El cojinete de orientación es el componente más importante y costoso de un sistema de orientación que se encuentra en las turbinas eólicas de eje horizontal modernas . El cojinete de orientación debe soportar enormes cargas estáticas y dinámicas y momentos durante el funcionamiento de la turbina eólica, y proporcionar características de rotación suave para la orientación de la góndola en todas las condiciones climáticas. También debe ser resistente a la corrosión y al desgaste y extremadamente duradero. Debe durar toda la vida útil de la turbina eólica y, al mismo tiempo, ser rentable.
Los molinos de viento del siglo XVIII comenzaron a implementar góndolas giratorias para capturar el viento proveniente de diferentes direcciones. Los sistemas de orientación de estos molinos de viento "primitivos" eran sorprendentemente similares a los de las turbinas eólicas modernas. Las góndolas giraban mediante impulsores de orientación impulsados por el viento , conocidos como colas de abanico, o mediante tracción animal, y estaban montadas en las torres del molino de viento mediante un cojinete deslizante axial.
Estos cojinetes deslizantes consistían en múltiples bloques deslizantes fijados a la estructura de la torre del molino de viento. Estos bloques mantenían un contacto deslizante con un anillo deslizante en la góndola. Los bloques deslizantes eran piezas de madera en forma de cubo con una superficie de deslizamiento convexa cubierta con grasa animal , o incluso revestida con una lámina de cobre (o latón) como medio de reducción de la fricción . Estos bloques de madera se fijaban en ranuras de madera, talladas en la subestructura de apoyo de madera, por medio de clavos o cuñas y se nivelaban cuidadosamente para crear una superficie plana donde el anillo deslizante de la góndola pudiera deslizarse. Los bloques deslizantes, a pesar de la lubricación, se desgastaban con bastante frecuencia y tenían que ser reemplazados. Esta operación era relativamente sencilla debido a la conexión basada en cuñas entre la subestructura y los bloques deslizantes. Los bloques deslizantes se bloqueaban además mediante dispositivos de bloqueo móviles [1] que, en una forma diferente, siguen siendo una solución técnica en los cojinetes de guiñada deslizantes modernos.
El anillo deslizante de la góndola del molino de viento estaba hecho de múltiples piezas de madera y, a pesar de las antiguas técnicas de construcción, generalmente era bastante nivelado, lo que permitía que la góndola girara suavemente alrededor del eje de la torre. [1]
El sistema híbrido de cojinetes de orientación combina las soluciones que utilizaban los antiguos molinos de viento. Este sistema consta de múltiples patines radiales de deslizamiento extraíbles en combinación con un cojinete de rodillos axial. [1]
Las principales categorías de cojinetes de guiñada son:
El rodamiento de rodillos es una solución técnica común de rodamiento de orientación que utilizan muchos fabricantes de turbinas eólicas , ya que ofrece una baja fricción de giro y una rotación suave de la góndola. La baja fricción de giro permite la implementación de accionamientos de orientación ligeramente más pequeños (en comparación con la solución de rodamiento deslizante), pero, por otro lado, requiere un sistema de frenado de orientación.
Algunos fabricantes utilizan una pluralidad de accionamientos de guiñada más pequeños (normalmente seis) para facilitar su sustitución. Una configuración de este tipo con una pluralidad de accionamientos de guiñada suele ofrecer la posibilidad de un frenado de guiñada activo utilizando el par diferencial de los accionamientos de guiñada. En este caso, la mitad de los accionamientos de guiñada aplican una pequeña cantidad de par para la rotación en el sentido de las agujas del reloj y la otra mitad aplica par en la dirección opuesta y, a continuación, activa los frenos magnéticos internos del motor eléctrico. De este modo, se elimina el juego entre el piñón y la corona dentada y la góndola queda fijada en su sitio.
El cojinete de orientación deslizante es un cojinete axial y radial combinado que sirve como conexión giratoria de la góndola de la turbina eólica y la torre. Al contrario del antiguo concepto de molino de viento, los cojinetes de orientación modernos sostienen la góndola también desde el eje Y hasta el eje X , lo que evita que la góndola gire debido a los momentos inducidos por la mitad superior del disco de barrido del rotor y debido al par del tren de transmisión (es decir, rotor, eje, generador, etc.).
Básicamente, la forma más sencilla de llevar a cabo las tareas de los cojinetes de guiñada con elementos deslizantes es con dos planos de deslizamiento para las cargas axiales (superior e inferior) y una superficie de deslizamiento radial para las cargas radiales. En consecuencia, el cojinete de guiñada deslizante comprende tres superficies generales cubiertas con múltiples almohadillas deslizantes. Estas almohadillas deslizantes entran en contacto deslizante con un disco de acero , que normalmente está equipado con dientes de engranaje para formar un disco deslizante o una llanta de engranaje. Los dientes pueden estar ubicados en la cara cilíndrica interna o externa del disco, mientras que la disposición de las almohadillas deslizantes y su número y ubicación exactos varían mucho entre los diseños existentes. Para ensamblar los cojinetes de guiñada deslizantes, sus jaulas se dividen en varios segmentos que se ensamblan durante la instalación o fabricación de la turbina eólica .
En su forma más simple, el cojinete de deslizamiento de guiñada utiliza almohadillas (generalmente hechas de polímeros ) distribuidas alrededor de las tres superficies de contacto para proporcionar un sistema de guía adecuado para el movimiento radial y axial con un coeficiente de fricción relativamente bajo. Estos sistemas son económicos y muy robustos, pero no permiten el ajuste individual de los elementos de deslizamiento axiales y radiales. Esta función minimiza de manera importante el "juego" axial y radial del cojinete de deslizamiento debido a las tolerancias de fabricación, así como al desgaste de las almohadillas de deslizamiento durante el funcionamiento.
Para solucionar este problema, los sistemas de orientación incorporan cojinetes de deslizamiento pretensados. Estos cojinetes tienen almohadillas de deslizamiento que se presionan mediante elementos de presión contra el disco de deslizamiento para estabilizar la góndola contra movimientos no deseados. Los elementos de presión pueden ser simples resortes de acero , elementos de pretensión neumáticos o hidráulicos , etc. El uso de elementos de pretensión neumáticos o hidráulicos permite un control activo de la pretensión del cojinete de orientación, lo que proporciona la función de freno de orientación.
En todos los cojinetes deslizantes, el desgaste es un problema que preocupa, al igual que la lubricación. Los cojinetes de orientación deslizantes convencionales incorporan elementos deslizantes fabricados a partir de plásticos poliméricos, como el plástico de polioximetileno (POM) o la poliamida (PA). Para reducir la fricción, el desgaste y evitar los efectos de deslizamiento a tirones (que suelen presentarse en sistemas de movimiento lento con tanta fricción), a menudo se introduce lubricación. Esta solución generalmente resuelve los problemas de deslizamiento, pero introduce más componentes en los sistemas y aumenta la complicación general (por ejemplo, procedimientos de mantenimiento difíciles para la eliminación del lubricante usado). Algunos fabricantes de turbinas eólicas ahora utilizan elementos deslizantes autolubricantes en lugar de un sistema de lubricación central. Estos elementos deslizantes se fabrican a partir de materiales de baja fricción o compuestos (por ejemplo, politetrafluoroetileno [teflón]) que permiten un funcionamiento confiable de los sistemas de orientación deslizante secos (no lubricados).
A pesar de que los cojinetes de guiñada deslizantes y sus componentes están diseñados y construidos para durar toda la vida útil de la turbina eólica, debería ser posible sustituir los elementos de deslizamiento de los cojinetes de guiñada desgastados u otros componentes del sistema de guiñada. Para permitir la capacidad de sustitución de los componentes desgastados, los sistemas de guiñada se diseñan en segmentos. Normalmente, uno o más planos de deslizamiento comprenden varios subelementos que contienen una serie de elementos de deslizamiento (radiales o axiales o una combinación). Estos subelementos se pueden quitar y reparar, volver a colocar o sustituir individualmente. De esta manera, el cojinete de guiñada se puede reparar sin necesidad de desmontar todo el cojinete de guiñada deslizante (por ejemplo, en el caso de un cojinete de guiñada de rodillos, desmontar toda la turbina eólica). Esta capacidad de reparación que ofrece el diseño segmentado del cojinete de guiñada deslizante es una de las ventajas más importantes de este sistema frente a la solución de cojinete de guiñada de rodillos.
El único problema pendiente es la sustitución de los elementos deslizantes de la superficie de apoyo de orientación deslizante, que no está segmentada. Se trata normalmente de la superficie axial superior del apoyo deslizante, que soporta constantemente el peso de todo el conjunto góndola-rotor. Para sustituir los elementos deslizantes de esta superficie deslizante, es necesario elevar el conjunto góndola-rotor mediante una grúa externa . Una solución alternativa a este problema es el uso de gatos mecánicos o hidráulicos capaces de elevar parcial o totalmente el conjunto góndola-rotor mientras el apoyo de orientación deslizante sigue en su sitio. De esta forma y dejando una pequeña holgura entre los elementos deslizantes y el disco deslizante, es posible sustituir los elementos deslizantes sin desmontar el apoyo de orientación deslizante.
Cuando la góndola de la turbina eólica se coloca en la torre y se completa el montaje del cojinete de orientación, es necesario ajustar la presión en las almohadillas de deslizamiento individuales del cojinete. Esto es necesario para evitar un desgaste desigual de las almohadillas de deslizamiento y una carga excesiva en algunos sectores del cojinete de orientación. Para lograrlo, es necesario un mecanismo de ajuste que permita a los técnicos ajustar la presión de contacto de cada elemento de deslizamiento individual de una manera controlable y segura. La solución más común es la utilización de placas de apoyo inferiores equipadas con una gran abertura, que alojan los sistemas de cojinetes de deslizamiento ajustables. Estos cojinetes de deslizamiento ajustables comprenden una unidad de deslizamiento (es decir, almohadilla de deslizamiento) y una placa de distribución de presión ajustable. Entre la almohadilla de deslizamiento y la placa de presión se encuentran varios elementos de resorte (pretensión). La posición vertical de las placas de presión generalmente se controla mediante un tornillo de ajuste. Este tornillo de ajuste presiona contra la placa de presión mientras es retenido por una placa de soporte de contrapresión, fijada al conjunto de cojinetes con pernos fuertes. De esta manera, es posible aplicar varios niveles de presión de contacto entre las diferentes almohadillas deslizantes y, por lo tanto, garantizar que cada componente deslizante de la disposición del cojinete de guiñada funcione como se esperaba.