Vídeo
© 1999 Soren Krohn

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Probando palas de aerogeneradores

Pruebas de fatiga en las palas
El vídeo de la izquierda (122 K) muestra como una pala de 32 m está siendo ensayada a fatiga, doblándola cíclicamente en la dirección de flap durante 5 millones de ciclos completos.
Si mira de cerca la parte izquierda podrá ver otra pala (más corta) que está siendo sometida cíclicamente a flexión periférica (en la dirección de la cuerda).
En ambos casos las palas son flexionadas utilizando un ciclo próximo a la frecuencia natural de la pala.
La frecuencia natural es la frecuencia con la que la pala oscilará de una parte a otra, si la empuja una vez en una determinada dirección y luego la suelta. Las frecuencias naturales son diferentes en la dirección de flap y en la dirección periférica: la pala tiende a ser mucho más rígida en la dirección periférica, por lo que tiene una frecuencia natural más alta para la flexión periférica.
Cada pala es puesta en movimiento por un motor eléctrico montado sobre la pala que balancea un peso hacia arriba y hacia abajo. Las cimentaciones que soportan el casquillo de la pala deben ser muy sólidas: la cimentación de un gran casquillo de pala se compone de 2.000 toneladas de hormigón.
Este vídeo fue filmado en la empresa de ensayo de palas de rotor del Risoe National Laboratory Sparkær en Jutlandia (Dinamarca). Las especificaciones de las pruebas de homologación para las palas son muy estrictas en Dinamarca, precisando de ensayos físicos tanto de las propiedades de fatiga (ensayo de fatiga) como de las propiedades de resistencia (ensayo estático). Otros países suelen tener requerimientos menos rigurosos para las pruebas de homologación de palas de rotor).

Materiales de las palas de rotor
Las palas de rotor suelen construirse utilizando una matriz de mallas de fibra de vidrio impregnadas de un material como el poliéster ("GRP = Glass fibre reinforced polyester"). El poliéster es endurecido después de que ha impregnado la fibra de vidrio. El Epoxi puede ser utilizado en lugar de poliéster. De esta forma la matriz base puede estar fabricada, total o parcialmente, de fibra de carbono, que es un material con alta resistencia más ligero, aunque más caro. En grandes palas de rotor también están siendo utilizados materiales laminares madera-epoxy.

Finalidad de los ensayos
La finalidad de los ensayos en las palas de rotor es la de verificar que las laminaciones en la pala son seguras, es decir, que las capas de la pala no se separarán (delaminación). De la misma manera, los ensayos verifican que las fibras no se romperán bajo esfuerzos repetidos.

Foto
© 1999 Søren Krohn

Medición de deformaciones
Galgas extensométricas (resistencias eléctricas planas pegadas a la superfie de la palas que están siendo ensayadas) se utilizan para medir de forma muy precisa la flexión y el alargamiento de las palas de rotor.

Foto
© 1999 Søren Krohn

Inspección con infrarrojos (Termografía)
Las cámaras de infrarrojos se utilizan para revelar un aumento de calor local en la pala. Esto puede indicar, bien un área con humedecimiento estructural, es decir, un área donde el diseñador de la pala ha dispuesto, de forma deliverada, fibras que convierten la energía de flexión en calor con el fin de estabilizar la pala, o bien puede indicar un área de delaminación o un área que se está moviendo hacia el punto de rotura de las fibras.

Forma modales de las vibraciones de las palas
Desde el año 2000 el ensayo de palas (en Dinamarca) también incluye una verificación de las diferentes formas modales de vibración de cada pala. Esto se consigue utilizando un tipo especial de equipamiento que excita vibraciones en la pala a diferentes frecuencias y en direcciones diferentes.
Las diferentes formas modales de oscilación también son conocidas en la fabricación de instrumentos musicales: una cuerda de un violín puede oscilar a su tono básico, esto es, con el centro de la cuerda moviéndose hacia arriba y hacia abajo, aunque probablemente también oscilará a su primer armónico superior (o primer armónico), con dos centros de oscilación localizados a una distancia de 1/4 desde cada extremo de la cuerda, moviéndose a una frecuencia dos veces mayor a la de su tono básico o frecuencia natural.
La razón por la que los fabricantes de aerogeneradores se muestran interesados en el estudio y verificación de las diversas formas de frecuencias de vibración en las palas de rotor, es que deben asegurarse de que la turbina sobre la que van a ser montadas las palas no tenga alguna de las frecuencias naturales de la pala. De no ser así, podría producirse una resonancia en el conjunto de la turbina, produciendo vibraciones no amortiguadas que ocasionalmente podrían producir el colapso de todo el aerogenerador. Más tarde volveremos sobre este tema en la página de dinámica estructural, en la sección de diseño de esta visita guiada.

Ensayo estático de palas de rotor
Las palas de rotor también pasan un ensayo de resistencia (y así su habilidad de soportan cargas extremas) mediante una sóla flexión con una fuerza muy elevada. Este ensayo se realiza después de que las palas han sido sometidas al ensayo de fatiga, con el fin de verificar la resistencia de una pala que ha estado en operación durante un periodo de tiempo importante.