Asier Oiz Ingeniero, responsable del Laboratorio de Palas de CENER / Maite Elorduy, ingeniero de Diseño de Ensayos de Siemens Gamesa / Miguel Riezu, ingeniero de Ensayos y Validación de Siemens Gamesa

Figura 1. Configuración de los ensayos de ENVENA en el Laboratorio de Ensayos de Segmentos de Pala de CENER.

Históricamente los ensayos estructurales de fatiga de certificación se realizan sobre pala completa y son uniaxiales en cada una de las dos direcciones principales de funcionamiento. La incipiente llegada del nuevo estándar de certificación (IEC 61400-23 2025) abre la puerta a combinar ensayos de pala completa con otros de segmentos de pala. Bajo este marco y con financiación del Gobierno de Navarra, cuatro entidades se han unido para desarrollar el proyecto de I+D+i Energía Verde para Navarra (EnVeNa), con el objetivo de investigar los beneficios de incorporar los ensayos biaxiales y uniaxiales en 2ª frecuencia de resonancia a las campañas de validación y certificación de palas, y aumentar de esta forma tanto la representabilidad técnica como reducir la duración, y por lo tanto los costes, de las campañas actuales de ensayos.

Un proyecto colaborativo
La Comunidad Foral de Navarra ha sido y es un referente en el desarrollo de la energía eólica a nivel europeo. Además de contar con una red industrial que abarca toda la cadena de valor, posee la infraestructura de ensayos necesaria para impulsar la I+D del sector. Prueba de ello son las cuatro entidades que colaboran en el proyecto: Siemens Gamesa (fabricante de aerogeneradores), el centro tecnológico CENER (Centro Nacional de Energías Renovables), Erekaldea (fabricante de estructuras metálicas) y Meletea (pyme especialista en cálculo FEM).

Los ensayos de fatiga tratan de demostrar que el diseño de la pala será capaz de soportar las cargas equivalentes de fatiga que previsiblemente se darán mientras esté en operación durante su vida útil. Un ensayo clásico de fatiga comprende la realización de dos ensayos consecutivos en las direcciones flapwise (=FA) y edgewise (=FE). Estas pruebas representan adecuadamente las cargas en las direcciones principales, pero no así fuera de ellas, lo cual puede suponer un riesgo cuando esté operando en la máquina. Precisamente el incremento de la longitud de las palas que se ha dado durante los últimos años ha dado lugar a que las cargas fuera de las direcciones principales hayan cobrado relevancia y, por lo tanto, sea cada vez más importante ensayarlas para disminuir la probabilidad de fallo en su funcionamiento real. Mediante los ensayos biaxiales las palas se podrían fatigar más realísticamente, combinando la excitación en las dos direcciones principales simultáneamente, mejorando de esta forma la representatividad de las cargas en cualquier dirección. En esta línea de investigación existen publicaciones científicas previas. Las más relevantes son las de Greaves en 2019 [1] y Melcher et al [2] en 2020, en las que se analizó en detalle la fatiga biaxial con excitación resonante sobre una pala completa.

El proyecto EnVeNa continúa en esa línea, buscando actuar sobre la ratio de las frecuencias de resonancia en ambas direcciones, para optimizar el ensayo de fatiga biaxial. Para ello modifica las frecuencias naturales, añadiendo masas virtuales y rigidizadores que modifican la frecuencia de resonancia en una sola de las direcciones principales.

Como elementos innovadores adicionales y complementariamente a los ensayos de pala completa habituales, en el proyecto se propone ensayar segmentos de pala e incorporar bloques de ensayo uniaxiales excitando la 2ª frecuencia de resonancia del segmento.

Desde Siemens Gamesa ha aportado el conocimiento en el diseño y posproceso de los ensayos de fatiga, además de suministrar el segmento de pala de 26 metros para la realización de las pruebas.

Meletea ha desarrollado el software Optipala como herramienta de configuración óptima de ensayos biaxiales y uniaxiales de 2ª frecuencia. Este software determina las fuerzas de actuación y distribución de elementos de ensayo, tales como masas sobre pala, masas virtuales y rigidizadores, para alcanzar la ratio de frecuencias y los momentos flectores objetivo. Optipala incorpora también un módulo innovador que permite calcular ensayos de fatiga uniaxiales en la segunda frecuencia de resonancia.

Por su parte, Erekaldea ha diseñado y fabricado la estructura para la masa virtual y el rigidizador. Ambos elementos son modulares para abarcar un mayor rango de uso. La masa es móvil de forma que interfiere únicamente en la inercia de su movimiento en la dirección horizontal edgewise. El rigidizador es de tipo ballesta, formado por varias láminas de acero. Se conecta en vertical a la pala para que solo aumente la rigidez en esta dirección flapwise.

CENER ha liderado la coordinación, supervisión y ejecución de todas las actividades relacionadas con los ensayos, llevando a cabo el prediseño inicial de los mismos, los montajes de equipamiento, la puesta en marcha, así como la ejecución de las pruebas y el análisis final de los resultados. La actualización llevada a cabo de los sistemas de ensayo y herramientas software ha sido igualmente fundamental para la realización y el análisis de las pruebas biaxiales, que se han desarrollado en las instalaciones de CENER LEA (Laboratorio de Ensayo de Aerogeneradores), que está ubicado en Sangüesa (Navarra).

Resultados
EnVeNa, en su conjunto, viene motivado por dos objetivos fundamentales: mejorar la representabilidad de los ensayos actuales y reducir su duración y coste. Gracias al conocimiento y experiencia acumulada por el tándem de dos de los socios, Siemens Gamesa y CENER, se ha podido llevar a cabo un estado del arte detallado de los ensayos de pala y con ello, concretar los 4 retos clave que se han conseguido superar en este proyecto de investigación:

1. Análisis de cargas y zonas de la pala objetivo de los ensayos de fatiga.
2. Control sobre la ratio de frecuencias de resonancia, R=fFLAP/fEDGE, de las direcciones principales de ensayo de fatiga, flapwise (=FF) y edgewise (=FE).
3. Tipo de actuación a emplear en cada dirección FF y FE.
4. Maximizar la longitud efectivamente ensayada, incorporando los ensayos biaxiales, la segmentación y los ensayos en segunda frecuencia natural.

Como punto de partida Siemens Gamesa ha analizado las cargas de diseño de los últimos modelos de pala desarrollados y las evidencias de aerogeneradores en operación y ha identificado zonas de las secciones de pala sometidas a cargas significativas, que habitualmente se infra ensayan con la tipología de ensayo uniaxial. Estas zonas están comprendidas en un intervalo entre 15º y 30º alrededor del borde de ataque:

Figura 2. Zonas objetivo a fatigar en una sección de pala

Teóricamente las ratios R=0.5 y sobre todo R=1.0 son los valores de ratio de mayor interés que permiten direccionar la carga a las zonas actualmente infra ensayadas, pero también hay valores intermedios como por ejemplo R=2/3, R=0.75 y/o R=0.80, más fácilmente configurables y con resultados aplicables a ensayos biaxiales. En consecuencia, el diseño y ejecución de todas las pruebas iniciales se ha orientado a probar el mayor número de R-s posible dentro del intervalo R[0.5,1.0], y también a verificar la aplicabilidad de ensayos de fatiga en 2ª frecuencia natural de resonancia del sistema. El software Optipala de Meletea ha sido esencial para dimensionar los utillajes modulares, cuya función es variar las frecuencias en pasos discretos. Erekaldea ha realizado la fabricación de 2 utillajes clave para poder variar las frecuencias.

• Masa virtual (=MV): permite disminuir la frecuencia en dirección FE sin alterar la frecuencia en FF.
• Rigidizador (=RG): incrementa la frecuencia en dirección FF sin alterar la frecuencia en FE.

Partiendo de la ratio del “Setup BASE” sin MV ni RG, y añadiendo y combinando diferentes MV-s y RG-s, se han ensayado 18 configuraciones distintas, y se han conseguido alcanzar unos ratios reales comprendidos en el siguiente intervalo: R[0.614,0.840]. Con la ayuda de OPTIPALA se han podido correlacionar las ratios reales con los simulados y se han obtenido grados de aproximación muy buenos.

Mediante el estudio de las curvas de Lissajous correspondientes a la superposición de los movimientos armónicos simples en dirección FF y FE se ha podido dar un paso más, identificándose y estudiando las 4 R-s de mayor interés: R=0.614, R=0.666, R=0.750 y R=0.80.

Empleando actuadores de masa resonante sobre pala se han configurado y ejecutado más de 30 ensayos. En cada ratio se han aplicado diferentes porcentajes de carga FF y FE y también se han realizado diferentes ensayos variando el desfase entre los desplazamientos de las masas oscilantes de los actuadores. El resultado fundamental ha sido descubrir un abanico muy amplio de posibilidades a la hora de cargar las secciones de pala en distintas direcciones y con diferente intensidad, y los testigos fundamentales han sido los momentos flectores (=BM) y los valores de bandas extensométricas registrados a lo largo y ancho de la pala.

Utilizando los momentos reales registrados como momentos objetivo de entrada en Optipala se han simulado todas las combinaciones y se ha obtenido en general una buena correlación de resultados. Por lo tanto, se han validado los BM-s calculados por el software como estimadores efectivos de las curvas de Lissajous reales para un cierto R.  El análisis anterior se completa con la información de fatiga extraída de los ficheros de datos con la herramienta especifica de postproceso de datos desarrollada por CENER para EnVeNa. Esta aplicación aplica el algoritmo del rainflow a las señales de cargas y bandas extensométricas.

Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, la aportación futura para los ensayos innovadores en 2ª frecuencia se presenta como más que interesante en términos de reducción de tiempo, un 16%, y coste, un 18%, de las campañas de ensayo, a tenor de los resultados obtenidos en el estudio realizado en este proyecto.

Figura 3. Reducción duración y costes incorporando ensayos en 2ª frecuencia natural

Conclusiones
En el futuro podría plantearse cualquier campaña de ensayos como una sucesión de bloques de ensayos uniaxiales en 1ª y 2ª frecuencia natural y biaxiales con diferentes R-s sobre segmentos y/o palas, siendo necesario para ello disponer de utillajes versátiles que permitan aplicar los cambios de configuración de forma rápida y sencilla. Esta filosofía por bloques permitiría maximizar la longitud efectiva de la pala ensayada. La factibilidad de este escenario tiene que venir necesariamente soportada con herramientas de simulación avanzadas, similares a Optipala, y de postproceso de datos y de control de ensayos.

En coherencia con el trabajo desarrollado en el proyecto EnVeNa, se ha concluido que el tipo de control de actuación resulta sumamente crítico, ya que es esencial mantener la ratio R constante con alta precisión para una configuración concreta.

En base a los cálculos, es viable el uso de ensayos en 2ª frecuencia para validar la 2ª mitad de la pala, desde el 55% al 85% de longitud de pala, tanto en FF como en FE. Estos ensayos en 2ª frecuencia, junto con otros más estándar, para validar la raíz de la pala con la pala cortada al 75% de su longitud, permitirían ahorros en tiempos y costes de ensayo que estarían entre un 15% y un 20%.

Asimismo, cabe destacar que el proyecto EnVeNa ha sido un proceso interactivo,  se han ido resolviendo varias cuestiones conforme iba avanzando, incluyendo nuevas herramientas de monitorización, adquisición de datos y rutinas de control de ensayos más complejas. Todo ello ha generado un conocimiento muy valioso para  los integrantes de este proyecto colaborativo, que servirán para encarar futuros retos relacionados con los ensayos de palas.

Referencias
[1] 08 - IEA TEM 94 Presentation Bi-axial fatigue testing_OREC. Greaves. 2019. “Bi‐axial Fatigue Testing of an 88m Wind”.

[2] Melcher_2020_IOP_Conf._Ser.__Mater._Sci._Eng._942_012007. Melcher. 2020. “Proof of concept: elliptical biaxial rotor blade fatigue test with resonant excitation”.

Autores: Asier Oiz Ingeniero, responsable del Laboratorio de Palas de CENER; Maite Elorduy, ingeniero de Diseño de Ensayos de Siemens Gamesa; y Miguel Riezu, ingeniero de Ensayos y Validación de Siemens Gamesa