Aeroelasticidad de Grandes Turbinas Eólicas de Eje Horizontal: Un Enfoque Fundado en la Dinámica De Sistemas Multicuerpo

CRISTIAN G. GEBHARDT; SERGIO PREIDIKMAN; MARTIN H. JØRGENSEN; JULIO C. MASSA

Rosario, Santa Fe

Congreso; ENIEF 2011 - XIX Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones; 2011

AMCA

En este trabajo se presenta el desarrollo de un modelo estructural multicuerpo, que acoplado con un modelo aerodinámico, es utilizado para simular numéricamente el comportamiento aeroelástico no-lineal de grandes turbinas eólicas de eje horizontal. Diferentes configuraciones pueden ser estudiadas con el modelo desarrollado, y está destinado esencialmente a ser empleado como una herramienta de investigación para determinar la influencia de diversos factores. El modelo incluye: i) la torre portante, ii) la góndola, que contiene al generador eléctrico, a la electrónica de potencia y a los sistemas de control; iii) el cubo, donde las palas están ancladas y conectadas al eje rotante del generador; y iv) las tres palas, que extraen energía de la corriente de aire. Las palas son consideradas flexibles, y sus ecuaciones de movimiento son discretizadas espacialmente por medio de elementos finitos de viga capaces de tener en cuenta las no-linealidades provenientes de la cinemática de grandes rotaciones y grandes desplazamientos. La torre también es consideradaflexible, pero sus ecuaciones de movimiento son discretizadas por medio del método de modos asumidos. La góndola y el cubo son considerados rígidos y se representan mediante una formulación geométrica que permite tener en cuenta los efectos no-lineales provenientes de la cinemática. Debido a la complejidad del sistema, la torre, la góndola y el cubo son modelados como una cadena cinemática, y cada pala es modelada separadamente. Además, se utilizan ecuaciones de vínculos para establecer la conexión entre las palas y el cubo. Por esto, las ecuaciones resultantes que gobiernan al sistema son del tipo diferenciales-algebraicas. Estas ecuaciones gobernantes son integradas de manera numérica e interactiva en el dominio del tiempo a través de un esquema predictor-corrector de cuarto orden. Los resultados obtenidos en este trabajo ayudan a comprender el comportamiento aeroelástico de una gran turbina eólica de eje horizontal con tres palas, considerando: i) fuerzas aerodinámicas no-lineales e inestacionarias; ii) fuerzas gravitacionales; y, iii) las múltiples interacciones aerodinámicas-estructurales que caracterizan a los generadores eólicos de gran potencia y de eje horizontal.