higginson o elastohidrodinámico que tiene en cuenta el calor producido tanto por la compresión del aceite (tomamos el líquido como fluido compresible) como por la deformación de los dientes de los engranajes.

Por normativa toda multiplicadora eólica de más de 0.5MW debe de tener refrigeración activa en el sistema de lubricación, por lo que es necesario añadir radiadores, en nuestro caso dos, ya que disponemos de dos fluidos independientes de refrigeración.

Todos los sistemas de transporte de fluidos llevan uniones mediante rosca de gas para evitar fugas. La tubería de conexión entre el anillo de rociadores de aceite y la carcasa es una tubería flexible para facilitar la colocación de los elementos internos de la máquina.

En el sistema de refrigeración 1 hemos elegido el aceite lubricante Mobil MS-100. Muy apto para cargas medias (mediante el correcto diseño de los engranajes y la existencia de 4 planetas girando alrededor del engranaje sol los esfuerzos han sido minimizados todo lo posible). Posee una viscosidad dinámica intermedia, la cual, es lo que estamos buscando para unas velocidades de rotación bajas en donde las pérdidas por circulación de aceite entre los engranajes es poco importante.

Para el sistema de refrigeración 2, el cual contiene los sistemas de multiplicación 2 y 3, tenemos que escoger un lubricante que esté delimitado por la vida a las cargas del sistema 2 que hace que aumente su viscosidad y por la alta velocidad del sistema 3, que hace que dicha viscosidad disminuya, por lo que tenemos que buscar un aceite con características de compromiso entre dichos valores. Este es el aceite Mobil MS-32.

En términos generales los sistemas de lubricación-refrigeración tendrían las siguientes etapas:

- Aspiración del depósito de aceite, en donde suponemos una temperatura media de aceite de 100°. La toma de salida del aceite del depósito-cárter, se realiza por una tubería que está ligeramente por encima del fondo del depósito con el fin de que si hay partículas suspendidas en el aceite, estas se queden en el fondo del cárter.

- Paso del aceite por un filtro para eliminar posibles partículas. Hemos elegido un filtro de partículas de 3 a 10 µm por semejanza con otras multiplicadoras eólicas. Llevan la válvula bypass incorporada para que en caso de obstrucción no corte el suministro de aceite en el sistema.

- Paso por bomba: Las bombas que vamos a utilizar van a tener una válvula bypass que nos delimita la presión de las mismas teniendo una curva de funcionamiento plana, es decir, la presión obtenida en las mismas va a ser constante.

- Paso por radiador: una vez el fluido es filtrado e impulsado, este se hace pasar por un radiador en donde su temperatura desciende hasta un valor cercano a 40°

- Inyección: en el último paso el aceite es dirigido hacia un anillo concéntrico al engranaje sol en donde es proyectado hacia este por medio de rociadores. Las dimensiones de los anillos inyectores de aceite es tal que puedan rociar aceite sobre todo el espesor del engranaje. Estudiando la proporción estadística de gotas de fluido de las boquillas rociadoras, nos damos cuenta que la mayor concentración de aceite va dirigida precisamente al punto medio del espesor del diente que es donde la temperatura es más elevada ( es el punto que está más aislado del medio) por lo que conseguimos una mayor disminución de temperatura en el que sería el punto crítico.

Como ya dijimos antes, el engranaje que soporta mayores esfuerzos en los sistemas epicicloidales es el sol, por lo que debemos de hacer que este este siempre bien engrasado y que su temperatura sea la mínima del sistema, por eso hemos decidido que los chorros de aceite incidan directamente sobre este lubricando por contacto los demás engranajes.

-recogida de aceite: una vez que el aceite ha pasado por todos los engranajes, este cae por efecto de la gravedad a una temperatura cercana a los 100° yendo a parar al cárter donde el proceso de engrase-refrigeración vuelve a iniciarse.

El sistema esta calculado para que la temperatura de inyección de aceite sobre los engranajes sea de alrededor de 40°, si fuera inferior a esta, tendríamos problemas con la movilidad del aceite ya que podría pasar que este sea demasiado viscoso para su circulación por el ciclo de refrigeración no llegando a los puntos claves a enfriar lo que podría provocar un aumento peligroso de la temperatura de los engranajes. Esto podemos evitarlo por medio de calentadores de aceite situados en el cárter, los cuales, se activan cuando la temperatura del fluido está por debajo de la deseada. Evidentemente, cuando pase esto, el ventilador del radiador deberá de permanecer parado para evitar que haya pérdida de calor hacia el exterior.

Por lo que después de realizar los cálculos pertinentes llegamos a las siguientes condiciones de funcionamiento de las distintas etapas:

Etapa 1:

Etapa 2:

Etapa 3:

Quedando el sistema de la siguiente manera:

Engrase en rodamientos:

Los rodamientos al contrario de los engranajes van a ser engrasados mediante grasa SKF multipropósito. Esto es debido a la morfología de los sistemas de engranajes. En un sistema de engranajes lineales existe una componente en la fuerza de contacto diente-diente que hace que los engranajes tiendan a separarse entre sí por lo que existen unas reacciones en los rodamientos de manera radial que hace que aumente el rozamiento dentro de los engranajes, por otro lado, el los sistemas epicicloidales esta componente es anulada por otra igual y de sentido contrario que realiza el engranaje opuesto al primero por lo que el rozamiento y por tanto la temperatura interna en un rodamiento de un sistema epicicloidal es menor que a la de un sistema lineal haciendo que no sea necesaria la refrigeración activa del lubricante de su interior.

Ya que vamos a utilizar elementos de lubricación en engranajes y en rodamientos distintos, tenemos que utilizar retenes en los ejes para evitar que la grasa de dentro de los rodamientos escape y se mezcle con el aceite. Vamos a utilizar retenes fabricados con PTFE ya que presentan unas propiedades mecánicas y químicas excepcionales, con un coeficiente de fricción muy bajo y resiste temperaturas de hasta 270°. El engrase de estos elementos se realiza mediante la inyección manual de grasa sobre los orificios de engrase con su posterior cerrado mediante tapón o tornillo que funciona como tal para evitar su pérdida. Por cuestiones de mantenimiento se recomienda un re-engrase una vez al año.

Juntas:

Es necesario utilizar juntas entre distintos elementos de la máquina para evitar que salga el aceite que fluye por su interior. Esta máquina tiene varios tipos de juntas:

-juntas estándar: son juntas compradas. Hemos intentado hacer que estas sean el mayor número posible ya que son más baratas que las fabricadas por encargo. Están hechas a partir de FKM, es decir, caucho fluorado ya que tienen una alta resistencia al desgaste y es apta para su utilización con todo tipo de lubricantes. Uiltizaremos juntas de silicona en U en el separador de los compartimentos 1 y 2-3.

-juntas con diseño específico: son juntas que debido a sus dimensiones hemos tenido que encargar su fabricación ya que no las podríamos encontrar en ningún catálogo. Suelen ser un poco más caras que las estándar por que no se pueden fabricar en masa pero la mayoría de los fabricantes especializados de juntas nos dan esta opción por lo que el precio aunque puede ser ligeramente superior no sería un problema. Están fabricadas en Klinger-sil C-4324 debido a su alta resistencia a la temperatura y a que es compatible con todo tipo de lubricantes.

-juntas fabricadas in situ: las utilizamos cuando la geometría de la junta es muy compleja. Se formarán a partir de Loctite 5510 al depositar el mismo sobre unos canales hechos en las piezas. Hemos elegido este componente debido a la buena estanqueidad que consigue, el ser relativamente barato de obtener y de tener un rango de temperaturas de trabajo acorde con el proyecto además de presentar buenas cualidades químicas frente a aceites.

Para una visión clara de las distintas piezas del sistema y de su interacción hemos dispuesto de un esquema del mismo en corte total: