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La multiplicadora

Es la pieza más cara y compleja de muchos aerogeneradores: un conjunto de engranajes que convierte el giro lento y poderoso del rotor en el giro rápido que necesita el generador. Veamos por dentro cómo lo consigue.

Velocidad a cambio de par

¿Para qué sirve?

El rotor de un aerogenerador gira despacio, a unas 6 a 15 vueltas por minuto, pero con una fuerza enorme. Un generador convencional, en cambio, necesita girar a unas 1.500 rpm para producir electricidad a 50 Hz. La multiplicadora salva esa diferencia: eleva la velocidad de giro alrededor de cien veces.

Lo que no puede hacer es crear energía. La potencia que entra por el eje lento es la misma que sale por el rápido, menos unas pequeñas pérdidas. Y como la potencia es el producto del par por la velocidad de giro, si la velocidad se multiplica por cien, el par (la fuerza de giro) se divide por cien. Por eso el eje principal es un cilindro macizo enorme y el eje de salida es mucho más delgado.

¿Sabías que?

Un aerogenerador de 5 MW que gira a 12 rpm soporta en el eje principal un par de unos 4 millones de newton-metro. Es como colgar unas 400 toneladas del extremo de una llave inglesa de un metro de largo. A la salida de la multiplicadora, ese par se ha reducido a unos 32.000 N·m.

Para lograr una relación tan grande no basta con una pareja de engranajes: haría falta una rueda gigantesca. La solución es encadenar varias etapas, cada una multiplicando la velocidad unas pocas veces. Las multiplicadoras de los aerogeneradores combinan dos tipos: etapas planetarias a la entrada y etapas de ejes paralelos a la salida.

Mucho par en poco espacio

La etapa planetaria

La primera etapa, la que recibe el giro del rotor, es casi siempre planetaria (o epicicloidal). Se llama así porque sus engranajes se mueven como un pequeño sistema solar. Tiene cuatro elementos:

Una etapa planetaria en movimiento

Portasatélites (entrada)SatélitesCorona (fija)Sol (salida)
Vueltas del portasatélites0,0
Vueltas del sol0,0
Fíjate en los puntos de color: por cada vuelta del portasatélites, el sol da cinco. Los satélites, mientras orbitan, giran sobre sí mismos en sentido contrario.

Su gran ventaja es que el par se reparte entre varios satélites que trabajan a la vez. Así, la etapa puede transmitir una fuerza enorme en muy poco espacio, justo lo que se necesita a la entrada, donde el par es máximo. En teoría, con tres satélites cada uno soporta un tercio de la carga, pero en la práctica el reparto nunca es perfecto, y eso genera vibraciones y desgastes desiguales.

Más velocidad, menos par

Etapas de ejes paralelos

Tras la etapa planetaria, el giro ya es más rápido y el par mucho menor, así que basta con un sistema más sencillo: una rueda grande que engrana con un piñón pequeño montado en un eje paralelo. Si la rueda tiene cinco veces más dientes que el piñón, el piñón gira cinco veces más deprisa.

Una etapa de ejes paralelos

Vueltas de la rueda (60 dientes)0,0
Vueltas del piñón (12 dientes)0,0
Cinco veces menos dientes, cinco veces más vueltas.

En las multiplicadoras se usan engranajes helicoidales, con los dientes inclinados en lugar de rectos. Así, cada diente entra en contacto poco a poco y siempre hay varios dientes engranados a la vez: el funcionamiento es más suave, más silencioso y aguanta más carga. A cambio, los dientes inclinados empujan el eje a lo largo de su dirección, y los rodamientos tienen que soportar también ese esfuerzo axial.

Eje a eje

La multiplicadora completa

Una multiplicadora típica de varios megavatios encadena tres etapas: una planetaria y dos de ejes paralelos. Las más grandes y modernas llegan a cuatro, con dos etapas planetarias a la entrada, porque tienen una gran relación de transmisión por volumen, y dos paralelas a la salida.

Velocidad y par en cada eje

Velocidad de giroParEje principaldel rotor12 rpm3,98 MN·m↓ × 5 · etapa planetariaTras la etapaplanetaria60 rpm796 kN·m↓ × 5 · ejes paralelosTras la 1.ª etapade ejes paralelos300 rpm159 kN·m↓ × 5 · ejes paralelosEje rápidoal generador1.500 rpm32 kN·m
Ejemplo orientativo de una multiplicadora de tres etapas, cada una de relación 1:5, transmitiendo 5 MW con el rotor a 12 rpm. Mientras la velocidad se multiplica por 125, el par se divide por 125.
¿Sabías que?

La multiplicadora de un aerogenerador de varios megavatios pesa decenas de toneladas y es uno de los componentes más caros de la máquina. Cambiarla exige subir una grúa de gran tamaño hasta el parque, lo que convierte su avería en una de las más costosas.

El aceite, su sangre

Lubricación y refrigeración

Con tanta carga, los dientes y los rodamientos no pueden tocarse metal con metal: entre ellos siempre tiene que haber una fina película de aceite. La multiplicadora contiene varios cientos de litros, y un sistema de bombas lo hace circular continuamente para cumplir tres funciones:

En climas fríos, el aceite se calienta antes de arrancar, porque un aceite demasiado espeso no llega bien a todos los rincones.

Por qué falla y cómo se vigila

Averías y mantenimiento

La multiplicadora trabaja en condiciones muy duras: el viento cambia continuamente, las ráfagas llegan como golpes de par y la máquina arranca y se detiene miles de veces a lo largo de su vida. Aunque no es el componente que más veces falla, sí es de los que dejan la máquina parada más tiempo y salen más caros de reparar.

Curiosamente, la mayoría de las averías no empiezan en los dientes de los engranajes, sino en los rodamientos. Según la base de datos de averías del NREL, el laboratorio nacional de renovables de EE. UU., alrededor de tres de cada cuatro fallos de multiplicadora se originaban en ellos.

Para adelantarse a las averías, las multiplicadoras se vigilan de forma continua:

Otros caminos

¿Y sin multiplicadora?

Precisamente por su coste y sus averías, los fabricantes han buscado alternativas:

Aun así, la multiplicadora de alta velocidad sigue moviendo buena parte de los aerogeneradores instalados en el mundo.

Para los más curiosos Las cuentas de una multiplicadora Relación de transmisión, par, etapa planetaria y rendimiento · 2 min

Relación de transmisión

i = nsalida / nentrada = i1 · i2 · i3

La relación total es el producto de la de cada etapa. Con tres etapas de 1:5, la total es 1:125.

Par y potencia

P = T · ω  →  Tsalida ≈ Tentrada / i

Como la potencia (P) se conserva, el par (T) se divide por la misma relación por la que se multiplica la velocidad angular (ω), salvo las pérdidas.

Etapa planetaria con la corona fija

i = 1 + Zcorona / Zsol

Z es el número de dientes. En la animación, la corona tiene 72 dientes y el sol 18, así que i = 1 + 72/18 = 5.

Etapa de ejes paralelos

i = Zrueda / Zpiñón

En la animación, 60 / 12 = 5.

Rendimiento

Cada etapa pierde en torno a un 1 % de la potencia, sobre todo por rozamiento y por el batido del aceite. El rendimiento total de una multiplicadora de tres etapas suele rondar el 95–97 %.

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