Estudio Numérico del Efecto de las Fuerzas Aerodinámicas Inestables en la Carga de Fatiga de Turbinas Eólicas Desviadas
Autores: Hirgeto, Dereje Haile; Qian, Guo-Wei; Zhou, Xuan-Yi; Wang, Wei
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Estudio Numérico del Efecto de las Fuerzas Aerodinámicas Inestables en la Carga de Fatiga de Turbinas Eólicas Desviadas
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Turbinas eólicas
Desplazamiento de guiñada
Cargas de fatiga
Turbina eólica de referencia NREL de 5 MW
Carga equivalente de daño
Aerodinámica no estacionaria
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 18
Citaciones: Sin citaciones
El desplazamiento intencional del ángulo de guiñada de los aerogeneradores ha mostrado potencial para redirigir estelas, mejorando la producción de energía total de la planta, pero puede aumentar la carga de fatiga en los componentes de la turbina. Este estudio analizó las cargas de fatiga en la turbina eólica de referencia NREL de 5 MW bajo diferentes desplazamientos de guiñada utilizando la teoría de elementos de pala y momento, el momento dinámico de elementos de pala y el método de vórtices de filamentos de Lagrange convergentes, todos implementados en OpenFAST. Las simulaciones emplearon ángulos de guiñada de -40 grados a 40 grados, con un flujo turbulento generado por TurbSim, una herramienta de OpenFAST para condiciones de viento realistas. Las cargas de fatiga se calcularon de acuerdo con los estándares del caso de carga de diseño 1.2 de la IEC 61400-1, utilizando treinta simulaciones por ángulo de guiñada en cinco intervalos de velocidad del viento. La carga equivalente de daño se evaluó mediante el conteo de flujo de lluvia, la regla de Miner y la corrección de Goodman. Los resultados mostraron que el método de vórtices libres, al modelar fuerzas aerodinámicas no estacionarias, produjo diferencias distintas en la carga equivalente de daño en comparación con el método de elementos de pala en condiciones de guiñada. El método de vórtices libres predijo una carga equivalente de daño más baja para el momento de flexión del eje de baja velocidad en desplazamientos de guiñada negativos, atribuido a su mejor manejo de los efectos no estacionarios que reducen las variaciones de carga. Por el contrario, para desplazamientos de guiñada superiores a 20 grados, el método de vórtices libres indicó una carga equivalente de daño más alta para el par del eje de baja velocidad, reflejando su captura precisa del flujo dinámico y la carga no estacionaria. Estos hallazgos destacan el papel crítico de la aerodinámica no estacionaria en las predicciones de carga de fatiga y demuestran el valor del método de vórtices libres dentro de OpenFAST para estimaciones realistas de carga equivalente de daño en turbinas con guiñada. Los resultados enfatizan la necesidad de incorporar modelos aerodinámicos no estacionarios como el método de vórtices libres para evaluar con precisión los impactos del desplazamiento de guiñada en la fatiga de los componentes de las turbinas eólicas.
Descripción
El desplazamiento intencional del ángulo de guiñada de los aerogeneradores ha mostrado potencial para redirigir estelas, mejorando la producción de energía total de la planta, pero puede aumentar la carga de fatiga en los componentes de la turbina. Este estudio analizó las cargas de fatiga en la turbina eólica de referencia NREL de 5 MW bajo diferentes desplazamientos de guiñada utilizando la teoría de elementos de pala y momento, el momento dinámico de elementos de pala y el método de vórtices de filamentos de Lagrange convergentes, todos implementados en OpenFAST. Las simulaciones emplearon ángulos de guiñada de -40 grados a 40 grados, con un flujo turbulento generado por TurbSim, una herramienta de OpenFAST para condiciones de viento realistas. Las cargas de fatiga se calcularon de acuerdo con los estándares del caso de carga de diseño 1.2 de la IEC 61400-1, utilizando treinta simulaciones por ángulo de guiñada en cinco intervalos de velocidad del viento. La carga equivalente de daño se evaluó mediante el conteo de flujo de lluvia, la regla de Miner y la corrección de Goodman. Los resultados mostraron que el método de vórtices libres, al modelar fuerzas aerodinámicas no estacionarias, produjo diferencias distintas en la carga equivalente de daño en comparación con el método de elementos de pala en condiciones de guiñada. El método de vórtices libres predijo una carga equivalente de daño más baja para el momento de flexión del eje de baja velocidad en desplazamientos de guiñada negativos, atribuido a su mejor manejo de los efectos no estacionarios que reducen las variaciones de carga. Por el contrario, para desplazamientos de guiñada superiores a 20 grados, el método de vórtices libres indicó una carga equivalente de daño más alta para el par del eje de baja velocidad, reflejando su captura precisa del flujo dinámico y la carga no estacionaria. Estos hallazgos destacan el papel crítico de la aerodinámica no estacionaria en las predicciones de carga de fatiga y demuestran el valor del método de vórtices libres dentro de OpenFAST para estimaciones realistas de carga equivalente de daño en turbinas con guiñada. Los resultados enfatizan la necesidad de incorporar modelos aerodinámicos no estacionarios como el método de vórtices libres para evaluar con precisión los impactos del desplazamiento de guiñada en la fatiga de los componentes de las turbinas eólicas.