Las ventajas del análisis absoluto para extender la vida útil de los parques eólicos
En los procesos de extensión de la vida de los parques eólicos, el enfoque más común es la aplicación de análisis de cargas relativas. Estos análisis realizan una comparación entre las cargas de diseño y las cargas del emplazamiento del aerogenerador, obtenidas a partir del viento y las condiciones de funcionamiento, utilizando modelos aeroelásticos validados que clonan el comportamiento de los aerogeneradores no sólo replicando el diseño, sino también considerando las condiciones específicas del emplazamiento (tal como se dan o bajo restricciones).
El análisis relativo parte del supuesto de que el componente tiene una vida útil de 20-25 años (según el caso), la edad a la que se certifican la mayoría de los aerogeneradores. Partiendo de esta hipótesis y de un cálculo preciso de las cargas que soporta el aerogenerador, puede obtenerse la vida útil operativa del mismo, en un emplazamiento concreto.
Pero ¿qué ocurre cuando no se cumple la premisa de los 20 años o el target que el propietario del parque eólico busca en un componente concreto? ¿Hay margen para más? Es decir, cuando hay un error de diseño y la vida útil de un determinado componente estructural es inferior a 20 años, ¿qué podemos hacer? ¿Qué pasa si la esperanza de vida en realidad es superior a esos 20 años?
En el siguiente artículo explicaremos cómo abordar estos escenarios detallando uno de los últimos análisis absolutos que hemos realizado en un buje de aerogenerador de 1,5 MW.
El escenario que se nos presentaba era el siguiente: debido a las cargas del emplazamiento y a las condiciones de operación y viento de uno de los parques eólicos de nuestro cliente, la vida útil del buje, según un análisis relativo realizado por una empresa externa, era inferior a 20 años. Una situación poco habitual que puede sorprender a cualquier operador de parques eólicos.
Tras casi 10 años de experiencia en el análisis de parques eólicos, son muy raros los casos en los que vemos fallos estructurales en el buje. Dada la criticidad de este tipo de fallos previstos, recomendamos realizar un análisis absoluto para ver y analizar en detalle de dónde venía el problema. En este análisis, utilizando técnicas de elementos finitos, validamos directamente la geometría y las propiedades del material frente a las cargas sufridas por el componente.
Este análisis comenzó con un proceso de ingeniería inversa en el que, gracias a los conocimientos técnicos de Nabla Wind Hub basados en mediciones manuales con escáner y medición por ultrasonidos, se obtuvo la geometría completa del buje.
El buje del aerogenerador
Mientras nuestro equipo de CAD trabajaba en la geometría, nuestro departamento de cargas aeroelásticas se puso manos a la obra, obteniendo, en función de las condiciones de diseño del parque eólico, los casos de carga que sufriría el aerogenerador a lo largo de su ciclo de vida.
Modelización del viento en simulaciones aeroelásticas
Una vez finalizada la geometría, ésta se utilizó para desarrollar el modelo de elementos finitos, en el que se incluyeron aspectos clave como las propiedades mecánicas del material elástico, la precarga, los puntos de contacto y las condiciones límite.
El modelo de elementos finitos del buje
El primer paso del análisis absoluto consiste en obtener los modos de vibración del componente. Para ello realizamos un análisis modal junto con un análisis de Fourier de las fuerzas de entrada. El análisis de Fourier nos permite obtener los principales armónicos de las señales de excitación, asegurándonos de que no están cerca de las frecuencias naturales del componente que se va a analizar.
Primer modo de vibración del buje
Una vez definidas las características dinámicas del buje, comenzamos con el análisis del estado último o estado de rotura. Este análisis nos permitió identificar los puntos críticos de la estructura, que posteriormente se analizarán con criterios de fatiga. Los puntos críticos del buje eran predecibles, ya que se trata de zonas donde existen concentraciones de tensiones o puntos de aplicación de cargas, como las roscas ciegas o la zona de transición entre el buje y el eje principal.
Áreas críticas del buje
Finalmente, llegamos al último paso del proceso, el análisis de fatiga, en el que post-procesamos las tensiones en los puntos más críticos del componente utilizando criterios de fatiga mecánica. Este análisis tiene dos enfoques: (I) El enfoque básico, en el que analizamos la tensión equivalente de Von Mises en los puntos seleccionados; (II) El análisis avanzado, realizado mediante métodos del plano crítico, en el que se capturan las interacciones entre los distintos componentes del tensor tensión.
Análisis de tensiones Von Mises equivalentes
Gracias a esta metodología, analizamos los puntos críticos, ya identificados en un análisis relativo previo, extrapolando la vida real del componente específico, y obteniendo la esperanza de vida real del buje, que finalmente superó los 40 años.
La aplicación de análisis absolutos en Planes de Gestión del Envejecimiento para componentes eólicos específicos, como el buje de nuestro caso de estudio, se convierte en clave debido a su bajo porcentaje de incertidumbre. Estos análisis proporcionan estimaciones muy precisas de la esperanza de vida de cada componente del aerogenerador, lo que a su vez desbloquea todo el potencial de los aerogeneradores y revela el verdadero valor de los activos de los parques eólicos.
El análisis absoluto es complementario del análisis relativo, en el que se obtiene una visión general del estado del aerogenerador y se identifican los puntos críticos como se ha mencionado anteriormente.
Si deseas recibir más información sobre los procesos y análisis de integridad estructural de Nabla Wind Hub, ponte en contacto con nuestro responsable de integridad estructural, Adrián López.
