La multiplicadora

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.

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:

• Portasatélites: la estructura unida al eje principal. Es la entrada: gira despacio, al ritmo del rotor, y arrastra los ejes de los satélites.
• Satélites: tres o más engranajes que orbitan alrededor del centro y, a la vez, giran sobre sí mismos. Se reparten el par de entrada.
• Corona: un gran engranaje en forma de anillo, con los dientes por dentro. Va fijada a la carcasa y no se mueve.
• Sol (o planeta): el engranaje central. Es la salida: los satélites lo hacen girar mucho más deprisa.

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.

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.

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:

• Lubricar los engranajes y rodamientos para reducir el rozamiento y el desgaste.
• Refrigerar: las pérdidas de la multiplicadora, aunque pequeñas en proporción, en una máquina de varios megavatios se convierten en decenas de kilovatios de calor. El aceite lo recoge y lo lleva a un intercambiador, normalmente un radiador con ventiladores.
• Limpiar: el aceite arrastra las partículas metálicas que se desprenden con el uso, y unos filtros las retienen.

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:

• Análisis de vibraciones: sensores en la carcasa detectan los patrones característicos de un diente o un rodamiento dañado, a veces meses antes de que falle.
• Análisis del aceite: contadores de partículas y análisis de laboratorio revelan si está aumentando el desgaste.
• Temperaturas del aceite y de los rodamientos.
• Endoscopias: se introduce una cámara para inspeccionar los dientes sin desmontar la multiplicadora.

Otros caminos

¿Y sin multiplicadora?

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

• Direct drive: se elimina la multiplicadora. El generador, síncrono y con muchísimos polos, gira a la misma velocidad que el rotor. Es la apuesta de Enercon y habitual en los grandes aerogeneradores marinos, a cambio de un generador mucho más grande y pesado.
• Media velocidad: una solución intermedia, con una multiplicadora compacta de una o dos etapas y un generador de imanes permanentes que gira a unos cientos de rpm. Cada vez más fabricantes la eligen para sus nuevas plataformas.

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

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