Diseño de un sistema de fuerza-palanca: medición del par en el rango de los MN•m

Este trabajo se presentó en el Congreso de Metrología de 2017

La mejora de las medidas de par en estos bancos de ensayo supondrá mejorar el diagnóstico del desempeño de los aerogeneradores, mejorando de ese modo la eficiencia de la producción de energía eólica.

1.1 Objeto del proyecto

Los bancos de ensayo para nacelles se emplean para evaluar el rendimiento y comportamiento de las nacelles de las turbinas de generación de energía eólica. Los métodos actuales para la medición de la medida del par en los bancos de ensayo se basan en la toma de medidas eléctricas y su tratamiento mediante modelos matemáticos en lugar de la medición directa del par de torsión, la cual no es posible dado que no existen sistemas de medición del par trazables a patrones primarios en el rango de trabajo considerado (entre 5 MN•m y 20 MN•m).

El CEM, dentro de su labor de dar respuesta a las necesidades de trazabilidad de la industria española, está desarrollando un nuevo sistema de patrón de transferencia para la medida del par en estos bancos de ensayos, en estrecha colaboración con los laboratorios europeos más relevantes.

El nuevo diseño que el CEM está desarrollando se basa en el principio de funcionamiento de los sistemas de fuerza-palanca, en los que se obtiene una medida trazable del par de torsión a través de la medida de la fuerza ejercida en el extremo de una palanca o brazo.

Al descomponer el par generado en varias fuerzas tangenciales, aplicadas en distintos puntos del perímetro del sistema, se obtienen valores de fuerza más bajos. Dichos valores de fuerza (entre 2 MN y 3 MN) se encuentran dentro de un rango en el que sí es posible asegurar la trazabilidad a través de máquinas patrón de medida de la fuerza. De este modo se asegura la trazabilidad de las medidas del par, a través de medidas trazables de fuerza y longitud del brazo o palanca.

Este tipo de sistema de medición se emplea en otras máquinas patrón de medición de fuerza y par con distintas aplicaciones: medida de par, incremento del rango de medición, evaluación de cargas multicomponente, etc. [2, 3]

Uno de los retos del proyecto es adaptar el principio de funcionamiento de los sistemas de fuerza - palanca al caso práctico de los bancos de ensayo de “nacelles”. Habitualmente, estos sistemas se emplean para mediciones de par de carácter estático, mientras que los ensayos de nacelles se desarrollan en dinámico.

El proyecto comprende varias etapas, desde un diseño preliminar del sistema a un diseño pormenorizado de los elementos más relevantes, con el objetivo de minimizar los factores de influencia durante la toma de medidas y asegurar una incertidumbre global mínima.

1.2. Características de los bancos de ensayo de nacelles

Los bancos de ensayo de nacelles recrean las condiciones en campo durante la producción de energía eólica. Un motor principal se coloca al principio de la cadena de transmisión, generando un par de torsión similar al creado por las palas del aerogenerador cuando sopla el viento. Al final de la cadena se coloca un freno y entre medias de ambos elementos se coloca la nacelle a ensayar (llamado DUT, ‘Device under test’).

Para simular los vientos cruzados que pueden aparecer bajo condiciones de campo, entre el motor principal y el DUT hay un sistema de aplicación de cargas (llamado LAS, ‘Load Application System’), el cual genera fuerzas y pares flectores, llamado cargas adicionales o parásitas (figura 1). El sistema de medición del par presentado en este artículo debe por tanto soportar así como dichas cargas adicionales además del par de torsión a medir.

Los propietarios de bancos de ensayos que participan en el proyecto comparten su experiencia en ensayos de nacelles para aproximar el valor de las cargas adicionales generadas, el cual se estima en torno a 100 kN y 100 kN·m para las fuerzas y pares generados respectivamente. Así mismo comparte las características constructivas y de operación de los bancos de ensayos para la adaptación a los mismos del diseño del nuevo sistema de medición.

2.1 Descripción del diseño

El diseño propuesto para la creación de un nuevo patrón de transferencia se basa en el principio de funcionamiento de los sistemas de fuerza-palanca. Estos sistemas se componen de un brazo de longitud conocida y un transductor de fuerza. Un extremo del brazo está conectado a un sistema de generación de par y el otro extremo al transductor de fuerza. Cuando se genera par en un extremo, el brazo transmite una fuerza tangencial en el extremo, la cual es medida por el transductor de fuerza. Conocidas la longitud del brazo y la magnitud de la fuerza medida por el transductor es posible obtener la medida del par asegurando la trazabilidad de la misma.

En el caso de sistema de fuerza-palanca que el CEM está diseñando, el motor principal es quien genera el par a ser medido (figura 2), por lo que el sistema de fuerza-palanca se posicionará entre la generación de cargas (motor principal y LAS) y la nacelle a ensayar (DUT).

Sin embargo, mientras que los sistemas tradicionales de fuerza-palanca se emplean en aplicaciones de generación de par estáticas, los ensayos de nacelle tienen carácter dinámico y todo el sistema gira durante la generación del par de torsión.

Por lo tanto, todo el sistema de fuerza-palanca está rotando durante la operación de manera solidaria al resto de elementos de la cadena de transmisión. Para ello, el diseño incluye bridas de entrada y salida para su montaje en el banco de ensayos (figura 3). La brida de entrada y la de salida incluyen los transductores de fuerza y el brazo respectivamente.

Figura 3. Propuesta de diseño del CEM para el nuevo sistema de fuerza-palanca.

La brida de entrada (InFlange), por la que llega el par generado, incluye varios soportes para la fijación de los transductores de fuerza. Estos soportes pueden fijarse a una altura variable dentro del espacio disponible, facilitando de esta manera el montaje.

La brida de salida, o brazo, se compone en realidad de varios brazos o palancas que aseguran el contacto con cada uno de los transductores. El contacto entre ambas partes es similar al de una pareja de engranajes, donde cada uno de los transductores hace contacto con los brazos, asegurando de ese modo la transmisión del par de torsión puro generado en el motor principal hasta la nacelle a ensayar; al mismo tiempo que se transmite el par, la fuerza tangencial es medida por los transductores de fuerza.

Además, el sistema incluye un soporte interno, que gira solidario a la brida de entrada y se conecta a la de salida mediante un rodamiento. De este modo, se asegura el alineamiento del sistema y la transmisión de las fuerzas adicionales generadas por el LAS, aunque minimizando su efecto sobre la medida del par de torsión.

2.2 Análisis preliminares del diseño propuesto

Dado que las cargas adicionales generadas por el LAS deben transmitirse al resto de la cadena de transmisión, deben estar incluidas en el cálculo estructural del sistema, el cual se lleva a cabo mediante software de análisis de elementos finitos.

Para el cálculo estructural, se incluyen, además de la carga del par de torsión, tres fuerzas adicionales (Empuje – Fx, Fuerzas Radiales – Fy, Fz) y dos momentos flectores (Yaw – My, Pitch – Mz) (figura 4).

Aunque los valores estimados de la carga son conocidos gracias a la experiencia de los propietarios de los bancos de ensayos de nacelles, cada fuerza tiene dos diferentes sentidos posibles.

Por ello, es necesario estudiar el efecto de las distintas combinaciones de fuerzas, teniendo en cuenta los signos de las mismas. De este modo será posible establecer el caso más crítico. En total se estudiaron 32 combinaciones diferentes de cargas.

Una vez determinado el caso de carga crítico, es necesario seleccionar el material a emplear. Se consideraban dos materiales diferentes, pre-seleccionados entre la lista de materiales recomendada por los propietarios de bancos de ensayos de nacelles. Ambos cuentan con igual valor de densidad (por lo que ninguno supone una ventaja de cara a reducir el peso del sistema) y buenas características mecánicas.

Para el caso de carga crítico, observando el parámetro de la tensión de von Mises, ambos materiales se comportan de manera satisfactoria, sin alcanzar en ningún caso sus respectivos límites elásticos. Sin embargo, al aplicar un factor de seguridad sobre dichos límites elásticos, solo el material A mantenía la tensión resultante por debajo del límite. Por ello, se ha decidido continuar el proceso de diseño empleando dicho material.

Figura 5. Material A – Test de Von Mises.

Figura 6. Material B – Test de Von Mises.

Uno de los aspectos más importantes durante el diseño de un patrón de transferencia es la incertidumbre final asociada al mismo.

Durante el proceso de diseño se han evaluado las posibles contribuciones de incertidumbre que puedan afectar al sistema durante la calibración. A pesar de tratarse del diseño preliminar del sistema, predecir estas contribuciones en etapas tempranas del proyecto permite hacer las modificaciones necesarias al diseño para minimizarlas.

Como en muchas mediciones de par, hay dos magnitudes diferentes a observar y analizar: la fuerza generada (medida en los transductores) y la distancia desde el origen del par al punto de aplicación de la fuerza (largo del brazo-palanca). Además, pueden aparecer factores de influencia que afecten al sistema completo. Finalmente, la incertidumbre expandida del sistema de fuerza-palanca se aproxima como la suma cuadrática de todas las contribuciones consideradas (ecuación 1).

Las posibles contribuciones consideradas relacionadas con la fuerza generada son:

• Incertidumbre asociada del transductor (wTRD): Facilitada por el fabricante del mismo. Dentro del proyecto se ha llevado a cabo un estudio de mercado para seleccionar el modelo de transductor con las mejores características metrológicas, así como constructivas (peso y dimensiones lo más bajos posible).
• Incertidumbre asociada a la aparición de cargas laterales (wLL): El efecto de las cargas adicionales generadas por el LAS debe ser tenido en cuenta.

Las posibles contribuciones consideradas relacionadas con la longitud del brazo serán una combinación de la incertidumbre obtenida del certificado de calibración de la pieza en reposo y las incertidumbres estimadas para posibles deformaciones del brazo bajo carga. Las incertidumbres consideradas son:

• Variación de la longitud del brazo debido a la combinación de cargas (wAD): Esta incertidumbre se está estimando de manera experimental mediante técnicas de análisis por elementos finitos. Se trata de un proceso iterativo, en el que se observa la respuesta del brazo a la combinación de cargas para distintas formas y diseños de la pieza.
• Variación de la longitud del brazo debido al efecto de la variación de temperatura (wT): El sistema puede estar operando a temperaturas distintas a las de su certificado de calibración. Ello puede producir variaciones en la longitud total del brazo. Dichas variaciones se estimaran teórica y experimentalmente a través del análisis de elementos finitos.

Existen otras contribuciones que pueden afectar al sistema completo. Dichas contribuciones se estimarán tras obtener el diseño final del sistema de fuerza-palanca. Algunas de estas posibles contribuciones son:

• Desalineamientos durante el proceso de montaje (wDis): Las simulaciones estructurales normalmente asumen que el sistema está perfectamente alineado y equilibrado, pero puede haber desviaciones en el proceso de fabricación o montaje. Para estudiar los efectos de las posibles desviaciones se harán análisis que incluyan errores de montaje y desequilibrios en el sistema.
• Vibraciones y test de fatiga (wV y wF): Los análisis principales del sistema son de tipo estático. Serán necesarios análisis de vibraciones y fatiga que recreen la situación durante la calibración.
• Condiciones de campo (wFC): Además de las vibraciones propias del sistema, en las turbinas instaladas en los aerogeneradores pueden sufrirse vibraciones debidas a vientos cruzados. Este estudio es interesante de cara a un posible futuro desarrollo en el que los sistemas de fuerza-palanca pudieran instalarse directamente en los aerogeneradores o como un modo más preciso de tener en cuenta todas las condiciones de campo durante la calibración en los bancos de ensayo.

La propuesta de diseño del sistema de fuerza-palanca del CEM ha demostrado en su fase preliminar cumplir con los requisitos mecánicos y constructivos para su instalación en bancos de ensayos de nacelles (montaje seguro, operación en dinámico, transmisión de la carga).

El CEM aplica su conocimiento sobre la medición de par al desarrollo de este nuevo patrón de transferencia, basándose en los múltiples desarrollos que se han llevado a cabo previamente en su laboratorio de Fuerza y Par [5].

El sistema de fuerza-palanca es una solución innovadora para asegurar la trazabilidad en la medición del par. Los resultados de este diseño preliminar demuestran que es posible emplear este sistema como un nuevo patrón de transferencias para la medición de par en el rango de los MN•m.

Tras los resultados favorables obtenidos mediante el diseño preliminar, se está trabajando en el diseño detallado del brazo, pieza clave del sistema y en los análisis detallados del desempeño del sistema completo. Los futuros análisis del comportamiento del sistema ante factores externos (temperatura, vientos cruzados, etc.) ayudarán a mejorar el sistema e incluso pueden hacer posible su empleo para la monitorización continua de los aerogeneradores.

La mejora de la calidad de las medidas de par en los ensayos de nacelles, así como en otras posibles aplicaciones, llevará a una mejora de la eficiencia en la producción de energía eólica.

Referencias

[1] Euramet, 'Publishable Summary for 14IND14 MNm Torque Torque measurement in the MN • m range 14IND14 MNm Torque', no. July. 2016.

[2] G. Genta, A. Germak, G. Barbato, and R. Levi, 'Metrological characterization of an hexapod-shaped Multicomponent Force Transducer', Measurement, vol. 78, pp. 202–206, Jan. 2016.

[3] D. Peschel, D. Mauersberger, D. Schwind, and U. Kolwinski, 'The new 1.1 MN•m torque standard machine of the PTB Braunschweig/Germany', Imeko, 2005.

[4] U. Jassmann, M. Reiter, and D. Abel, 'Driving Torque Control for a Nacelle Test Bench', J. Phys., vol. 524, 2014.

[5] J. A. Robles Carbonell, J. L. Robles Verdecia, and A. Lobo, 'Torque standard machines at CEM', Imeko World Congr., vol. XVIII, 2006.

Agradecimientos

La iniciativa EMPIR está co-financiada por el programa ‘European Union’s Horizon 2020’ de investigación e innovación y por los Estados participantes en EMPIR.