Caja Multiplicadora

La necesidad de este elemento se justifica por el diferente régimen de giro que requiere un rotor eólico y un generador eléctrico de diseño convencional. La velocidad de giro de la turbina depende en gran medida del diseño aerodinámico de las palas. Los modernos rotores eólicos, ya sean de velocidad fija o variable, se diseñan con velocidades lineales en la punta de la pala que pueden variar entre 70 y 80 m/s. Considerando constante este parámetro, es inmediato concluir que cuanto mayor sea el diámetro de la máquina y por lo tanto su potencia asignada, menor ha de ser la velocidad de giro del rotor eólico. El empleo de generadores multipolares que se adapten al régimen de giro del rotor eólico sin necesidad de cajas multiplicadoras es una opción de diseño que no se ha considerado hasta hace pocos años por los siguientes motivos: − Para que el número de polos no sea excesivamente elevado la frecuencia eléctrica del generador ha de ser más reducida que la frecuencia de la red, − Gobernar un generador eléctrico con una frecuencia distinta de la frecuencia de la red requiere utilizar convertidores electrónicos con una fiabilidad suficiente de sus componentes. Uno de los parámetros de diseño de las cajas multiplicadoras es la relación de transformación (cociente entre la velocidad de giro rápido y el eje de giro lento). Cuanto menor sea esta relación menor será el tamaño de este elemento y por lo tanto su coste. Las dos únicas formas de reducir la relación de transmisión son: disminuir la velocidad del generador aumentando el número de polos y para una turbina en la que el diámetro está fijado aumentar la velocidad de giro de la turbina. Los diseños de cajas multiplicadoras se realizan con unos coeficientes de seguridad muy elevados en los que se considera el estado real de cargas con los que trabaja este componente. La tendencia en cuanto al número de averías de cajas multiplicadoras se ha reducido considerablemente en los últimos años. 

Los modernos multiplicadores de velocidad se caracterizan por las pocas pérdidas que presentan durante todo el proceso de transmisión. Estas pérdidas mecánicas se deben a la fricción entre dientes del engranaje y al flujo de aceite necesario para la lubricación. En las pérdidas mecánicas se incluyen también las debidas a la fricción entre los rodamientos y los cojinetes de apoyo. La irreversibilidad de estos procesos da lugar a una transmisión de calor que puede llegar a ser un problema, El rendimiento mecánico, en principio depende de: el número y tipo de etapas multiplicadoras, la potencia mecánica transmitida y la velocidad de giro. La pérdida de potencia por etapa se estima en un 2% para cajas multiplicadoras con engranajes rectos y un 1% para cajas multiplicadoras con engranajes helicoidales

–Tipos

Los engranajes de las cajas multiplicadoras pueden ser de dos tipos: engranajes rectos o helicoidales. Los primeros se utilizan en cajas multiplicadoras de ejes paralelos y presentan una relación de multiplicación máxima en cada etapa de 1:5. Los engranajes helicoidales tienen un diseño más sofisticado que los engranajes rectos y se emplean en cajas multiplicadoras de tipo planetario. La relación de multiplicación en cada etapa puede ser como máximo de 1:12. Las necesidades de transmisión de las turbinas actuales requieren el empleo de al menos dos o tres etapas de multiplicación. En general, las cajas multiplicadoras de ejes paralelos son más sencillas de diseño y por lo tanto más baratas que los diseños planetarios. Sin embargo, ante igualdad en la relación de transmisión y en la potencia transferida los diseños con ejes planetarios son más robustos y menos pesados, lo que hace que ésta opción sea la más utilizada en máquinas de gran potencia. Los nuevos diseños de este componente incluyen parte de los apoyos del eje de baja velocidad en su propia estructura. Las ventajas que presenta este diseño es por una parte su reducido peso y su facilidad de ensamblaje con otros elementos del tren de potencia durante el período de montaje. Otros diseños utilizan, al menos una etapa de engranajes rectos para conseguir que los ejes de la caja multiplicadora no estén alineados. Esta configuración se emplea en la actualidad en máquinas de paso variable donde es posible utilizar un eje de baja velocidad hueco a través del cual se conecta un vástago movido por un pistón hidráulico para modificar el ángulo de paso de las palas. 

Para que el fabricante de cajas multiplicadoras sea capaz de realizar un diseño adecuado de los engranajes, ejes y apoyos, es necesario que conozca las solicitaciones mecánicas y esfuerzos que sus componentes han de transmitir y soportar durante toda la vida útil del componente El parámetro de diseño más importante es el par transmitido por el eje de baja en condiciones nominales, Una forma de considerar las variaciones de par es mediante el de carga que consiste en representar la magnitud y fase de estas pulsaciones de par durante la vida de operación de la caja multiplicadora.

Parte de las pérdidas de potencia se convierten en ruido acústico. Determinante cuando el aerogenerador se ubica en zonas cercanas a núcleos de población. El ruido acústico depende en gran medida del tipo de materiales utilizados y del tamaño de la caja multiplicadora. Hasta 1MW entre 80 a 85 dBA a 1 m, hasta 3MW de 100 a 105 dBA.

Para reducir las cargas sobre el tren de potencia.