DISEÑO DE AEROS PPW

7/31/2019 DISEO DE AEROS PPW

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TEMA 6:

Diseo de aerogeneradores:

criterios bsicos.Fabricacin


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La potencia producida aumenta con el rea de barrido del rotor.

Razones para elegir grandes turbinas

Economas de escala en los aerogeneradores; mquinas ms grandes son capaces de suministrar

electricidad a un coste ms bajo. La razn es que los costes de las cimentaciones, la construccin de

carreteras, la conexin a la red elctrica, adems de otros componentes en la turbina (el sistema decontrol electrnico, etc.), son ms o menos independientes del tamao de la mquina.

Las mquinas ms grandes estn particularmente bien adaptadas para la energa elica en el mar.

Los costes de las cimentaciones no crecen en proporcin con el tamao de la mquina, y los costes de

mantenimiento son ampliamente independientes del tamao de la mquina.

En reas en las que resulta difcil encontrar emplazamientos para ms de una nica turbina, una granturbina con una torre alta utiliza los recursos elicos existentes de manera ms eficiente.

Impacto visual: mquinas ms grandes suelen tener una velocidad de rotacin ms pequea.

Razones para elegir turbinas ms pequeas

Red elctrica local demasiado dbil para manipular la produccin de energa de una gran mquina.Hay menos fluctuacin en la electricidad de salida de un parque elico compuesto de varias mquinas

pequeas.

El coste de usar grandes gras, y de construir carreteras lo suficientemente fuertes para transportar

los componentes de la turbina, puede hacer que en algunas reas las mquinas ms pequeas

resulten ms econmicas.


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Combinacin de tecnologa y economa:

se busca garantizar la fiabilidad requerida durante

los 20 aos de vida til y producir la electricidad almenor coste posible por kilovatio-hora (kWh) deenerga; no importa demasiado si se estnutilizando los recursos elicos de forma eficiente: afin de cuentas el combustible es gratis.

se mira la distribucin de velocidades de viento y el

contenido energtico a diferentes velocidades paradeterminar cul ser la combinacin ideal detamao de rotor y de tamao de generador en los

diferentes emplazamientos de aerogeneradores.


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Criterio de Fiabilidad estructural:

integridad frente a cargas extremas (estticas, como f. centrfuga, rotor en bandera,vientos huracanados, etc.)Integridad frente a cargas de fatiga (cargas dinmicas debidas al giro de palas,transitorias por maniobras de orientacin o actuacin de mecanismos de regulacin paso pala,

turbulencias, efecto estela)

nivel controlado de deformaciones y vibraciones en condiciones de servicio

CERTIFICACION DE ACUERDO A NORMASGL (GERMANISHER LLOYD)o DNT (DET NORSKE VERITAS)

ETAPAS DE DISEO

1. DISEO CONCEPTUAL- concepto estructural del aerogenerador(con-sin multiplicadora; estructura del tren de transmisin)

2. DISEO DE CONJUNTO- determinacin de componentes yrequerimientos de cada uno

3. DISEO DE DETALLE- clculos justificativos de la fiabilidad: cargas

extremas, fallo a fatiga, deflexiones mximas, frecuencias deresonancia, desgaste, corrosin

4. PLANOS DE FABRICACION


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Clculos tpicos:

1. Integridad estructural frente a cargas extremas y de fatiga

2. Pandeo frente a cargas extremas

3. Anlisis de frecuencias propias

4. Comportamiento frente a corrosin y agentes ambientales

Minimizar su peso y su costo.

Minimizar la emisin de ruido acstico.

Minimizar la afectacin de su desempeo aerodinmico por efecto de

partculas que se adhieran (v.g., polvo, insectos impactados).

Soportar los efectos de condiciones climticas normales y severas(v.g., radiacin solar, humedad, granizo, lluvia).

PALAS

Diseo aerodinmico de forma que el ngulo de ataque se mantengalo ms cercano posible a su valor ptimo a lo largo de toda la pala(ngulo de calaje variable a lo largo de la pala).Resistir la amplia gama de cargas de viento a que estarn sujetasdurante una vida til de por lo menos 25 aos.


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SISTEMA DE CAMBIO DE PASO

1. Integridad estructural frente a cargas extremas y de fatiga2. Capacidad de actuacin del sistema3. Inestabilidad por acoplamiento con la rigidez torsional de la pala

BUJE

1. Integridad estructural frente a cargas de fatiga

2. Tensiones asociadas a la rigidez de la unin con la pala (coronas deorientacin

EJE PRINCIPAL

1. Integridad estructural frente a cargas de torsin2. Clculo de los rodamientos soporte de la estructura:

comportamiento a cargas extremas, a cargas de fatiga,

condiciones de lubricacin y obturacin, clculos de vida a fatiga


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MULTIPLICADORA

1. Vida a fatiga de los rodamientos del sistema2. Cumplimiento de lmites de presin en los contactos bajo carga

esttica y dinmica

3. Comportamiento de los engranajes frente a cargas estticas y defatiga (tensin, deformacin en los dentados, desgaste)4. Condiciones de lubricacin


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GNDOLA (NACELLE)

1. Resistencia frente a cargas de fatiga

2. Comprobacin de las uniones soldadas

SISTEMA DE ORIENTACIN

1. Resistencia a rotura frente a Momentos mximos2. Desgaste de las superficies de contacto3. Comportamiento del rodamiento bajo carga esttica y ante

movimientos oscilatorios

TORRE y CIMENTACIN

1. Respuesta dinmica y comprobacin de frecuencias naturales de

vibracin( que no estn prximas a las generadas por la rotacin delas palas, para evitar resonancias)

2. Comprobacin de uniones soldadas y atornilladas3. Estabilidad de la torre (pandeo mximo)

4. Comprobacin de par de vuelco de la zapata de cimentacin5. Comprobacin de resistencia a la fuerza centrfuga en caso de rotura

de ala


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A BARLOVENTO(aguas arriba)

A SOTAVENTO

(aguas abajo)

VENTAJAS

se evita el abrigo del viento trasla torre.

INCONVENIENTES

el rotor necesita ser bastantergido

se necesita un mecanismo deorientacin para mantener elrotor de cara al viento.

VENTAJAS

pueden ser construidos sin un

mecanismo de orientacin, si elrotor y la gndola tienen undiseo apropiado que hace que lagndola siga al viento

pasivamente.rotor ms flexible

INCONVENIENTES

fluctuacin de la potenciaelica, debida al paso del rotor atravs del abrigo de la torre. Estopuede crear ms cargas de fatigaen la turbina que con un diseocorriente arriba.


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VENTAJAS

la mayor velocidad de rotacin del

rotor simplifica el diseo de

multiplicador y generador

reduce las masas y costos de losdems elementos,

INCONVENIENTES

necesitan un contrapeso en el lado

del buje que equilibre el rotor

desequilibrio aerodinmico muy

acentuado que causa complejos

esfuerzos de fatiga y complicadas

construcciones

elevado nivel de ruido aerodinmico

causado por una altsima velocidad en

punta de pala.Elevada perturbacin visual

VENTAJAS

Comparndola con un rotor de trespalas, se logra disminuir un poco el

costo de la hlice; pero debido a los

fluctuantes esfuerzos dinmicos se

requieren dispositivos especiales paradisminuir el estado de carga, lo que

eleva finalmente el costo global de la

mquina, perdindose las ventaja

econmica respecto a la tripala.

INCONVENIENTES

diseo ms complejo del rotor (buje

basculante +/-2.5 teetering-)con el fin

de evitar fuertes sacudidas en la turbin

cada vez que una de las palas pasa po

la torre.

puede necesitar de amortiguadoresadicionales que eviten que las palas de

rotor choquen contra la torre.

MONOPALA BIPALA


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Considerando un perfil de la capa lmite atmosfrica como el representado vemos

que la fuerza aerodinmica de empuje axial provocada por el viento es mayor sobre

las palas que ocupan una posicin superior respecto a las dems.

En un rotor de tres palas, si bien estas fuerzas no quedan completamente

equilibradas, la descompensacin es bastante menor a la que se produce en uno de

dos palas.

En el rotor tripala podemos considerar que Fa= Fb + Fc para los 360 en el giro de la

hlice mientras que en el rotor bipala, cuando esta ocupa una posicin vertical, Fa >

Fb, mientras que al ocupar una posicin horizontal Fa = Fb.

Se originar as un fuerte estado vibratorio de frecuencia /2 (momento flectorcclico), que puede aminorarse con el sistema de teetering mencionado, pero no

completamente.


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Los materiales y los requerimientos de:

Resistencia estructuralResistencia a fatiga (en particular a tensiones alternas debidasa vibraciones)RigidezPeso bajoFacilidad de procesado y fabricacinResistencia a agentes medioambientales (erosin, corrosin)

han ido incrementndose en los ltimos 20 aos.


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Aleaciones de acero y de aluminio que tienen problemas de peso y defatiga del metal, respectivamente, son actualmente usadas slo enaerogeneradores muy pequeos.

Fibra de vidrio reforzada con resina poliester, para la mayora de lasmodernas palas de rotor de grandes aerogeneradores (dificultad delocalizar el c.d.g)

Fibra de vidrio reforzada con resina epoxy("GRP"), en forma de lminas pre-impregnadas.Palas ms ligeras, mayor flexibilidad,menor deformacinbajo Ts extremas, excelente resistencia a la absorcin de agua.

Fibra de carbono o aramidas (Kevlar 29 o Kevlar 49) como material derefuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecnicas .Alta resistencia

especfica, palas muy ligeras. Normalmente estas palas sonantieconmicas para grandes aerogeneradores.

Mixtos fibra de vidrio-fibra de carbono.

Materiales compuestos (composites) de madera, madera-epoxy, omadera-fibra-epoxy an no han penetrado en el mercado de las palas derotor, aunque existe un desarrollo continuado en ese rea.

Factores relevantes para la seleccin del material:Relacin peso/resistencia

Coste


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Estructura centralresistente + doscubiertas exterioresque forman el perfilaerodinmico, de formaalabeada y anchura

decreciente hacia lapunta en direccin axial


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Test a esttica:las palas son sometidas a

cargas extremas durante un tiempopredeterminado (10-15s), para probar suresistencia a la rotura: son flexionadas endos direcciones (flapwise & edgewise)utilizando un ciclo prximo a la frecuencianatural de la pala en cada direccin.

Test dinmico: se somete a la pala aoscilaciones correspondientes con sufrecuencia natural: cinco millones de ciclosrespecto de los dos ejes principales. Durantelas pruebas una cmara de infrarrojos de alta

resolucin se usa para chequear si haypequeas roturas en el laminado de la pala yse registran las medidas de deformacinprocedentes de galgas extensiomtricoscolocadas sobre la superficie de la pala.

Test de rotura: cuando se usa un nuevomaterial o se ha realizado un cambiosignificativo en el diseo de la pala, serealiza adicionalmente un test de rotura,que no es ms que llevar el test esttico alcaso extremo, aplicando una carga estticacreciente en valor hasta lograr que la palarompa, realizando los anlisis posteriores dela superficie de fractura.

Inspeccin con infrarrojos(Termografa) se utiliza para

revelar un aumento de calor localen la pala. Esto puede indicar,

un rea con humedecimientoestructural,

un rea de delaminacin o unrea que se est moviendo haciael punto de rotura de las fibras.


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Sistema de freno aerodinmico

9Giro de las palas del rotor unos 90 alrededor del eje longitudinal denominada posicin de bandera- en el caso de regulacin por

cambio en el ngulo de paso o de regulacin activa por prdidaaerodinmica, o9Giro de 90 de la punta de las palas del rotor- movimiento de tip,enel caso de regulacin por prdida aerodinmica (aerofrenos).

Accionados mediante resortes montados positivamente: incluso encaso de fallo de suministro elctrico, siguen funcionando. Sonautomticamente activados si el sistema hidrulico de la turbinapierde presin. Una vez que la situacin de peligro ha pasado, elsistema hidrulico de la turbina suele devolver las palas, o sus puntasa su posicin original.

Son extremadamente seguros.Frenarn la turbina en cuestin de un par de vueltasUna forma muy suave de frenar la turbina, sin ningn esfuerzo,desgaste o rotura importante


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Sistema de freno mecnico

Es utilizado como sistema de apoyo del sistema de freno

aerodinmico o, como freno de estacionamiento, una vez que laturbina ha sido parada, en el caso de una turbina de regulacin porprdida aerodinmica.

Las turbinas de regulacin por cambio del ngulo de paso no activanel freno mecnico, excepto en trabajos de mantenimiento, dado queel rotor apenas si puede moverse cuando las palas del rotor estngiradas 90 grados.

El freno mecnico va instalado EN EL EJE DE SALIDA DEL multiplicador YA CONTINUACIN VA EL ACOPLAMIENTO AL GENERADOR


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Puede ocurrir por los siguientes motivos:

Vientos altos. Cuando el viento supera un margen (>25 m/s 90km/h),

Error de funcionamiento. Se detecta un error de funcionamientoen base a la lectura de los sensores de viento al controlador.

Parada por poco viento. Se inicia la secuencia si se detecta pocageneracin o vientos muy bajos.

Parada Manual. Se realiza bajo la supervisin del personal deoperacin y mantenimiento.


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Parada suave

Paso fijo. El controlador enva una orden al sistema de captacinpara desplegar los aerofrenos, simultneamente desconecta

generador, revisa la disminucin de rpm y aplica frenos de forma

suave. Al cabo de varios segundos, aplica una presin de frenada

cada vez mayor hasta conseguir la detencin total.Paso Variable. La orden la enva a los actuadores del cambio depaso (pitch) aumentando los grados hasta los 90 (posicin de

bandera). Simultneamente desconecta el generador y realiza un

incremento paulatino de presin en el circuito secundario de

frenada.

Parada de Emergencia. Se produce ante errores importantes,

peligro para personas o integridad de la turbina. Se aplican frenoscon la mxima presin desde el primer momento.

Cambio devanado generador. No se llega a realizar una parada,slo una disminucin de velocidad de giro en el caso de pasar del

generador grande al pequeo. En el caso contrario, la turbina sedesacopla y permite el embalamiento con el viento hasta alcanzar

la nueva velocidad de sincronismo.


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Ruido Mecnico

Ruido de engrane, ruido de rodadura, ruido en el generadorelctrico

Ruido aerodinmicoPor la rotacin de las palas (silbido),en el borde de salida, porvibraciones inducidas en la estructura

Ruido aerodinmico = f(vpala)5


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Cuando la turbina detecta viento en cualquier direccin, por los sensores de velocidad de vien

(anemmetros de turbina), el controlador realiza las siguientes rdenes al aerogenerador, atravs de los motores correspondientes:

Entre 2 - 3 m/s. Enva la orden de posicionarse frente al viento. Esta orden se denomina

orientacin de la turbina.

A partir de 3 m/s. La orden de desaplicar frenos para permitir el giro de la turbina ycomenzar a girar por el efecto nicamente del empuje del viento.

En paso variable, adems enva la consigna de posicin de las palas progresivamente

90 a 0.

Rpm=>1500.Al llegar a la velocidad de sincronismo del generador solicitado

(dependiendo del viento, se selecciona un generador u otro con velocidades diferentes),se conecta el generador a red de forma suave, contando para ello con electrnica de

potencia mediante tiristores. Al realizar la conexin (dura entre 3 y 4 segundos), se

conecta directamente el generador a red, mediante un interruptor.

Conexin directa red.A partir de este momento, el generador queda conectado

directamente a la red elctrica general, enviando la energa al sistema nacional. Lavelocidad es constante y limitada nicamente por la frecuencia de la red. Cuando el vient

es fuerte, existe una limitacin de potencia en las palas al incrementar las turbulencias d

flujo de aire.

Paso Variable. El control del aerogenerador se realiza mediante la actuacin en el ngulde paso, capturando o limitando la potencia extrada del viento. La velocidad de

generacin puede ser variable.

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