SISTEMA DE MEDICIÓN DE DEFORMACIONES EN PALAS DE AEROGENERADORES DURANTE ENSAYOS ESTÁTICOS
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere a los ensayos estáticos realizados a las palas de aerogeneradores para certificación u otras finalidades y en particular a los sistemas utilizados para medir deformaciones en esos ensayos.
ANTECEDENTES
La certificación actual de una pala de un aerogenerador requiere Ia realización de varios ensayos estáticos en Ia pala para confirmar su capacidad para soportar las cargas esperadas, particularmente ensayos estáticos de resistencia para comprobar el comportamiento de Ia pala bajo las cargas extremas especificadas, ensayos de fatiga para comprobar Ia capacidad de Ia pala para soportar las cargas operacionales durante su vida estimada y otros ensayos para caracterizar propiedades físicas de Ia pala tales como el peso, el centro de gravedad o las frecuencias y modos naturales. Estos ensayos se llevan a cabo usualmente en un banco de ensayo en el que Ia pala se atornilla a una estructura rígida y se Ie aplican cargas estáticas ó dinámicas mediante diferentes métodos.
Los actuales sistemas de ensayo se basan en Ia utilización de un conjunto de galgas extensiométricas para determinar Ia distribución de Ia deformación a Io largo de las palas. Con el incremento del tamaño de las palas, Ia cantidad necesaria de galgas extensiométπcas está aumentando rápidamente Io que implica grandes esfuerzos para estimar adecuadamente Ia distribución mencionada. Con dos a cuatro cables eléctricos por galga, el volumen del cableado, su complejidad y Ia vulnerabilidad a interferencias electro-magnéticas llegan a ser muy importantes y problemáticos. Adicionalmente, Ia naturaleza discreta de este tipo de medidas implica pérdidas de información en el caso de un comportamiento no lineal en el área entre dos galgas extensiométricas.
Esta invención está orientada a Ia solución de esos problemas.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de Ia presente invención es proporcionar un sistema de medida de las deformaciones de las palas de aerogeneradores en ensayos estáticos que tenga una alta resolución de medida.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar un sistema de medida de las deformaciones de las palas de aerogeneradores en ensayos estáticos que tenga una alta resolución espacial.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar un sistema de medida de las deformaciones de las palas de aerogeneradores en ensayos estáticos que facilite Ia detección y evaluación de comportamientos no lineales globales y locales tales como concentraciones de tensiones, pandeos o formas pandeadas.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar un sistema de medida de las deformaciones de las palas de aerogeneradores en ensayos estáticos que pueda ser instalado con facilidad y rapidez.
Estos y otros objetos se consiguen proporcionando un sistema de medida de las deformaciones de las palas de aerogeneradores durante Ia realización de ensayos estáticos comprendiendo un equipo para medir Ia deformación en una pluralidad de posiciones de fibras ópticas mono-modo usando Ia dispersión de luz de Rayleigh, estando dichas fibras ópticas unidas a Ia pala sometida a dichos ensayos para obtener medidas de Ia deformación de Ia pala durante dichos ensayos con una alta resolución espacial. Es importante advertir que, con el significado atribuido en Ia presente invención, un ensayo estático de una pala de aerogenerador debe ser entendido como cualquier ensayo que se lleve a cabo aplicando una carga a una pala de generador unida a una estructura rígida en un banco de ensayo. En realizaciones preferentes, las fibras ópticas están dispuestas o bien en una dirección longitudinal, o bien en una dirección no-longitudinal o bien con una forma no-lineal en secciones determinadas de Ia pala. De esa forma, el
sistema permite obtener medidas de Ia deformación en diferentes localizaciones a Io largo de Ia pala para una mejor adaptación a distintos requisitos.
En una realización preferente apta para finalidades de certificación, el sistema comprende cuatro fibras ópticas dispuestas, respectivamente, a Io largo del borde de ataque de Ia pala, del borde de salida de Ia pala, de Ia concha superior de Ia pala y de Ia concha inferior de Ia pala. Se consigue con ello un sistema mejorado para obtener las medidas de deformaciones necesarias en los ensayos estáticos requeridos para finalidades de certificación.
En otras realizaciones preferentes, las ópticas fibras están adheridas a Ia piel externa de Ia pala, dentro de ranuras en Ia piel exterior de Ia pala o embebidas entre dos laminados estructurales de Ia pala. Se consigue con ello un sistema que permite obtener las medidas de las deformaciones en diferentes localizaciones en Ia sección transversal de Ia pala para una mejor adaptación a distintos requisitos. Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 ilustra un sistema de medida de deformaciones según Ia presente invención.
La Figura 2 muestra tres pautas diferentes de posicionamiento de una fibra óptica individual: longitudinal, transversal y diagonal. La Figura 3 muestra otra posible pauta de posicionamiento de una fibra óptica individual.
La Figura 4 muestra una configuración preferente del sensor para ser usada en ensayos de certificación.
Las Figuras 5a, 5b, 5c, 5d y 5e muestran vistas esquemáticas de Ia fibra óptica instalada en Ia pala en diferentes posiciones.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Una pala de aerogenerador típica puede tener una longitud entre 20 y 60 metros o incluso mayor y está construida con materiales compuestos tal como un plástico reforzado con vidrio (GRP). Hay tantos factores que pueden dañar una pala de aerogenerador tales como Ia fatiga, las ráfagas de viento, los impactos de rayos, Ia interacción aerodinámica entre aerogeneradores, algunos de ellos causados por cargas impredecibles, que resulta importante disponer de buenos sistemas de medida de las deformaciones de Ia pala para ser usados en ensayos estáticos no solo para finalidades de certificación sino también para proporcionar una valiosa información del comportamiento de una pala sometida a unas cargas predeterminadas y particularmente de las deflexiones y deformaciones de una pala empotrada. Siguiendo Ia Figura 1 puede verse que un sistema un sistema de medida de las deformaciones de las palas de aerogeneradores en ensayos estáticos según Ia presente invención comprende: a) Una pluralidad de fibras ópticas mono-modo 5, 5', 5" unidas a Ia pala 11 sometida a dichos ensayos. b) Un equipo para medir Ia deformación en dichas fibras 5, 5', 5" a través de los cambios en su comportamiento óptico en el curso de dichos ensayos, que incluye: b1) Un interrogador OBR ("Optical Backscattering Reflectometry") 23 para adquirir señales ópticas de las fibras 5, 5', 5" y convertirlas en datos de deformación. b2) Un dispositivo de interfase 25 para conectar dichas fibras 5, 5', 5" a dicho interrogador OBR 23. b3) Un Sistema de Adquisición 27, típicamente un ordenador dedicado, para recibir y procesar los datos de deformaciones proporcionados por el interrogador OBR 23.
Dicho equipo utiliza una tecnología conocida para efectuar medidas de deformación distribuidas con una alta resolución especial en fibras ópticas
utilizando la dispersión de luz de Rayleigh en, particularmente, una pluralidad de posiciones de una fibra óptica mono-modo, disponible comercialmente, midiendo Ia desviación local en Ia desviación espectral de Rayleigh. Específicamente, dicha tecnología efectúa una comparación del espectro antes y después de cargar Ia fibra usando un correlación cruzada compleja del espectro correspondiente a las condiciones de carga y de cero-carga. Esta tecnología permite alcanzar actualmente resoluciones en Ia deformación en el rango de ±1με y una resolución espacial de al menos 0,5 mm. Puede encontrarse información adicional sobre esta tecnología en US 6,545,760. Como se muestra en Ia Figura 2, el sistema puede incluir fibras ópticas 5 posicionadas longitudinalmente a Io largo de Ia pala de aerogenerador 11 y fibras ópticas 7, T posicionadas en direcciones transversales y diagonales con respecto al eje longitudinal de Ia pala. El sistema comprende preferentemente fibras ópticas 5 posicionadas longitudinalmente en al menos el 50% de Ia longitud de Ia pala para proporcionar los datos básicos de deformaciones requeridos en ensayos estáticos pero también pueden necesitarse fibras ópticas 7, T posicionadas en direcciones no longitudinales para proporcionar datos de deformaciones adicionales o específicos en áreas locales.
El sistema también puede incluir, como se muestra en Ia Figura 3, fibras ópticas 9 incluyendo segmentos no lineales. Con configuraciones que incluyan segmentos curvados y doblados, una fibra óptica individual 9 puede cubrir un área grande de Ia pala 11 de manera que puede reducirse el número de fibras ópticas individuales, minimizando con ello el número requerido de canales de adquisición en el equipo. En una realización de Ia presente invención, ¡lustrada en Ia Figura 4, que proporcionaría un volumen suficiente de datos de deformaciones para atender a los requerimientos de certificación actuales, el sistema comprende fibras ópticas 5, 5', 5", 5'" posicionadas longitudinalmente a Io largo del borde de ataque 13, del borde de salida 15, de Ia concha superior 17 y de Ia concha inferior 19 en al menos el 50% del largo de Ia pala.
Ensayos específicos pueden requerir instalaciones específicas. Por ejemplo los procedimientos de estimación del pandeo están basados en el
proceso de datos de deformaciones provenientes de fibras instaladas encima de los paneles del borde de salida. Para otras finalidades, como ya ha sido mencionado, pueden necesitarse fibras extendidas a Io largo del eje longitudinal de Ia pala, extendidas angularmente en relación a dicho eje ó combinaciones de ambas.
En una realización de Ia presente invención ilustrada en Ia Fig. 5a las fibras ópticas 5, 7, 9 están adheridas a Ia piel exterior de Ia pala 11 por medio de un material de adhesión apropiado tal como un pegamento o una resina. Consecuentemente las deformaciones se miden en Ia piel exterior de Ia pala. Esta realización tiene Ia ventaja de que permite una instalación simple y rápida de las fibras ópticas 5, 7, 9 en Ia pala y Ia desventaja de que las deformaciones se miden en Ia piel exterior de Ia pala, que no siempre es estructural y puede tener una distribución de deformaciones particular, y de que las fibras ópticas 5, 7, 9 están protegidas escasamente frente al daño mecánico. En Ia realización de Ia presente invención ilustrada en las Figuras 5b y 5c las fibras ópticas 5, 7, 9 están adheridas a Ia pala 11 mediante un material adhesivo apropiado tal como un pegamento o una resina en, respectivamente, ranuras 51 , 53 mecanizadas en Ia piel exterior 31 de Ia pala. Consecuentemente las deformaciones están medidas en el laminado estructural exterior 33 de Ia pala. El mecanizado de Ia ranura 51, de una forma rectangular, permite alteraciones menores y más locales en Ia pala mientras que el mecanizado de Ia ranura 53, de una forma triangular, es más intrusivo pero proporciona una transición más suave de las deformaciones y puede ser ejecutado más rápidamente. En Ia realización de Ia presente invención ilustrada en Ia Fig. 5d, las fibras ópticas 5, 7, 9 se embeben en el cuerpo de Ia pala 11 durante su proceso de fabricación. Se adhieren mediante un material adhesivo apropiado tal como un pegamento o una resina en una localización entre dos laminados estructurales 33, 35 dentro de un componente individual de Ia pala. En Ia realización de Ia presente invención ilustrada en Ia Fig. 5e, las fibras ópticas 5, 7, 9 se embeben en el cuerpo de Ia pala 11 durante su proceso
de fabricación. Se embeben en una capa adhesiva 37 entre dos laminados estructurales 33, 35 de dos componentes de Ia pala.
La fibra óptica estándar, producida comercialmente, que se usa como sensor de deformaciones en Ia presente invención, puede tener diferentes recubrimientos (acrilado, poliamida, ...) dependiendo particularmente de Ia manera en Ia que se une a Ia pala.
En comparación con los sistemas de medida usados actualmente en ensayos estáticos basados en galgas extensiométricas, el sistema según, particularmente, las realizaciones ilustradas en las Figs. 5a, 5b y 5c tiene, entre otras, las siguientes ventajas:
- Una instalación más fácil y más rápida. Los sistemas actuales requieren Ia instalación de cientos de galgas extensiométricas y los correspondientes paquetes de cables. El sistema según Ia invención requiere simplemente Ia instalación de un pequeño número de fibras ópticas a Io largo de Ia pala. Se considera que 600 galgas extensiométricas pueden ser sustituidas por una simple fibra óptica. Los tiempos de instalación de un sistema según Ia invención están por debajo de Ia cuarta parte de los requeridos por galgas extensiométricas convencionales.
- Reducciones de coste. El uso de fibras ópticas convencionales de telecomunicaciones reduce drásticamente el coste del sensor.
Aunque Ia presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.