Tecnología / Guía técnica
Formas modales y frecuencias naturales de las palas eólicas
Un modo combina un patrón de deformación con una frecuencia bajo condiciones especificadas. Es más que la amplitud de vibración de un punto. Las direcciones locales de la pala, las restricciones de la raíz y el estado de funcionamiento determinan cómo debe interpretarse la descripción modal.
Lea la forma junto con su frecuencia.
Dos modos pueden tener frecuencias similares y movimientos espaciales diferentes. A su vez, un mismo modo identificado puede cambiar cuando varían la masa, las restricciones o el estado giratorio representado.
01 / Direcciones
La flexión fuera del plano, en el plano y la torsión requieren un sistema de referencia.
En una descripción habitual del rotor sin deformar, la flexión fuera del plano es perpendicular al plano del rotor y la flexión en el plano se produce dentro de él.
En una descripción habitual del rotor sin deformar, la flexión fuera del plano es perpendicular al plano del rotor y la flexión en el plano se produce dentro de él. La torsión describe el giro alrededor de la dirección de la envergadura. Los ejes locales reales deben adaptarse a la orientación y la forma de la pala representadas.
OpenFAST distingue estos grados de libertad de las palas del movimiento de la torre y del tren de transmisión. Nombrar un modo de pala no lo convierte en el modo de flexión de la torre ni identifica todos los movimientos de un sistema ensamblado y acoplado.
02 / Forma
Un modo es un patrón espacial de movimiento.
Una forma modal muestra la deformación relativa a lo largo de la estructura representada.
Una forma modal muestra la deformación relativa a lo largo de la estructura representada. Un modo de flexión puede tener regiones de distinta curvatura o nodos donde su componente de desplazamiento es nula. Una medición en un único punto no puede describir todo el patrón.
La escala representada suele normalizarse para facilitar la comparación. Por tanto, un desplazamiento visual grande en un gráfico modal no es automáticamente una predicción de deformación física, de amplitud de funcionamiento ni de espacio libre requerido.
03 / Frecuencia
La masa y la rigidez influyen conjuntamente en la oscilación.
Para un modelo ideal sin amortiguamiento de un grado de libertad, f = (1/2π)√(k/m).
Para un modelo ideal sin amortiguamiento de un grado de libertad, f = (1/2π)√(k/m). Unos valores hipotéticos de k = 200 N/m y m = 2 kg dan aproximadamente 1.59 Hz. Ese modelo no es una pala física de MARSTON.
Una pala continua tiene propiedades distribuidas y múltiples modos, por lo que una sola masa y un solo resorte no permiten identificar todo su espectro. La ilustración explica una dependencia, sin proporcionar una predicción modal.
04 / Condición de contorno
La restricción de la raíz forma parte del modo.
Una raíz idealmente empotrada y una raíz con flexibilidad representada son condiciones de contorno distintas.
Una raíz idealmente empotrada y una raíz con flexibilidad representada son condiciones de contorno distintas. Cambiar esa condición puede modificar tanto la forma como la frecuencia, aunque el material de la pala siga siendo el mismo.
El buje y el soporte circundantes pueden añadir acoplamiento en un modelo ensamblado. Por tanto, un componente libre, una viga ideal aislada en voladizo y el conjunto giratorio instalado representan cuestiones modales diferentes.
05 / Rotación
El estado de funcionamiento puede modificar la descripción modal.
La rotación introduce efectos de inercia y pretensado en un modelo estructural adecuado.
La rotación introduce efectos de inercia y pretensado en un modelo estructural adecuado. Por ello, las frecuencias naturales y las formas pueden diferir de las de una descripción sin rotación. Denominar un modo de flexión fuera del plano no implica que tenga una única frecuencia invariable a cualquier velocidad.
La guía de rigidez de la sección explica las propiedades locales subyacentes. Sus coordenadas y el estado representado deben ser coherentes al construir un modelo modal acoplado.
06 / Respuesta
Los modos no determinan por completo los resultados vibratorios.
Una fuerza aplicada excita los modos según su posición, dirección y contenido en frecuencias; el amortiguamiento y las condiciones iniciales influyen en la respuesta.
Una fuerza aplicada excita los modos según su posición, dirección y contenido en frecuencias; el amortiguamiento y las condiciones iniciales influyen en la respuesta. Una frecuencia natural por sí sola no determina una amplitud de resonancia ni un resultado de fatiga.
Aquí no se asigna ningún modo, frecuencia ni margen real de una pala MARSTON. La guía de dinámica de torres aborda por separado los límites del sistema de soporte, sin convertir esta explicación sobre palas en un límite de funcionamiento.
Continúe la revisión con Rigidez a flexión y torsión de las palas eólicas.
Continúe la revisión con Ciclos de fatiga de aerogeneradores: rango, media y conteo.
Continúe la revisión con Velocidad crítica y movimiento de precesión del eje del aerogenerador.
Continúe el análisis dinámico con los diagramas de Campbell y los cruces de órdenes del rotor, las coordenadas modales y el truncamiento, y el decremento logarítmico y las hipótesis de decaimiento libre; conserve las hipótesis indicadas para cada representación.
Contexto general: OpenFAST: grados de libertad diferenciados de flexión de las palas · OpenStax: relación masa/rigidez del oscilador ideal · OpenFAST BeamDyn: marco de modelización de estructuras distribuidas y movimiento de rotación. Estas referencias explican conceptos del sector; son independientes de la documentación aplicable del producto y del proyecto MARSTON.
Conceptos y condiciones principales.
Lea cada magnitud con su referencia, sus unidades y sus condiciones indicadas. Una relación general no establece un valor específico de un modelo.
| Concepto / magnitud | Significado / relación | Condiciones / límites |
|---|---|---|
| Fuera del plano/en el plano | Direcciones de flexión en un sistema de referencia definido de pala/rotor | La geometría local influye en la interpretación. |
| Forma torsional | Patrón de torsión a lo largo de la envergadura | Distinta del desplazamiento de flexión. |
| Forma modal | Deformación espacial relativa | La escala normalizada no es la amplitud real de respuesta. |
| Frecuencia natural | Característica de oscilación de un modelo especificado | Importan la masa, la rigidez y las restricciones. |
| Respuesta forzada | Movimiento bajo una excitación especificada | También requiere excitación y amortiguamiento. |
Preguntas de ingeniería.
¿Un gráfico modal predice una deformación real?
Por sí solo, no. Su escala puede normalizarse de forma arbitraria.
¿Son idénticos los modos de pala y de torre?
No. Representan componentes diferentes, aunque un modelo ensamblado puede acoplarlos.
¿El nombre del material determina la frecuencia natural?
No. También importan la geometría, la distribución de masa y las restricciones.
¿1.59 Hz es un modo de pala MARSTON?
No. Procede de un ejemplo inventado de masa y resorte.
¿Puede la rotación modificar el estado modal?
Puede introducir efectos de inercia y pretensado que el modelo correspondiente debe representar.
¿Una sola frecuencia determina un resultado de fatiga o resonancia?
No. Siguen siendo necesarias la excitación, el amortiguamiento y otras condiciones de respuesta.
Consulta técnica
Consulte su cuestión técnica.
Un modo combina un patrón de deformación con una frecuencia bajo condiciones especificadas. Comparta el modelo y la información de funcionamiento o diseño aplicable para una consulta de ingeniería.