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

Abstract

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 considerada flexible, 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.