Studies of the quality and cost-effectiveness of a novel concept of open-die forged powerplant main shaft

Estudios de calidad y rentabilidad de un nuevo concepto de eje principal forjado de matriz abierta para centrales eléctricas

Se describe un concepto innovador de forja en matriz abierta del eje principal de un molino de viento. Se presenta un estudio comparativo de la nueva tecnología basada en el concepto de eje hueco de engranaje sobre mandril con ahorro de material y mayor calidad de la pieza acabada frente a la cadena de producción tradicional de este componente, indicando los beneficios y los contratiempos tecnológicos de la aplicación industrial. Los resultados del muestreo industrial con ayuda de la simulación numérica constituyen directrices para la realización tecnológica.

INTRODUCCIÓN

Los elevados costes de las energías renovables exigen reducir los costes de fabricación tanto de la energía como de las instalaciones implicadas. En este sentido, se busca el ahorro de material y energía para optimizar los costes totales de fabricación. En vista del aumento previsto del número de instalaciones de molinos de viento en esta década, de acuerdo con la actual política medioambiental de la UE, una de las innovaciones emergentes es un eje de molino de viento con orificio central forjado en red [1]. El eje principal (eje de baja velocidad), es un elemento básico de un aerogenerador. Dado que conecta el generador y el buje del rotor (Figura 1), las severas condiciones de servicio de carga cíclica imponen elevados requisitos de calidad a este miembro. Por ello, se fabrica con un proceso de forja incremental, compuesto de forja opendie y posterior mecanizado (Figura 2), que es una tecnología no competitiva para este tipo de piezas.

El eje conformado por dentado sobre mandril se convierte en una alternativa real a la forja y el mecanizado tradicionales. Para reducir los costes de material se ha propuesto un concepto novedoso de eje. La novedad consiste en producir el agujero central como forjado con operaciones de forja, reduciendo las tolerancias de mecanizado. Por esta razón, la noción de "forja neta" se utiliza aquí en referencia a la forja en matriz abierta. En la figura 3 se resumen los cambios en la tecnología de forja a raíz de la reducción del lingote y la diferente manera de procesarlo en las operaciones de conformado consecutivas. Aunque en la actualidad se han realizado esfuerzos similares, por ejemplo, en turbinas de generadores [2, 3], nunca se ha utilizado en la producción de ejes largos.

La masa reducida de la pieza acabada permite el uso de lingotes más pequeños, sin embargo, la producción de formas huecas requiere cambios en la tecnología, que influyen en el equilibrio entre ganancias y costes. Este trabajo resume los pros y los contras del nuevo concepto de árbol y de la nueva tecnología.