RESUMEN Diseño del buje y de la estructura de soporte del

RESUMEN
Diseño del buje y de la estructura de soporte del
sistema de regulación aerodinámica de potencia
de un aerogenerador offshore
Autor: Álvaro Echevarría de Casso
Director: Juan Antonio Talavera Martín
Coordinador de proyectos: José Ignacio Linares Hurtado
El objetivo principal de este proyecto es el diseño del buje de un aerogenerador
marino de 5 MW. La función principal del buje es actuar de nexo estructural entre las
tres palas del aerogenerador y el eje del mismo, pero a su vez es clave para la
instalación del sistema de control de paso de las palas. Este sistema se encarga de hacer
girar cada pala sobre su eje longitudinal de forma que se varía el ángulo de ataque
respecto al viento y por tanto el coeficiente de sustentación, con lo que se consigue
regular la potencia generada y un funcionamiento más eficiente. Los aerogeneradores
que tienen este sistema son los llamados regulados por pitch, en oposición a los
antiguos, que estaban regulados por la entrada en pérdida de las palas según aumentaba
la velocidad del viento. Con este sistema de entrada en pérdida se dan muchas
ineficiencias, ya que la potencia nominal se genera en un rango de velocidades de viento
muy reducido. La figura 1 muestra las curvas de potencia frente a velocidad de viento
de ambos tipos de aerogenerador. La bibliografía en la que se apoya este proyecto son
“Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines” de Germanischer Lloyd
Ltd. y “Wind Energy Handbook” de John Wiley & Sons, Ltd.
En la figura 1 la curva azul representa
el funcionamiento con sistema de
pitch, pudiéndose apreciar cómo el
funcionamiento es más óptimo al
generar potencia nominal hasta que se
para a la velocidad de corte, por
motivos de seguridad.
Las características del aerogenerador
para el que se diseña el buje se
muestran en la tabla 1. Al ser un
aerogenerador de alta potencia los
tamaños necesarios son considerables,
y por tanto el peso y el precio del mismo también lo son. Es por eso que hay que
orientar el diseño hacia conseguir el menor peso, para someter al eje principal a las
Figura 1 – Pitch-regulated vs stall-regulated
condiciones estáticas y de fatiga menos severas posibles y así alargar la vida útil del
aerogenerador.
Potencia nominal
Profundidad de la cimentación marina
Altura sobre el nivel del mar
Longitud de las palas
Velocidad nominal
Vida útil
Tabla 1 - Características generales del aerogenerador
5MW
50 m
100 m
30 m
12 rpm
25 años
Para el inicio del diseño del buje se concibe este como la unión de tres bridas de
conexión a pala y una al eje en un punto central. Por tanto se enfocó el inicio de los
estudios estudiando cómo reaccionan dos bridas genéricas a esfuerzos en su cabeza de
pernos. Se compararon dos diseños, la brida con paredes a 90 grados y la brida a 45
grados, realizando sobre ellos análisis de elementos finitos con el software CATIA
V5R17, también usado para el modelado en 3D de todos los componentes. El objetivo
es buscar una relación entre los espesores vertical y horizontal que optimice la
distribución de esfuerzos en la estructura y extrapolarla a la estructura completa del
buje. La brida que mejor respondió a los ensayos fue la brida recta, en la que sí se
encontró un punto óptimo de relación de espesores.
Tratando de trasladar los resultados de los estudios de las bridas al buje se inició
el diseño de este, con una configuración recta, también con CATIA V5R17. Sin
embargo, la conexión entre las bridas es muy brusca al ser estas rectas y en esas
esquinas los esfuerzos que se obtenían por elementos finitos eran muy elevados, por lo
que se ideó un segundo diseño en el que esa unión entre las bridas de conexión a las
palas fuera menos brusca. Así se ideó el segundo diseño, de bridas con paredes a 60
grados, y se estudió por elementos finitos para comparar ambos diseños. Las figuras 2 y
3 muestran análisis por elementos finitos de ambas estructuras. Los esfuerzos utilizados
son los proporcionados por el estudio del comportamiento aerodinámico del
aerogenerador, realizado al mismo tiempo que este proyecto por un compañero del
equipo que desarrolló el aerogenerador como proyecto conjunto. La estructura que
mostró tensiones más bajas para las mismas configuraciones de espesores fue en todos
los ensayos la de las bridas a 60 grados, por la menor brusquedad de las uniones, así que
se continuó con este diseño.
Figura 2 – Buje con bridas rectas
Figura 3- Buje con bridas a 60 grados
El sistema de control de paso se basa en un actuador eléctrico que engrana con la
corona interna de un rodamiento de doble bola cuya parte fija está unida al buje, estando
las palas unidas a la parte interna móvil de forma que pueden girar libremente respecto
al buje. El rodamiento y el actuador de pitch vienen especificados por proyecto, por lo
que habrá que diseñar el soporte que permita la instalación del sistema de forma que los
dos elementos engranen perfectamente y aguante los esfuerzos que se derivarán del
funcionamiento y los ciclos de cambio de gravedad. Al igual que con los dos tipos de
buje, se idearon varias posibilidades para este soporte valorando las ventajas de cada
uno y eligiendo en consecuencia.
Debido al elevado número de ciclos, lo que manda para el diseño es el estudio a
fatiga. El inconveniente de esto es que los análisis de fatiga son muy concretos para
cada tipo de estructura, y es difícil encontrar datos sobre esto por lo que hay que generar
una curva S/N de diseño (Incremento de tensión frente a número de ciclos). La
normativa GL da las pautas para generar esta curva y que el análisis que se lleve a cabo
sea aceptable según sus estándares de seguridad y diseño, que son los que se siguen en
este proyecto. El material que se utiliza es fundición de grafito esferoidal, por sus
óptimas características de absorción de vibraciones y comportamiento a fatiga, además
de la necesidad de un material con alta fluidez para que la fundición se lleve a cabo de
forma correcta y la calidad del buje sea la adecuada. Para el estudio a fatiga se utilizan
las distintas situaciones de esfuerzos que se dan en un ciclo y que son proporcionadas
por el estudio aerodinámico del proyecto ya mencionado antes. En un ciclo de
funcionamiento normal se producen máximos y mínimos de tensión, y esa fluctuación
mantenida en el tiempo es la que provoca el fallo por fatiga. Una vez determinada la
curva de diseño se obtiene el incremento de tensión que la estructura puede soportar
durante los ciclos estimados de funcionamiento de la turbina, y se revisa el diseño del
buje para asegurar que cumple los requisitos. Como se esperaba, las severas condiciones
hacen que el estudio por fatiga sea el predominante a la hora de diseñar, y hubo que
modificar el peso del buje considerablemente para obtener espesores capaces de
aguantarlas, siempre dentro de resultados de peso satisfactorios según la técnica actual.
Figura 4 – Conjunto buje-sistema de control de paso de las palas
ABSTRACT
Design of the hub and the support structure for
the aerodynamic power regulation system of an
offshore wind turbine
Author: Álvaro Echevarría de Casso
Director: Juan Antonio Talavera Martín
Project coordinator: José Ignacio Linares Hurtado
The main goal of this Project
is the design of the hub of an offshore
5 MW wind turbine. The hub
functions as the structural link
between the three blades and the main
shaft, while it also provides support
for the pitch control system. Such
system makes the blades twist around
their longitudinal axis, so the front
angle of the blades is changed, and so
is the lift coefficient, as the wind
speed increases. This way, the turbine
Figura 5 – Pitch-regulated vs stall-regulated
generates its rated power for a wide
range of wind speed, meaning a more efficient performance. Before this system was
implemented, wind turbines were stall-regulated, which means that the blades were
designed to stall as the wind speed rose, provoking a great deal of inefficiency, because
the rated power is generated only in a very small range of wind speeds. The figure 1
shows the power curves as a function of the wind speed of both kinds of wind turbines.
In the figure 1, the blue graph shows the performance of a pitch-controlled wind turbine.
Comparing it to the red graph (stall- regulated), its greater efficiency can be appreciated,
as it generates the rated power from the reference velocity to the cut wind speed.
The main features of the wind turbine for which the hub is designed are shown in the
table 1. Being a high power wind turbine, the sizes of the components are considerably
large. Hence, the weight and stresses are large too. For it to be a profitable investment,
the wind turbine must have a long life span, so the design must be oriented to achieving
a light structure so the main shaft is subjected to as benign static and fatigue conditions
as possible.
Rated power
Sea depth
Hub height (over the sea level)
Blade length
Reference speed
Life span
Tabla 2 – Main features of the wind turbine
5MW
50 m
100 m
30 m
12 rpm
25 años
To start the design of the hub, it is conceived as the union of three blade
connection flanges and one shaft connection flange, stacked together in a center point.
Therefore, they were studied separately, by designing two generic flanges: one with the
walls in a 90 degree angle and another one in 45 degrees. These were designed and
subjected to finite element analysis with the software CATIA V5R17. The goal is to
find an optimum relationship between the vertical and the horizontal profile, so the
stress distribution is the least severe for the structure, and afterwards to extrapolate the
results to the entire hub structure. The flange which responded better was the one with
90 degree configuration, in which the Von Mises stresses were lower and an optimum
relationship between thicknesses was found.
Based on the results of the study of the flanges, a first hub was designed with 90
degree flanges. It was subjected to the aerodynamic forces obtained by a team mate, in
charge of studying the aerodynamic behavior of the turbine. It was supposed to respond
well to this forces but the abrupt connection between flanges provoked stress
concentration on the corners. In order to solve this abrupt connection, another design
was come up with, one with 60 degrees angle walls, so the connection between flanges
is as smooth as possible. It turned out to respond better to the same forces than the 90
degree configuration, so it was chosen as the definitive configuration. Figures 2 and 3
show both hub configurations subjected to finite element analysis.
Figure 6 – 90 degree flanges
Figure 7- 60 degree flanges
The pitch control system is based on an electric actuator driving a internal gear
attached to a double row slewing ring. The blades are attached to the mobile part of the
slewing ring while the fixed part is attached to the hub. Both the slewing ring and the
actuator are given in the Project, so their compatibility must be assessed and a support
that makes sure the function correctly must be designed. Following the same method as
in the design of the hub, several models of this support were designed and compared.
Due to the large number of cycles the wind turbine performs, the most severe
conditions of a wind turbine are the fatigue conditions. This enters the difficulty of
performing a fatigue analysis, which is a very specific study, characteristic of each
structure and configuration. Thus, a S/N design curve must be generated (Stress range
vs number of cycles). Germanischer and Lloyd’s “Guideline for the Certification of
Offshore Wind Turbines” provides a guide to generate the curve following its safety and
design standards, which are the ones that have been followed througout the whole
project. The material used for the hub is ductile cast iron, an excellent material in terms
of fatigue and vibrations, as well as for the casting process. The fatigue analysis is
performed with the extreme Von Mises stresses in a cycle provided by the aerodynamic
study already mentioned. That variation between the maximum and minimum value of
the stress, prolonged through the years is what causes the fatigue failure. Once the curve
is defined and the number of cycles is estimated, the hub and the support are reviewed
to ensure the meet the requirements. As expected, thicknesses had to be increased to
endure the fatigue conditions, so the weight of the structure had to be increased.
Nevertheless, the final weight of the hub is satisfactory for the actual state of the art.
Figure 4 shows a view of the hub and pitch control system set.
Figure 8 – Hub + pitch control system set