5.- Desarrollo del modelo Para el modelado de la parte superior del aerogenerador únicamente es necesario trasladar los efectos que producen su

Transcripción

1 5.- Desarrollo del modelo Para el modelado de la parte superior del aerogenerador 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 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 (situación más crítica de transmisión de cargas).

2 La localización 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 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 asegurar que los efectos de las cargas producidos tanto por el cuerpo del aerogenerador como por las aspas sea íntegramente trasladados a la torre.

3 MODELADO DEL CUERPO DEL AEROGENERADOR CON ELEMENTOS MASA Y VIGA.

4 Condiciones de frontera: Calculo de la carga de presión por 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 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) e q 2

5 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 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, para los alabes y del cuerpo de aerogenerador se tomaran los valores del área que presentan la mayor exposición al viento, los cuales evidentemente generaran la fuerza mas alta posible.

6 De acuerdo a los datos del fabricante, se obtienen los siguientes valores de área de exposición al viento. Para las alabes: m 2. (350 ft 2 ). Para el cuerpo: m 2. ( ft 2 ). FUERZA DE EMPUJE GENERADA POR EL VIENTO SOBRE LOS ALABES Y EL CUERPO DEL AEROGENERADOR: La presión generada por aire a una altura de 30 m. es: 2 P (1.63)(1.2)( ) 77.3 ft 2 lb

7 La fuerza máxima provocada por el empuje de los alabes es: 2 lb FAlabes AmaxP max (350ft ) lb 120,641N 2 ft La fuerza máxima producida por el cuerpo del aerogenerador es de: 2 lb FAE AmaxP max (37.995ft ) ,937.01lb 13,096.41N 2 ft La condición 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

8 FUERZA DE EMPUJE GENERADA POR EL VIENTO SOBRE EL CUERPO DE LA TORRE: La presión de empuje sobre la torre del generador no es constante ya que los coeficientes C q y C e varia en función 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)( ) ,126.67Pa 2 Para una altura de 30m. Cq = 1.2 y Ce= P (1.2)(1.63)( ) ,701.14Pa 2 lb ft lb ft

9 Empotramiento de la torre del aerogenerador con su base.

10 CONDICIONES DE FRONTERA.

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

12 ANÁLISIS DE RESULTADOS. 1.- La metalografía realizada a los especímenes analizados establece que el material de la zona fallada esta sano, es decir no presenta deterioros en su microestructura ni geométricos, los resultados de este análisis fueron: El material de las placas en las 7 muestras presentan una estructura formada por granos de perlita laminar en matriz de ferrita, con una dureza promedio de 97 RB. La muestra No. 7 presenta en una pequeña zona inclusiones no metálicas alargadas (laminaciones), en una microestructura formada por granos de perlita laminar en matriz de ferrita, típica de aceros al carbón.

13 La muestra No.6 presenta un extremo agrietado. Un corte transversal manifiesta que la grieta inicia en la superficie externa, en el vértice de la zona de transición entre el material de aporte y el material de la placa (concentrador de esfuerzos). La cristalografía manifiesta alargamiento de grano en dirección al borde, en una microestructura formada por granos de perlita laminar en matriz de ferrita. 2.- De las mediciones de vibración realizadas en una estructura contigua, los resultados indican que el movimiento de la estructura presenta una frecuencia dominante de 6.5 a 7 Hz,(diferentes a su frecuencia natural) con desplazamientos que están por debajo de 1 mm en todas las mediciones efectuadas a diferentes alturas de la torre, lo cual nos indica que no presenta resonancia.

14 3.- Los resultados de los análisis realizados a los tornillos de ensamble entre las dos secciones de la torre soporte nos indican que la falla de estos se presenta por fatiga de altos ciclos. Resalta el hecho de la falla por fatiga, situación que evidencia esfuerzos en esta zona que generaron movimientos relativos entre las dos secciones de la torre soporte, propiciando muy probablemente que el centro de gravedad de la estructura se desvié de su línea vertical. 4.- El análisis efectuado con el software de elemento finito indica que los niveles de esfuerzo a que se somete la torre soporte en las condiciones extremas no sobrepasan los limites de esfuerzos de diseño.

15 CONCLUSIONES El material de la zona de falla no presenta deterioro En la falla de la estructura no influyó la condición de resonancia La causa del evento en la estructura de la torre soporte del aerogenerador se debió a que el ensamble entre las partes superior e inferior quedó descentrado propiciando esfuerzos no contemplados en esta zona y debido a deformación de los tornillos de sujeción por alargamiento, permitieron que la estructura superior se desplazara más de lo normal, cambiando el centro de gravedad y propiciando junto con los fuertes vientos la falla.

16 No se descarta. Cualquier diseño por bien hecho y construido que esté tiene la probabilidad de fallar aunque esta sea infinitesimal, por lo que no resulta fuera de lugar pensar que dadas las circunstancias de la falla, las condiciones de la torre en cuestión pudieron haberse localizado en la zona roja de falla.

17 BIBLIOGRAFÍA ENTEC/CAE/ABB, Diseño, Fabricación, Construcción, Instalación, Pruebas y Puesta en Operación Comercial de una Central Eoloeléctrica Completa de 1.5 MW, para el Proyecto Eoloeléctrico de la Venta, Bajo la Modalidad Llave en Mano en el Estado de Oaxaca., ENTEC/CAE/ABB-CFE. ANSYS Inc. Element Reference, Ansys Inc Ruiz Rodríguez, Bravo B. Cuevas V. Informe de Resultados. K , LAPEM, Marzo Haugen E. B. Probabilistic Approaches to Design, John Wiley & Sons, 1968.

18 GRACIAS POR SU ATENCIÓN