ES2376815A1 - Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador. - Google Patents
Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2376815A1 ES2376815A1 ES200803726A ES200803726A ES2376815A1 ES 2376815 A1 ES2376815 A1 ES 2376815A1 ES 200803726 A ES200803726 A ES 200803726A ES 200803726 A ES200803726 A ES 200803726A ES 2376815 A1 ES2376815 A1 ES 2376815A1
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- rotor
- imbalance
- wind turbine
- mass
- assessing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 241001474977 Palla Species 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D7/00—Controlling wind motors
- F03D7/02—Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
- F03D7/0296—Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor to prevent, counteract or reduce noise emissions
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
-
- F03D11/00—
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D7/00—Controlling wind motors
- F03D7/02—Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M1/00—Testing static or dynamic balance of machines or structures
- G01M1/14—Determining imbalance
- G01M1/16—Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2260/00—Function
- F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
- F05B2260/966—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise by correcting static or dynamic imbalance
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2270/00—Control
- F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
- F05B2270/335—Output power or torque
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, que consta de una torre (3), una nacelle (2) y un rotor (1) compuesto por varias palas, girando dicho rotor respecto de un eje substancialmente horizontal orientado en la dirección del viento, pudiendo tener desequilibrio aerodinámico y másico, para cuya evaluación comprende las etapas de hacer funcionar al aerogenerador a un régimen de producción de potencia substancialmente menor que su potencia nominal; de obtener unas señales indicativas de las cargas en el aerogenerador mediante sensores localizados en la nacelle (2) y/o la torre (3), o mediante parámetros operacionales de la turbina; de calcular en dichas señales indicativas de carga en el aerogenerador al menos una magnitud (13) del armónico 1p calculado en función de la posición azimutal ({ps}) del rotor; comparar la magnitud (13) del armónico 1p con un umbral preestablecido, y; de decidir que existe un desequilibrio másico en el rotor (1) si dicha magnitud supera el citado umbral.
Description
Método para evaluar el desequilibrio del rotor
de un aerogenerador.
La presente invención, según se expresa en el
enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un método
para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador,
teniendo por objeto detectar el desequilibrio en el rotor del
aerogenerador y analizar la naturaleza del mismo.
Así, un primer objeto de la invención es
proporcionar un método para detectar si existe desequilibrio y para
discriminar si el equilibrio es másico o aerodinámico.
Un segundo objeto de la invención es establecer
un cálculo del desequilibrio según su origen.
Un tercer objeto de la invención es proporcionar
un método de operación para compensar dicho desequilibrio,
eliminándose de forma efectiva las consecuencias de este efecto
sobre las cargas mecánicas y sobre la producción energética.
En la presente memoria se describe un método
para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, de
aplicación en todos aquellos aerogeneradores que constan de una
torre, una nacelle y un rotor compuesto por varias palas y girando
dicho rotor respecto de un eje substancialmente horizontal orientado
en la dirección del viento.
La fabricación de palas de aerogenerador se
realiza mediante técnicas que conjugan procedimientos automáticos y
manuales. Esto puede dar lugar a cierta dispersión en el acabado
final de los perfiles de una pala a otra, así como en la masa y
distribución de la misma a lo largo de su eje longitudinal.
Estas tolerancias pueden provocar que el rotor
montado en un aerogenerador no esté completamente equilibrado tanto
desde un punto de vista aerodinámico, como desde un punto de vista
másico.
Dichos efectos de desequilibrio pueden darse
además por otros motivos, tales como la degradación de las palas,
la aparición de hielo causado por las condiciones meteorológicas o
por un montaje incorrecto de la pala o del sistema de actuación de
paso de pala.
De esta forma, la contribución de cada pala
sobre las cargas del aerogenerador puede no ser uniforme debido a
causas no deseadas, tales como un incorrecto montaje de la pala o
del sistema de actuación sobre el ángulo de paso, según el cual al
menos una de ellas presenta un ángulo de calado distinto al deseado,
o debidas a las tolerancias de fabricación entre las distintas
palas. Esto puede provocar cargas de fatiga de tipo aerodinámico que
acortan la vida del aerogenerador, y que pueden causar además una
merma en la producción de energía. Este tipo de efectos se conocen
como desequilibrio aerodinámico.
Además, el proceso de fabricación de las palas
puede también producir cierta dispersión en la masa de la pala, o
al menos, en su distribución másica a lo largo de su eje
longitudinal, dando lugar a desequilibrios del rotor de tipo
másico. Esto también causa cargas de fatiga mayores, lo que provoca
una reducción de la vida del aerogenera-
dor.
dor.
Igualmente, también es posible que el
desequilibrio másico o aerodinámico se den en un rotor como
consecuencia de la degradación de las palas (rotura parcial o total
de elementos estructurales, suciedad, impacto de aves, etc.), o la
adición de hielo producido por ciertas condiciones ambientales
transitorias.
El desequilibrio aerodinámico y másico pueden
darse simultáneamente, superponiéndose el efecto producido por
ambos, lo que dificulta la distinción de la fuente del
desequilibrio.
Además, es imprescindible conocer la causa del
desequilibro ya que las acciones correctoras para corregir un
desequilibrio son totalmente distintas si el desequilibrio es másico
o aerodinámico.
Así, por ejemplo, un desequilibrio másico no
motivado por la presencia de hielo se corrige añadiendo masa en el
rotor en la posición adecuada. Sin embargo si el desequilibrio es
aerodinámico y está provocado por un incorrecto montaje de la pala,
se corrige variando el ángulo de calado de dicha pala o realizando
un nuevo montaje del
rotor.
rotor.
Un rotor desequilibrado, sea su desequilibrio de
origen másico o aerodinámico, se traduce en cargas en el
aerogenerador que fluctúan según la frecuencia de giro del rotor,
frecuencia conocida como 1p.
Igualmente, las señales indicativas de las
cargas también pueden provenir de otras magnitudes generales que
pueden ser consideradas como parámetros operacionales, tales como
la velocidad de giro del tren de potencia, o la potencia
generada.
Existe una relación entre las cargas sobre el
aerogenerador, y los movimientos que provocan dichas cargas en
algunos componentes. Así por ejemplo, determinadas cargas provocan
movimientos de la nacelle y de la parte superior de la torre en la
dirección del eje de rotación del rotor. Por otra parte, otro tipo
de cargas producen movimientos de la nacelle, y de la parte superior
de la torre contenidos en planos perpendiculares al eje de giro del
rotor.
La patente DE19628073 contempla la detección y
compensación del desequilibrio aerodinámico a partir de la
contribución de cada pala sobre la variación de potencia en el
dominio del tiempo y su compensación. Dicha compensación se hace
modificando el ángulo de paso de pala en un sentido cualquiera y
midiendo la consecuencia de dicha modificación en las variables
estudiadas.
La patente US7086834B2 describe la detección de
desequilibrio másico motivado por hielo a partir de diferentes
parámetros operativos de la turbina y las condiciones
meteorológicas.
Por otra parte, la patente US6525518B1 contempla
la medición de las oscilaciones de aerogeneradores basándose en el
análisis del espectro de potencia de señales de cargas, y su
atenuación basada en el sistema de control. Este método de
operación no considera la distinción del origen que causa las
oscilaciones ni su localización exacta en el rotor. En otro aspecto
de la invención dicha patente contempla la actuación del sistema de
control para la reducción de las oscilaciones mediante medidas de
reducción parcial o total de la producción.
El artículo Mass and aerodynamic imbalance of a
horizontal axis wind turbine (Borj & Kirchhoff, 1998, ASME
Journal of Solar Energy Engineering, 120, 66-74)
describe la superposición de los efectos provocados por los
desequilibrios aerodinámico y másico en los armónicos 1p y múltiplos
de diferentes parámetros de operación de la turbina.
Por último el artículo Rotor Condition
Monitoring for improved operacional safety of offshore wind energy
converters (Caselitz & Giebhardt, 2004, Institut für Solare
Energieversorgungstechnk) describe la discriminación de los
desequilibrios aerodinámicos y másicos mediante el análisis de la
señal obtenida con múltiplos acelerómetros, comprendiendo dicho
método el cálculo de las componentes 1p de dichas señales,
calculadas respecto a la posición azimutal (\Psi) del rotor.
En la presente memoria se describe un método
para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador,
constando dicho aerogenerador de una torre, una nacelle y un rotor
compuesto por varias palas y girando dicho rotor respecto de un eje
substancialmente horizontal orientado en la dirección del viento,
siendo dicho rotor susceptible de tener desequilibrio aerodinámico y
másico, de forma que dicho método comprende las siguientes
etapas:
\bullet hacer funcionar al aerogenerador a un
régimen de producción de potencia substancialmente menor que su
potencia nominal;
\bullet obtener unas señales indicativas de
las cargas en el aerogenerador mediante sensores localizados en la
nacelle y/o la torre, o mediante parámetros operacionales de la
turbina;
\bullet calcular en dichas señales indicativas
de cargas en el aerogenerador al menos una magnitud del armónico 1p
calculado en función de la posición azimutal (\Psi) del
rotor;
\bullet comparar la magnitud del armónico 1p
con un umbral preestablecido, y;
\bullet decidir que existe un desequilibrio
másico en el rotor si dicha magnitud supera el citado umbral.
\vskip1.000000\baselineskip
Como ya se ha descrito, los efectos del
desequilibrio másico y del aerodinámico se superponen sobre el
aerogenerador. Por ello, según el estado de la técnica para
detectar el desequilibrio en el rotor y discriminar su origen era
necesario la utilización de múltiples sensores.
En la presente invención se buscan condiciones
en que alguno de los efectos sea despreciable en comparación con el
otro para poder tratarlos por separado según corresponde a su
origen. La presente invención proporciona así un método simplificado
para detectar si existe desequilibrio y para discriminar si el
desequilibrio es másico o aerodinámico.
El efecto del desequilibrio másico predomina
sobre el del aerodinámico cuando el aerogenerador trabaja a un
régimen de producción de potencia substancialmente menor que su
potencia nominal. Por lo tanto, en dicho régimen de funcionamiento
puede analizarse el desequilibrio másico, independientemente, de si
existe también un posible desequilibrio aerodinámico, motivado, por
ejemplo, por un incorrecto montaje de palas. Para ello, únicamente
es necesaria una única señal indicativa de cargas.
En la presente invención se usan señales
indicativas de dichas cargas, que pueden ser tanto medidores de
deformación (galgas extensométricas), medidores de desplazamiento
(acelerómetros) o parámetros indicadores de carga en el tren de
potencia (par o potencia). Cualquier otro tipo de sensor que
proporcione medidas indicativas de las cargas en el aerogenerador
puede ser también utilizado. Dichos sensor o sensores pueden estar
situados en la nacelle y/o en la torre del aerogenerador, por lo que
este método de operación es susceptible de ser aplicado fácilmente
en turbinas instaladas previamente en campo.
En una realización preferente, la invención se
aplica cuando el viento es lo bastante bajo como para que el
aerogenerador funcione en la zona de velocidad mínima
constante.
Según dicha realización preferente y en otro
aspecto de la invención se utiliza la potencia generada como señal
indicativa de las cargas en el aerogenerador. Puesto que la
potencia generada es un valor conocido en cualquier aerogenerador,
según dicha realización preferente no es necesario disponer de
ningún sensor adicional para conocer si el rotor presenta un
desequilibrio másico aún en el caso de que exista también un
desequilibrio aerodinámico en dicho rotor.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
método para cuantificar y compensar el desequilibrio másico. Un
desequilibrio másico en un rotor puede solucionarse colocando una
masa a un radio y una posición angular determinada. Fijado el radio,
a la masa necesaria para obtener la compensación se le da el nombre
de "masa equivalente" y a la posición angular en que debe
colocarse se le conoce como "posición angular equivalente". El
interior de las palas es el sitio más indicado para añadir masas a
un rotor. En el caso de que la posición angular equivalente no
coincida exactamente con la de una pala, será necesario calcular la
masa a colocar en cada una de las palas contiguas a dicha posición
equivalente para obtener la compensación del desequilibrio.
Así en otro aspecto de la invención, en el caso
de existir desequilibrio másico, se estima la masa equivalente
(m_{EQ}) necesaria para compensar dicho efecto en un radio
(r_{EQ}) determinado del rotor a partir de la magnitud del
armónico 1p calculado en función de la posición azimutal (\Psi) y
la velocidad de giro del rotor.
En una primera alternativa de la invención a
partir de la fase del armónico 1p se calcula la posición angular
equivalente (\alpha_{EQ}) en que habría que situar dicha masa
equivalente (m_{EQ}). A continuación se calcula, a partir de la
masa equivalente (m_{EQ}) y la posición angular equivalente
(\alpha_{EQ}), la masa (m_{EQ1}, m_{EQ2}) a colocar en las
palas contiguas a dicha posición equivalente.
Al contrario que un rotor básicamente
equilibrado, un rotor que presenta una desequilibrio másico descansa
en reposo en una posición fija tal que su centro de masas está en
la posición más baja posible. Por ello en una segunda alternativa de
la invención se calcula a partir de la posición azimutal (\Psi)
que muestra el rotor en reposo la posición angular equivalente
(\alpha_{EQ}) en que habría que situar dicha masa equivalente
(m_{EQ}). Posteriormente se calcula, a partir de la masa
equivalente (m_{EQ}) y la posición angular equivalente
(\alpha_{EQ}), la masa (m_{EQ1}, m_{EQ2}) a colocar en las
palas contiguas a dicha posición equivalente.
En otro objeto de la invención, una vez se ha
verificado que no hay desequilibrio másico, se buscan condiciones
en que el efecto del desequilibrio aerodinámico sea apreciable. Para
ello dicho método comprende las siguientes etapas adicionales:
\bullet hacer funcionar al aerogenerador a un
régimen de producción de potencia próximo a su potencia nominal;
\bullet obtener unas señales indicativas de
las cargas en el aerogenerador mediante sensores localizados en la
nacelle y/o la torre, o mediante parámetros operacionales de la
turbina;
\bullet calcular en dichas señales indicativas
de cargas en el aerogenerador al menos una magnitud del armónico 1p
calculado en función de la posición azimutal (\Psi) del rotor;
\bullet comparar la magnitud del armónico 1p
con un segundo umbral preestablecido, y;
\bullet decidir que existe un desequilibrio
aerodinámico en el rotor si dicha magnitud supera el citado
umbral.
\vskip1.000000\baselineskip
En otro objeto de la invención, en el caso de
existir desequilibrio aerodinámico, se decide a partir de la fase
del armónico 1p de las señales indicativas de cargas en el
aerogenerador cuál es la pala o palas que originan el
desequilibrio.
En una realización preferida de la invención las
señales indicativas de las cargas en el aerogenerador proceden de la
medida de acelerómetros.
En otro aspecto de la invención, en el caso de
existir desequilibrio aerodinámico, se estima el ángulo que hay que
corregir en una o varias palas para compensar dicho efecto a partir
de:
- la magnitud de dicho armónico 1p calculado en
función de la posición azimutal (\Psi), y;
- la relación previamente obtenida,
experimentalmente o mediante simulaciones, entre dicha magnitud 1p y
el ángulo de error en el posicionamiento de una pala.
\vskip1.000000\baselineskip
En otro objeto de la invención, se compensa el
desequilibrio aerodinámico corrigiendo el ángulo de calado en, al
menos, una pala del rotor.
En otro aspecto de la invención, la compensación
del desequilibrio aerodinámico se hace mediante una corrección
puntual del ángulo de calado de una o varias palas aplicado por el
programa de control, o bien alternativamente, mediante la
compensación puede hacerse mediante un nuevo montaje de una o
varias palas en el buje.
En otro aspecto de la invención se descarta que
las condiciones ambientales han podido permitir la formación de
hielo. La acumulación de hielo en las palas puede ser una de las
causas de desequilibrio aerodinámico o másico.
A diferencia de otras causas que motivan
desequilibrios, esta un situación transitoria que requiere la
adopción de medidas distintas a las descritas en la presente
invención. Por esa razón en otro objeto de la invención se utiliza
la medida de temperatura ambiente para descartar el hielo como
origen del desequilibrio.
En otro aspecto de la invención el método
descrito anteriormente se aplica sistemáticamente en la puesta en
marcha de cada aerogenerador tras su instalación, verificándose de
esta manera que el juego de palas montado tiene su distribución de
masas equilibrado, aerodinámicamente son similares y el montaje de
la palas ha sido correcto.
Las figuras 1 y 2, muestran la topología típica
de un aerogenerador, constando de una torre, una nacelle y un rotor
compuesto por varias palas.
Las figuras 3 y 4, muestran los componentes
principales de la nacelle, según una vista en alzado y otra en
planta.
Figura 5. Muestra una gráfica de una señal
indicativa de cargas en el dominio de la posición azimutal (\Psi)
del rotor.
Figura 6. Muestra una gráfica de una curva
estacionaria de par eléctrico en función de la velocidad de giro del
rotor.
Figura 7. Muestra la distribución de masas en un
rotor y la masa equivalente (m_{EQ}) necesaria para compensar un
desequilibrio másico.
Figura 8. Muestra el reparto de una masa
equivalente en las palas contiguas a la posición equivalente.
Figura 9. Muestra un rotor desequilibrado
básicamente en reposo.
En las Figuras 1 y 2 se muestra un
aerogenerador, constando dicho aerogenerador de una torre 3, una
nacelle 2 y un rotor 1 compuesto por varias palas y girando dicho
rotor respecto de un eje substancialmente horizontal, de modo que
varía la posición azimutal (\Psi) de dicho rotor.
En las Figura 3 y 4 se ilustran los componentes
principales de la nacelle desde una vista lateral y una vista
superior, respectivamente, de forma que el citado rotor del
aerogenerador gira alrededor de un eje 6 substancialmente
horizontal compuesto principalmente por un buje 4, un eje 5 de baja
velocidad, una multiplicadora 7 y un generador eléctrico 8 que
convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
El conjunto está sustentado por un bastidor 9,
en el que se instalan uno o varios acelerómetros 10. El eje de giro
6 del conjunto de tren de potencia presenta infinitos planos
perpendiculares, siendo el plano 11 uno de ellos y habiendo
representado con la referencia 12 un eje horizontal contenido en
dicho plano.
La Figura 5 muestra una señal indicativa de
cargas en el dominio de la posición azimutal (\Psi) del rotor 1 y
el armónico fundamental, tradicionalmente conocido como el armónico
1p, calculado en función de dicha variable, caracterizado por una
onda sinusoidal dada por una magnitud 13 y una fase 14. Aunque,
podrían obtenerse armónicos de frecuencias múltiplos enteros del
armónico 1p, obteniéndose su magnitud y su fase, la presente
invención se centra en el uso de la componente fundamental.
Dicha señal indicativa de cargas se obtuvo con
un acelerómetro 10 situado en la nacelle. Podrían obtenerse señales
parecidas con otro tipo de sensores como, por ejemplo, galgas
extensométricas o con parámetros operacionales de la turbina como,
por ejemplo, la potencia.
La Figura 6 ilustra una curva estacionaria de
par eléctrico demandado al generador eléctrico en función de la
velocidad de giro del rotor, comandada por el sistema de control
para el caso particular de un aerogenerador de velocidad variable.
En dicha curva, existe una zona 15 de velocidad mínima constante en
que la velocidad de giro del aerogenerador se mantiene
substancialmente constante mediante la adecuada modulación del par
demandado al generador eléctrico, una zona 16 de velocidad variable
en que típicamente se demanda un par eléctrico al generador
eléctrico para maximizar el rendimiento aerodinámico y una zona de
velocidad nominal constante 17, en que se modula el par eléctrico
demandado al generador eléctrico de modo análogo a la zona de
velocidad mínima constante, hasta alcanzar la potencia nominal.
En una realización preferente de la invención,
se hace funcionar el aerogenerador en un régimen de producción de
potencia substancialmente menor que su potencia nominal, que en el
caso de aerogeneradores de velocidad variable, se trata de la zona
de funcionamiento de velocidad mínima constante 15.
En dichas condiciones de funcionamiento se
determina el armónico 1p calculado en función de la posición
azimutal (\Psi) del rotor a partir de la señal de potencia
generada. La magnitud de dicha componente es mayor cuanto mayor sea
el desequilibrio másico que presente dicho rotor. Cuando dicha
magnitud rebasa un umbral precalculado se decide que el rotor
presenta un desequilibrio másico relevante.
En la figura 7 se muestra la distribución de
masas de un rotor. Cada pala A, B y C presentan una masa m_{A},
m_{B} y m_{C} y un centro de masas situado a una distancia del
eje del rotor r_{A}, r_{B} y r_{C} respectivamente.
Un rotor está equilibrado en cada uno de los
ejes X e Y si el centro de masas coincide con el eje del rotor:
\vskip1.000000\baselineskip
En caso contrario será necesario colocar una
masa equivalente (m_{EQ}) a un radio determinado (r_{EQ}) en un
ángulo equivalente determinado (\alpha_{EQ}), de modo que se
cumplen las siguientes ecuaciones:
\vskip1.000000\baselineskip
La ausencia de la masa equivalente para el
equilibrado origina un momento en el rotor que en valor absoluto
coincide con el producto entre la masa equivalente y el radio:
\vskip1.000000\baselineskip
El producto (m_{EQ} * r_{EQ}) puede
estimarse con el cociente entre la magnitud (13) de la componente
1p de la potencia (P_{1P}) generada y la velocidad de giro
(\Omegamin) del rotor:
\vskip1.000000\baselineskip
Para el cálculo del umbral se establece un
producto (m_{EQ} * r_{EQ})_{umbral} a partir del cual
se decide que el desequilibrio es relevante. Cuando el cociente
entre la componente 1p de la potencia generada y la velocidad de
giro del rotor, que es (\Omegamin) en la zona de velocidad mínima
constante (15), supera dicho umbral, se decide que el desequilibrio
es relevante. En ese caso se adoptarán medidas para
compensarlo.
A partir del producto (m_{EQ} * r_{EQ})
estimado, puede decidirse la distancia (r_{EQ}) y la masa
(m_{EQ}) que cumplan dicho producto y sean más convenientes. Para
ello se tendrá en cuenta entre otros factores el espacio disponible
en el interior de la pala, sus características estructurales, la
accesibilidad y el peso total resultante del rotor.
En una primera realización preferente la
posición angular equivalente (\alpha_{EQ}) se calcula a partir
de la fase (14) de la componente 1p de la potencia generada. Los
valores máximos y mínimos de dicha componente 1p corresponden a
posiciones en que la masa equivalente (m_{EQ}) necesaria estaría a
la altura del eje del rotor.
En una segunda realización preferente, la
posición angular equivalente (\alpha_{EQ}) se estima a partir de
la posición azimutal (\Psi) del rotor en reposo. Un rotor
desequilibrado en reposo descansa siempre en la misma posición, que
coincide con aquella en el que centro de masas está más bajo. La
posición correspondiente a la masa equivalente (m_{EQ}) es la
opuesta, aquella en que dicha masa ocupa la posición más elevada,
tal como indica la figura 9.
Puesto que el sitio más indicado para colocar
las masas para corregir el desequilibrio es en el interior de las
palas, es necesario calcular unas masas (m_{EQ1}, m_{EQ2}) a
colocar en cada una de las palas contiguas a la posición equivalente
para conseguir el mismo efecto de compensación. Si tal como muestra
la figura 8, la posición angular equivalente (\alpha_{EQ}) es
tal que las palas contiguas son la pala B y la C, las masas se
calcularían según las siguientes ecuaciones:
Una vez se ha compensado el desequilibrio másico
o se ha verificado que no existe, según una realización preferente,
en un régimen de funcionamiento próximo a la potencia nominal, se
obtiene la medida de un acelerómetro 10 que mide el movimiento de
la nacelle en la dirección del eje 6 de giro del rotor. De dicha
señal se extrae la magnitud 13 del armónico 1p calculado en función
de la posición azimutal (\Psi) del rotor 1 a partir de las
muestras tomadas durante cierto período de tiempo. Dicha magnitud 13
es mayor cuanto mayor es el desequilibrio aerodinámico. Cuando la
citada magnitud 13 supera un umbral preestablecido se decide que el
rotor presenta un desequilibrio aerodinámico relevante.
Mediante experimentos o simulaciones
informáticas puede deducirse la relación entre los errores en el
posicionamiento de las palas y la magnitud de la componente 1p de
las señales de indicativas de cargas (en una realización preferente
un acelerómetro). Conocida dicha relación puede por un lado fijarse
el umbral a partir del cual se decide que hay desequilibrio
aerodinámico y, por otro, para una magnitud dada estimarse el ángulo
de error de posicionamiento que lo origina.
También mediante experimentos o simulaciones
puede provocarse desequilibrios sucesivamente en cada una de las
palas, obteniéndose el patrón de fases correspondientes al armónico
1p calculado en función de la posición azimutal (\Psi) del rotor.
Conocido dicho patrón a partir de la fase 14 del armónico 1p puede
deducirse la pala o palas que originan el desequilibrio. Dicha fase
puede coincidir con la fase del armónico 1p creado sobre el
desequilibrio aerodinámico por una de las palas, o bien con el
ángulo opuesto, lo que indica el sentido de giro necesario para
compensar con precisión el desequilibrio aerodinámico. La magnitud
13 del armónico 1p, por otra parte, se relaciona con el ángulo de
paso de pala necesario para compensar el desequilibrio. Si la fase
14 detectada en el armónico 1p no coincidiera con la fase
relacionada con una sola de las palas, se pueden determinar los
movimientos equivalentes de ángulo de paso de varias palas, para
compensar el desequilibrio aerodinámico.
Como se ha señalado, la compensación del
desequilibrio aerodinámico se realiza cambiando el ángulo de calado
de una o varias de las palas del rotor 1. Cuando se detecta un
desequilibrio aerodinámico, inicialmente se procede a realizar una
corrección del ángulo de calado de una o varias palas por medio de
un cambio puntual desde el programa de control. En una realización
preferente dicho cambio es puntual, realizándose de manera
esporádica los cambios descritos en el ángulo de calado de las
palas. Posteriormente, cuando por otros condicionantes es posible,
se realiza un nuevo montaje del rotor que elimina definitivamente el
desequilibrio de montaje proporcionando consignas de ángulo de paso
idénticas a todas las palas.
En una realización preferente se utiliza la
medida de la temperatura para descartar el hielo como origen del
desequilibrio.
Claims (15)
1. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, constando dicho aerogenerador de una
torre (3), una nacelle (2) y un rotor (1) compuesto por varias palas
y girando dicho rotor respecto de un eje substancialmente horizontal
orientado en la dirección del viento, siendo dicho rotor susceptible
de tener desequilibrio aerodinámico y másico, caracterizado
porque la evaluación del desequilibrio del rotor comprende las
siguientes etapas:
- \bullet
- hacer funcionar al aerogenerador a un régimen de producción de potencia substancialmente menor que su potencia nominal;
- \bullet
- obtener unas señales indicativas de las cargas en el aerogenerador mediante sensores localizados en la nacelle (2) y/o la torre (3), o mediante parámetros operacionales de la turbina;
- \bullet
- calcular en dichas señales indicativas de cargas en el aerogenerador al menos una magnitud (13) del armónico 1p calculado en función de la posición azimutal (\Psi) del rotor;
- \bullet
- comparar la magnitud (13) del armónico 1p con un umbral preestablecido, y;
- \bullet
- decidir que existe un desequilibrio másico en el rotor (1) si dicha magnitud supera el citado umbral.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho método se aplica cuando el viento
es lo bastante bajo para que el aerogenerador funcione en la zona de
velocidad mínima constante (13).
3. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 2,
caracterizado porque se utiliza la potencia generada como
señal indicativa de las cargas en el aerogenerador.
4. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 3,
caracterizado porque, en el caso de existir desequilibrio
másico, se estima la masa equivalente (m_{EQ}) necesaria para
compensar dicho efecto en un radio (r_{EQ}) determinado del rotor
(1) a partir de la magnitud (13) de dicho armónico 1p calculado en
función de la posición azimutal (\Psi) y la velocidad de giro del
rotor.
5. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicho método comprende además los
siguientes pasos:
- -
- calcular a partir de la fase del armónico 1p la posición angular equivalente (\alpha_{EQ}) en que habría que situar dicha masa equivalente (m_{EQ}), y
- -
- calcular, a partir de la masa equivalente (m_{EQ}) y la posición angular equivalente (\alpha_{EQ}), las masas (m_{EQ1}, m_{EQ2}) a colocar en las palas contiguas a dicha posición angular equivalente (\alpha_{EQ}).
\vskip1.000000\baselineskip
6. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicho método comprende además los
siguientes pasos:
- -
- calcular a partir de la posición azimutal (\Psi) que muestra el rotor en reposo la posición angular equivalente (\alpha_{EQ}) en que habría que situar dicha masa equivalente (m_{EQ}), y;
- -
- calcular, a partir de la masa equivalente (m_{EQ}) y la posición angular equivalente (\alpha_{EQ}), las masas (m_{EQ1}, m_{EQ2}) a colocar en las palas contiguas a dicha posición equivalente.
\vskip1.000000\baselineskip
7. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 1,
caracterizado porque una vez se ha verificado que no hay
desequilibrio másico dicho método comprende los siguientes pasos
adicionales:
- \bullet
- hacer funcionar al aerogenerador a un régimen de producción de potencia próximo a su potencia nominal;
- \bullet
- obtener unas señales indicativas de las cargas en el aerogenerador mediante sensores localizados en la nacelle (2) y/o la torre (3), o mediante parámetros operacionales de la turbina;
- \bullet
- calcular en dichas señales indicativas de cargas en el aerogenerador al menos una magnitud (13) del armónico 1p calculado en función de la posición azimutal (\Psi) del rotor,
- \bullet
- comparar la magnitud (13) del armónico 1p con un segundo umbral preestablecido, y;
- \bullet
- decidir que existe un desequilibrio aerodinámico en el rotor (1) si dicha magnitud supera el citado umbral.
\vskip1.000000\baselineskip
8. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 7,
caracterizado porque, en el caso de existir desequilibrio
aerodinámico, se decide a partir de la fase (14) del armónico 1p de
las señales indicativas de cargas en el aerogenerador cuál es la
pala o palas que originan el desequilibrio.
9. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 8,
caracterizado porque las señales indicativas de las cargas en
el aerogenerador proceden de la medida de, al menos, un acelerómetro
(10).
10. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 9,
caracterizado porque, en el caso de existir desequilibrio
aerodinámico, se estima el ángulo que hay que corregir en una o
varias palas para compensar dicho efecto a partir de:
- -
- la magnitud (13) de dicho armónico 1p calculado en función de la posición azimutal (\Psi), y;
- -
- la relación precalculada entre dicha magnitud 1p y el ángulo de error en el posicionamiento de una pala.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 10,
caracterizado porque el desequilibrio aerodinámico se
compensa corrigiendo el ángulo de calado en al menos una pala de
dicho rotor.
12. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 11,
caracterizado porque dicha compensación se hace mediante una
corrección puntual del ángulo de calado de una o varias palas
aplicado por el programa de control.
13. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 11,
caracterizado porque dicha compensación se hace mediante un
nuevo montaje de una o varías palas en el buje (4).
14. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque se utiliza la medida de
temperatura ambiente para descartar el hielo como origen del
desequilibrio.
15. Método para evaluar el desequilibrio del
rotor de un aerogenerador, según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 13, caracterizado por que se aplica en la puesta en
marcha de un aerogenerador tras su instalación.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200803726A ES2376815B1 (es) | 2008-12-29 | 2008-12-29 | Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200803726A ES2376815B1 (es) | 2008-12-29 | 2008-12-29 | Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2376815A1 true ES2376815A1 (es) | 2012-03-20 |
| ES2376815B1 ES2376815B1 (es) | 2013-02-15 |
Family
ID=45787002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200803726A Active ES2376815B1 (es) | 2008-12-29 | 2008-12-29 | Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2376815B1 (es) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3225841A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-04 | Acciona Windpower S.a. | Wind turbine rotor balancing method, associated system and wind turbine |
| US20180142676A1 (en) * | 2015-04-23 | 2018-05-24 | Envision Energy (Denmark) Aps | Method of Correcting Rotor Imbalance and Wind Turbine Thereof |
| EP3483433A1 (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-15 | General Electric Company | Method and system for detecting a mass imbalance in a wind turbine rotor |
| EP3974645A1 (en) * | 2020-09-29 | 2022-03-30 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | Imbalance estimation for the wind rotor of a wind turbine |
| EP4667743A1 (de) * | 2024-06-20 | 2025-12-24 | Wobben Properties GmbH | Verfahren zum erfassen einer massenunwucht eines aerodynamischen rotors einer windenergieanlage |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5219454A (en) * | 1992-04-22 | 1993-06-15 | Denis Class | Method and apparatus for balancing wind turbine rotors |
| EP1978246A1 (en) * | 2007-04-04 | 2008-10-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Method of reducing an unbalance in a wind turbine rotor and device for performing the method |
-
2008
- 2008-12-29 ES ES200803726A patent/ES2376815B1/es active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5219454A (en) * | 1992-04-22 | 1993-06-15 | Denis Class | Method and apparatus for balancing wind turbine rotors |
| EP1978246A1 (en) * | 2007-04-04 | 2008-10-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Method of reducing an unbalance in a wind turbine rotor and device for performing the method |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Borg JP, Kirchhoff RH (Department of Mechanical Engineering University of Massachusetts, Amherst MA 01002). "Mass and Aerodynamic Imbalance of a Horizontal Axis Wind Turbine". ASME February 1998. Vol. 120, pages 66 - 74. [en línea], [recuperado el 2012-02-29]. Recuperado de internet: * |
| Hillmann M, Bauer A, Rische T. "Vibration Analysis of Rotor Blades and Balancing of Rotors on Wind Turbines". En: DEWEK 2004-Proceedings. Poster 1: Operation & Monitoring. [en línea], [recuperado el 2012-02-29]. Recuperado de internet: <URL: http://www.cpmax.com/tl_files/content/know-how/wissenschaftliche%20Arbelten/Mathias_DEWEK_p01_6.pdf> * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180142676A1 (en) * | 2015-04-23 | 2018-05-24 | Envision Energy (Denmark) Aps | Method of Correcting Rotor Imbalance and Wind Turbine Thereof |
| EP3225841A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-04 | Acciona Windpower S.a. | Wind turbine rotor balancing method, associated system and wind turbine |
| US20170284373A1 (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | Acciona Windpower, S.A. | Wind turbine rotor balancing method, associated system and wind turbine |
| US10288042B2 (en) | 2016-03-31 | 2019-05-14 | Acciona Windpower, S.A. | Wind turbine rotor balancing method, associated system and wind turbine |
| EP3483433A1 (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-15 | General Electric Company | Method and system for detecting a mass imbalance in a wind turbine rotor |
| US10781795B2 (en) | 2017-11-13 | 2020-09-22 | General Electric Company | Method and system for detecting a mass imbalance in a wind turbine rotor |
| EP3974645A1 (en) * | 2020-09-29 | 2022-03-30 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | Imbalance estimation for the wind rotor of a wind turbine |
| WO2022069190A1 (en) * | 2020-09-29 | 2022-04-07 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | Imbalance estimation for the wind rotor of a wind turbine |
| US11927173B2 (en) | 2020-09-29 | 2024-03-12 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | Imbalance estimation for the wind rotor of a wind turbine |
| EP4667743A1 (de) * | 2024-06-20 | 2025-12-24 | Wobben Properties GmbH | Verfahren zum erfassen einer massenunwucht eines aerodynamischen rotors einer windenergieanlage |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2376815B1 (es) | 2013-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3286430B1 (en) | Method of correcting rotor imbalance and wind turbine thereof | |
| ES2845934T3 (es) | Procedimiento y sistema de validación de turbina eólica | |
| CN105464912B (zh) | 一种风力发电机组叶片结冰检测的方法和装置 | |
| EP3232051A1 (en) | Method and device for loading detection of blade of wind power turbine | |
| ES2826173T3 (es) | Sistema y procedimiento para evaluar el impacto en el rendimiento de actualizaciones de turbinas eólicas | |
| DK177769B1 (en) | Methods and apparatus for detecting ice on a rotor vane | |
| EP1959130B1 (en) | Method for optimizing the operation of a wind turbine | |
| US9133828B2 (en) | Method and system for determining a mass change at a rotating blade of a wind turbine | |
| US7954372B2 (en) | Diagnosis of pitch and load defects | |
| ES2911511T3 (es) | Sistema y método de diagnóstico de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador | |
| EP2388476A2 (en) | Method for temperature calibration of blade strain gauges and wind turbine rotor blade containing strain gauges | |
| ES2875430T3 (es) | Determinación del ángulo de inclinación de una torre de turbina eólica | |
| CN102678453A (zh) | 检测风力涡轮机转叶系统叶片桨距角失衡的方法和装置 | |
| CN104318070B (zh) | 一种水平轴风力发电机叶片载荷传感器的标定方法 | |
| US20120055247A1 (en) | Method and system for detecting an unusual operational condition of a wind turbine | |
| ES2376815A1 (es) | Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador. | |
| US8683688B2 (en) | Method for balancing a wind turbine | |
| CN107420269B (zh) | 识别转子平面上的风力分布模式的方法以及实现该方法的风力涡轮机 | |
| ES2832493T3 (es) | Monitorización de rendimiento de un sistema de turbina eólica multirrotor | |
| Shahriar et al. | Speed-based diagnostics of aerodynamic and mass imbalance in large wind turbines | |
| ES2981180T3 (es) | Método de monitorización de la integridad estructural de la estructura de soporte de una turbina eólica | |
| WO2018233787A1 (en) | A method for determining wind turbine blade edgewise load recurrence | |
| ES2987987T3 (es) | Estimación de desequilibrio para el rotor eólico de una turbina eólica | |
| Loss et al. | Using MEMS acceleration sensors for monitoring blade tip movement of wind turbines | |
| ES2878021T3 (es) | Procedimiento y dispositivo para determinar el desequilibrio estático de un rotor de una central de energía eólica |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2376815 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20130215 |