Análisis de causa raíz de los problemas estructurales en los bastidores traseros de los aerogeneradores de 2,0 MW
Contar con un diseño robusto en los componentes estructurales de los aerogeneradores es esencial para lograr una esperanza de vida superior a los 20 años. De lo contrario, serán necesarias importantes campañas de inspección, mantenimiento y reparación para cumplir dicho objetivo.
Para ello, hay dos aspectos fundamentales que influirán en el diseño del componente: en primer lugar, la correcta predicción de las cargas que afectan al aerogenerador, y en segundo lugar, una obtención precisa de la respuesta estructural del sistema.
Hoy en día, nos encontramos con una serie de componentes que debido a un diseño inadecuado sufren problemas estructurales antes de los 20 años. Un ejemplo de ello es el bastidor trasero de algunas plataformas de 2,0 MW, que suelen presentar graves fallos por fatiga en las soldaduras traseras.
La función principal del bastidor trasero consiste en soportar el peso de diferentes componentes principales, como el generador eléctrico, el transformador o el convertidor. Además de esto, y debido a las aceleraciones de la nacelle durante el funcionamiento, el bastidor trasero sufre las fuerzas de inercia de los elementos que están suspendidos sobre él. Asimismo, en algunos casos, existe la posibilidad de que se produzca una excentricidad en el rotor del generador eléctrico, lo que puede provocar una fuerza centrífuga, con el consiguiente efecto negativo sobre la integridad estructural del aerogenerador.
Para una mejor comprensión de esta compleja realidad, se recomienda realizar un análisis de resistencia, cuyo primer paso consiste en obtener las cargas mediante simulaciones aeroelásticas, considerando las condiciones específicas del parque eólico y los datos de funcionamiento del aerogenerador.
En el segundo paso del análisis, se realiza un análisis dinámico de la estructura. Este análisis comienza con el desarrollo del Modelo de Elementos Finitos (FEM por sus siglas en inglés) de la estructura, que requiere un proceso de ingeniería inversa para capturar las geometrías del componente y asignar sus propiedades físicas.
Una vez elaborado el modelo, se prosigue con el análisis modal, en el que se identifican las frecuencias naturales y los modos de vibración del componente. Estas frecuencias se comparan con los armónicos principales de las fuentes de excitación, y es gracias a esta comparación que se identifican los posibles fenómenos de resonancia causados por las aceleraciones, o la fuerza centrífuga del rotor del generador.
Tras el análisis dinámico, se lleva a cabo el análisis de fatiga, en el que se simula un análisis básico basado en la tensión equivalente de Von Mises y un análisis más avanzado que utiliza metodologías basadas en planos críticos. En nuestro caso de estudio concreto y tras el análisis de tensiones, se comprueba que las soldaduras del aerogenerador no están adecuadamente diseñadas para soportar 20 años de funcionamiento.
Gracias a esta metodología, se identifica la causa raíz de los problemas de fatiga del componente y se estudia una posible solución. En este caso concreto, NWH recomienda la instalación de ciertas vigas transversales y soportes cerca de las soldaduras, dando rigidez a la estructura, solucionando así el problema de resonancia, y disminuyendo las tensiones en las soldaduras, alargando la vida del componente hasta los 20 años o más.
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