Una Revisión De Las Técnicas Ndt Para Turbinas Eólicas.docx

Una revisión de las técnicas NDT para turbinas eólicas

Máquinas de viento y molinos de viento tradicionales holandeses precedidos suministro de electricidad y se utilizaron para moler grano. Ellos eran siempre asistido, a veces habitado y, en gran medida, de forma manual revisado. Se integraron dentro de la comunidad, diseñado para el reemplazo frecuente de ciertos componentes y la eficiencia era de poca importancia. Las turbinas de viento tienen estado en uso desde 1941. La función de una generación de energía moderna turbina eólica es generar alta calidad, red electricidad de frecuencia Hay información y consejos sobre Ensayos no destructivos (END) de aerogeneradores en Europa e internacionalmente, sino porque la producción masiva de viento turbinas es bastante nuevo, sin estándares de fabricación sido establecido aún También hay una necesidad de estándares europeos, en la prueba, certificación y acreditación de turbinas y componentes. Los objetivos principales en este documento son revisar el estado actual de NDT de turbinas eólicas en la fabricación y en el servicio, y establecer los métodos NDT más prometedores para detectar defectos de mayor preocupación.

Introducción Históricamente, las máquinas de viento se utilizan para moler grano en Persia ya en el 200 aC Las turbinas eólicas han estado en uso desde 1941 cuando se conectó el primer aerogenerador de megavatios del mundo al sistema de distribución eléctrica local en Vermont, Estados Unidos. los función de una turbina eólica de generación de energía moderna es generar alta calidad, electricidad de frecuencia de red. Para dar un ejemplo de la escala de la industria hoy en día, hay más de 35,000 aerogeneradores en todo el mundo y el Reino Unido tiene el 40% del recurso eólico de Europa. El objetivo principal de este documento es proporcionar una revisión de la estado de NDT de las turbinas de viento, sobre la base de pruebas publicadas, en el tiempo de fabricación y en el momento de la inspección periódica. Si bien es bien sabido que la Emisión Acústica (AE) tiene éxito para detectar y monitorear fallas en turbinas eólicas, no es estrictamente un método NDT. Sin embargo, se considera en esta revisión.

Fabricantes Alemania, España y Dinamarca representaron casi el 80% del viento capacidad de potencia instalada en Europa en 2003 (1). Alemania continúa ser el líder en términos de megavatios (MW) acumulados y anuales turbinas eólicas instaladas. También ha habido un gran crecimiento en el Mercado español en los últimos años, pero Dinamarca sigue dominando el lado de fabricación de la industria en todo el mundo. Nueve de los diez principales fabricantes de turbinas son europeos y la energía eólica es una historia de éxito europea destacada, con Empresas europeas que fabrican más del 90% de las turbinas vendido en todo el mundo en 2002.

Tipos de aerogeneradores Las turbinas eólicas se pueden separar en dos tipos generales basados en eje sobre el cual gira la turbina. Turbinas que giran alrededor de un eje horizontal son los más comunes. Las turbinas de eje vertical son menos

usado frecuentemente. Las turbinas eólicas también se pueden clasificar por ubicación en el que deben ser utilizados. Hay viento en tierra y en alta mar turbinas

Eje horizontal Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) tienen el eje principal del rotor y generador en la parte superior de una torre, y debe ser apuntado en el viento de alguna manera. Pequeñas turbinas son apuntadas al viento por un veleta simple, mientras que las turbinas grandes generalmente usan un sensor de viento junto con un servomotor. La mayoría también tiene una caja de cambios, que gira la rotación lenta de las cuchillas en una rotación más rápida que es más adecuado para generar electricidad.

Costa afuera El hecho de que el agua tenga menos rugosidad superficial que la tierra significa la velocidad media del viento suele ser mayor en aguas abiertas. Esto permite las turbinas de alta mar utilizan torres relativamente más cortas sobre el agua superficie, haciéndolos menos visibles. El entorno offshore es, sin embargo, más caro en comparación con en tierra por las siguientes razones: q Las torres costa afuera son generalmente más altas cuando la altura sumergida también está incluido. q Las fundaciones extraterritoriales son más difíciles y más costosas construir. q La transmisión de potencia se realiza a través de un cable submarino, que es más costoso de instalar. q El ambiente costa afuera también es corrosivo y abrasivo. q Las reparaciones y el mantenimiento son mucho más difíciles. q Las turbinas eólicas marinas están equipadas con una gran corrosión medidas de protección como recubrimientos y protección catódica. q Las tensiones en las torres de aerogeneradores costa afuera también son mayores debido al estrés de las mareas

Diseño y construcción de turbinas La mayoría de las turbinas eólicas tienen rotores en contra del viento que se guían activamente hacia preservar la alineación con la dirección del viento. El rotor de tres palas es el más popular y, por lo general, tiene un cojinete delantero separado con una eje de baja velocidad conectado a una caja de engranajes que proporciona una salida velocidad adecuada para un generador de cuatro polos (consulte la Figura 1). Comúnmente, con las turbinas eólicas más grandes, el espaciado de la cuchilla variará continuamente bajo control activo para regular la potencia a mayor velocidades de viento operacionales (enrollado). Las estructuras de soporte son más comúnmente torres de acero tubulares disminuyendo de alguna manera, tanto en metal espesor de pared y en diámetro desde la base de la torre a la parte superior de la torre. Epoxybased los sistemas de resina dominan el mercado en la fabricación de cuchillas y El refuerzo de fibra de carbono se usa cada vez más en cuchillas grandes. En 2006, el foco de atención está en la tecnología en torno a por encima de la calificación de 2 MW y las turbinas comerciales ahora existen con alturas de más de 100 my diámetros de rotor de hasta 100 m. Diseños con el tono variable y la velocidad variable dominan el mercado mientras que el directo los generadores de accionamiento son cada vez más frecuentes.

Figura 1. Góndola abierta de la turbina eólica (de la industria eólica danesa Asociación)

Defectos y NDT en la fabricación Debido a que la producción en masa de turbinas eólicas es bastante nueva, no los estándares de manufactura se han establecido aún. Los esfuerzos son ahora hecho en esta área por parte del gobierno y fabricantes. Mientras que las turbinas eólicas de turno se utilizan para trabajar 90 por ciento de la época, todavía se encuentran muchos defectos estructurales, particularmente con las cuchillas. Las grietas a veces aparecen poco después de la fabricación. La falla mecánica, debido a errores de alineación y ensamblaje, es común. Los sensores eléctricos fallan frecuentemente debido a la potencia oleadas. Los frenos no hidráulicos tienden a ser confiables, pero hidráulicos los sistemas de frenado a menudo causan problemas.

Defectos de fabricación en las palas de la turbina Los defectos de fabricación pueden causar problemas durante el funcionamiento normal. Por ejemplo, las cuchillas pueden desarrollar grietas en los bordes, cerca del centro o en las puntas (Figura 2). Las palas del rotor de fibra de vidrio se consideran componentes más vulnerables de una turbina eólica (2). Los típicos defectos de fabricación en las cuchillas se pueden resumir como delaminaciones (Figura 3), defectos adhesivos y áreas con poca resina. Aquí hay algunos defectos específicos en ubicaciones particulares: q Piel / adhesivo: esta es una mala cohesión entre el laminado de la piel y el epoxi o el epoxi falta. q Adhesivo / larguero principal: esto es cuando no hay cohesión entre el adhesivo y el larguero principal. q Delaminación en el laminado principal del larguero. q Alta amortiguación en la piel o en el laminado del larguero principal, que podría ser causado por porosidades o cambio de espesor del laminado.

Defectos de fabricación en la torre Una torre tubular está hecha de muchas láminas de hierro que están soldadas juntos. Una brida está soldada en cada extremo de las secciones. los la soldadura se verifica minuciosamente con NDT ultrasónico.

Figura 2. Boceto de la sección de la cuchilla (coordenadas locales)

Técnicas NDT en fabricación 5.3.1 Inspección visual Se utilizan métodos de prueba NDT relativamente avanzados para examinar el rotor cuchillas. Los métodos empleados incluyen pruebas de penetración y visual inspección con el uso de cámaras en miniatura o endoscopios. En la actualidad, parece que los componentes mecánicos no están probados en la fabricación, pero se puede determinar la causa de su daño. Por ejemplo, los endoscopios se utilizan para la inspección visual de transmisiones de engranajes planetarios. Sin embargo, los componentes dañados son generalmente examinado en un laboratorio de materiales. 5.3.2 NDT ultrasónico Se puede realizar una prueba ultrasónica para investigar si hay algún daño está presente en la pala de la turbina eólica. La inspección ultrasónica revela estos defectos de forma rápida, confiable y efectiva, y es la más frecuente método de inspección compuesto no destructivo utilizado en la industria. los La principal ventaja de la exploración por ultrasonido es que nos permite ver debajo de la superficie y verifique el laminado para fibra de vidrio seca y delaminación

Prueba de toque La prueba de tap puede usarse para verificar algunos de los resultados del prueba ultrasónica y también es un buen método para descubrir irregularidades en la estructura El método se basa en el hecho de que el sonido emitido cuando golpea la estructura cambia cuando el espesor o cambios en el tipo de material o cuando las porosidades están presentes. Podria también se debe a que hay una separación entre el laminado de la piel y el larguero principal. Hay tres tipos de equipos de prueba de tap; un martillo perforador manual, el bondteador portátil 'Woodpecker' y el sistema de probador de grifo asistido por computadora (CATT). Todos los métodos de toque automático tienen la ventaja de que pueden producir una impresión del área dañada, que es útil y una registro permanente del daño encontrado. Todos los métodos de tapping funcionan bien para laminados delgados, estructuras de panal y otros paneles sándwich pero no son tan efectivos en piezas más gruesas.

Termografía infrarroja Las uniones adhesivas son puntos críticos en la estructura de la cuchilla. Es decir por qué son inspeccionados con especial cuidado. Escáneres infrarrojos (IR) se utilizan para examinar la cuchilla en toda su longitud, midiendo exactamente los mismos puntos cada vez. El escáner puede ver a través de el laminado y revise la junta adhesiva. Registra la temperatura diferencias en el adhesivo, posiblemente identificando fallas, y toma una serie de imágenes. Si hay dudas, se puede resaltar un punto y luego se analizó usando procesamiento electrónico de imágenes. Si los defectos son encontrado, casi siempre se pueden reparar de inmediato.

Defectos y NDT en servicio Como la fuerza del viento es tan irregular, el mecanismo de conducción de una turbina eólica está sujeta a cargas dinámicas mucho mayores. prácticamente todos los componentes de una turbina eólica están sujetos a daños, incluidos todo, desde las palas del rotor hasta el generador, transformador, góndola, torre y cimientos. Las turbinas eólicas tienen programas de mantenimiento regulares para para minimizar la falla Se someten a inspección cada tres meses, y cada seis meses se programa un chequeo de mantenimiento importante. Esto generalmente implica lubricar las partes móviles y verificar el nivel de aceite en la caja de cambios. También es posible que un trabajador pruebe el sistema eléctrico en el sitio y tenga en cuenta cualquier problema con el generador o conexiones.

Defectos en las palas de la turbina Los defectos en el servicio se han identificado en el siguiente informe: Risø-R-1391 (ES) 'Identificación de tipos de daños en el viento Láminas de turbina probadas para fallar 'Christian P. Debel, AFM. ISBN 87-550-3178-1; ISBN 87-550-3180-3 (Internet) ISSN 0106-2840.

Defectos en la torre Para torres de aerogeneradores, la carga de viento se considera la carga principal. El análisis del daño en la mayoría de las torres muestra que ocurre bajo un viento de intensidad media, y la razón es fallas de fatiga (Figura 4). La cantidad de secciones que son peligrosas desde punto de vista de la fatiga se determina durante el diseño de la estructura.

Defectos en los rodamientos del rotor Los esfuerzos cíclicos fatigan la cuchilla, el eje y el material del cojinete, y fueron una causa importante de falla de la turbina durante muchos años. Cuando la turbina gira para hacer frente al viento, las cuchillas giratorias actúan como una giroscopio. A medida que gira, la precesión giroscópica intenta torcer el turbina en un salto mortal hacia delante o hacia atrás. Para cada cuchilla en turbina de generador de viento, la fuerza de precesión es mínima cuando la cuchilla es horizontal y máxima cuando la cuchilla está vertical. Esta torsión cíclica puede fatigar rápidamente y agrietar las raíces de la cuchilla, eje y eje de la turbina. Descascarado (fragmentación en fragmentos) de los cojinetes del eje del rotor puede dar como resultado anillos rotos y, en algunos casos, la revolución del los anillos internos alrededor del eje causan grietas en el eje que pueden resultar en una pérdida total de la turbina. La figura 5 ilustra lo que puede suceder cuando los cojinetes del rotor fallan (en este caso, las palas aterrizaron 1 km) lejos después de haber cruzado una carretera)

Defectos en los rodamientos de la transmisión Las pistas de rodadura de los rodamientos de rodillos (generalmente rodillo autoalineador) rodamientos) del eje de baja velocidad puede desarrollar desprendimiento sobre la totalidad circunferencia de la pista de rodadura y temperaturas excesivamente altas puede dañar los cojinetes del eje de alta velocidad. Daño en el canal puede afectar negativamente la transmisión de fuerzas a los engranajes. 6.5 Defectos en los engranajes Con frecuencia, raspando a lo largo de la línea de acción, así como insatisfactorio patrones de contacto de los dientes se encuentran. Condiciones muy cargadas dar como resultado astillado o micropicado.

Defectos en los cojinetes del generador El deslizamiento y el desgaste del cojinete del generador pueden causar anillos para rotar alrededor del eje hasta el punto en que el rotor hace metal contacto de metal 6.7 Defectos en los componentes eléctricos Los defectos en el sistema eléctrico también pueden ocasionar la interrupción del viento turbina. A menudo, bobinas, cortocircuitos y sobretensiones del generador dañados daños a los controladores y componentes electrónicos, así como a daños a los transformadores y el cableado se encuentran. 6.8 técnicas NDT en servicio No hay muchas técnicas NDT usadas en el servicio, pero es bien sabido que AE es capaz de localizar y controlar tanto el alto daño regiones y defectos en la estructura de la cuchilla. 7. Resultados publicados de estudios de investigación en NDT 7.1 Emisión acústica Se ha realizado una gran cantidad de trabajo en AE desde 1993 (3). UN prueba de fatiga de una pala de turbina eólica que se llevó a cabo en el El Laboratorio Nacional de Energía Renovable muestra que las pruebas de fatiga de grandes palas de aerogeneradores FRP pueden ser monitoreadas por técnicas de AE y que el monitoreo puede producir información útil (4). AE procedimientos de prueba, desarrollados durante una prueba de cuchilla de laboratorio programa, se han aplicado a una turbina eólica en servicio en 2003 (5). En el marco del programa de energía no nuclear, JOULE III de 1998 a 2002 (6), los socios con éxito desarrolló una metodología para la evaluación de integridad estructural de las palas de las turbinas eólicas, ya sea en servicio o durante la certificación prueba, basada en el monitoreo de emisiones acústicas durante la estática o carga de fatiga En el marco de JOULE III, especializado software de reconocimiento de patrones para análisis de datos AE y turbina eólica

se ha desarrollado una evaluación automática de integridad estructural.

Prueba a escala completa de la pala de la turbina eólica a la falla Una pala de turbina eólica de 25 m se probó al fallo cuando se sometió a una carga de aleta (7). Con la configuración de prueba, fue posible probar la cuchilla a falla en tres ubicaciones diferentes. El objetivo de estos pruebas es aprender cómo falla una pala de turbina eólica cuando está expuesta a una gran carga de aleta y cómo se propagan las fallas. El informe también muestra resultados de la exploración ultrasónica de la superficie de la cuchilla y se ve que es muy útil para la detección de defectos, especialmente en la capa entre el laminado de la piel y la carga llevando el larguero principal. AE se utilizó con éxito como sensor para el detección de daños en la cuchilla durante la prueba. 7.3 Detección inalámbrica de grietas de delaminación internas en CFRP En este estudio, un sistema inalámbrico que usa un pequeño circuito de oscilación para se propone la detección de la deslaminación de compuestos de carbono / epoxi (8). Un pequeño circuito de oscilación está unido al componente compuesto. Cuando ocurre delaminación del componente, resistencia eléctrica cambios, que causa un cambio en la frecuencia de oscilación de la circuito. Dado que este sistema usa la estructura compuesta en sí misma como sensor y el circuito oscilante es muy pequeño, es aplicable a componentes giratorios. El método inalámbrico se encuentra con éxito detectar la delaminación incrustada y estimar el tamaño del delaminación 7.4 Técnicas de control de la salud estructural para el viento cuchillas de turbina Estos experimentos indican la viabilidad de usar piezocerámico parches para excitación y un vibrómetro Doppler láser de escaneo o parches piezocerámicos para medir la vibración y detectar daños (9). Pruebas adicionales de diferentes daños menores y tipos de el daño es necesario para verificar la sensibilidad de los métodos. los método de comparación resonante se puede utilizar para daño operacional detección mientras que el método de forma de deflexión operacional produce contornos no simétricos que son una forma fácilmente interpretable de detectar daños en una estructura que no se mueve. 7.5 Termografía infrarroja para la monitorización del estado de álabes de turbina de viento compuesto La termografía infrarroja tiene el potencial de proporcionar campo completo técnicas sin contacto para la inspección de turbina eólica cuchillas (10). Para la aplicación a álabes de turbina, la sensibilidad del la imagen térmica ha demostrado ser adecuada para no destructivos examen durante la prueba de fatiga; además, se cree que para las cuchillas in situ, las condiciones de carga del viento pueden ser suficientes para crear efectos detectables por imágenes térmicas.

Estándares La certificación del proyecto puede realizarse en un grado bajo la Internacional Comisión Electrotécnica (IEC) -CAP estándar. Sin embargo, el estándar CAP no es suficiente tal como está. Alta calidad y la estandarización y certificación eficiente son vitales dado el número de tipos de turbinas Los estándares diseñados para un segmento de mercado pueden ser inapropiado en otro, y los estándares en todos los segmentos deberían normalmente se limita a los estándares esenciales de operación y seguridad. Los estándares que se perciben como faltantes de alguna manera necesitan ser identificadas y acciones apropiadas para nuevos estándares y investigación de antecedentes iniciada. También existe la necesidad de desarrollar categorías de tipo de turbina en base a ISO / IEC y CEN / Cenelec

estándares. 8.1 En la fabricación En el momento de la fabricación, los estándares de inspección deben ser diseñado para detectar fallas de fabricación (que a menudo son bastante diferente de los defectos en el servicio) y para garantizar que las turbinas eólicas se fabrican correctamente

Actividades de estándares internacionales La Asociación Estadounidense de Energía Eólica (AWEA) es la reconocida organización de la industria estadounidense para el desarrollo de estándares. AWEA mantiene contacto con el desarrollo de normas IEC actividades a través de la participación de los miembros del personal y la industria representantes en los subcomités de estándares TC-88. Actualmente existen estándares publicados sobre seguridad requisitos para grandes aerogeneradores, pequeños sistemas de turbinas eólicas, técnicas de medición de emisiones acústicas y rendimiento técnicas de medición (ver también www.ansi.org). 8.3 Normas europeas El estado actual de los estándares europeos en relación con las turbinas de viento se resume en la Tabla 1.

Conclusiones Hay una necesidad de desarrollar: q Normas europeas para uso de desarrolladores, inversores y compañías de seguros sobre el riesgo, la viabilidad económica, el rendimiento, fiabilidad, y propietarios y gestores de parques eólicos. q sistemas europeos de certificación y acreditación de componentes, turbinas y proyectos, incluidos los estándares para el END de componentes y turbinas, particularmente para NDT en servicio. 10. Agradecimientos Los autores desean agradecer a Jacobi Consulting Ltd por su financiación este estudio y dando permiso para publicar esta revisión. El lleno informe puede ser obtenido por solicitud escrita a Jacobi Consulting Limitado.