Cálculo de cargas aeroelásticas

EXPERIENCIA

SOLUTE tiene una extensa experiencia en la simulación de cargas aeroelásticas, tanto para el desarrollo de nuevos modelos de aerogenerador como para la validación de modelos ya existentes bajo condiciones específicas de emplazamiento, de aplicación en entornos onshore y offshore

Los aerogeneradores se encuentran expuestos a la acción del viento, o del viento y del mar, sobre su estructura, lo que provoca una suma de fuerzas y momentos sobre la misma. A este conjunto de fuerzas y momentos se le denomina cargas aeroelásticas.

A través de modelos aeroelásticos que definen el aerogenerador desde un punto de vista estructural y aerodinámico, el cálculo de cargas consiste en cuantificar las fuerzas y momentos que sufre la estructura durante su exposición a todas las condiciones de viento, o viento y mar, y de operación a lo largo de la vida útil del aerogenerador.

El objetivo es garantizar la seguridad, la integridad estructural de los componentes que conforman la turbina eólica, así como su correcto funcionamiento.

METODOLOGÍA

Bladed, Flex5, HAWC2 o FAST son códigos de cálculo para la creación de modelos aeroelásticos que representan en simulación el comportamiento de un aerogenerador y muestran su respuesta en el dominio del tiempo. La base teórica de todos estos códigos es la teoría del elemento de pala (BEM). Con arreglo a las propias exigencias comerciales de algunos fabricantes, SOLUTE ha contribuido en la traducción de modelos entre distintos códigos. Esto supone conocer en detalle la formulación y definición con la que cada código trabaja y, con ello, poder equiparar los resultados obtenidos con cada uno de ellos validando así los distintos planteamientos bajo estudio.

La definición de casos de carga a simular para cubrir todos los escenarios de funcionamiento que pueden presentarse durante la vida de operación del aerogenerador viene establecida por las normativas IEC 61400-1 e IEC 61400-3.

Para la creación de un modelo aeroelástico de un aerogenerador, se trabaja con los distintos componentes que lo definen, como son la cimentación o subestructura, la torre, la góndola (nacelle) y tren de potencia, el rotor y las palas. Entre otros, los parámetros que intervienen son: dimensiones geométricas de cada sección de torre y subestructura, así como su distribución de masa, módulos característicos de los materiales utilizados, dimensiones geométricas de buje y nacelle, distribución de masas y rigideces, inercias, coeficientes aerodinámicos, definición geométrica de la pala y polares de los perfiles aerodinámicos.

Por otro lado, ciertos ajustes de control son necesarios para el desarrollo de nuevas configuraciones de aerogenerador. Para ello, se comprueban aquellos parámetros de funcionamiento, nominales y máximos permitidos, bajo los cuales la máquina debe estar trabajando. Con determinados análisis estadísticos globales, así como evaluaciones en detalle de series temporales concretas, puede determinarse si el funcionamiento del control y la máquina son los adecuados o, por el contrario, insistir en determinados ajustes para conseguirlo.

En este mismo sentido, se llevan a cabo análisis de frecuencias propias, a partir de diagramas de Campbell, verificando márgenes existentes entre frecuencias naturales y frecuencias de excitación y considerando los resultados obtenidos como parte del ajuste del control según los modos analizados y la contribución de modos desacoplados.

Por razones comerciales, de fabricabilidad o de logística, pueden ser requeridos ciertos rediseños de componentes concretos, pero no así, un diseño nuevo del modelo en su totalidad. Por ello, con el modelo previo de base y considerando estos nuevos componentes rediseñados, se realizan estudios de cargas completos donde el fin último es el de comparar resultados previos con los actuales y verificar que todos los componentes, tanto los de nuevo diseño como aquellos originales que pudieran estar afectados por dicho cambio, siguen cumpliendo con los admisibles establecidos. Igualmente, en numerosas ocasiones se requieren análisis de sensibilidad en referencia a ciertos parámetros de la máquina.

Dentro de las relaciones comerciales que el fabricante de aerogeneradores tiene establecidas con sus clientes, uno de los principales aspectos de consideración está relacionado con la curva de potencia suministrada. En este campo, es necesario generar un gran volumen de simulaciones que cubra todos los posibles escenarios de operación de la máquina.

Adicionalmente, el cálculo de cargas es ampliamente requerido para evaluar si el producto analizado cumple con las especificaciones de un emplazamiento específico. Para ello, deben considerarse todas aquellas características particulares que definen la localización que se encuentra bajo estudio, entre las que se incluyen la definición del viento, la caracterización de las condiciones de mar si es un emplazamiento offshore, la caracterización del terreno en un emplazamiento onshore y la distribución o layout de los aerogeneradores dentro del parque eólico a analizar.

Muchas veces la motivación que provoca dichos estudios está relacionada con el nivel de viento y las características del aire que definen la clase para la cual la máquina ha sido diseñada. Puesto que existe la posibilidad de que los componentes mecánicos y estructurales que constituyen el aerogenerador tengan unos regímenes de funcionamiento, envolventes o admisibles por encima de lo que está considerado en diseño, se realizan multitud de análisis con la intención de verificar si, aun estando por encima de alguna de las condiciones de diseño, hay cierto margen en los componentes que permite poder instalar el aerogenerador en la localización deseada.

En la ejecución de este tipo de estudios, se lleva a cabo la preparación y creación de ficheros de viento y casos de carga. Los primeros contendrán, principalmente, la información relativa a la velocidad y turbulencia del viento. Los casos de carga o simulaciones se generan bajo normativa IEC y tienen en cuenta las condiciones de viento y mar, así como las condiciones de operación. Estas simulaciones representarán todas las posibles situaciones a las que se enfrentará el aerogenerador en su vida útil.

Una vez preparados y simulados los casos de carga, se obtienen como resultado las series temporales, es decir, la representación de las cargas y variables de funcionamiento a lo largo del tiempo. El tratamiento de estos resultados consiste, por un lado, en el conteo de ciclos por el método Rainflow con la obtención de los resultados de fatiga (daño en la estructura) y, por otro lado, en el cálculo de cargas máximas/mínimas en relación con los resultados de última.

Estos postprocesos son también efectuados bajo la normativa vigente a cumplir y sirven para cuantificar las fuerzas y momentos que sufre la estructura durante su exposición a todas las condiciones de viento, mar y operación a lo largo de la vida útil del aerogenerador. Inmediatamente después de extraer los resultados, se realiza una evaluación y comparativa frente a valores de referencia que tiene como objetivo asegurar la seguridad e integridad estructural de los componentes que constituyen la turbina, así como su correcto funcionamiento.

Los resultados se obtienen en distintos puntos o sensores del modelo que vienen a ser una representación del componente que ocupa dicha posición. Esto permite concluir cuál será la vida de tornillos, rodamientos, multiplicadora, etc., así como la carga extrema que los distintos componentes experimentarán. Los ingenieros de SOLUTE se enfrentan diariamente a diversas herramientas de postproceso, así como de cálculo y análisis de componentes, lo que implica conocer en profundidad el papel que juegan las cargas equivalentes, LDD, matrices de Markov, factores de utilización o cargas límite.

Adicionalmente, puede ser objeto de estudio intentar extender la vida útil del aerogenerador más allá de los años inicialmente previstos. Además, es habitual la implementación de estrategias que, por un lado, permitan la instalación del parque con cierta penalización asumible en la producción anual de energía (AEP) y, por otro, permitan extender la vida con una serie de tareas extra de mantenimiento desde inicio planificadas. De igual forma, es frecuente analizar cuál es el impacto en cargas que suponen cambios en las estrategias de control.