En el contexto del rápido desarrollo de la industria de la energía eólica moderna, especialmente las turbinas eólicas terrestres y marinas de alta-potencia, la vibración se ha convertido en uno de los factores principales que afectan la seguridad, la vida útil, la generación de energía y los costos de operación y mantenimiento de las turbinas eólicas. A medida que la altura del buje de las turbinas eólicas sigue aumentando, la longitud de las palas sigue alargándose y la capacidad de una sola-unidad sigue creciendo, problemas como la vibración del viento, la resonancia de las torres, el balanceo de las palas, la vibración de la cadena de transmisión y la vibración de los cimientos que enfrentan las turbinas eólicas durante su funcionamiento son cada vez más prominentes.
Entonces, ¿por qué es necesario un amortiguador de vibraciones para las operaciones de energía eólica? Los vientos turbulentos, las ráfagas, los vientos cortantes y el efecto de sombra de la torre hacen que las palas experimenten un empuje que varía periódicamente, lo que provoca aleteos y oscilaciones de las palas, que se transmiten al cubo, al eje principal, a la caja de cambios y a la torre, lo que produce una vibración continua. El desequilibrio de masa del impulsor, la desalineación del eje principal, el desgaste de los cojinetes y los impactos del engrane de los engranajes de la caja de cambios generan vibraciones de alta-frecuencia, que son las principales causas de fallas en la cadena de transmisión. La torre es una estructura delgada y flexible con una frecuencia natural de primer-orden baja, lo que la hace propensa a la resonancia con la frecuencia de rotación del impulsor y la frecuencia de paso de las palas. Una vez que se produce la resonancia, la amplitud de la vibración se amplifica drásticamente, amenazando la seguridad estructural.
¿Qué peligros causa la vibración a las turbinas eólicas? Bajo vibración continua, la vida de fatiga de las cajas de engranajes, cojinetes, ejes principales y sistemas de orientación se acorta significativamente y la tasa de fallas aumenta significativamente. La vibración puede hacer que los pernos de las bridas de la torre y los pernos del marco principal se aflojen y, en casos severos, pueden aparecer grietas por fatiga en las soldaduras. Exceder los límites de vibración activará la reducción de carga, la limitación de velocidad y la protección de apagado del sistema de control principal, lo que reducirá directamente el tiempo y la producción de energía. Las fallas relacionadas-con las vibraciones representan más del 50% de todas las fallas de las turbinas eólicas, y los costos de mantenimiento y operación y mantenimiento a gran altitud-en alta mar son extremadamente altos. La resonancia-a largo plazo o la vibración extrema pueden provocar grietas en las palas, deformación de la torre, daños a los cimientos e incluso accidentes de seguridad graves.
Este artículo presenta la aplicación de amortiguadores de vibraciones en palas de turbinas eólicas. Las palas son los componentes que vibran más violentamente y exhiben principalmente aleteos, oscilaciones, aleteos y vibraciones desequilibradas inducidas por la formación de hielo. Los amortiguadores de masa sintonizados internamente, instalados entre el 20 % y el 40 % de la longitud de la hoja, utilizan un bloque de masa, resortes y una estructura de amortiguación para sintonizarse con la frecuencia de vibración de la hoja, suprimiendo eficazmente las oscilaciones de primer- y segundo-orden y las vibraciones de aleteo, lo que reduce el momento de flexión por fatiga en la raíz de la hoja y extiende su vida útil.
El uso de amortiguadores de vibración reduce la amplitud de la vibración de la hoja entre un 30% y un 60%, reduce el daño por fatiga de la hoja en más de un 40%, disminuye el riesgo de que la hoja se agriete y se desprenda y mitiga el impacto desequilibrado de la vibración del hielo.
La industria de la energía eólica suele utilizar amortiguadores de vibraciones de diversos tipos y principios de funcionamiento. El tipo más utilizado es el amortiguador de masa sintonizado, que consta de un bloque de masa, un resorte y un amortiguador. La frecuencia está sintonizada con la frecuencia de vibración principal de la turbina eólica. Cuando se produce una vibración, el bloque de masa se mueve en la dirección opuesta para consumir energía. Tiene una estructura confiable, efecto estable y amplia aplicabilidad.
Las turbinas eólicas marinas operan en entornos varias veces más hostiles que las turbinas terrestres. Por lo tanto, el amortiguador de vibraciones debe cumplir requisitos de alta resistencia a la corrosión, incluido el galvanizado en caliente-, acero inoxidable 316L, revestimiento Dacromet, pruebas de niebla salina durante más de 1000 horas y funcionamiento estable a temperaturas que oscilan entre -40 grados y 80 grados. Los costos de mantenimiento en alta mar son extremadamente altos, lo que requiere un diseño de larga duración. El amortiguador hidráulico también debe diseñarse para evitar fugas de petróleo que podrían contaminar el océano.
¿Qué beneficios prácticos pueden obtener los parques eólicos al utilizar Vibration Damper?
El aumento de la generación de energía, la reducción de las vibraciones-provocaron limitaciones de energía y tiempo de inactividad, operación estable en zonas de vientos turbulentos y un aumento general de la generación de energía del 2 % al 8 %; vida útil extendida de los componentes centrales, con una vida útil de las aspas aumentada entre un 20% y un 40%, una vida útil de la caja de cambios aumentada entre un 30% y un 50% y un daño por fatiga de la torre reducido entre un 30% y un 60%; costos de operación y mantenimiento significativamente reducidos, menos operaciones de mantenimiento a gran-altura, menos reemplazos de cajas de engranajes y rodamientos, ahorrando entre miles y decenas de miles de dólares estadounidenses por turbina eólica marina al año; mejor seguridad general de las turbinas, evitando resonancias, mejorando la capacidad de supervivencia bajo tifones, terremotos y olas, y reduciendo el riesgo de aflojamiento de pernos y grietas estructurales; reducción del ruido, con disminución del ruido aerodinámico y estructural, cumpliendo con los requisitos de protección ambiental y facilitando la aprobación del proyecto.
