Estudio de uniones soldadas y atornilladas

Estudio de todos los tipos de uniones mecánicas entre componentes del aerogenerador, abarcando las que están presentes desde la pala hasta la cimentación, con el fin de asegurar la resistencia y durabilidad del conjunto de la turbina.


Período

2006-2023

Sector

Mecánico Estructural

Servicio

Análisis de uniones soldadas y atornilladas
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CONTEXTO

Desde hace más de 15 años se ha desarrollado una amplia experiencia en el estudio de todos los tipos de uniones mecánicas entre componentes del aerogenerador, abarcando las que están presentes desde la pala hasta la cimentación. Estos análisis requieren de un enfoque avanzado y preciso que conjuga distintas técnicas, desde modelización matemática por técnicas de elementos finitos hasta cálculos analíticos bajo diversos códigos, con el fin de asegurar la resistencia y durabilidad del conjunto del aerogenerador.

El análisis de uniones soldadas y atornilladas es una capacidad transversal a cualquier sector y dispositivo que se incluye en el ámbito de la energía eólica por su extendida presencia y recurrencia. Un aerogenerador no es sino una máquina con un número de componentes unidos cuya fatiga y resistencia útil han de certificarse por ciertas entidades privadas para garantizar su durabilidad.

Es muy común que en una estructura o máquina las uniones entre componentes sean el punto más débil del recorrido que realizan las cargas mecánicas que se generan en la turbina y terminan en el anclaje de la torre. Mediante esta capacidad de análisis de las uniones entre componentes, el tecnólogo puede dimensionarlas adecuadamente garantizando que las uniones cumplen con su función de ensamblaje de componentes con una resistencia adecuada y así maximizar y garantizar la vida útil de la máquina.


RESULTADOS

El análisis posibilita obtener una evaluación de las uniones en su definición original y además plantear, en caso de que no se llegue a los requerimientos mínimos, contramedidas o cambios en los parámetros con los que volver a verificar iterativamente hasta satisfacer los objetivos. En definitiva, es un análisis que permite diseñar y optimizar la unión determinando con precisión los factores que influyen en el diseño.

Es muy habitual incluir la metodología y resultados de estos cálculos en los informes que se destinan a la certificación de la máquina ante las entidades pertinentes, además de al propio cliente.

EXPERIENCIA

Desde nuestros inicios, este tipo de cálculos para grandes clientes es habitual, tanto en eólica como en otras áreas de actividad para distintos grupos de interés. Específicamente en aerogeneradores, las uniones atornilladas más habituales son: 

1) de raíz de pala a buje 

2) de buje a eje de rotor 

3) de góndola a punta de torre 

4) todas las uniones por bridas a lo largo de la torre 

5) en la unión de la parte inferior de torre a la parte correspondiente en la cimentación 

Además, se analizan las uniones soldadas que, aunque menores proporcionalmente en número en un aerogenerador, están también presentes en el bastidor trasero más otras partes específicas donde hay soldaduras.

Los stakeholders o grupos de interés son variados, y abarcan desde desarrolladores y/o fabricantes de máquinas y de torres, a departamentos de operación y mantenimiento (O&M) o propietarios de parques eólicos, siendo en todos los casos el proceso igual de riguroso.

METODOLOGÍA

La precisión que requiere el cálculo de uniones atornilladas y soldadas hace que sea muy común el empleo de la Modelización por Elementos Finitos (FEM). Se trata de modelos de alta precisión con un alto grado de refinamiento y de detalle. SOLUTE posee una amplia experiencia en modelización FEM que permite hacer el mejor planteamiento posible. Por ejemplo, es muy habitual utilizar técnicas de modelado donde la información procedente de modelos amplios de mayor alcance se aplica para refinar en una zona concreta donde está presente la unión, sea tornillo o soldadura.

Se pueden emplear diversos códigos comerciales para la creación de los modelos FEM, si bien en todos los trabajos la modelización pasa por incluir un primer caso de carga de pretensión de los tornillos, una definición de contactos friccionales entre las superficies y un refinamiento definido tal que permita obtener de la zona de interés la información para poder realizar el cálculo analítico posterior.

Cuando se trata de uniones atornilladas circulares, se hacen planteamientos específicos que permitan una discretización muy precisa de varios puntos en el perímetro circular de cada tornillo, porque así se puede reflejar la variabilidad en las cargas debido a su dirección. Esto es de especial interés para el análisis a fatiga donde disponemos de una serie histórica con una rica información de módulo y dirección que puede y debe ser aprovechada en el análisis.

Se emplean habitualmente códigos, normas y guías de diseño (DNV, Eurocodigo, VDI2230, etc), además de otros planteamientos propios desarrollados internamente. Para cálculos a extrema, habitualmente el valor obtenido es el margen de utilización y, en casos de fatiga, el daño acumulado en el periodo estimado, normalmente 20 o 25 años. La metodología aplicada permite una trazabilidad tal que, cuando un valor no cumple con los requerimientos, podemos analizar la causa y así proponer y comprobar variaciones de diseño o parámetros de la unión que permita que cumpla.

Software

Desarrollo Web / App

Interfaz que permite al usuario interactuar con una plataforma mediante la comunicación con el backend, parte que gestiona y procesa la información proporcionada para devolver los resultados solicitados a través de la app.

Virtualización

Gemelos digitales

Réplicas virtuales de un modelo específico que reflejan con alta precisión a su activo e incorporan datos en tiempo real, captados a través de sensores, para evaluar el rendimiento e implementar mejoras transferibles al activo físico original que representan.