WO2017140918A1 - Banco de ensayos y método de uso - Google Patents

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    • G01N2203/0262—Shape of the specimen
    • G01N2203/0264—Beam

Definitions

  • the present invention falls within the field of wind turbines and more specifically consists of a test method with different actuators that achieve a multi-axial load application.
  • the associated test bench is also described, in which a longitudinal structural element such as a blade segment.
  • An intermediate blade or other type of wind turbine structure is tested under realistic and changing conditions during the test.
  • a first step all the materials to be used in the component are characterized by small test specimens, from which the resistance values (static and fatigue) that are subsequently used to verify the stress levels are obtained. maximum expected in operation. These test campaigns have a low cost, run quickly (a few weeks) and typically integrate a large number of specimens to statistically consolidate the results.
  • construction details of the structure are tested, such as mechanical fasteners (for example, T-Bolts in wind turbine blade rails, aircraft wing connection hardware or tower-foundation connections in wind turbine towers), verifying that the loads transmitted by these details in real operation are lower than the resistance of the detail tested.
  • mechanical fasteners for example, T-Bolts in wind turbine blade rails, aircraft wing connection hardware or tower-foundation connections in wind turbine towers
  • These test campaigns have an average cost, take a few months to complete and usually integrate several specimens, sometimes divided into groups to assess the effect of a specific variable, such as the operating temperature or the average load during the test.
  • This strategy is aimed at an orderly validation of the structure, starting with the most basic tests to progressively move to more complex tests of larger construction details. With this process an increasing knowledge of the structure and a progressive mitigation of the risks in the process of development of the structure is achieved.
  • patent ES24401 17 shows a test configuration of beams in which the bending of a specimen supported by two points is caused by the application of static and dynamic loads perpendicular to the axis of the specimen at least one point of the beam.
  • the loads applied by the actuators are reacted through the bank itself and the specimen and not on the ground or the recessed part of the bench. This means that the bank does not need a foundation and therefore can be easily transportable.
  • the loads can be set and vary according to the ranges and average values required during the test.
  • the specimen may be a wind turbine blade segment, the intermediate junction of a split blade or other structural element that extends at both ends.
  • the specimen must be fixed on one side to the test bench and on the side adjacent to a plate where the actuators react.
  • the plurality of fixing elements of the intermediate joint of a modular blade or the internal behavior of a blade section or of any other structural element of a wind turbine can be tested (as could be the case of a section of a tower ).
  • Another example may be the sectoral repair of a shovel and the specific validation of that part of the shovel without resorting to a full trial.
  • the method comprises the steps of selecting the specimen and anchoring it inside the bed. Subsequently, through the set of actuators inside the bank, two types of load application are achieved: Progressive application and cyclic application. The first is applied slowly and progressively until reaching the design load or the breaking load. The second allows a continuous cycle application where it is possible to accelerate the frequency of application and shorten the time in the tests against the full scale tests.
  • Figure 1 is a view of the complete blade indicating a test specimen and the enlargement of the specimen with its attachment complements.
  • Figure 2 is a second embodiment on a modular blade and the specimen achieved with two pieces joined together.
  • Figure 3 is a view of the test bench and the test tube to be tested.
  • Figures 4, 5, 6 and 7 are different sequences of configuration of the specimen load, which constitutes the test method. Detailed description of the invention
  • a first test embodiment is the validation of a blade segment (1 1) of a wind turbine (10).
  • a blade segment (11) is extended at both ends by an extension (12) where a plurality of fixing elements (14) are housed that allow its installation in the test bench.
  • neither the extension (12) nor the fasteners (14) are tested, so they are designed to have superior strength to that of the segment (11) shovel.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the type of test for the validation of intermediate joints (22) of modular wind turbine blades, consisting of at least one root module (20) and one tip module (21) joining through a joint (22).
  • the specimen (13) integrated the blade segment (23) that includes the modular blade joint (22), which will generally be the same in both modules.
  • the specimen (13) is completed with another segment (23 '), symmetrical to that extracted from the blade design (23).
  • the fixation to the bench would be carried out using the real fixing elements (14) of the modular blade design.
  • test piece would be formed by a complex tower element to be used, for the connection of the tower to the foundation, the connection between tower sections or the connection of the elements of a lattice tower.
  • the test bench integrates a structure formed by a rigid vertical fixed plate (2) and a horizontal structure (7) rigidly joined together.
  • the test piece (13) is screwed through the fixing elements (14) to the rigid plate (2) at one of its ends and to a rigid mobile plate (3) at the other end, using the fixing elements (14) arranged on the other side.
  • the load is applied by means of longitudinal actuators, of two different types.
  • longitudinal actuators of two different types.
  • the method followed to achieve a multi-axial fatigue test is characterized by the cyclic application of a set of loads until the design cycles or the test tube breakage is reached.
  • the average bending load (and the rest of the load components) can be set at the desired value regardless of the test assembly and the test and actuator weights, which usually condition this value in conventional tests.
  • the frequency of the fatigue test can be chosen and the test accelerated, in contrast to what happens in conventional tests. All load components can be varied in average and amplitude during the fatigue test, generating block test spectra that reproduce the most critical operating situations of the wind turbine's operation.
  • FIGS 4, 5, 6 and 7 show the four types of load that are applied in the bank:

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Description

BANCO DE ENSAYOS Y MÉTODO DE USO
DESCRIPCIÓN Campo de la invención
La presente invención se engloba dentro del campo de los aerogeneradores y más concretamente consiste en un método de ensayos con diferentes actuadores que logran una aplicación de carga multi-axial. También se describe el banco de ensayos asociado, en el que un elemento estructural longitudinal como un segmento de pala. una unión intermedia de pala u otro tipo de estructura de un aerogenerador se ensaya en condiciones realistas y cambiantes durante el ensayo.
Antecedentes de la invención
El proceso de desarrollo de estructuras complejas, como las palas de aerogeneradores o los componentes aeronáuticos, emplea comúnmente una estrategia del validación por bloques, donde se realizan una serie de campañas de ensayos que van incrementando progresivamente su complejidad:
En un primer paso se caracterizan todos los materiales a ser empleados en el componente, mediante ensayos de probetas de pequeño tamaño, de los que se obtiene los valores de resistencia (estática y de fatiga) que se emplean posteriormente para verificar los niveles de las tensiones máximas esperables en funcionamiento. Estas campañas de ensayo tienen un coste bajo, se ejecutan de forma rápida (unas pocas semanas) y típicamente integran un gran número de probetas para consolidar de forma estadística los resultados.
· En un segundo paso se ensayan detalles constructivos de la estructura, como elementos de fijación mecánicos (por ejemplo, T-Bolts en rafees de palas de aerogenerador, herrajes de conexión de alas de avión o conexiones torre-cimentación en torres de aerogenerador), verificando que las cargas transmitidas por estos detalles en funcionamiento real sean inferiores a la resistencia del detalle ensayado. Estas campañas de ensayo tienen un coste medio, tardan en completarse unos pocos meses y suelen integrar varias probetas, a veces divididas por grupos para evaluar el efecto de alguna variable concreta, como la temperatura de operación o la carga media durante el ensayo.
Finalmente, en las estructuras más complejas y optimizadas, se realiza una secuencia de ensayos sobre piezas reales, en las que se comprueba la estructura completa en condiciones realistas de carga, verificando su capacidad de soportar las cargas estáticas y de fatiga sin dañarse. Esta secuencia de ensayos tiene un coste y plazo muy elevado (más de un año para palas de gran tamaño) e integra un número muy bajo (muchas veces solo una) de probetas para cada ensayo, empleando en muchos casos condiciones de carga constante durante todo el ensayo.
Esta estrategia tiene como fin una validación ordenada de la estructura, empezando por los ensayos más básicos para pasar progresivamente a ensayos más complejos de detalles constructivos de mayor tamaño. Con este proceso se consigue un conocimiento creciente de la estructura y una mitigación progresiva de los riesgos en el proceso de desarrollo de la estructura.
Sin embargo, esta estrategia todavía deja un espacio significativamente grande entre el nivel de validación de detalles constructivos (típicamente de probetas representativas de pequeñas zonas de la estructura) y los ensayos de escala completa. Esto provoca que haya muchos modos de fallo, asociados a la respuesta estructural de grandes secciones del componente, que solo son validados en la secuencia final de ensayos, con el consecuente aumento del riesgo de retrasos en el proyecto y desviación en su presupuesto en el caso de que se produzca algún fallo en estos ensayos.
Esta debilidad es más grave cuanto más grande y compleja sea la estructura a validar, ya que los costes y plazos de ensayo son mayores y la dificultad del diseño es mayor. Ante esta situación, en algunos sectores, como el aeronáutico o el aeroespacial, es conocida la realización de ensayos de subestructuras, donde se construyen disposiciones complejas de ensayo que reproducen las condiciones de contorno y aplicación de carga de secciones de la estructura, cubriendo mediante estos ensayos el espacio localizado entre la validación a nivel de detalles constructivos y la validación a nivel de escala real.
En el sector eóllco, varios fabricantes de palas han desarrollado métodos de ensayo de segmentos de pala, todos ellos basados en probetas longitudinales que reproducen el diseño real de una zona concreta de la estructura, y donde se aplican cargas de cortadura perpendiculares al eje de la pala para reproducir esfuerzos de flexión equivalentes a lo que se producen en los ensayos de pala completa. En estos métodos típicamente se aplican cargas cortantes mayores a las reales, al querer reproducir los momentos flectores reales con distancias de aplicación de cargas de pequeña longitud, lo que puede perjudicar el realismo del ensayo.
Como ejemplo del estado de la técnica, la patente ES24401 17 se muestra una configuración de ensayo de vigas en los que se provoca la flexión de una probeta apoyada en dos puntos mediante la aplicación de cargas estáticas y dinámicas perpendiculares al eje de la probeta en al menos un punto de la viga. Descripción de la invención
Es un objeto de la invención la creación de un banco de ensayos donde se consigue la reproducción de cualquier conjunto de cargas multi-axiales combinadas de flexión, torsión, cortante y axial, gracias a la aplicación combinada de cargas perpendiculares y paralelas al eje de la probeta. Las cargas aplicadas por los actuadores se reaccionan a través del propio banco y el espécimen y no sobre el suelo o la parte empotrada de la bancada. Esto hace que el banco no necesite de cimentación y por ello pueda resultar fácilmente transportable. Por otra parte, las cargas se pueden fijar y variar según los rangos y valores medios requeridos durante el ensayo.
Es otro objeto de la invención la selección de una probeta y la fijación de la misma en el banco de ensayos. La probeta puede ser un segmento de pala de aerogenerador, la unión intermedia de una pala partida u otro elemento estructural que se prolonga por ambos extremos. La probeta tiene que fijarse por uno de los lados al banco de ensayos y por el lado contiguo a una placa donde reaccionan los actuadores. De esta forma se pueden ensayar la pluralidad de elementos de fijación de la unión intermedia de una pala modular o el comportamiento interno de una sección de pala o de cualquier otro elemento estructural de un aerogenerador (como podría ser el caso de una sección de una torre). Otro ejemplo puede ser la reparación sectorial de una pala y la validación concreta de esa parte de la pala sin recurrir a un ensayo completo. Y por último, es otro objeto de la invención la presentación de un método de ensayos con aplicación multi-axial que logra unos ensayos estáticos de elevado realismo y que también logra unos ensayos en fatiga totalmente novedosos y que nunca se han realizado antes en un banco de estas características. El método comprende los pasos de selección de la probeta y anclaje de la misma en el interior de la bancada. Posteriormente, a través del conjunto de actuadores en el interior del banco se logran dos tipos de aplicación de cargas: Aplicación progresiva y aplicación cíclica. La primera se aplica de forma lenta y progresiva hasta alcanzar la carga de diseño o la carga de rotura. La segunda permite una aplicación de ciclos continuada donde se permite acelerar la frecuencia de aplicación y acortar el tiempo en los ensayos frente a los ensayos de escala completa.
De todo lo descrito con anterioridad se desprenden las siguientes ventajas: El banco en el que se realiza este ensayo no requiere instalación permanente y permite el ensayo de una amplia variedad de topologías y dimensiones de probeta, con espectros de carga de ensayo multiaxiales de alto realismo. Se puede ensayar en un plazo y coste muy inferior al de una estructura completa. Finalmente, una ventaja adicional de este banco de ensayos es su portabilidad, sin necesidad de instalación alguna en la localización del ensayo, debido a que todos los esfuerzos son reaccionados dentro del banco y a sus pequeñas dimensiones frente a los bancos de ensayo de escala completa. Esto permite mover el banco y trasladarlo a otros lugares donde pueda llevarse a cabo el ensayo en vez de tener que mover el espécimen hasta el centro de ensayos (circunstancia habitual en la actualidad).
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 es una vista de la pala completa señalando un espécimen de ensayo y la ampliación del espécimen con sus complementos de fijación.
La Figura 2 es una segunda realización sobre una pala modular y el espécimen logrado con dos piezas unidas entre sí.
La Figura 3 es un vista del banco de ensayos y la probeta a ensayar.
Las Figuras 4, 5, 6 y 7 son distintas secuencias de configuración de carga de la probeta, lo que constituye el método de ensayo. Descripción detallada de la invención
Tal y como se muestra en la Figura 1 , una primera realización de ensayo es la validación de un segmento (1 1 ) de pala (10) de un aerogenerador. Típicamente es necesaria la validación de segmentos de pala donde haya detalles constructivos complejos (transiciones bruscas de espesor o geométricas, por ejemplo) o en la validación de defectos de fabricación recurrentes (delaminaciones o desencolados, por ejemplo). Para lograr su instalación en el banco, el segmento (11 ) de pala se prolonga en ambos extremos por una extensión (12) donde se alojan una pluralidad de elementos de fijación (14) que permiten su instalación en el banco de ensayos. En esta particularización, ni la extensión (12) ni los elementos de fijación (14) son objeto de ensayo, por lo que se diseñan para tener resistencia superior a la del segmento (11 ) de pala.
En la figura 2 se muestra una segunda realización del tipo de ensayo para la validación de uniones intermedias (22) de palas modulares de aerogenerador, constituidas por al menos un módulo de raíz (20) y un módulo de punta (21) que se unen mediante una unión (22). En este caso, la probeta (13) integrada el segmento de pala (23) que incluye la unión modular de pala (22), que generalmente será el mismo en ambos módulos. Para formar una probeta capaz de instalarse en el banco de ensayo, la probeta (13) se completa con otro segmento (23'), simétrico al extraído del diseño de pala (23). En ambos segmentos (23, 23') la fijación al banco se realizaría utilizando los elementos de fijación (14) reales del diseño de la pala modular. Una consecuencia de esta disposición es que el ensayo acaba ensayando dos uniones (una en cada extremo) a la vez.
Otras particularización del tipo de ensayo que puede realizarse en el banco es la validación de conexiones de raíz de palas de aerogenerador, con la misma técnica que en el punto anterior.
Otras particularización del tipo de ensayo que puede realizarse en el banco es la validación de segmentos de torre de aerogenerador. En este caso, la probeta estaría formada por un elemento complejo de torre a emplear, por la conexión de la torre a la cimentación, la conexión entre tramos de torre o la conexión de los elementos de una torre de celosía.
Tal y como se muestra en la figura 3 el banco de ensayos integra una estructura formada por una placa rígida fija vertical (2) y una estructura horizontal (7) unidas rígidamente entre si. La probeta (13) se atornilla a través de los elementos de fijación (14) a la placa rígida (2) en uno de sus extremos y a una placa rígida móvil (3) en el otro extremo, empleando los elementos de fijación (14) dispuestos en el otro lado. La aplicación de la carga se realiza por medio de actuadores longitudinales, de dos tipologías diferentes. Mediante al menos dos actuadores horizontales (4) que unen la placa fija (2) y la placa móvil (3), pueden aplicarse esfuerzos paralelos al eje de la probeta, provocando momentos flectores y cargas axiales controladas. Mediante al menos dos actuadores verticales (5) que unen la placa móvil (3) con la estructura horizontal (7) del banco, pueden aplicarse esfuerzos perpendiculares al eje de la probeta, provocando cargas de cortadura y momento torsor controlados. El método seguido para lograr un ensayo multi-axial estático se caracteriza por la aplicación lenta y progresiva de un conjunto de cargas hasta alcanzar la carga de diserto o la rotura de la probeta.
El método seguido para lograr un ensayo multi-axial de fatiga, se caracteriza por la aplicación cíclica de un conjunto de cargas hasta alcanzar los ciclos de diseño o la rotura de la probeta. La carga media de flexión (y del resto de componentes de carga) puede fijarse al valor deseado independientemente del montaje de ensayo y los pesos de probeta y actuadores, que habitualmente condicionan este valor en los ensayos convencionales. La frecuencia del ensayo de fatiga puede elegirse y acelerar el ensayo, al contario de lo que sucede en los ensayos convencionales. Todas las componentes de carga pueden variarse en media y amplitud durante el ensayo de fatiga, generando espectros de ensayo por bloques que reproducen las situaciones operativas más criticas del funcionamiento del aerogenerador.
Tanto en los ensayos estáticos como en los de fatiga, los esfuerzos cortantes pueden ajustarse a los valores de diseño al estar desacoplados de los esfuerzos de flexión, al contrario de lo que habitualmente sucede en los ensayos convencionales.
Tanto en los ensayos estáticos como en los de fatiga, puede incluirse carga axial y de torsión al ensayo, independientes de las cargas de flexión y cortadura. Estos esfuerzos no suelen poder aplicarse en los ensayos convencionales.
En las figuras 4, 5, 6 y 7 se muestra los cuatro tipos de carga que se aplican en el banco:
- momento flector, cuando ambos cilindros horizontales (4) actúan en sentidos opuestos
- carga axial, cuando ambos cilindros horizontales (4) actúan en el mismo sentido
- carga cortante, cuando ambos cilindros verticales (S) actúan en el mismo sentido - carga axial, cuando ambos cilindros verticales (5) actúan en sentidos opuestos
Todas estas configuraciones de carga son reversibles, pueden aplicarse en los dos sentidos, y pueden combinarse entre si

Claims

REIVINDICACIONES
Banco de ensayos caracterizado por que aplica un conjunto de cargas multiaxial de flexión, torsión, cortante y axial, las probetas ensayadas son segmentos (13) de elementos estructurales longitudinales, las cargas se reaccionan a través del banco y de la probeta y no a través del suelo o de los empotramientos y por ello es transportable y por que consta de:
- una placa rígida fija vertical (2)
- una estructura horizontal (7) unida rígidamente a la placa rígida fija (2) anterior,
- una placa rígida móvil vertical (3)
- al menos dos actuadores horizontales (4) dispuestos entre la placa rígida fija (2) y la placa rígida móvil (3) y,
- al menos dos actuadores verticales (5) dispuestos entre la placa rígida móvil (3) y la estructura horizontal (7).
y por ultimo, las probetas o segmentos (13) se anclan entre la placa rígida fija vertical (2) y la placa rígida móvil vertical (3) a través de una pluralidad de elementos de fijación (14).
Banco de ensayos según la reivindicación primera caracterizado por que el elemento estructural longitudinal es un segmento de una pala (1 1).
Banco de ensayos según la reivindicación primera caracterizado por que el elemento estructural longitudinal es un segmento de una pala modular (23).
Banco de ensayos según la reivindicación primera caracterizado por que el elemento estructural longitudinal es un segmento de una torre de celosía.
Método de ensayo estático de una probeta longitudinal anclada en el interior de un banco de ensayos, caracterizado por
- la aplicación lenta y progresiva de un conjunto de cargas hasta alcanzar la carga de diseño o la rotura de la probeta,
- los esfuerzos cortantes se ajustan a los valores de diseño al estar desacoplados de los esfuerzos de flexión,
- se incluyen carga axial y de torsión, independientes de las cargas de flexión y cortadura.
Método de ensayo de fatiga de una probeta longitudinal anclada en el interior de un banco de ensayos, caracterizado por
« la aplicación cíclica de un conjunto de cargas hasta alcanzar los ciclos de diseño o la rotura de la probeta,
- la carga media de flexión se fija al valor deseado independientemente del montaje de ensayo y los pesos de probeta y actuadores,
- los esfuerzos cortantes se ajustan a los valores de diseño al estar desacoplados de los esfuerzos de flexión,
- se incluyen carga axial y de torsión, independientes de las cargas de flexión y cortadura,
• se elige la frecuencia del ensayo de fatiga acelerando el ensayo, y por último » pueden variarse todas las componentes de carga en media y amplitud durante el ensayo de fatiga.
7- Método de ensayo estático y ensayo de fatiga según la reivindicación 5 o 6, caracterizado por los cuatro tipos de carga que se aplican en el banco de ensayos son:
- el momento flector, cuando ambos cilindros horizontales (4) actúan en sentidos opuestos
- la carga axial, cuando ambos cilindros horizontales (4) actúan en el mismo sentido
- la carga cortante, cuando ambos cilindros verticales (5) actúan en el mismo sentido
- el momento torsor, cuando ambos cilindros verticales (5) actúan en sentidos opuestos,
todas estas configuraciones de carga son reversibles, pueden aplicarse en los dos sentidos, y pueden combinarse entre sí.
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