Resumen de Comportamiento dinámico no-lineal de una turbina eólica sometida a la acción cargas aerodinámicas periódicas

Jorge Muract, Sergio Preidikman, Julio C. Massa

• español

  n este trabajo se presenta el desarrollo de simulaciones numéricas que permiten estudiar los aspectos que caracterizan la respuesta dinámica no-lineal de la estructura de una turbina eólica de eje horizontal sometida a la acción de las cargas aerodinámicas que actúan sobre el rotor. En la primera parte de este trabajo se derivan las ecuaciones de movimiento usando las ecuaciones de Lagrange, considerando restricciones del tipo no-holonómicas que son incorporadas de forma explicit a a través de la introducción de multiplicadores de Lagrange. El modelo numérico incluye: ( i ) las palas que conforman el ro tor de la turbina eólica, ( ii ) la barquilla, y ( iii ) la torre o estructura portante. Se considera a la s palas como un conjunto de múltiples cuerpos rígidos vinculados perfectamente entre sí en el cubo o nariz del rotor. La barquill a y la torre se modelan como cuerpos con parámetros concentrados, incl uyéndose la inercia rota cional de estos dos componentes. Las cargas aerodinámicas provenientes de la acción del viento sobre las palas que conforman el rotor se modelan como una carga distribuida de forma espacialmente invariante y c on una magnitud variable en el tiempo. Los factores que gobiernan el cambio en magnitud de las cargas aerodinámicas son: ( i ) la velocidad de rotación del rotor y ( ii ) la variación de la velocidad del viento en altura por efecto de la rugosidad del terreno (presencia de la capa límite terrestre). Además de las cargas aerodinámicas, se consideran las cargas provenientes del amortiguamiento electromagnético, y de un mome nto de control proveniente del generador eléctrico. Este último es comúnmente utilizado como parámetro de control de la velocidad de rotación del rotor.

• English

  Numerical simulations for studying the structural dynamics behavior of a three-bladed horizontal� axis wind turbine under aerodynamic loads are developed in this paper with the objective of studying the non- linear characteristics of such res ponse. The equations of motion are derived using Lagrange Equations and considering non-holonomic constraints which are inco rporated explicitly through the use of Lagrange Multipliers .

  The numerical model includes: ( i ) three blades, ( ii ) the nacelle; and ( iii ) the tower. The blades are considered as a set of multiple rigid bodies, perfectly a ttached to the hub, which connects them to the generator rotating shaft. The nacelle and the tower are modeled as bodies with concentr ated parameters, including rotational inertia. Aerodynamics loads acting on the blades are modeled as space-invariant distributed load with a time-varying magnitude. Changes on the aerodynamic load magnitude depend on the following factors:

  i ) rotor speed and ii ) wind speed variation with height, which de pends on the surface roughness. Besides, not only aerodynamic loads are considered in the model, but also electromagnetic damping and a control moment coming from the electrical generator. This moment is th e parameter normally used to control the rotor angular speed.