El ingeniero industrial Antonio Torres Elizondo (Pamplona, 1979) ha identificado el mecanismo físico responsable de una vibración de las palas detectada en un prototipo de aerogenerador de gran tamaño. Este fenómeno no podía reproducirse con los modelos de simulación empleados habitualmente durante el diseño de estas máquinas. El trabajo también ha permitido desarrollar modelos numéricos para representar este comportamiento y proponer estrategias destinadas a reducir las vibraciones y las cargas estructurales asociadas, ya que ambas pueden acelerar el desgaste de los componentes. Estos resultados forman parte de su tesis doctoral, defendida en la Universidad Pública de Navarra (UPNA).

El estudio responde a uno de los desafíos derivados del aumento progresivo del tamaño de los aerogeneradores. Para producir más electricidad, los nuevos modelos “incorporan palas de mayor longitud, torres más altas y estructuras más ligeras”, según Antonio Torres. Estas características permiten aprovechar mejor el viento, pero también hacen que las máquinas sean más flexibles y puedan verse afectadas por fenómenos dinámicos difíciles de anticipar, como resonancias o vibraciones que incrementan el esfuerzo soportado por sus componentes.

El origen de la tesis se encuentra en una campaña de monitorización realizada en un aerogenerador de gran tamaño para medir las cargas mecánicas que actuaban sobre su estructura durante el funcionamiento. Los registros revelaron una vibración inesperada de las palas a una frecuencia denominada 4P. Esta expresión indica que la oscilación se repite cuatro veces por cada vuelta completa del rotor (el elemento giratorio de la máquina).

La vibración observada provocaba “un aumento de las cargas estructurales”, pero no aparecía en las simulaciones aeroelásticas utilizadas para comprobar el diseño del aerogenerador antes de su puesta en servicio. Los modelos aeroelásticos estudian conjuntamente las fuerzas ejercidas por el viento y la deformación de los distintos componentes de la máquina.

La imposibilidad de reproducir el fenómeno mediante estas herramientas dificultaba tanto la identificación de sus causas como la búsqueda de medidas para evitarlo. Asimismo, este tipo de oscilaciones pueden acelerar la fatiga de las palas y otros elementos y reducir el tiempo en que está operativo, además de aumentar el riesgo de daños durante su vida útil.La interacción entre varios componentes

“La investigación ha permitido demostrar que la vibración observada no era consecuencia del comportamiento aislado de una pala, sino de la interacción dinámica entre distintos elementos del aerogenerador, como las palas, el rotor, la góndola, que es la estructura que contiene el generador, la torre y el sistema de orientación, encargado de mantener la máquina alineada con la dirección del viento”, afirma Antonio Torres.

Según los resultados del estudio, la vibración aparece por la combinación de tres factores: los denominados armónicos operacionales (fuerzas que se repiten periódicamente con el giro del rotor), los modos naturales de vibración del rotor y la respuesta del sistema que orienta el aerogenerador hacia el viento.

La investigación se centró en una forma concreta de vibración en la que las palas se flexionan en el mismo plano en el que gira el rotor. Aunque el rotor gira en una dirección, el movimiento conjunto producido por la vibración parece desplazarse en sentido contrario. El estudio de este comportamiento y de su relación con las fuerzas que se repiten durante el giro del aerogenerador ha permitido explicar la vibración detectada en la máquina.

El trabajo muestra así que determinados problemas dinámicos no pueden comprenderse estudiando cada componente por separado. Para reproducir lo que sucede durante la operación real, es necesario representar el comportamiento conjunto de toda la turbina y las conexiones existentes entre sus diferentes elementos.Nuevos modelos para reproducir la vibración

Para estudiar el fenómeno, Antonio Torres ha desarrollado modelos matemáticos específicos, simulaciones aeroelásticas y modelos multicuerpo. Estos últimos representan el aerogenerador como un conjunto de elementos conectados entre sí y permiten analizar cómo el movimiento de una parte influye en las demás.

Uno de los resultados del trabajo ha sido la creación de un modelo del sistema de orientación que incorpora dos propiedades mecánicas que no siempre se representan con suficiente detalle: la flexibilidad de sus componentes y las holguras existentes entre determinadas piezas. “Estos aspectos han demostrado ser determinantes en la aparición de la vibración”, apunta el investigador.

La incorporación de estos factores ha permitido reproducir mediante simulación el comportamiento observado durante las mediciones realizadas en el aerogenerador. El investigador también ha examinado cómo distintas configuraciones de la torre y del sistema de orientación pueden aumentar o reducir la respuesta vibratoria de las palas.

“Los resultados obtenidos contribuyen a mejorar las herramientas utilizadas por los fabricantes para diseñar y validar aerogeneradores y permiten identificar con mayor precisión fenómenos de resonancia que podrían aparecer durante la operación real, en los que determinadas vibraciones pueden amplificarse al coincidir con las frecuencias naturales de la máquina ─indica Antonio Torres─. Asimismo, proporcionan información valiosa para optimizar futuros diseños y reducir incertidumbres durante los procesos de validación”.Producción científica y transferencia tecnológica

Los resultados de la tesis, que ha combinado el desarrollo de modelos teóricos y simulaciones con datos obtenidos en aerogeneradores reales, han dado lugar a tres artículos científicos publicados en las revistas “Renewable Energy”, “Journal of Physics: Conference Series” y “Wind Engineering”. La investigación se ha presentado también en encuentros científicos celebrados en Hamburgo (Alemania), Florencia (Italia) y Jaca (Huesca), así como en seminarios del Instituto de Smart Cities (ISC) de la UPNA.

Además, la comprensión del fenómeno ha permitido desarrollar dos soluciones tecnológicas protegidas mediante solicitudes de patente europea. La primera propone introducir amortiguamiento en el sistema de orientación del aerogenerador para reducir la excitación que origina la vibración. La segunda consiste en una estrategia de control capaz de detectar niveles elevados de vibración y modificar automáticamente las condiciones de funcionamiento de la máquina para disminuir las cargas estructurales.

La tesis doctoral ha sido dirigida por tres profesores del Departamento de Ingeniería: Jokin Aginaga García, Aitor Plaza Puértolas (ambos, investigadores del Instituto ISC) y José Javier Gil Soto.Breve currículum

Antonio Torres se tituló en Ingeniería Industrial por la Universidad Pública de Navarra, donde, posteriormente, cursó el máster universitario en Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional.

El nuevo doctor por la UPNA desarrolla su actividad profesional en el sector eólico desde hace más de veinte años. Inició su trayectoria como ingeniero de energía eólica en MTorres y, después, se incorporó a Acciona Windpower, compañía hoy integrada en Nordex Group. En esta empresa, ha asumido distintas responsabilidades relacionadas con el cálculo de cargas estructurales, el estudio de vibraciones, la monitorización y la validación de aerogeneradores. Entre 2013 y 2019, fue responsable del área de cargas y monitorización. Actualmente, ocupa el puesto de ingeniero sénior experto en validación de cargas dentro del área global de ingeniería.

También participa como experto en grupos internacionales de normalización de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por sus siglas en inglés), relacionados con la validación de modelos computacionales y la medición de cargas mecánicas en aerogeneradores.