ES2682966B1 - Dispositivo de ensayo para torres y cimentaciones eolicas - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de ensayo para torres y cimentaciones eólicas

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de los aerogeneradores y más concretamente en un ensayo de fatiga para torres y cimentaciones, basado en la sustitución de la góndola del aerogenerador por un dispositivo de ensayo que emplea una masa estática anclada a la brida superior de la torre y una masa móvil que oscila sobre el conjunto a la primera frecuencia resonante del conjunto.

Antecedentes de la invención

Las torres eólicas son un componente clave del aerogenerador, ya que determinan la altura del rotor y por tanto el recurso eólico disponible, que crece con la altura.

Las torres tubulares metálicas se han consolidado como el diseño de referencia para alturas de buje entre 40m y 100m, y la amplia experiencia operativa en servicio ha permitido consolidar las técnicas de diseño seguro para esta tecnología de torre.

Sin embargo, por encima de los 120m no existe una topología consolidada de torres. Torres tubulares de diversas configuraciones en hormigón y/o acero así como torres de celosía están siendo desarrolladas para resolver los significativos problemas asociados al desarrollo de estructuras de alturas tan grandes. Estas tecnologías suman, a la complicación del diseño, la falta de experiencia operativa para soportar de forma empírica las técnicas de diseño.

Por otro lado, al contrario de otros componentes eólicos como las palas, no existe una tradición de caracterización experimental intensa en el desarrollo de torres. Todas las referencias de diseño pueden ser encontradas en normativa industrial y civil sin necesidad de caracterización experimental adicional.

Todo esto provoca que los desarrollos de torres de tecnologías novedosas pasen habitualmente del diseño en papel a la fabricación de las primeras unidades, lo que aumenta el riesgo de que modos de fallo específicos de la tecnología puedan aparecer 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 eólicas. Dentro del proyecto DeppCWind, la Universidad de Maine y otros socios han desarrollado una torre de material compuesto de la que se realizó un ensayo estático a flexión en un banco de ensayos de palas. http://composites.umaine.edu/our-research/offshorewind/deepcwind-consortium/

En la patente US20040107671 se describe una realización para detectar la deformación de una torre de celosía mediante el uso de rayos laser y sus correspondientes receptores.

Pero en ningún modo, el estado de la técnica actual permite la validación 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 optimización de los diseños de torre en base a la aplicación de ensayos de validación más precisos que los habituales cálculos 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 ahí la necesidad de un dispositivo de ensayo como el descrito en la presente invención.

Descripción de la invención

Es un objeto de la invención la utilización de una torre y su correspondiente cimentación como probeta para la realización de un ensayo de fatiga a escala real. Para lograrlo, se sustituye la góndola y el rotor por una masa estática sobre la que se instala un excitador capaz de mover otra masa de pequeño tamaño a una frecuencia variable. El movimiento alternante de la masa estática de cabeza genera unas cargas de cortadura inerciales que provocan un momento flector a lo largo de la torre. La selección apropiada del valor de la frecuencia de ensayo y el peso de la masa permiten ajustar la distribución de carga a las cargas de diseño de la torre, equivalentes a las esperadas en operación.

Es otro objeto de la invención diseñar la masa estática de cabeza de torre de forma que su centro de gravedad no esté centrado en el eje de la torre. Así, el ensayo tendrá una carga media de flexión que puede emplearse para tener en cuenta las cargas no oscilantes del espectro de diseño.

Es otro objeto de la invención intercalar una extensión de torre entre la torre y la masa de cabeza de torre para simular mejor la distribución de momentos flectores. De esta forma se aumenta el momento aplicado en esta zona y puede conseguirse un mejor ajuste con las cargas de diseño.

Es otro objeto de la invención emplear una serie de masas fijadas a lo largo de la torre que mejoran el ajuste entre las cargas de diseño y las cargas ensayadas contribuyendo con su inercia a la distribución del momento flector en la torre.

Es otro objeto de la invención colocar en la cabeza de torre una masa estática 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 diámetro de la torre que funcione cerca de la frecuencia propia de torsión del conjunto formado por la torre, la masa y el excitador. Con esta disposición se puede hacer resonar el conjunto para inducir el momento torsor de diseño en la torre.

Es otro objeto de la invención combinar los excitadores de flexión y de torsión consiguiéndose la realización de un ensayo de carga de flexión y torsión combinada.

Es otro objeto de la invención realizar la calibración 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 pértiga colocada en la cabeza de torre para facilitar el tiro.

Por último, es otro objeto de la invención la reducción del diámetro de la torre a ensayar frente al diámetro de la torre real para reducir las cargas de ensayo aplicadas sin modificar las tensiones en los puntos principales de la torre.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 es una vista de un aerogenerador completo con torre y cimentación.

Las Figuras 2a y 2b son sendas vistas en planta y perfil de la cimentación y la torre con una masa estática y una masa móvil dispuestas en su parte superior.

La Figura 3a es una vista de la torre con los sensores de deformación y acelerómetros 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 realización sobre el cable y el cabestrante utilizados para aplicar una carga controlada sobre la torre y la cimentación.

La Figura 5 es otra realización de la figura anterior donde se añade un brazo rígido.

La Figura 6 es otra vista de la torre con la masa estática con el centro de gravedad fuera del eje de la torre.

La Figura 7 es una torre con una extensión de torre adicional.

Las Figuras 8a y 8b son sendas vistas en planta y perfil de la torre con una masa estática centrada y una masa móvil dispuesta fuera del eje de la torre.

Descripción detallada de la invención

Tal y como se muestra en la figura 1, un aerogenerador convencional está formado por una torre (1) ensamblada sobre una cimentación (2). Ambos elementos están afectados por las frecuencias propias del sistema determinadas fundamentalmente por el peso del rotor (9), las palas (10) y la góndola (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 características se alargaría en exceso en el tiempo. Sin ningún peso, la frecuencia sería excesivamente rápida para un control adecuado del ensayo. Por esta razón, la masa colocada será una fracción 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 góndola (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 pequeño tamaño a una frecuencia variable. El excitador (4) esta formado, por ejemplo, por un motor que mueva una masa excéntrica o por un cilindro que desplace horizontalmente la masa actuante. El plano de movimiento de la masa estará 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 comenzará a vibrar según 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 selección apropiada del valor de la frecuencia de ensayo y el peso de la masa (3) permite ajustar la distribución de carga a las cargas de diseño de la torre (1) y de la cimentación (2), equivalentes a las esperadas en operación.

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 oscilación 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') moverá una masa de 50-100kg en una carrera de 300-600mm.

Tal y como se muestra en la figura 3a el ensayo de torre (1) y cimentación (2) comienza con el montaje de la masa (3) de cabeza de torre e instalación del excitador (4). Una vez completado el montaje, se realiza la instrumentación de la probeta y resto del sistema de ensayo colocando sensores de deformación (11), como por ejemplo galgas extensométricas, y colocando acelerómetros (10) a lo largo de la torre (1) y la cimentación (2).

Como se muestra en la figura 3b, si la distribución de momentos obtenida no se ajusta correctamente a la distribución objetivo, pueden emplearse masas (6) intermedias fijadas a lo largo de la torre para cambiar la frecuencia y distribución de cargas del ensayo.

En la figura 4 se realiza la calibración, aplicando una carga controlada mediante un cable (13) y un medio de aplicación de carga (12), como un cabrestante. Durante la calibración se registran las medidas de los sensores de deformación (11), cuya señal 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 precisión de la medida, puede emplearse un brazo rígido (14) al que se aplique la carga mediante el cable (13) en posición cercana a la vertical, tal y como se muestra en la figura 5.

Una vez completada la calibración, 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 cíclica y controlada a la frecuencia del excitador. El ajuste final de carga se realiza observando las medidas de los sensores de deformación (11), de los que se deduce la carga exacta aplicada empleando los datos obtenidos durante la calibración del ensayo. Combinando los excitadores de flexión (4) y torsión (4’) puede conseguirse la realización de un ensayo de carga de flexión y torsión combinada.

En la figura 6 se muestra una segunda realización de la invención donde la masa (3’) de cabeza de torre esta diseñada de forma que su centro de gravedad no esté centrado en el eje de la torre (1). De esta forma, el ensayo tendrá una carga media de flexión que puede emplearse para tener en cuenta las cargas no oscilantes del espectro de diseño.

En otra realización práctica mostrada en a figura 7, para simular mejor la distribución de momentos flectores en cabeza de torre se intercala una extensión 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 diseño.

En las figuras 8a y 8b se muestra otra variante del ensayo que coloca en cabeza de torre una masa estática (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 diámetro de la torre que funcione cerca de la frecuencia propia de torsión del conjunto formado por la torre (1), la masa (3) y el excitador (4’). Con esta disposición se puede hacer resonar el conjunto para inducir el momento torsor de diseño en la torre.

Por último, el ensayo puede adaptarse a las capacidades reales de aplicación de carga mediante la reducción del diámetro de la torre a ensayar frente al diámetro de la torre real. Esta técnica 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 técnica es especialmente útil en torres de celosía, ya que permite acercar las columnas de la torre entre sí, sin modificar su diseño ni sus conexiones, y lograr un diseño de ensayo en el que la carga axial transmitida por las columnas sea equivalente a la real pero con un momento aplicado en el ensayo menor al real.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Dispositivo de ensayo para torres y cimentaciones eólicas que se aplica sobre una torre sin góndola, caracterizado por lograr un ensayo de carga a torsión y a flexión combinada y por disponer de:

   - una masa estática (3, 3’) anclada en la brida superior de una torre (1),

   - un excitador (4, 4’) que mueve una masa de pequeño tamaño a frecuencia variable,

   - unos sensores de deformación (11) y acelerómetros (10) distribuidos por la torre (1) y la cimentación (2) comandados por un programa de control, y - un sistema de calibración de cargas.

   2- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde una extensión de torre (5) es intercalada entre la torre (1) y la masa estática (3).

   3- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde masas fijas (6) son intercaladas a lo largo de la torre (1).

   4- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde la masa estática (3) está centrada respecto al eje de la torre (1).

   5- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde la masa estática (3’) no está centrada respecto al eje de la torre (1).

   6- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde el excitador (4) está centrado en el eje de la torre (1) y crea un momento flector.

   7- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde el excitador (4’) está fuera del eje de la torre (1) y crea un momento torsor.

   8- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde la calibración 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 según la reivindicación 8, en donde el cable (13) se extiende verticalmente desde una pértiga (14) anclada en la parte superior de la torre (1).

   10- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde el diámetro de la torre ensayada (1) es reducida respecto al diámetro de la torre real a validar.

   11- Dispositivo de ensayo según la reivindicación 1, en donde se emplea una torre de celosía con distancia entre columnas reducida respecto a la distancia de la torre real a validar.