Materiales para palas de aerogeneradores

DISEÑO ESTRUCTURAL
DE PALAS
Francesc Xavier Sanz Cano,
Mayo 2011
Índice
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Índice
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Introducción
Un diseño de pala optimizado debe de satisfacer un amplio rango de
objetivos, alguno de los cuales entran en conflicto entre ellos:
1) Maximizar la producción energética anual para unas determinada
distribución de velocidad de viento
2) Limitar la máxima potencia eléctrica generada (en el caso de
aerogeneradores regulados por entrada en pérdida)
3) Resistir cargas extremas y de fatiga
4) Limitar deflexiones de punta de pala para evitar la colisión entre la
pala y la torre (en caso de aerogeneradores barlovento)
5) Evitar resonancias
6) Minimizar el peso y el coste
Introducción
Un diseño de pala optimizado debe de satisfacer un amplio rango de
objetivos, alguno de los cuales entran en conflicto entre ellos:
1) Maximizar la producción energética anual para unas determinada
distribución de velocidad de viento
2) Limitar la máxima potencia eléctrica generada (en el caso de
aerogeneradores regulados por entrada en pérdida)
3) Resistir cargas extremas y de fatiga
4) Limitar deflexiones de punta de pala para evitar la colisión entre la
pala y la torre (en caso de aerogeneradores barlovento)
5) Evitar resonancias
6) Minimizar el peso y el coste
interacción
Diseño aerodinámico
Diseño estructural
(raíz, espesor, borde salida)
Introducción
Diseño aerodinámico
− Selección de la familia de perfiles (NACA, DU-airfoils, Risø-B1)
− Distribución de espesor relativo
10
100% - 40%
20
40% - 35%
30
35% - 30%
− Distribución de cuerdas y de torsión
40
30% - 25%
50
25% - 18%
Introducción
Diseño estructural
− Selección de los materiales y determinación de las secciones
estructurales:
Para resistir cargas extremas y de fatiga
Limitar deflexiones de la pala
Evitar resonancias
Minimizar el peso y el coste
Ω· R
λ=
U∞
Wind Speed [m /s]
−
−
−
−
Waterfall diagram
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
Out-Plane BW #1
Out-Plane FW #1
Out-Plane Col #1
Out-Plane BW #2
Out-Plane FW #2
Out-Plane Col #2
In-Plane BW #1
In-Plane FW #1
In-Plane Col #1
Tower 1st FA
Tower 2nd FA
Tower 1st StS
Tower 2nd StS
Drivetrain 1st
1P
3P
6P
9P
12P
0
0,5
1
1,5
2
frequency [Hz]
2,5
3
3,5
4
Índice
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Soluciones estructurales
Cargas aplicadas a un perfil de una pala de aerogenerador:
Medgewise
Fflapwise
Mz
Mflapwise
Fz
Fedgewise
Soluciones estructurales
Tipos de secciones estructurales:
1)
2)
3)
4)
5)
Viga no continua
Viga continua o viga cajón
Monocasco
D-SPAR
Costillas
Soluciones estructurales
Viga no continua
Sección formada por:
-
2 largueros (shear web)
2 almas (spar caps)
Piel resistente
Las cargas son soportadas por estos elementos de la siguiente manera:
- Largueros: aumentan la rigidez de la sección en la dirección fuera del plano del
rotor. Soportan esfuerzos tangenciales debido a fuerzas cortantes y momentos
torsionales.
- Almas: Soportan esfuerzos normales debido a momentos flectores fuera del
plano y esfuerzos cortantes debido a momentos torsionales.
- Piel resistente: Soporta esfuerzos cortantes debido a momentos torsionales y
esfuerzos normales debido a momentos flectores dentro del plano (elevada inercia)
Soluciones estructurales
Viga continua o cajón
Sección formada por:
-
1 cajón
Piel resistente
Las cargas son soportadas por estos elementos de la siguiente manera:
- Cajón: aumentan la rigidez de la sección en la dirección fuera del plano del rotor.
Soporta esfuerzos normales debido a momentos flectores fuera del plano, y esfuerzos
tangenciales debido a fuerzas cortantes y momentos torsionales.
- Piel resistente: Soporta esfuerzos cortantes debido a momentos torsionales y
esfuerzos normales debido a momentos flectores dentro del plano (elevada inercia)
Soluciones estructurales
Monocasco
Sección formada por:
-
Piel resistente
Todas las cargas son soportadas por este elemento:
- Piel resistente: Tiene una elevada rigidez (espesor limitado). Soporta esfuerzos
normales debido a momentos flectores fuera del plano y dentro del plano del rotor.
Soporta esfuerzos tangenciales debido a momentos torsionales y a fuerzas cortantes.
Soluciones estructurales
D-SPAR
Sección formada por:
-
Estructura D-SPAR
Piel resistente
Nido de abeja (Honeycomb)
Las cargas son soportadas por estos elementos de la siguiente manera:
- Estructura D-SPAR: Tiene una elevada rigidez. Soporta esfuerzos normales
debido a momentos flectores fuera del plano y dentro del plano del rotor. Soporta
esfuerzos tangenciales debido a momentos torsionales y fuerzas cortantes.
- Piel resistente: Soporta esfuerzos cortantes debido a momentos torsionales y
esfuerzos normales debido a momentos flectores dentro del plano (elevada inercia).
- Nido de abeja: Aporta estabilidad al conjunto.
Soluciones estructurales
Costillas
Sección formada por:
-
1 cajón (o 2 largueros y 2 almas)
Piel resistente
Costillas
Las cargas son soportadas por estos elementos de la siguiente manera:
- Cajón: Soporta esfuerzos normales debido a momentos flectores fuera del plano,
y esfuerzos tangenciales debido a fuerzas cortantes y momentos torsionales.
- Piel resistente: Soporta esfuerzos cortantes debido a momentos torsionales y
esfuerzos normales debido a momentos flectores dentro del plano (elevada inercia)
- Costillas: Mantienen la forma del perfil, transmiten las fuerzas aerodinámicas de
la piel al cajón, y aportan estabilidad al perfil aerodinámico.
Índice
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Materiales para palas de aerogeneradores
A la hora de elegir los materiales para las palas de aerogeneradores se
busca que tengan las siguientes propiedades:
1) Buena relación propiedades mecánicas/peso:
masa ∝ L2.4
2) Resistencia a la fatiga, erosión, agentes atmosféricos y temperaturas
de servicio: las palas están diseñadas para durar 20 años, sin embargo en la
práctica es necesario realizar un mantenimiento periódico a partir de los 5 años
3) Fabricabilidad: es un componente de gran tamaño y peso con zonas de
espesor muy diferente
4) Relación calidad/precio: el coste de los materiales supone un porcentaje
importante sobre el precio de la pala (entre 40% y 80%)
5) Reciclabilidad: el material es tóxico. En algunos países está regulado
6) Disponibilidad: existen problemas de suministro con algunos materiales
Materiales para palas de aerogeneradores
Actualmente las palas comerciales están compuestas de los siguientes
materiales:
1) Material Compuesto: fibra + matriz polimérica (GFRP=Glass-Fibre
Reinforced Plastic, CFRP= Carbon-Fibre Reinforced Plastic)
2) Sándwich: FRP + núcleo + FRP
3) Adhesivo
4) Recubrimiento
Materiales para palas de aerogeneradores
Material Compuesto
Fibras: ofrecen la resistencia y la rigidez
Matriz: ofrece la cohesión y transmisión de cargas
Las propiedades del material compuesto vienen determinadas
principalmente por:
1) Las propiedades de la fibra
2) Las propiedades de la matriz
3) La adhesión entre la fibra y la matriz
4) La geometría y orientación de las fibras en el material compuesto
5) La proporción de la fibra/resina existente en el material compuesto
Materiales para palas de aerogeneradores
Material Compuesto
Matriz
Matriz
Termoplásticos
Termoestables
Resina+Catalizador
POLIÉSTER
VINILÉSTER
Resina+Endurecedor
EPOXI
Termoestables:
− Mezcla de dos componentes líquidos
− Proceso: paso de líquido a sólido por curado
− El curado es una reacción química irreversible. Se obtiene material
insoluble e infusible que no se puede reprocesar
Materiales para palas de aerogeneradores
Material Compuesto
Matriz
Propiedades de la matriz:
− Buenas propiedades mecánicas: deformación de rotura = ó > a la fibra
− Buenas propiedades de adhesión para una buena transmisión de
cargas (epoxi > poliéster)
− Tenacidad (resistencia al microagrietamiento) (epoxi > poliéster)
− Resistencia al medio ambiente y a la temperatura (epoxi > poliéster)
− Procesabilidad: mojabilidad con la fibra (epoxi > poliéster), viscosidad,
temperatura de procesado (epoxi > poliéster), exotermia, contracción
(epoxi < poliéster), …
− Precio (epoxi > poliéster)
− Disponibilidad (epoxi ≈ poliéster)
Materiales para palas de aerogeneradores
Material Compuesto
Fibra (refuerzo)
Función principal de la fibra en el material compuesto:
- aumentar las propiedades mecánicas de la matriz
Comparativa fibras-propiedades típicas:
ACERO
D (g/cc)
E (GPa)
σ (Mpa)
7.8
210
400-500
EXPANSIÓN
TÉRMICA
VENTAJAS/INCONVENIENTES
CARBONO
1.6-1.8
100-200
4000
MUY BAJA
BUENA RELACIÓN PESO/PROPIEDADES
FRAGILIDAD Y BAJA RESISTENCIA A FATIGA
PRECIO ALTO
DISPONIBILIDAD VARIABLE
KEVLAR
1.4-1.5
60-80
3000
NEGATIVA
TENACIDAD ALTA
DIFICULTAD DE PROCESADO
PRECIO MUY ALTO
VIDREO S
2.4-2.5
80-90
3800
MEDIA
PROPIEDADES/PRECIO INTERMEDIAS ENTRE
CARBONO Y VIDREO E
BASALTO
2.6-2.8
80-90
3500
MEDIA-ALTA
PROPIEDADES ALGO MÁS BAJAS QUE VIDREO S
POR AHORA PRECIO/ACCESIBILIDAD NO
COMPETITIVA
VIDREO E
2.4-2.5
70-80
2500
MEDIA
BAJO COSTE
PEORES PROPIEDADES
Materiales para palas de aerogeneradores
Material Compuesto
Fibra (refuerzo)
Las fibras utilizadas en las palas de aerogeneradores son básicamente:
− Fibra de vidrio
− Fibra de carbono (se suele utilizar junto con matriz de epoxi por
compatibilidad)
Tejidos
Las fibras suelen estar ordenadas en forma de hilos y éstos en forma de
tejidos, bien por una unión mecánica o mediante agentes pegados. En
función de la orientación que tengan se pueden clasificar en:
− MATS: al azar (se pone en la capa mas superficial del material compuesto)
− Unidireccionales: 0º
− Bidireccionales: ±45º, 0/90º
− Tejidos 3D
Materiales para palas de aerogeneradores
Sándwich
Se utilizan para proporcionar estabilidad a la estructura. Su función es
aumentar el espesor del laminado, aumentando el momento de inercia
con el menor aumento de peso posible. Propiedades del núcleo:
−
−
−
−
−
Bajo peso
Resistencia a cortadura y compresión
Buena adhesión
Adaptabilidad al molde y facilidad de impregnación
Reciclabilidad
Tipo de núcleo utilizados: PVC, BALSA, NOMEX.
− PVC (mas ligero / peores propiedades)
− BALSA (mejores propiedades / mas pesado)
− NOMEX
Materiales para palas de aerogeneradores
Adhesivos
Se utilizan para unir paneles de material compuesto entre sí. Los
adhesivos que se utilizan son de resinas similares a las utilizadas en los
materiales compuestos que une. Suelen ser de base epoxi, poliéster o
poliuretano.
Propiedades del adhesivo:
−
−
−
−
−
−
−
Resistencia a la cortadura
Contaminación de las superficies a unir (tratamiento: lijado, etc.)
Espesor de la línea de adhesivo
Fluidez y viscosidad del adhesivo
Facilidad para la puesta en obra
Necesidad de curado a altas temperaturas
Entorno químico (agentes atmosféricos, agua marina, …)
Materiales para palas de aerogeneradores
Recubrimientos
La mayoría de las piezas realizadas en material compuesto llevan un
recubrimiento cuyo objetivos son la protección de la superficie contra
productos químicos, intemperie o humedad y la consecución de un buen
acabado de la pieza que permita cumplir los criterios aerodinámicos.
Estos recubrimientos pueden aplicarse como primera capa sobre el molde (gel
coat = resinas con color) o bien como pintura que se aplica posteriormente.
Suelen ser de poliéster o uretano, con una serie de aditivos (cargas
estabilizadoras UV) para proporcionarles resistencia a la intemperie y abrasión.
El top coat es un producto similar al gel coat, pero contiene parafinas y por ello
endurece fácilmente en contacto con el aire. Se utiliza para reparaciones.
Materiales para palas de aerogeneradores
Viga no continua
Material compuesto:
fibras unidireccionales
Material compuesto:
fibras unidireccionales
Gel coat o pintura
Sándwich: núcleo + fibras
bidireccionales (±45º)
Zonas con
adhesivo
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Unión pala buje
Las palas deben de poder unirse al buje, a través de un rodamiento
circular. Es por este motivo que la sección aerodinámica no puede
mantenerse hasta la raíz de la pala, sino que debe haber una transición
de perfil aerodinámico a un cilindro cerca de la raíz de la pala :
Unión pala buje
La unión pala buje es uno de los puntos mas críticos en el diseño de una
pala, por los siguientes motivos:
- Diferencia de rigideces entre el tornillo metálico y la pala de material
compuesto, cosa que hace difícil la transferencia de cargas.
- Importantes concentraciones de tensiones debido a los agujeros
realizados en la pala para ubicar los tornillos metálicos
Tipos de uniones:
Casquillo embebido
T-BOLT
Brida metálica con
unión mecánica
Brida metálica en
forma de trompeta
Unión pala buje
Casquillo embebido
Consiste en una tuerca embebida en la pala antes o después del curado (difícil
inspección).
Provoca tensiones de cortadura (τ) en la zona de contacto entre el casquillo y
el material compuesto (FRP). Toda la fuerza debe de ser transmitida a través
de la unión, con pegamento o con la propia resina del material compuesto. La
unión adhesiva es crítica.
Unión pala buje
T-BOLT
Consiste en insertos metálicos (bulones) embebidos en el compuesto y unidos
al rodamiento mediante varillas metálicas. La unión se pretensa para mejorar el
comportamiento mecánico del sistema (vida de fatiga).
Respecto a la unión a través de casquillos embebidos, la unión T-BOLT es
mas sencilla pero mas cara (es necesario, después de perforar la pala para
ubicar los bulones, rebobinar mas material compuesto para tapar los agujeros y
reforzar la zona).
Índice
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Sistema de protección contra rayos
Los rayos son descargas transitorias de alta corriente. Sus efectos
dañinos son de gran importancia por las consecuencias tanto en
personas como en componentes del aerogenerador. En
aerogeneradores, el sistema de protección contra rayos debe de estar
integrado en las diferentes partes de la turbina para asegurar que
cualquier parte que pudiera ser impactada por una descarga pueda
soportarlo, conduciendo asimismo la corriente de forma segura por
toda la estructura desde el punto de impacto hasta el terreno.
Las palas, siendo el componente mas elevado del aerogenerador, está
equipado con un sistema de captación y conducción del rayo, desde su
impacto hasta la raíz de la pala donde, a través del rodamiento del pitch,
es evacuado hasta el terreno.
Sistema de protección contra rayos
El sistema más habitual en las palas de fibra de vidrio (GFRP) consiste
en colocar uno o varios receptores en ambas caras a lo largo de la pala
para que el rayo impacte en ellos y no en otras zonas. El captador está
unido a la puesta a tierra a través de un bajante de forma que se crea un
camino de baja impedancia para derivar la corriente hacia el terreno:
Sistema multireceptor
Drain
receptor
receptor
Sistema de protección contra rayos
La normativa existente indica 4 niveles de protección en función del
pico de corriente que deben soportar, aunque en la práctica todos los
sistema de protección contra rayos utilizados en palas eólicas cumplen
los requisitos del nivel I (mayor pico de corriente).
Según los datos estadísticos, se estima que una media de 6 fallos por
cada 100 aerogeneradores al año están causados por impacto de rayo.
En palas de fibra de carbono (CFRP) este sistema no es efectivo ya que
tienen mayor conductividad, y se están experimentando otros
dispositivos para complementar el sistema de captación.
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Fabricación de palas de aerogeneradores
La fabricación de palas, comparado con la fabricación de otros
componentes, sigue siendo poco automatizada. Para la fabricación de
palas, se requiere de dos moldes, uno para la valva de succión, y otro
para la valva de presión. La secuencia básica de moldeo es la siguiente:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
Limpieza del molde y aplicación desmoldeante
(Aplicación del gel coat)
Colocación de tejido y núcleo sobre el molde (seco/impregnado)
Colocación de auxiliares de proceso (malla infusión, peel ply, tejido perforado, ...)
Colocación de bolsa de vacío
Aplicación de vacío
Etapa de impregnación con/sin Temperatura
Curado de valvas y preparación pegado
Pegado de valvas entre sí
Curado de pala con/sin Temperatura
(Aplicación de pintura)
Fabricación de palas de aerogeneradores
Fabricación de palas de aerogeneradores
Actualmente las técnicas más utilizadas para la laminación en el molde
son:
-
Laminación mediante prepreg
Laminación mediante infusión con vacío (RIM)
Laminación mediante presión externa (RTM)
Laminación mediante prepreg
El prepreg es un material que ha sido impregnado previo a su uso y almacenado
generalmente a bajas temperaturas (-20ºC). La resina se encuentra en un estado de
“semicurado”, lo que le da un tacto semipegajoso que facilita el apilamiento de capas
en el molde. Al aumentar la temperatura, la resina se convierte en líquida/viscosa y
termina el curado de la pieza bajo condiciones de presión y temperatura controladas.
Laminación mediante infusión con vacío / presión externa
En este caso el tejido se coloca en seco sobre el molde, se compacta mediante una
bolsa de vacío (RIM) o mediante otro molde cerrado (RTM) y se inyecta la resina
mediante vacío (RIM) o mediante presión externa (RTM). Una vez curada la pieza se
desmoldea.
Índice
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Introducción
Soluciones estructurales
Materiales para palas de aerogeneradores
Unión pala buje
Sistema de protección contra rayos
Fabricación de palas de aerogeneradores
Ensayos a escala completa
Ensayos a escala completa
La finalidad de ensayar las palas de aerogeneradores es verificar sus
propiedades estructurales:
-
Masa y centro de gravedad
Distribución de rigidez
Frecuencia natural y amortiguamiento (estructural)
Resistencia última
Resistencia a fatiga
La secuencia de los ensayos consiste en:
-
Ensayo de frecuencia natural y amortiguamiento
Ensayo estático (ensayo de resistencia estática)
Ensayo a fatiga (ensayo de resistencia a fatiga)
Ensayo estático (ensayo final de resistencia estática)
Ensayos a escala completa
Ensayo de frecuencia natural y amortiguamiento
El ensayo consiste en excitar manualmente el modo de vibración que va
a ser analizado a través de acelerómetros montados en la punta de la
pala y en el borde de ataque y de salida de una sección de la pala. Las
magnitudes a determinar son:
-
1ª frecuencia natural y amortiguamiento estructural en dirección flapwise
2ª frecuencia natural en dirección flapwise
1ª frecuencia natural y amortiguamiento estructural en dirección edgewise
2ª frecuencia natural en dirección edgewise
1ª frecuencia natural de torsión
El amortiguamiento aerodinámico contribuye a los resultados medidos,
sobretodo en dirección flapwise. Por esta razón es importante determinar
el amortiguamiento con muy poca deflexión de la pala.
Ensayos a escala completa
Ensayo estático
El ensayo consiste normalmente en aplicar uno a varios actuadores a la
pala, en dirección vertical u horizontal. Las magnitudes a ensayar son:
-
ENSAYO FLAPWISE
o
Dirección de la cara de succión hacia la de presión
o
Dirección de la cara de presión hacia la de succión
-
ENSAYO EDGEWISE
o
Dirección del borde de ataque hacia el borde de salida
o
Dirección del borde de salida hacia el borde de ataque
La pala debe de ser ensayada a una carga mayor que la de diseño, para
tener en cuenta las condiciones de temperatura, humedad y producción:
Carga de ensayo = 1.1 * Carga de diseño
Ensayos a escala completa
Ensayo estático
Cimentación
actuadores
clamps
Ensayos a escala completa
Ensayo a fatiga
El ensayo trata de reproducir el daño calculado para toda la vida útil de
la pala (típicamente 20 años). Para eso, la pala es sometida a una carga
de amplitud constante durante un número de ciclos equivalente a la vida
útil de la pala. Para reducir la energía aplicada en el ensayo, la pala es
excitada a su frecuencia natural para hacerla vibrar dicho número de
ciclos equivalentes (alrededor de 5 millones). Cuanto mayores son las
palas, menores son sus frecuencias naturales, y por lo tanto, mas tiempo
durará el ensayo (entre 3 meses y 1 año, en función del tamaño).
Las magnitudes a ensayar son: FLAPWISE y EDGEWISE
La pala debe de ser ensayada a una carga mayor que la de diseño, para
tener en cuenta errores de cálculo, producción y consecuencias de fallo:
Carga de ensayo = 1.33 * Carga equivalente de diseño
Ensayos a escala completa
Ensayo a fatiga
Los ensayos a fatiga se pueden llevar a cabo de distintas formas:
- Excitando la pala a su frecuencia natural por medio:
o una masa excéntrica rotativa sujeta a la pala a través de una estructura
o una masa oscilante con movimiento en la dirección perpendicular a la pala
- A través de actuadores hidráulicos que provocan una deflexión
controlada de la pala
Ensayos a escala completa
Ensayo a fatiga