ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA DE LA TORRE DE UN GENERADOR EÓLICO. E

Transcripción

1 ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA DE LA TORRE DE UN GENERADOR EÓLICO. E Rodríguez Cruz Rafael Angel. Ordóñ óñez Rivera Andres. Medina Ortiz Jorge Andres. Vital Flores Francisco. Reyes Rodríguez Francisco.

2 EL PASADO 5 DE DICIEMBRE DEL 2006 SE PRESENTARON EN LA CENTRAL EOLICA DE LA VENTA OAXACA FUERTES VIENTOS CUYAS RÁFAGAS R VARIARON ENTRE LOS 190 km/hr A LOS 200 km/hr COMO SE OBSERVA EN LA SIGUIENTE GRÁFICA.

3 ESTE FENÓMENO CAUSÓ EL COLAPSO DE LA TORRE SOPORTE DE UN AEROGENERADOR DE LA U6 EN SU PARTE INFERIOR A 3 METROS DE SU BASE. ESTE AEROGENERADOR SE ENCONTRABA FUERA DE SERVICIO EN PROCESO DE MANTENIMIENTO CON SUS ALABES ATADOS, YA QUE LOS TRABAJOS DE MANTENIMIENTO TENÍAN DOS DÍAS D SUSPENDIDOS

4 EL OBJETIVO PRIMORDIAL DE ESTE PROYECTO FUE LA DETERMINACIÓN N DE LA CAUSA RAÍZ Z DE LA FALLA PARA LO CUAL SE ANALIZARAN CON LA AYUDA DEL MÉTODO M DEL ELEMENTO FINITO LAS DIVERSAS CONDICIONES DE CARGA A LAS QUE PUDIERA HABERSE ENCONTRADO EL AEROGENERADOR PARA FALLAR DE LA MANERA MOSTRADA.

5 CONSIDERACIONES: DESARROLLO DEL MODELO. En este análisis el objetivo de interés s es la torre que sostiene el aerogenerador, de tal manera que el cuerpo del aerogenerador será modelado solo como un cuerpo rígido r sobre el cual se aplican las condiciones de carga generadas por el viento. Para generar el modelo de elemento finito se tomo en consideración de que el radio mínimo m de la torre tubular es de m. contra un espesor de m. lo que genera una relación n geométrica entre el radio y el espesor de , situación n que indica que la pared de la torre trabajara en forma local como una placa o cascaron. A A falta de datos específicos del material se supondrá en acuerdo con el análisis métalográfico realizado en LAPEM que se trata de un acero al carbón n similar al ASTM A36. Modulo de elasticidad (E) =2.1 x Pa. Resistencia a la cedencia (Sy( Sy) ) = MPa. Densidad (ρ)( ) = 7800 Kg/m 3.

6 DESARROLLO DEL MODELO. La geometría a de la torre cuenta con una altura total de m. (102 ft.), con diámetro exterior en la base de m. (8 8 15/16 ), y un diámetro de m. (4 5 5/8 ) en su parte superior. A una altura de 14 m., el espesor cambia de m (5/16 ) ) a m (1/4 ). La torre del aerogenerador se encuentra construida en dos partes de m. (51 ft.) cada una, unidas por tornillos por medio de una brida interna situación n por la cual desde el exterior pareciera ser toda de una sola pieza

7 DESARROLLO DEL MODELO. LOS CONOS DE LAS TORRES FUERON MODELADOS CON ELEMENTOS PLACA DE ESPESORES DE 5/16 Y ¼

8 DESARROLLO DEL MODELO. Los nodos de las bridas intermedias y superiores fueron acoplados en sus grado de libertad de traslación n a fin de simular la unión entre los conos y entre el cono superior y el cuerpo del aerogenerador.

9 DESARROLLO DEL MODELO. El aerogenerador no es modelado como tal, ya que únicamente es necesario trasladar los efectos que producen su propio peso y todos los tipos de cargas que le impone el viento. De esta manera, para simular los efectos inerciales y de carga del cuerpo del aerogenerador se utiliza un elemento masa (mass( 21), colocado en la posición n de su centro de gravedad. Para posicionar el centro geométrico de las aspas con respecto al centro de masa del aerogenerador se utiliza un elemento viga tridimensional (beam( 3) con una rigidez muy alta, a fin de que su efecto sea el de un cuerpo rígido r (situación n más m s crítica de transmisión n de cargas). La localización n de este punto es muy importante ya que es el lugar en donde se aplican las cargas producidas por el viento. Por ultimo, la unión n de el elemento masa que representa el aerogenerador con su base de montaje en la torre se realiza con elemento vigas de muy alta rigidez a fin de asegura que los efectos de las s cargas producidos tanto por el cuerpo del aerogenerador como por las aspas sea íntegramente trasladados a la torre

10 DESARROLLO DEL MODELO. MODELADO DEL CUERPO DEL AEROGENERADOR CON ELEMENTOS MASA Y VIGA.

11 CONDICIONES DE FRONTERA. CALCULO DE LA CARGA DE PRESIÓN N POR EL VIENTO La carga que produce el viento sobre una estructura depende del cuadrado de la velocidad, aunque en ocasiones la formula a utilizar puede variar ligeramente de acuerdo a la bibliografía a consultada, para este análisis se usara la siguiente formula. P = C C v Donde: P = Presión de empuje del viento (lb/ft 2.) C e = Coeficiente de arrastre C q = Coeficiente de arrastre. V = Velocidad del viento (200 Km/hr, millas/hr) El valor de C q y C e, varían con la altura a la que se calcule el empuje, tanto para los alabes como para el cuerpo del generador a una altura de 30 m. se tomara C q = 1.2 y Ce=1.63. y para una altura de 0 m., Cq=1.08 y Ce=1.53 e q 2

12 CONDICIONES DE FRONTERA. CARGAS SOBRE LA TORRE: Con el objeto de verificar la resistencia de la torre en los estados de carga mas desfavorables que pudieran ocurrir en su funcionamiento, o, para los alabes y del cuerpo de aerogenerador se tomaran los valores del área que presentan la mayor exposición n al viento, los cuales evidentemente generaran la fuerza mas alta posible. De acuerdo a los datos del fabricante, se obtienen los siguientes s valores de área de exposición n al viento. Para las alabes: m 2. (350 ft 2 ). Para el cuerpo: m 2. ( ft 2 ).

13 CONDICIONES DE FRONTERA. FUERZA DE EMPUJE GENERADA POR EL VIENTO SOBRE LOS ALABES Y EL CUERPO DEL AEROGENERADOR: la presión n generada por aire a una altura de 30 m. es: 2 P = (1.63)(1.2)( ) = 77.3 ft 2 La fuerza máxima m provocada por el empuje de los alabes es: 2 lb FAlabes = AmaxP max = (350ft ) 77.3 = lb = 120,641N 2 ft La fuerza máxima m producida por el cuerpo del aerogenerador es de: 2 lb FAE = AmaxP max = (37.995ft ) 77.3 = 2,937.01lb = 13,096.41N 2 ft La condición n de carga mas critica se presenta cuando las dos fuerzas anteriormente calculadas se sumen y provoquen una carga a flexión sobre la torre. F=120,641 N + 13, N = 133, N lb

14 CONDICIONES DE FRONTERA. FUERZA DE EMPUJE GENERADA POR EL VIENTO SOBRE EL CUERPO DE LA TORRE: La presión n de empuje sobre la torre del generador no es constante ya que los coeficientes C q y C e varia en función n de la altura, por lo que se alimentará al programa como un gradiente lineal sobre el área expuesta desde la base hasta su punto mas alto. Para una altura de 0 m., Cq=1.08 y Ce= P = (1.08)(1.53)( ) = = 3,126.67Pa 2 lb ft Para una altura de 30m. Cq = 1.2 y Ce= P = (1.2)(1.63)( ) = 77.3 = 3,701.14Pa 2 lb ft

15 CONDICIONES DE FRONTERA. Empotramiento de la torre del aerogenerador con su base.

16 CONDICIONES DE FRONTERA.

17 RESULTADOS. Esfuerzos de Von Mises en la torre debido a la carga de viento de 200 Km/hr hr. η s y flexión = = = σ'

18 RESULTADOS. Desplazamientos en la torre debido a la carga de viento de 200 Km/hr hr. s σ' y η flexión = = = 0.944

19 ANÁLISIS CON LA ESCOTILLA ABIERTA.

20 ANÁLISIS CON LA ESCOTILLA ABIERTA. Los refuerzos fueron modelados como elementos vigas.

21 ANÁLISIS CON LA ESCOTILLA ABIERTA. Esfuerzos de Von Mises en la torre causados por flexión n sin el material de la escotilla

22 ANÁLISIS CON LA ESCOTILLA ABIERTA. Desplazamientos en la torre causados por flexión n sin el material de la escotilla

23 ANÁLISIS CON LA ESCOTILLA ABIERTA. Esfuerzos de Von Mises en la torre causados por flexión n sin el material de la escotilla

24 ANÁLISIS EN LA ZONA PLÁSTICA. Como se observa en los resultados mostrados en las diapositivas anteriores, existen zonas en las que aparentemente los esfuerzos a los que están n sometidos se encuentran por encima del esfuerzo de cedencia. Es evidente que este estado de esfuerzos se encuentra en las cercanías as de los refuerzos de las puertas y es debido principalmente a una concentración n de esfuerzos. Ante esta situación n se realiza un nuevo análisis de la torre pero ahora considerando un carga mayor (el generado por una velocidad de viento de 300 km/hr hr.), a fin de verificar forma como se presentaría a el crecimiento de las zonas plásticas en la torre.

25 ANÁLISIS EN LA ZONA PLÁSTICA. Las condiciones de frontera de desplazamientos son las s mismas a las utilizadas en los análisis anteriores, solo se adaptaron las cargas producidas por una velocidad de viento de 300 Km/hr hr.

26 ANÁLISIS EN LA ZONA PLÁSTICA. Modelo de material Bilineal

27 ANÁLISIS EN LA ZONA PLÁSTICA. Esfuerzos de Von Mises en la torre causados por flexión n sin el material de la escotilla y carga de 300 km/hr hr., la deflexión n máxima m es de aproximadamente 0.5m en el punto mas alto.

28 ANÁLISIS EN LA ZONA PLÁSTICA. Razón n de plasticidad en las cercanías as de la escotilla de la torre.

29 CONCLUSIONES 1. El diseño o de la torre es adecuado inclusive si se considera estados de carga extraordinarios como los aquí presentados. 2. Los resultados muestran que el diseño o tubular de la torre es muy sensible cuando la escotilla es abierta y solo si esta se encuentra localizada diametralmente opuesta a la posición n de los alabes del aerogenerador; ya que si la escotilla se encontrara a 90º de la posición n de los alabes quedaría a sobre el eje neutro y por tanto los esfuerzos que tendría a que resistir serian mínimos. m 3. La causa de la falla que llevo al colapso total de la torre no es e posible establecerla con precisión n con la cantidad información proporcionada, sin embargo una razón n posible puede ser establecida de acuerdo a los conceptos del análisis probabilístico y no deterministico

30 CONCLUSIONES Si se toma en cuenta que los datos de las propiedades mecánicas (en este caso especifico de resistencia), del material son un promedio de una serie de pruebas cuyos resultados obedecen generalmente a una distribución normal y al mismo tiempo los esfuerzos calculados tienen un rango de incertidumbre al tomar en cuenta las variaciones que en la realidad existen tanto de carga como en las dimensiones de las piezas, se obtiene que estas presentan también una distribución probabilista de sus valores tal como es mostrado en la siguiente figura.

31 CONCLUSIONES De esta manera cualquier diseño o por bien que este hecho tiene la probabilidad de fallar por lo que no resulta fuera de lugar pensar que dadas las circunstancias, las condiciones de la torre en cuestión n pudieron haberse localizado en la zona roja de la figura.