resumen del proyecto

SISTEMA DE ELEVACIÓN PARA EL MONTAJE DE UN
AEROGENERADOR MARINO
Autor: Ruiz-Jarabo Cavestany, Álvaro
Director: Talavera Martín, Juan Antonio
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
La energía eólica representa aproximadamente un 20% de la energía generada
en España (según el balance eléctrico nacional que realizó Red Eléctrica Española
en 2014). Dicha energía se obtiene con aerogeneradores terrestres o con
aerogeneradores marinos. Estos últimos presentan numerosas ventajas entre las
que destacan las grandes diferencias entre el viento al que está sometido un
aerogenerador terrestre y uno marino. En el mar el viento es mucho más constante
y plano debido a que no se ve entorpecido por el relieve ni por construcciones.
Esto hace que los aerogeneradores marinos estén sometidos a un flujo de viento
más laminar que supone un rendimiento más elevado.
Por otro lado, en el mar hay mucho más espacio para su instalación por lo
que las dimensiones pueden ser mayores que las de los terrestres. Este último
punto es de especial relevancia, ya que para la instalación de un aerogenerador
terrestre se debe tener en cuenta aspectos como las rutas de viaje, el tráfico, la
superficie y el ancho de la carretera. Al ser las dimensiones más grandes el
transporte e instalación de este tipo de aerogeneradores es más exigente, siendo
esta la razón por la que el sistema de elevación es de gran importancia y el
proyecto se centra en su diseño.
Los objetivos del proyecto se van a centrar por un lado en conocer en qué
punto se encuentran las tecnologías actualmente, en cuanto al montaje de
aerogeneradores marinos y a los accionamientos. Y por otro lado, en diseñar el
sistema de elevación y escoger los accionamientos más adecuados. Dicho sistema
de elevación se diseña de tal manera para que se enganche a la torre una vez esta
esté fijada y sirve para elevar el resto de componentes (góndola, palas, buje…).
Dado que la carga de elevación varía en función del componente del
aerogenerador que se eleva, se dimensionan las estructuras contemplando el caso
más crítico, es decir, con la carga más elevada posible (la góndola).
Para diseñar el sistema de elevación se parte de dos estructuras entre las que
habrá que escoger la mejor. Además hay que estudiar las distintas posiciones de la
carga para encontrar la situación más crítica, con la que se deben dimensionar las
barras. Se parte de la hipótesis de que los momentos flectores son despreciables en
comparación con los esfuerzos axiles. Las estructuras que se resuelven son las
siguientes:
Metodología
Lo primero es resolver las estructuras para obtener los esfuerzos con los que
hay que dimensionar las barras. Hay dos formas de resolver los esfuerzos y
fuerzas del sistema de elevación. La primera, de forma analítica utilizando todo lo
aprendido tanto en “Resistencia de materiales” como en “Cálculo de estructuras”.
En particular es de especial utilidad plantear equilibrios tanto en fuerzas como en
momentos, aplicar métodos de cálculo de estructuras como el método de los
nudos, de las secciones, o trabajos virtuales.
Por otro lado, hay que resolver las estructuras utilizando distintos programas
de cálculo de parámetros condensados: En particular se utilizan CESPLA y
CESTRI con la finalidad de verificar los cálculos analíticos en 2 dimensiones y
determinar los esfuerzos totales en la estructura superior del sistema de elevación.
Una vez calculados los esfuerzos, siguiendo el código técnico de Seguridad
Estructural del Acero (SE-A) se dimensionan las barras.
Resultados y conclusiones
Se dividen cuatro: Teniendo en cuenta los esfuerzos axiles, teniendo en cuenta
los momentos flectores, la elección del accionamiento y por último, el
presupuesto.
1. Con esfuerzos axiles
En primer lugar con el fin de comprobar el correcto funcionamiento de los
programas que se van a utilizar, se resuelven ambas estructuras en 2 dimensiones.
Calculando los esfuerzos axiles se comprueba que los resultados obtenidos
mediante el cálculo analítico y mediante los programas CESPLA y CESTRI son
exactamente iguales.
Una vez hecho esto, se calculan los esfuerzos axiles pero esta vez en tres
dimensiones. Para ver que estructura es mejor, se suma el producto de los
esfuerzos de cada barra por su longitud. Al hacer dichos sumatorios se obtienen
los siguientes resultados.
De estos resultados, se puede concluir que la estructura 2 es la óptima ya que
el sumatorio del producto explicado es menor.
También, se resuelve la estructura en 3 distintas posiciones de la carga:
Durante la elevación vertical, en la posición final y en la posición previa a la final
justo antes de encajarla. A su vez, se prueba con el posible desplazamiento del
centro de gravedad de la carga. De la misma manera, se vuelve a realizar el
mismo sumatorio para poder compararlas:
Con claridad, la posición más desfavorable se da en la elevación vertical de la
carga ya que los esfuerzos son más del doble que para las otras posiciones.
Una vez calculados todos los esfuerzos axiles se dimensionan las barras a
tracción o a compresión según correspondan los signos. En un principio, valdría
con hacerlo solo con la estructura óptima pero se hace para la estructura 1 también
para poder comparar el volumen de acero que se necesitaría en la fabricación de
ambas estructuras. Esta comparación se recoge en la siguiente tabla:
Vuelve a salir que la estructura 2 es mejor, ya que necesita menos acero en su
fabricación. Los perfiles calculados para esta estructura son los siguientes:
Entre las distintas opciones se escogen los que precisen de menos volumen de
acero, es decir, los que están marcados en la tabla.
2. Con momentos flectores
En contra de la hipótesis inicial de despreciar los momentos flectores al
resolver la estructura utilizando CESTRI, se obtienen unos momentos flectores
elevados. Por ejemplo, para la estructura 2 los resultados obtenidos son:
Igual que para los esfuerzos axiles, se dimensionan las estructuras y se
compara el volumen de acero que se utilizaría en su fabricación:
Dichos volúmenes son 6 veces más grandes que los calculados anteriormente
dado que los perfiles necesarios para soportar los momentos flectores son mucho
más grandes. Por otro lado, se llega a la misma conclusión de que la estructura 2
es la óptima. Los perfiles de esta estructura, dimensionada a flexión son los
escogidos en la siguiente tabla:
3. Accionamiento
El accionamiento escogido es un accionamiento hidráulico por cables. Ha de
ser hidráulico ya que es el tipo de accionamiento que mejor funciona para cargas
tan pesadas. Además, el accionamiento elegido ha de funcionar con cables ya que
para este tipo de elevaciones de grandes distancias lo ideal es utilizar esta clase de
mecanismos.
Buscando en el mercado, los más adecuados según las decisiones tomadas son
unos sistemas de gatos con cables de la marca ENERPAC. La elevación de cargas
utilizando estos sistemas, se basa en el principio de tensado del hormigón. Es
decir, se guía el conjunto de cables de acero a través de un cilindro hidráulico. El
conjunto de cables se sujeta a través de unos sistemas con cuñas que actúan como
garras tirando del cable cuando el cilindro se mueve hacia adentro, y también
cuando el cilindro se mueve hacia afuera (con el descenso de las cargas).
4. Presupuesto
El presupuesto es de gran importancia, ya que aunque el proyecto sea viable
técnicamente hablando, y sea capaz de cumplir su finalidad, es el presupuesto del
proyecto lo que marcará el éxito que tenga. A la hora de realizarlo se tiene en
cuenta el precio de la barras, de las uniones, el de los accionamientos, la mano de
obra (tanto directa como indirecta), los gastos generales y las cargas sociales. Tal
y como se refleja en la tabla a continuación, se obtiene un precio final de
45.500,00 €.
RISING SYSTEM FOR THE ASSEMBLY OF OFFSHORE WIND
TURBINES
Author: Ruiz-Jarabo Cavestany, Álvaro
Director: Talavera Martín, Juan Antonio
Collaborating Organization: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas
ABSTRACT
Introduction
The wind power represents approximately the 20% of the energy generated in
Spain (according to the electrical national balance sheet done by “Red Eléctrica
Española” in 2014). This kind of energy is obtained either with onshore or
offshore wind turbines. These last ones have a great number of advantages among
which could be stand out the big differences between the winds to which an
onshore wind turbine is exposed in comparison with an offshore one. In the sea
the wind is much more constant and flat due to the fact that it is blocked neither
by the relief nor the constructions. This is the reason why the offshore wind
turbines are exposed to a more laminar wind flow that implies a higher
performance.
Furthermore, in the sea there is much more space for their installation, which
allows bigger dimensions for the offshore wind turbines. The last point is really
important, because for the installation of a onshore wind turbine is necessary to
take into account aspects such as the routes of transportation, the traffic, the
surface and the width of the road. Due to the dimensions of this type of wind
generators the transport and installation are more demanding. Since this is the
reason for which the rising system has a great importance the main aim of the
project is to focus in its design.
The objectives of the project would be focusing on the one hand on knowing
at which point the technologies are nowadays, as for the assembly of offshore
wind turbines and the different kinds of drives. And on the other hand, in
designing the rising system and choosing the most suitable drive. The above
mentioned mechanism is designed in such a way that gets hooked up on the tower
once it is fixed and it is used to raise the rest of components (nacelle, spades,
hub…). Since the load of the elevation changes depends on the component of the
wind turbine, the structures are measured taking into consideration the most
critical case, with the highest possible load.
The design of the rising system begins with two structures but only the best
one of those would be chosen. In addition it is necessary to study the different
positions of the load to find the most critical situation, the one in which the bars
must be sized. It starts with the hypothesis that the bending moments are
despicable compared to the axial forces. The structures that have to be solved are
the following ones:
Methodology
The first thing is to solve the structures to obtain the efforts so the bars can be
sized. There are two ways of solving the efforts and forces of the rising system.
The first one is analytically, which means using everything learned in both
"Resistencia de materiales" and "Cálculo de estructuras". In particular it is
especially useful to consider balances in forces and in moments, to apply methods
to solve structures such as the method of the knots or of the sections.
The
second way of solving the structures is using different programs of
calculation of condensate parameters: In particular CESPLA and CESTRI are
used in order to verify the analytical calculations and to determine the total effort
in the rising system.
Once the efforts have been worked out, following the technical code of
Structural Security of the Steel (SE-A) the bars are sized.
Results and conclusions
They are divided into four: Taking into account the axial forces as well as the
bending moments, the choice of the drive and the budget.
1. With axial forces
First, in order to verify the correct operation of the programs that are going to
be used, both structures are solved in 2 dimensions. Calculating the axial forces it
is verified that the results obtained by means of the analytical calculation and by
means of the programs CESPLA and CESTRI are the same.
Once this is done, the axial forces are worked out but this time in three
dimensions. To analyze which one of the structures is the best, we add the product
of the efforts of every bar multiplied by its length. Doing these calculations, the
following results are obtained:
The interpretation of the results, leads us to draw the conclusion that the
structure 2 is the ideal one since the summation of the explained product is
smaller.
Moreover, the structure is solved in 3 different positions of the load: During
the vertical rising, in the final position and in the position just before dropping it.
Also, it is taken into account the possible displacement of the gravity center of the
load. Once again, the same calculations are done in order to compare the different
situations:
Clearly, the most unfavorable position is the vertical rising of the load since
the forces are more than the double that for the other positions.
Once all the axial forces have been calculated the bars are sized to traction or
to compression as the signs correspond. Theoretically, it would be enough to size
only the ideal structure but it is also done for the structure 1, so is possible to
compare the volume of steel that would be needed in the manufacture process of
each structure. This comparison is gathered in the following table:
As it can be seen in the table above, we obtain again that the structure 2 is
better, since it needs less steel in its manufacture. The profiles calculated for this
structure are the following ones:
Between the different options there are chosen those who need fewer volume
of steel, those marked in the table.
2. With bending moments
In opposition to the initial hypothesis of disregarding the bending moments,
when solving the structure using CESTRI, the bending moments obtained are not
despicable. For instance, for the structure 2 the obtained results are:
Following the same steps as with axial efforts, the structures are sized and
then it is compared the volume of steel that would be use in their manufacture:
On the one hand, these volumes are much bigger than the previously
calculated ones for the axial forces, due to the fact that the bending moments
demand more bars, which makes the profiles bigger. On the other hand, the same
conclusion is reached about the second structure being the ideal one. The profiles
of this structure, measured to flexion are the emphasized ones in the following
table:
3. Drive
The chosen drive is a hydraulic one with cables. It has to be hydraulic because
is the optimal type of drive for such heavy loads. The drive also has to work with
cables because when dealing with big distances risings this type of mechanism
turns out to be the most suitable one.
As a result of some research on the market, it is safe to conclude that the ones
that fit better according to the decisions taken are the systems of jacks with cables
of the brand ENERPAC. The elevation of loads using these systems is based on
the principle of tightened of the concrete. Which means, the set of cables is guided
across a hydraulic cylinder, holding themselves with a few systems with wedges
that act as claws pulling the cable when the cylinder moves inward, and also when
the cylinder moves outward (when decreasing the loads).
4. Budget
The budget is a matter of highly importance, because as suitable and effective
as the project might be technically speaking, its real success will be determined by
its final budget. When it comes to carry out the project, such aspects as the price
of the bars, the knots, the drives, the handwork (both kinds direct and indirect),
the general expenses and the social charges are taken into consideration. It is
obtained a final budget of 45.500,00€.