4.1.8.  Cojinete de empuje.

Este elemento, conocido también como soporte de suspensión, pivote, rangua o quicio, característico y necesario en todos tos grupos de eje vertical, hemos de considerado como un componente propio de dichos grupos en sí y no de las turbinas hidráulicas que responden a tales condiciones de instalación.

Su situación, respecto al eje del grupo, varia según los tipos de turbinas. Así, en el caso de grupos accionados por turbinas Pelton o Francis, dicho cojinete suele encontrarse por encima del rotor del alternador, mientras que, en el caso de turbinas Kaplan, puede estar localizado por debajo del mismo.

Como más significativos, citaremos los siguientes tipos de cojinetes de empuje:

-          Cojinete de empuje de zapatas rígidas.

-          Cojinete de empuje de zapatas pivotantes.

-          Cojinete de empuje de resortes.

-          Cojinete de empuje esférico.

En todos ellos, destinados a soportar esfuerzos axiales, destacan dos partes cuyas funciones son comunes. Así tenemos, para cada cojinete, la parte giratoria, totalmente solidaria con el eje del grupo, la cual descansa sobre la parte fija, enclavada en zonas inmóviles de la estructura rígida, próximas al eje, como son puentes, etc. (Fig. 36).

Fig. 36 - Cojinete de empuje.

La parte giratoria consta, entre otras, de una pieza de fundición especial y forma anular, cuya superficie plana en contacto con la parte fija está perfectamente pulimentada. Debido a estos aspectos constructivos. se denomina espejo, plato de fricción, collar o corona (Fig. 37). El espejo está unido al gorrón, pieza que se encaja rígidamente en el eje.

Fig. 37 – Espejo y patines de un cojinete de empuje. Representación esquemática.

La parte fija está constituida, esencialmente, por un numero determinado de zapatas o segmentos, conocidos como patines, en los que la superficie en contacto con el plato de fricción se encuentra revestida de metal blanco. Dichas zapatas pueden estar montadas rígidamente o, por el contrario disponer de movimientos radiales, tangenciales y axiales, los cuales se consiguen mediante pivotes, rótulas o resortes situados adecuadamente lográndose con tales oscilaciones una mejor adaptación entre las superficies en fricción (Fig. 37).

La mayoría de los cojinetes de empuje, especialmente los de grandes grupos, además de estar sumergidos en un deposito de aceite, cuba, disponen de un sistema de aceite a presión, a fin de favorecer la lubricación total de las piezas sometidas a fricción, desde el instante, o antes, de que el grupo comienza a girar, con lo que se logra la formación de una capa o película de aceite que soporta la carga total. Dicha película, de poquísimo espesor (milésimas de milímetro), ha de mantenerse desde el momento de arranque del grupo hasta la parada total del mismo. Cuando éste adquiere una velocidad predeterminada, aproximadamente el 30% de la normal de funcionamiento, el sistema de acepte a presión queda desconectado, manteniéndose la capa de lubricación como consecuencia del baño de aceite que cubre las zonas en contacto, entrando nuevamente en servicio cuando, por parada del grupo la velocidad de éste se reduce al valor mencionado.

En la figura 38, se muestra, esquemáticamente, un sistema de aceite a presión.

Fig. 38 - Sistema de aceite a presión para cojinetes de empuje.

Para facilitar el libre paso de aceite a presión, los segmentos disponen de unos orificios centrales, suficientemente abocardados, perpendiculares al plato de fricción, que reciben el aceite antes de ponerse a girar la turbina. Así mismo, en las superficies antifricción de dichos segmentos, suelen existir chaflanes y surcos radiales que permiten la penetración, entre las superficies en contacto, del aceite depositado en la cuba, debido a un efecto hidrodinámico de arrastre de partículas de aceite y de presión (Fig. 37).

Dado que el aceite debe de mantener unos valores de temperatura y viscosidad entre unos límites adecuados, es necesario refrigerarlo convenientemente. La refrigeración se puede efectuar por dos procedimientos distintos.

El primero, consiste en hacer circular agua a través de serpentines instalados en el interior del propio depósito de aceite (Fig. 39), en el cual se encuentra sumergido el cojinete; con este sistema, se corre el peligro de que, por una fuga en los serpentines de agua, ésta pase hacia el aceite, lo que ocasionaría graves daños al cojinete. Para evitar lo anterior, se recurre a otro procedimiento, consistente en hacer pasar el aceite a través de serpentines instalados en refrigeradores de agua situados en el exterior del depósito de aceite, el cual, impulsado por una bomba, circula a una presión mayor que el agua, con lo que, ante una perforación de serpentines, se evita el paso de agua al circuito de aceite.

Fig. 39 - Situación del serpentín de refrigeración del aceite.  Detalle de un rascador de aceite.

En grupos de pequeñas dimensiones, puede recurrirse a una refrigeración del aceite por medio de una circulación forzada de aire frío.

Cuanto más elevada es la temperatura del aceite, su viscosidad se debilita corriéndose el riesgo de que la película de aceite se rompa, llegándose a producir  un agarrotamiento (gripado) entre las zonas en fricción, si se sobrepasan los límites admisibles de temperatura. Se deduce que tal riesgo es mayor durante las paradas que en los arranques, por lo que al realizar la parada de determinados grupos se pone en servicio el sistema de aceite a presión.

En algunos tipos de cojinetes de empuje, se instalan radialmente, entre patines, pletinas de fibra, baquelita, etc., las cuales, actuando como rascadores de aceite sobre la superficie del plato de fricción, evitan que el aceite caliente pase de unos patines a otros, haciéndola retornar a la cuba donde se refrigera (Fig. 37 y 39).

Para controlar los niveles de aceite, temperaturas en el aceite y en metales antifricción (valores máximos 75ºC y 80ºC, respectivamente), así como las presiones de aceite durante el arranque se instalan los correspondientes dispositivos de control, tales como niveles, termostatos, presostatos, etc.