ES2682966A1 - Dispositivo de ensayo para torres y cimentaciones eólicas - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de ensayo para torres y cimentaciones eólicas formado por un programa de control y sus correspondientes sensores (11), una masa estática (3, 3') anclada en la brida superior de cualquier torre (1) y un excitador (4, 4') que mueve a frecuencia variable una masa de pequeño tamaño, logrando la validación en condiciones de escala completa de la torre (1) y de la cimentación (2), incluyendo las verificaciones en condiciones de contorno y carga de todos los detalles constructivos que la forman, la optimización de los diseños en base a la aplicación de ensayos de validación más precisos que los habituales cálculos estandarizados y el ensayo de torres reales que hayan presentado problemas con la finalidad de detectar el modo de fallo de forma controlado.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de ensayo para torres y cimentaciones eolicas
Campo de la invention
La presente invencion se engloba dentro del campo de los aerogeneradores y mas concretamente en un ensayo de fatiga para torres y cimentaciones, basado en la sustitucion de la gondola del aerogenerador por un dispositivo de ensayo que emplea una masa estatica anclada a la brida superior de la torre y una masa movil que oscila sobre el conjunto a la primera frecuencia resonante del conjunto.
Antecedentes de la invencion
Las torres eolicas son un componente clave del aerogenerador, ya que determinan la altura del rotor y por tanto el recurso eolico disponible, que crece con la altura.
Las torres tubulares metalicas se han consolidado como el diseno de referencia para alturas de buje entre 40m y 100m, y la amplia experiencia operativa en servicio ha permitido consolidar las tecnicas de diseno seguro para esta tecnologia de torre.
Sin embargo, por encima de los 120m no existe una topologia consolidada de torres. Torres tubulares de diversas configuraciones en hormigon y/o acero asi como torres de celosia estan siendo desarrolladas para resolver los significativos problemas asociados al desarrollo de estructuras de alturas tan grandes. Estas tecnologias suman, a la complication del diseno, la falta de experiencia operativa para soportar de forma empmca las tecnicas de diseno.
Por otro lado, al contrario de otros componentes eolicos como las palas, no existe una tradition de caracterizacion experimental intensa en el desarrollo de torres. Todas las referencias de diseno pueden ser encontradas en normativa industrial y civil sin necesidad de caracterizacion experimental adicional.
Todo esto provoca que los desarrollos de torres de tecnologias novedosas pasen habitualmente del diseno en papel a la fabricacion de las primeras unidades, lo que aumenta el riesgo de que modos de fallo espedficos de la tecnologia puedan aparecer
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en las primeras pre-series, afectando a la funcionalidad del aerogenerador. Para intentar evitar estos problemas, habitualmente se trabaja con factores de seguridad muy amplios, que acaban afectando al coste recurrente de la torre.
No existen muchas referencias de ensayos de torres eolicas. Dentro del proyecto DeppCWind, la Universidad de Maine y otros socios han desarrollado una torre de material compuesto de la que se realizo un ensayo estatico a flexion en un banco de ensayos de palas.
http://composites.umaine.edu/our-research/offshore- wind/deepcwind-consortium/
En la patente US20040107671 se describe una realization para detectar la deformation de una torre de celosia mediante el uso de rayos laser y sus correspondientes receptores.
Pero en ningun modo, el estado de la tecnica actual permite la validation en condiciones de escala completa de la torre, incluyendo las verificaciones en condiciones de contorno y carga de todos los detalles constructivos que la forman, ni la optimization de los disenos de torre en base a la aplicacion de ensayos de validacion mas precisos que los habituales calculos estandarizados, ni permitir el ensayo de torres reales que hayan presentado problemas con la finalidad de detectar el modo de fallo de forma controlado. De ah la necesidad de un dispositivo de ensayo como el descrito en la presente invention.
Description de la invention
Es un objeto de la invencion la utilization de una torre y su correspondiente cimentacion como probeta para la realizacion de un ensayo de fatiga a escala real. Para lograrlo, se sustituye la gondola y el rotor por una masa estatica sobre la que se instala un excitador capaz de mover otra masa de pequeno tamano a una frecuencia variable. El movimiento alternante de la masa estatica de cabeza genera unas cargas de cortadura inerciales que provocan un momento flector a lo largo de la torre. La seleccion apropiada del valor de la frecuencia de ensayo y el peso de la masa permiten ajustar la distribution de carga a las cargas de diseno de la torre, equivalentes a las esperadas en operacion.
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Es otro objeto de la invention disenar la masa estatica de cabeza de torre de forma que su centro de gravedad no este centrado en el eje de la torre. Asi, el ensayo tendra una carga media de flexion que puede emplearse para tener en cuenta las cargas no oscilantes del espectro de diseno.
Es otro objeto de la invencion intercalar una extension de torre entre la torre y la masa de cabeza de torre para simular mejor la distribution de momentos flectores. De esta forma se aumenta el momento aplicado en esta zona y puede conseguirse un mejor ajuste con las cargas de diseno.
Es otro objeto de la invencion emplear una serie de masas fijadas a lo largo de la torre que mejoran el ajuste entre las cargas de diseno y las cargas ensayadas contribuyendo con su inercia a la distribucion del momento flector en la torre.
Es otro objeto de la invencion colocar en la cabeza de torre una masa estatica de inercia polar controlada, centrada respecto al eje de la torre y en uno de sus extremos, lejos del eje de la torre, un excitador colocado de forma ortogonal al diametro de la torre que funcione cerca de la frecuencia propia de torsion del conjunto formado por la torre, la masa y el excitador. Con esta disposition se puede hacer resonar el conjunto para inducir el momento torsor de diseno en la torre.
Es otro objeto de la invencion combinar los excitadores de flexion y de torsion consiguiendose la realization de un ensayo de carga de flexion y torsion combinada.
Es otro objeto de la invencion realizar la calibration de cargas del ensayo mediante un cable anclado a la cabeza de torre y accionado desde un punto de tiro en el suelo, empleando o no una pertiga colocada en la cabeza de torre para facilitar el tiro.
Por ultimo, es otro objeto de la invencion la reduction del diametro de la torre a ensayar frente al diametro de la torre real para reducir las cargas de ensayo aplicadas sin modificar las tensiones en los puntos principales de la torre.
Breve description de los dibujos
A continuation se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que
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ayudan a comprender mejor la invention y que se relacionan expresamente con una realization de dicha invencion que se presenta como un ejemplo no limitativo de esta.
La Figura 1 es una vista de un aerogenerador completo con torre y cimentacion.
Las Figuras 2a y 2b son sendas vistas en planta y perfil de la cimentacion y la torre con una masa estatica y una masa movil dispuestas en su parte superior.
La Figura 3a es una vista de la torre con los sensores de deformation y acelerometros instalados
La Figura 3b es una visa de la torre con con masas fijadas a lo largo de la torre.
La Figura 4 es una realizacion sobre el cable y el cabestrante utilizados para aplicar una carga controlada sobre la torre y la cimentacion.
La Figura 5 es otra realizacion de la figura anterior donde se anade un brazo rigido.
La Figura 6 es otra vista de la torre con la masa estatica con el centro de gravedad fuera del eje de la torre.
La Figura 7 es una torre con una extension de torre adicional.
Las Figuras 8a y 8b son sendas vistas en planta y perfil de la torre con una masa estatica centrada y una masa movil dispuesta fuera del eje de la torre.
Description detallada de la invencion
Tal y como se muestra en la figura 1, un aerogenerador convencional esta formado por una torre (1) ensamblada sobre una cimentacion (2). Ambos elementos estan afectados por las frecuencias propias del sistema determinadas fundamentalmente por el peso del rotor (9), las palas (10) y la gondola (11) y por la rigidez de la torre (1). Con el peso habitual en la cabeza de la torre, la frecuencia baja excesivamente y no puede ser ensayada, ya que un ensayo de esas caracteristicas se alargaria en exceso en el tiempo. Sin ningun peso, la frecuencia seria excesivamente rapida para un control
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adecuado del ensayo. Por esta razon, la masa colocada sera una fraccion del peso en cabeza de torre de un aerogenerador convencional, logrando una frecuencia de ensayo adecuada para el ensayo.
En las figuras 2a y 2b se sustituye el rotor (9), las palas (10) y la gondola (11) por una masa (3) de peso controlado. Sobre esta masa (3) se instala un excitador (4), consistente en un equipo capaz de mover otra masa de pequeno tamano a una frecuencia variable. El excitador (4) esta formado, por ejemplo, por un motor que mueva una masa excentrica o por un cilindro que desplace horizontalmente la masa actuante. El plano de movimiento de la masa estara preferentemente contenido en un plano diametral de la torre (1) que pase por su centro.
Al hacer funcional el excitador (4) a una velocidad cercana a la primera frecuencia propia del sistema formado por la torre (1), la masa (3) y el excitador (4), el conjunto comenzara a vibrar segun el primer modo propio, con un movimiento sinusoidal del sistema. El movimiento alternante de la masa de cabeza (3) genera unas cargas de cortadura inerciales que provocan un momento flector a lo largo de la torre. La selection apropiada del valor de la frecuencia de ensayo y el peso de la masa (3) permite ajustar la distribution de carga a las cargas de diseno de la torre (1) y de la cimentacion (2), equivalentes a las esperadas en operation.
Para el ensayo de una torre (1) de 100-160m, se usa una masa (3) de un peso cercano a las 50T, consiguiendo una frecuencia de ensayo de 0,5-1Hz donde, con una amplitud de oscilacion de la cabeza de torre de 0,1-0,2m se induce una carga de cortadura de una amplitud de 200-400kN. El excitador (4, 4') movera una masa de 50100kg en una carrera de 300-600mm.
Tal y como se muestra en la figura 3a el ensayo de torre (1) y cimentacion (2) comienza con el montaje de la masa (3) de cabeza de torre e instalacion del excitador (4). Una vez completado el montaje, se realiza la instrumentation de la probeta y resto del sistema de ensayo colocando sensores de deformation (11), como por ejemplo galgas extensometricas, y colocando acelerometros (10) a lo largo de la torre (1) y la cimentacion (2).
Como se muestra en la figura 3b, si la distribucion de momentos obtenida no se ajusta
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correctamente a la distribution objetivo, pueden emplearse masas (6) intermedias fijadas a lo largo de la torre para cambiar la frecuencia y distribucion de cargas del ensayo.
En la figura 4 se realiza la calibration, aplicando una carga controlada mediante un cable (13) y un medio de aplicacion de carga (12), como un cabrestante. Durante la calibracion se registran las medidas de los sensores de deformation (11), cuya senal post-procesada por el correspondiente programa de control permite posteriormente calcular las cargas aplicadas durante el ensayo. Para simplificar la forma en la que se aplica la carga y mejorar la precision de la medida, puede emplearse un brazo rigido (14) al que se aplique la carga mediante el cable (13) en position cercana a la vertical, tal y como se muestra en la figura 5.
Una vez completada la calibracion, se desconecta el cable (13) y se activa el excitador (4, 4’), aumentando su frecuencia hasta llegar a un valor cercano a la frecuencia del modo propio del sistema a excitar. En ese momento la estructura comienza a vibrar de forma dclica y controlada a la frecuencia del excitador. El ajuste final de carga se realiza observando las medidas de los sensores de deformacion (11), de los que se deduce la carga exacta aplicada empleando los datos obtenidos durante la calibracion del ensayo. Combinando los excitadores de flexion (4) y torsion (4’) puede conseguirse la realization de un ensayo de carga de flexion y torsion combinada.
En la figura 6 se muestra una segunda realizacion de la invention donde la masa (3’) de cabeza de torre esta disenada de forma que su centro de gravedad no este centrado en el eje de la torre (1). De esta forma, el ensayo tendra una carga media de flexion que puede emplearse para tener en cuenta las cargas no oscilantes del espectro de diseno.
En otra realizacion practica mostrada en a figura 7, para simular mejor la distribucion de momentos flectores en cabeza de torre se intercala una extension de torre (5) entre la torre (1) y la masa (3) de cabeza de torre. De esta forma aumenta el momento aplicado en el ensayo en esta zona y puede conseguirse un mejor ajuste con las cargas de diseno.
En las figuras 8a y 8b se muestra otra variante del ensayo que coloca en cabeza de
torre una masa estatica (3) de inercia polar controlada respecto al eje de la torre (1) y en uno de sus extremos, lejos del eje de la torre, un excitador (4’) colocado de forma ortogonal al diametro de la torre que funcione cerca de la frecuencia propia de torsion del conjunto formado por la torre (1), la masa (3) y el excitador (4’). Con esta 5 disposition se puede hacer resonar el conjunto para inducir el momento torsor de
diseno en la torre.
Por ultimo, el ensayo puede adaptarse a las capacidades reales de aplicacion de carga mediante la reduction del diametro de la torre a ensayar frente al diametro de la 10 torre real. Esta tecnica permite reducir las cargas de ensayo aplicadas sin modificar las tensiones en los puntos principales de la torre (uniones soldadas o atornilladas, por ejemplo). Esta tecnica es especialmente util en torres de celosia, ya que permite acercar las columnas de la torre entre si, sin modificar su diseno ni sus conexiones, y lograr un diseno de ensayo en el que la carga axial transmitida por las columnas sea 15 equivalente a la real pero con un momento aplicado en el ensayo menor al real.

Claims (1)

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    1- Dispositivo de ensayo para torres y cimentaciones eolicas que se aplica sobre una torre sin gondola, caracterizado por lograr un ensayo de carga a torsion y a flexion combinada y por disponer de:
    - una masa estatica (3, 3’) anclada en la brida superior de una torre (1),
    - un excitador (4, 4’) que mueve una masa de pequeno tamano a frecuencia variable,
    - unos sensores de deformacion (11) y acelerometros (10) distribuidos por la torre (1) y la cimentacion (2) comandados por un programa de control, y
    - un sistema de calibration de cargas.
    2- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde una extension de torre (5) es intercalada entre la torre (1) y la masa estatica (3).
    3- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde masas fijas (6) son intercaladas a lo largo de la torre (1).
    4- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde la masa estatica (3) esta centrada respecto al eje de la torre (1).
    5- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde la masa estatica (3’) no esta centrada respecto al eje de la torre (1).
    6- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde el excitador (4) esta centrado en el eje de la torre (1) y crea un momento flector.
    7- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde el excitador (4’) esta fuera del eje de la torre (1) y crea un momento torsor.
    8- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde la calibracion de las cargas de ensayo se realiza mediante un cable (13) que se extiende desde la cabeza de la torre hasta un cabestrante (12) anclado en el suelo.
    9- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 8, en donde el cable (13) se extiende
    verticalmente desde una pertiga (14) anclada en la parte superior de la torre (1).
    10- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde el diametro de la torre ensayada (1) es reducida respecto al diametro de la torre real a validar.
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    11- Dispositivo de ensayo segun la reivindicacion 1, en donde se emplea una torre de celosia con distancia entre columnas reducida respecto a la distancia de la torre real a validar.
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