En el context del ràpid desenvolupament de la indústria de l'energia eòlica moderna, especialment de les turbines eòliques d'alta{0}}potència terrestre i marí, la vibració s'ha convertit en un dels factors fonamentals que afecten la seguretat, la vida útil, la generació d'energia i els costos d'operació i manteniment dels aerogeneradors. A mesura que l'alçada del nucli de l'aerogenerador continua augmentant, la longitud de les pales continua allargant-se i la capacitat d'una unitat-única continua creixent, els problemes com la vibració del vent, la ressonància de la torre, el balanceig de les pales, la vibració de la cadena de transmissió i la vibració de la base als quals s'enfronten les turbines eòliques durant el funcionament són cada cop més importants.
Aleshores, per què és necessari un amortidor de vibracions per a les operacions d'energia eòlica? Els vents turbulents, les ràfegues, els vents de cisalla i l'efecte d'ombra de la torre fan que les pales experimentin una empenta variable periòdicament, provocant un aleteig i una oscil·lació, que es transmet al nucli, l'eix principal, la caixa de canvis i la torre, donant lloc a una vibració contínua. El desequilibri de massa de l'impulsor, la desalineació de l'eix principal, el desgast dels coixinets i els impactes de l'engranatge de la caixa de canvis generen vibracions d'alta-freqüència, que són les principals causes de fallades de la cadena de transmissió. La torre és una estructura esvelta i flexible amb una freqüència natural de primer -ordre baixa, la qual cosa la fa propensa a la ressonància amb la freqüència de rotació de l'impulsor i la freqüència de pas de la paleta. Un cop es produeix la ressonància, l'amplitud de la vibració s'amplifica dràsticament, amenaçant la seguretat estructural.
Quins perills provoquen les vibracions als aerogeneradors? Sota una vibració contínua, la vida a fatiga de les caixes d'engranatges, coixinets, eixos principals i sistemes de guiñada s'escurça significativament i la taxa de fallada augmenta significativament. La vibració pot provocar que els cargols de la brida de la torre i els cargols del marc principal s'afluixin i, en casos greus, poden aparèixer esquerdes de fatiga a les soldadures. Superar els límits de vibració activarà la reducció de càrrega del sistema de control principal, la limitació de velocitat i la protecció d'apagada, reduint directament el temps i la producció d'energia. Les fallades-relacionades amb la vibració representen més del 50% de totes les fallades dels aerogeneradors, i els costos de manteniment d'alt-altitud i d'operació i manteniment en alta mar són extremadament alts. La ressonància-a llarg termini o la vibració extrema poden provocar esquerdes de la fulla, deformacions de la torre, danys a la base i fins i tot accidents de seguretat greus.
Aquest article presenta l'aplicació d'amortidors de vibracions a les pales dels aerogeneradors. Les fulles són els components que vibren més violentament, principalment presenten vibracions desequilibrades induïdes per bateig, oscil·lació, aleteig i gel-. Els amortidors de massa ajustats internament, instal·lats entre el 20% i el 40% de la longitud de la fulla, utilitzen un bloc de massa, molles i una estructura d'amortiment per ajustar-se a la freqüència de vibració de la fulla, suprimint eficaçment les oscil·lacions de primer - i segon-ordre i les vibracions de bateig, reduint la fatiga, el moment de flexió de la fulla i allargant la vida útil de la fulla.
L'ús d'amortidors de vibracions redueix l'amplitud de la vibració de la fulla entre un 30% i un 60%, redueix els danys per fatiga de la fulla en més d'un 40%, disminueix el risc d'esquerdes i desenganxament de la fulla i mitiga l'impacte desequilibrat de la vibració del gel.
La indústria de l'energia eòlica utilitza habitualment amortidors de vibracions de diversos tipus i principis de funcionament. El tipus més utilitzat és l'amortidor de massa ajustat, que consta d'un bloc de massa, una molla i un amortidor. La freqüència s'ajusta a la freqüència de vibració principal de l'aerogenerador. Quan es produeix la vibració, el bloc de massa es mou en sentit contrari per consumir energia. Té una estructura fiable, un efecte estable i una àmplia aplicabilitat.
Les turbines eòliques offshore funcionen en entorns diverses vegades més durs que les turbines terrestres. Per tant, l'amortidor de vibracions ha de complir els requisits d'alta resistència a la corrosió, com ara galvanització en calent-, acer inoxidable 316L, recobriment Dacromet, proves d'esprai de sal durant més de 1.000 hores i un funcionament estable a temperatures que oscil·len entre -40 graus i 80 graus . Els costos de manteniment offshore són extremadament elevats, la qual cosa requereix un disseny de llarga vida. L'amortidor hidràulic també s'ha de dissenyar per evitar fuites d'oli que podrien contaminar l'oceà.
Quins beneficis pràctics poden obtenir els parcs eòlics amb l'ús de l'amortidor de vibracions?
L'augment de la generació d'energia, la reducció de la vibració-va provocar limitacions d'energia i temps d'inactivitat, funcionament estable en zones de vent turbulent i un augment global de la generació d'energia del 2% al 8%; vida útil ampliada dels components bàsics, amb una vida útil de la fulla augmentada entre un 20% i un 40%, una vida útil de la caixa de canvis augmentada entre un 30% i un 50% i un dany per fatiga de la torre reduït entre un 30% i un 60%; costos d'operació i manteniment significativament reduïts, menys operacions de manteniment d'-altitud, menys canvis de caixes d'engranatges i coixinets, estalviant de milers a desenes de milers de dòlars nord-americans per aerogenerador marítim a l'any; millora de la seguretat general de la turbina, evitant la ressonància, millorant la supervivència sota tifons, terratrèmols i onades, i reduint el risc d'afluixament de cargols i esquerdes estructurals; reducció del soroll, amb disminució del soroll aerodinàmic i estructural, complint els requisits de protecció del medi ambient i facilitant l'aprovació del projecte.
