Lubricantes para turbinas hidráulicas Pelton, Kaplan y Francis: aceites EAL, cojinetes y servomotores
Las turbinas hidráulicas operan en entornos acuáticos sensibles donde cualquier fuga de lubricante convencional puede tener consecuencias ambientales graves. La selección de aceites EAL (Environmentally Acceptable Lubricants) conforme a ISO 15380, junto con la elección correcta de viscosidad y tipo de base para cada punto de lubricación, es la decisión técnica y regulatoria más crítica en la lubricación de centrales hidroeléctricas.
Turbinas Pelton (alta caída, 100-1 500 m): lubricación de cojinetes y servomotores de inyectores
La turbina Pelton es una turbina de acción (impulse turbine) de alta eficiencia para aprovechamientos de alta caída neta (100 a más de 1 500 m) y caudal relativamente bajo. El rodete de cucharas recibe el chorro de agua a alta velocidad de los inyectores. El eje de la turbina puede ser horizontal o vertical.
Cojinetes de eje (journal bearings): baño de aceite ISO VG 100-150
En turbinas Pelton de eje horizontal, el eje se apoya en dos cojinetes radiales de manguito (sleeve / plain bearings) en baño de aceite estático (oil bath o oil ring lubrication). La velocidad de giro es baja (100-600 rpm dependiendo de la potencia y la caída) y las cargas son principalmente el peso del rotor más las fuerzas hidráulicas del chorro. La viscosidad ISO VG 100 a 150 es la habitual para cojinetes de diámetro 200-500 mm a estas velocidades. El aceite es del tipo turbina R&O (ISO VG 100 L-TD) o, en instalaciones modernas, aceite EAL de base éster sintético (HEES) ISO VG 100 si existe riesgo de fuga hacia la sala de máquinas o hacia el circuito de agua.
En turbinas Pelton de eje vertical (menos frecuentes), el cojinete de guía inferior está en la parte inferior del eje, a menudo en entorno húmedo. La tendencia a la contaminación con agua de proceso hace recomendable el uso de aceite con buena demulsibilidad (rápida separación agua/aceite) o incluso EAL de base éster con buena resistencia a la hidrólisis (ésteres de neopentilglicol de alta estabilidad) que no genere toxicidad acuática en caso de fuga.
Cojinete de empuje axial tipo Kingsbury (thrust bearing)
El cojinete de empuje Kingsbury (tilting-pad thrust bearing, TPTB) absorbe las fuerzas axiales del chorro de agua sobre el rodete (en Pelton la fuerza axial es relativamente baja comparado con Kaplan) y el peso axial del eje en instalaciones verticales. El diseño Kingsbury con patines de Babbitt inundados en baño de aceite es el estándar. La viscosidad del baño de aceite es ISO VG 100 a 150, compartida con los cojinetes de guía en sistemas de baño de aceite colectivo, o ISO VG 150 a 220 en cojinetes de empuje de alta carga en turbinas de gran potencia (> 100 MW).
Servomotores de inyectores (needle valve actuators): grasa para vástago y rosca
Los inyectores de la Pelton regulan el caudal mediante un deflector y una aguja (needle valve) accionada por un servomotor hidráulico o electromecánico. El vástago roscado exterior del servomotor y los pasadores de guía del mecanismo de accionamiento de la aguja requieren lubricación con grasa resistente al agua (exposición a salpicaduras del chorro de agua). Grasa de sulfonato de calcio complejo NLGI 2 o grasa de Li-Complex con aditivos anti-agua son las elecciones habituales. En instalaciones con normas ambientales estrictas (zonas de protección de manantiales, parques nacionales), se puede usar grasa EAL biodegradable de base éster NLGI 2.
Turbinas Kaplan (baja caída, paso ajustable): EAL obligatorio en el cubo sumergido
La turbina Kaplan es una turbina de reacción de flujo axial con palas de rodete de paso ajustable. Opera en saltos de baja caída (2 a 40 m) y alto caudal, típicamente en centrales fluviales, en estuarios y en turbinas de marea. La característica diferenciadora desde el punto de vista de la lubricación es que el mecanismo de ajuste de paso de las palas del rodete (runner hub pitch mechanism) está SUBMERGED dentro del cubo del rodete, que gira sumergido en el agua del río o canal.
Cubo del rodete (runner hub): aceite EAL de éster sintético HEES obligatorio
El mecanismo de ajuste de paso en el cubo del rodete Kaplan incluye un sistema de palancas, bielas y pistón hidráulico (o servo-motor interno) sumergido en aceite de proceso. Este aceite tiene contacto potencial con el agua del río a través de los sellos de las palas (blade seals) que inevitablemente experimentan microfiltraciones a lo largo de su vida útil. Una fuga de aceite mineral en el río puede tener consecuencias ecológicas graves: el aceite mineral no es biodegradable y es tóxico para los peces y la fauna acuática.
Por esta razón, la normativa europea (EU Water Framework Directive 2000/60/EC) y los requisitos de las autoridades ambientales nacionales exigen el uso de lubricantes EAL (Environmentally Acceptable Lubricants) en todos los puntos de lubricación con riesgo de contacto con el agua. El estándar EAL de referencia es ISO 15380, que clasifica los lubricantes hidráulicos biodegradables en cuatro grupos: HETG, HEES, HEPR y HEPG. Para el cubo Kaplan, el tipo HEES (aceites de éster sintético) en ISO VG 46 a 100 es la elección predominante por su combinación de alta biodegradabilidad (> 60% en OECD 301B en 28 días), baja toxicidad acuática, buenas propiedades lubricantes y estabilidad hidrolítica superior a los HETG (ésteres vegetales).
Servomotores de ajuste de paso de palas (blade angle servomotors)
El sistema de ajuste de paso de palas usa aceite hidráulico EAL (HEES ISO VG 46 o 68) en el sistema de control hidráulico. El circuito hidráulico del servomotor de palas incluye una unidad hidráulica (HPU, Hydraulic Power Unit) con depósito, bomba, filtros, servoválvulas y acumuladores, ubicada habitualmente en la cámara de aspiración o en la zona de cojinetes del cubo. La presión de operación es típicamente 160-250 bar. Los filtros del circuito EAL deben ser de alta eficiencia (β10 ≥ 100, ISO 11171) para proteger las servoválvulas de paso ajustable, que tienen tolerancias de 5-15 µm. El aceite EAL HEES de éster sintético tiene mayor coste que el aceite hidráulico mineral (aproximadamente 3-6 veces), pero es un requerimiento no negociable en instalaciones sobre masas de agua.
Servomotores de directrices (wicket gate servomotors)
Los álabes directrices (wicket gates o guide vanes) regulan el caudal de agua que llega al rodete. Cada directriz está accionada por un mecanismo de varillaje conectado a un anillo de regulación (regulating ring) girado por servomotores hidráulicos. En turbinas Kaplan, estos servomotores están en la cámara espiral (spiral casing zone) o en la tapa superior de la turbina, cerca del agua. Si existe riesgo de fuga, se usa también aceite EAL (HEES VG 46) en el circuito de los servomotores de directrices. Los pasadores de articulación del varillaje de directrices se lubrican con grasa EAL biodegradable NLGI 2 (éster sintético + espesante de Li-Complex o Ca-Sulfonate de origen sintético).
Cojinetes de guía del eje (guide bearings) en Kaplan
Las turbinas Kaplan de eje vertical tienen el cojinete de guía de turbina (turbine guide bearing) en la zona de tapa de turbina, en contacto indirecto con el agua. Se recomienda aceite EAL de base éster (HEES ISO VG 100-150) o aceite de turbina mineral con buena demulsibilidad si el sistema está completamente estanco. El cojinete Kingsbury de empuje axial, que soporta el peso del rotor y el generador (varios cientos de toneladas en turbinas grandes), usa aceite ISO VG 100-220 en baño inundado. En instalaciones Kaplan de gran potencia (> 100 MW), el cojinete de empuje puede ser de tipo hidrodinámico con patines refrigerados por agua mediante serpentines: el aceite en el baño del Kingsbury debe tener excelente demulsibilidad porque el circuito de refrigeración puede generar condensados.
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Turbinas Francis (caída media, flujo radial-axial): cojinetes, Kingsbury y directrices
La turbina Francis es la más utilizada en todo el mundo, cubriendo el rango de caídas medias (40 a 600 m) con alta eficiencia. Es una turbina de reacción de flujo mixto (radial-axial): el agua entra radialmente por la corona de directrices y sale axialmente. La mayoría de las grandes centrales hidroeléctricas del mundo (Three Gorges, Itaipú, Grand Coulee) usan turbinas Francis.
Cojinete de guía de turbina (turbine guide bearing): baño de aceite
El cojinete de guía de turbina Francis está ubicado debajo del rodete, en la zona del cono de aspiración o en la zona de la tapa inferior. En turbinas Francis de eje vertical de gran potencia, el cojinete de guía de turbina puede ser de tipo manguito de Babbitt o de tipo segmentado. La lubricación es por baño de aceite estático con circulación por anillos o con circulación forzada en equipos grandes. Viscosidad habitual: ISO VG 100 a 150 (aceite de turbina R&O o EAL HEES si hay riesgo de contaminación hídrica). La temperatura del aceite en el cojinete de guía de turbina debe monitorizarse: alarma típica a 65°C, disparo a 75°C.
Cojinete de empuje Kingsbury: aceite de alta viscosidad
En turbinas Francis de eje vertical, el peso del conjunto rotor-generador puede superar las 500-2 000 toneladas en unidades grandes. El cojinete de empuje Kingsbury está ubicado en la parte superior del eje, integrado o adyacente al generador. La carga específica sobre los patines de Babbitt es alta: típicamente 3-5 MPa. Se usa aceite ISO VG 150 a 220 en el baño del Kingsbury. El aceite se mantiene a temperatura constante (40-50°C) mediante serpentines de refrigeración internos al baño o mediante un intercambiador externo. En centrales de alta potencia, el baño del cojinete Kingsbury puede requerir 2 000-10 000 litros de aceite.
Corona de directrices (wicket gates) y anillo de regulación
Los pivotes de las directrices (top and bottom pivots) se lubrican mediante inyección de grasa a través de engrasadores (nipples de grasa) de forma periódica. En turbinas Francis modernas, el sistema de engrase de directrices puede ser centralizado y automático. La grasa debe ser resistente al agua (porque los pivotes están en zona de contacto con la corriente de agua), de base Li-Complex o Ca-Sulfonate, NLGI 2, con buenas propiedades EP para resistir la carga de contacto en los pivotes. En instalaciones con estándares ambientales altos (zonas de protección hídrica), se usa grasa EAL biodegradable de base éster con espesante sin metales pesados.
Selector de paso (servomotores de directrices): aceite EAL o mineral
Los servomotores hidráulicos que accionan el anillo de regulación de la Francis están en la cubierta superior de la turbina (head cover). Si los servomotores de directrices están sellados herméticamente y sin riesgo de fuga al agua, puede usarse aceite hidráulico mineral ISO HM VG 46. Si hay riesgo de fuga (sellos desgastados, instalación en zona de sensibilidad ambiental alta), debe usarse EAL HEES VG 46. La tendencia en proyectos de nueva construcción y en grandes revisiones (major overhaul) es usar EAL en todos los sistemas hidráulicos de la turbina para simplificar la gestión y cumplir con los requisitos ambientales de las concesiones de agua.
Multiplicadores de velocidad y cojinetes de generador en mini-hidro
Multiplicador (speed increaser / gearbox) para mini-hidro
En pequeñas centrales hidroeléctricas (PCH, mini-hidro < 10 MW), las turbinas frecuentemente giran a velocidades demasiado bajas (50-300 rpm) para acoplar directamente a un generador de 4 o 2 polos (1 500 o 3 000 rpm a 50 Hz). En estos casos se usa un multiplicador de velocidad entre la turbina y el generador. Los multiplicadores de mini-hidro trabajan en entorno húmedo, con riesgo de contaminación de agua, y en muchos casos cerca de masas de agua. El aceite de engranajes para el multiplicador debe ser:
- •EAL preferiblemente: aceite de engranajes sintético de base éster (ISO clasificación CLP-E) o base PAO (CLP-HC), ISO VG 220 a 320. Los ésteres sintéticos (HEES) son la opción más completa por biodegradabilidad, propiedades lubricantes y compatibilidad con elastómeros estándar NBR.
- •ISO VG 220-320: la viscosidad depende del módulo de los engranajes, la velocidad de las ruedas y la temperatura de operación. Multiplicadores de alta velocidad con engranajes helicoidales usan VG 220; multiplicadores de baja velocidad con engranajes de mayor módulo pueden usar VG 320 o 460.
- •Resistencia al agua: el aceite debe tener buena demulsibilidad (separación rápida de agua) y resistencia a la oxidación en presencia de agua. Los ésteres de neopentilglicol y trimetilolpropano tienen la mejor resistencia hidrolítica entre los ésteres sintéticos.
- •Norma sueca SS 15 54 34: en los países nórdicos y en muchas licitaciones de proyectos hídricos en Europa, se exige el cumplimiento de la norma sueca SS 15 54 34 para lubricantes en instalaciones acuáticas. Esta norma es más restrictiva que ISO 15380 en algunos criterios de biodegradabilidad y toxicidad acuática.
Cojinetes del generador: grasa de poliurea o Li-Complex
Los generadores de las centrales hidroeléctricas (acoplamiento directo o a través de multiplicador) pueden usar rodamientos de rodillos cilíndricos o de bolas de contacto angular, lubricados con grasa. En generadores de acoplamiento directo (velocidades bajas, 50-300 rpm), se usan a veces cojinetes de manguito en baño de aceite. En generadores acoplados a través de multiplicador (velocidades 750-3 000 rpm), los rodamientos son de rodillos o de bolas, lubricados con grasa de poliurea NLGI 2 (excelente para altas velocidades, alta temperatura, larga vida) o grasa de complejo de litio NLGI 2. En generadores próximos a zonas húmedas o en generadores Kaplan sumergidos parcialmente (bulb turbines), la grasa debe ser EAL biodegradable.
Cumplimiento ambiental: EU WFD, ISO 15380 y SS 15 54 34
EU Water Framework Directive (Directiva 2000/60/CE)
La Directiva Marco del Agua de la UE establece el objetivo de lograr el buen estado ecológico de todas las masas de agua europeas. Para las centrales hidroeléctricas, las autoridades competentes (organismos de cuenca, agencias ambientales nacionales) exigen que los lubricantes utilizados en puntos con riesgo de contacto con el agua cumplan criterios de biodegradabilidad y baja toxicidad acuática. En la práctica, esto se traduce en la exigencia de lubricantes EAL conforme a ISO 15380. Las concesiones de agua (water use licenses) de las centrales hidroeléctricas modernas en España, Alemania, Suecia, Austria y otros países europeos incorporan cláusulas específicas sobre lubricantes EAL.
ISO 15380: clasificación de lubricantes hidráulicos biodegradables
ISO 15380 clasifica los lubricantes hidráulicos ambientalmente aceptables en cuatro grupos según la base lubricante. Cada grupo tiene requerimientos específicos de biodegradabilidad, ecotoxicidad acuática, bioacumulación y renovabilidad (origen bio-based). La clasificación es:
- •HETG (Hydraulic Environmental Triglycerides): aceites de origen vegetal (ésteres naturales, triglicéridos). Base de aceite de colza, girasol o soja. Alta biodegradabilidad (> 80% OECD 301B) y bajo coste, pero menor estabilidad hidrolítica y oxidativa que los HEES. Limitados a temperaturas de operación menores (< 60°C en servicio continuo). Usados en servomotores de directrices de bajo ciclo y en sistemas hidráulicos de poca exigencia.
- •HEES (Hydraulic Environmental Ester Synthetics): ésteres sintéticos (poliol ésteres de neopentilglicol, TMP, PE). Alta biodegradabilidad (> 60% OECD 301B), excelente estabilidad hidrolítica, baja toxicidad acuática, amplio rango de temperatura (-20°C a +90°C en servicio). La opción predominante para servomotores Kaplan, circuitos hidráulicos de alta presión y multiplicadores de mini-hidro. Mayor coste que HETG y mineral.
- •HEPR (Hydraulic Environmental Polyalphaolefin or Related non-aqueous polymer fluids): PAO y fluidos derivados. Biodegradabilidad moderada (> 60% por OECD 301B sólo en algunas formulaciones), menor que HETG y HEES. No siempre considerados EAL completos por las autoridades ambientales. Buenas propiedades lubricantes y amplio rango de temperatura.
- •HEPG (Hydraulic Environmental Polyglycols): polialquilenglicoles (PAG). Alta biodegradabilidad en ciertos tipos, pero riesgo de contaminación microbiana en sistemas con agua. Usados en aplicaciones específicas; menos comunes en turbinas hidráulicas.
Norma sueca SS 15 54 34
La norma sueca SS 15 54 34 (publicada por SIS, Swedish Standards Institute) es el estándar de referencia para lubricantes biodegradables en instalaciones próximas a agua en Suecia y en varios países nórdicos. Es más restrictiva que ISO 15380 en biodegradabilidad (exige > 70% en OECD 301B) y en toxicidad acuática (exige LC50 a 96 h en peces > 100 mg/L). En proyectos hidroeléctricos financiados o licenciados con participación nórdica, o en instalaciones en cuencas compartidas con estos países, es frecuente que los pliegos técnicos exijan SS 15 54 34 además de ISO 15380. Los principales fabricantes de lubricantes EAL para turbinas (Fuchs Renolin, Castrol Carelube, Quaker Houghton Quintolubric) tienen productos certificados conforme a ambos estándares.
Tabla 1: Tipo de turbina vs. punto de lubricación vs. especificación de lubricante
Tabla 2: Clasificación EAL ISO 15380 — HETG, HEES, HEPR, HEPG
Monitorización del aceite y programa de mantenimiento por tipo de turbina
Los aceites de turbinas hidráulicas tienen condiciones de operación muy diferentes según el tipo de turbina y el punto de lubricación. Los aceites de turbinas Pelton en cojinetes de baño estático operan en condiciones relativamente suaves (baja temperatura, baja velocidad de oxidación) y pueden alcanzar intervalos de cambio de 8 000-12 000 horas o más. Los aceites EAL de turbinas Kaplan en servomotores de alta presión están expuestos a riesgo de contaminación con agua de río, crecimiento microbiano y degradación hidrolítica, requiriendo monitorización más frecuente.
Riesgo específico de aceites EAL HEES: hidrólisis y crecimiento microbiano
Los aceites de base éster sintético HEES son susceptibles a la hidrólisis en presencia de agua libre a altas temperaturas. La reacción de hidrólisis produce ácidos grasos libres que aumentan el TAN y pueden causar corrosión en metales no ferrosos del sistema hidráulico. Los inhibidores de la hidrólisis (estabilizadores de ésteres) en los aceites HEES de calidad controlan esta reacción, pero deben monitorizarse periódicamente. Adicionalmente, los ésteres de origen vegetal (HETG) y algunos HEES son más susceptibles al crecimiento microbiano (bacterias y hongos) en presencia de agua, especialmente en sistemas con poco movimiento de aceite (standby). El uso de biocidas (inhibidores de crecimiento microbiano) en aceites EAL para turbinas es una práctica recomendada en instalaciones con riesgo de ingreso de agua de proceso.
Preguntas frecuentes
¿Es obligatorio usar aceite EAL en todos los puntos de lubricación de una turbina Kaplan, o sólo en el cubo del rodete?
Estrictamente hablando, el requerimiento obligatorio de EAL se aplica a todos los puntos de lubricación donde existe riesgo de contacto directo o potencial con el agua del río: cubo del rodete (obligatorio siempre), servomotores de palas (obligatorio si no están completamente sellados), pivotes de directrices (obligatorio en zonas de contacto con agua). Los cojinetes de guía de turbina y el cojinete Kingsbury están en zonas más protegidas: si los sellos son en buen estado y el sistema está diseñado para contener totalmente el lubricante, el aceite mineral puede ser aceptable. Sin embargo, la tendencia regulatoria y la práctica de ingeniería moderna es usar EAL en todos los puntos de la turbina para simplificar la gestión ambiental y la conformidad con la concesión de agua.
¿Puedo mezclar aceite EAL HEES con aceite mineral de turbina si necesito hacer una recarga urgente?
No es recomendable. Los aceites HEES de base éster sintético y los aceites minerales son técnicamente miscibles (no forman capas separadas), pero la mezcla diluye las propiedades ambientales del EAL: el porcentaje de biodegradabilidad y los criterios de toxicidad acuática de la mezcla pueden no cumplir los requisitos de ISO 15380. Además, en algunos sistemas, la compatibilidad de la mezcla con los sellos y recubrimientos debe verificarse. En una emergencia, haga la recarga mínima posible con EAL del mismo tipo y reemplace el aceite contaminado en la primera parada planificada.
¿Cuál es la diferencia práctica entre HEES de éster de neopentilglicol (NPG) y de trimetilolpropano (TMP) para servomotores Kaplan?
Ambos son ésteres sintéticos poliol de alta calidad con buenas propiedades EAL. Los ésteres de TMP (trimetilolpropano) tienen en general menor volatilidad (mayor punto de inflamación) y mejor resistencia oxidativa que los ésteres de NPG a igual viscosidad, lo que los hace preferibles para servomotores de alta temperatura o para intervalos de cambio largos. Los ésteres de NPG tienden a tener mejor fluidez a baja temperatura (menor punto de fluidez) y son más económicos. En servomotores Kaplan con temperatura de operación normal (30-70°C) y acceso periódico de mantenimiento, los ésteres NPG son completamente adecuados. Para servomotores en ubicaciones difíciles con intervalos de mantenimiento largos, los ésteres TMP o los ésteres pentaeritritol (PE) de cuatro brazos ofrecen mayor margen de seguridad.
¿Qué viscosidad de aceite EAL HEES se debe usar en el cubo de una turbina Kaplan de gran potencia (>100 MW) con servomotores de paso de palas a 250 bar?
Para servomotores de alta presión (200-250 bar) en turbinas Kaplan de gran potencia, se recomienda HEES ISO VG 46 a VG 68. La VG 46 es la más habitual porque ofrece el equilibrio entre lubricación de las servoválvulas (que requieren baja viscosidad para respuesta rápida) y la capacidad de carga de los pistones del servo. La VG 68 se usa cuando la temperatura de operación del aceite es más alta de lo normal (sistemas con refrigeración insuficiente o en instalaciones tropicales) para mantener la película lubricante en la presión de operación. Consulte siempre las especificaciones del fabricante de la turbina (Voith, GE Renewable, Alstom/GE, Andritz) y del fabricante de las servoválvulas.
¿Cuándo está justificado usar aceite EAL en la caja multiplicadora de una mini-hidro aunque el aceite mineral sea más económico?
El uso de EAL en la caja multiplicadora está justificado (y en muchos casos legalmente obligado) cuando: (1) la concesión de agua o el permiso ambiental de la instalación lo exige explícitamente; (2) la caja multiplicadora no tiene contención secundaria completa (cubeto estanco) que garantice la captura total en caso de fuga; (3) la instalación está en zona de protección ambiental especial (parque natural, zona de captación de agua potable, zona de cría de peces protegidos); (4) el cliente o propietario de la central adopta una política de EAL en toda la instalación por simplificación de gestión ambiental. El sobrecoste del aceite EAL (3-5x respecto al mineral) se amortiza fácilmente frente al coste de una sanción por vertido o el coste de un programa de remediación de suelos o agua contaminada.
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