Análisis modal de las aspas para una turbina eólica de baja capacidad y metodología de evaluación de las vibraciones de su rotor

Abstract

This work aims to contribute to the state of the art with an investigation of the natural frequencies and fatigue stresses in a low-power wind turbine blade, starting from the aerodynamic design to a modal and structural analysis, taking into account the selection of the manufacturing material and calculating the participation factor of the main vibration modes, deformations, equivalent and fatigue stresses. The aerodynamic design of the blade was carried out based on the BEM theory for a 900 W wind turbine, verified in the QBlade software. The selected material was fiberglass with epoxy resin, modeling the blade with biaxial and uniaxial fabrics. The modal and structural analysis were carried out with ANSYS software in the Mechanical and ACP (Pre) modules. Several configurations were made regarding the number of fiberglass and epoxy resin layers, directions and distances along the blade, seeking to find the directions in which the most significant participation factors and their natural frequencies are found. A 7-layer configuration was chosen because it met the load assumptions of IEC 61400-2, having significant values of the participation factors in the transverse axis of the blade. Concluding structural loading scenarios by relating the load hypotheses established by the IEC 61400-2 standard with the blade participation factors obtained through modal simulation in FEM.

El presente trabajo pretende aportar al estado del arte con una investigación acerca de las frecuencias naturales y esfuerzos por fatiga en un aspa para una turbina eólica de baja potencia, partiendo desde el diseño aerodinámico hasta un análisis modal y análisis estructural, tomando en cuenta la selección del material de fabricación y calculando el factor de participación de los principales modos de vibración, deformaciones, esfuerzos equivalentes y por fatiga. El diseño aerodinámico del aspa se realizó basándose a la teoría BEM para una turbina eólica de 900 W verificándolo en el software QBlade. El material seleccionado fue fibra de vidrio con resina epóxica, modelando el aspa con telas biaxiales y uniaxiales, el análisis modal y estructural se llevaron a cabo con el software ANSYS en los módulos Mechanical y ACP (Pre). Se realizaron varias configuraciones en cuanto al número de capas de fibra de vidrio y resina epóxica, direcciones y distancias a lo largo del aspa buscando encontrar las direcciones en las cuales se encuentran los factores de participación más significativos y sus frecuencias naturales. Se eligió una configuración de 7 capas debido a que dicha configuración cumplió con las hipótesis de carga de la Norma IEC 61400-2, teniendo valores significativos de los factores de participación en el eje transversal del aspa. Concluyendo escenarios de carga estructural relacionando las hipótesis de carga establecidas por la norma IEC 61400-2 con los factores de participación de la pala obtenidos mediante simulación modal en FEM.