Detección de daño en pala de turbina eólica mediante análisis de parámetros modales.
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Date
2025
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
La industria del procesamiento de minerales enfrenta actualmente dos desafíos críticos: la disminución progresiva de las leyes de mineral y la creciente escasez de agua fresca. Este último ha sido abordado mediante un aumento en la recirculación de agua de proceso, lo que conlleva una disminución en su calidad debido a la acumulación de especies indeseadas, como floculantes residuales de tipo poliacrilamida (PAM). La presencia de estos reactivos puede afectar negativamente la flotabilidad de minerales valiosos como los sulfuros de cobre y alterar sus interacciones con minerales de ganga como la caolinita.
Detección de daño en pala de turbina eólica mediante análisis de parámetros modales. La industria eólica enfrenta el desafío crítico de optimizar los costos de operación y mantenimiento, especialmente en componentes expuestos a condiciones extremas como las palas de los aerogeneradores. Este trabajo desarrolla y valida una metodología de detección de daño estructural en una pala de turbina eólica de baja potencia (900 mm) mediante un enfoque híbrido que integra el Análisis Modal Experimental (EMA), simulaciones por el Método de Elementos Finitos (FEM) y Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). La metodología comenzó con la digitalización geométrica de la pala mediante escaneo 3D y la calibración de sus propiedades materiales a través de ensayos estáticos y dinámicos. Posteriormente, se desarrolló un modelo numérico en ANSYS para simular las condiciones aerodinámicas mediante CFD, identificando las zonas de máximo esfuerzo donde se introdujeron grietas controla das de magnitud variable. Los resultados demostraron que la presencia de daño induce una degradación medible en la rigidez global, manifestada en la disminución de las frecuencias naturales y alteraciones en la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF), específicamente cambios de fase entre el segundo y tercer modo. Se determinó que los modos de mayor orden (destacando los modos 3 y 6) actúan como indicadores de sensibilidad, registrando variaciones máximas cercanas al 2.6%. Finalmente, mediante la aplicación del Índice de Diferencia de Forma Modal (MSDI), se logró localizar con precisión espacial el defecto, estableciendo un umbral de detectabilidad confiable para grietas superiores al 15% de la longitud de la cuerda.
The wind energy industry faces the critical challenge of optimizing operation and maintenance costs, particularly for components exposed to extreme conditions such as wind turbine blades. This work develops and validates a methodology for structural damage detection in a small-scale wind turbine blade (900 mm) using a hybrid approach that integrates Experimental Modal Analysis (EMA), Finite Element Method (FEM) simulations, and Computational Fluid Dynamics (CFD). The methodology began with the geometric digitization of the blade via 3D scanning and the calibration of its material properties through static and dynamic tests. Subsequently, a numerical model was developed in ANSYS to simulate aerodynamic conditions using CFD, identifying zones of maximum stress where controlled cracks of varying magnitude were introduced. The results demonstrated that the presence of damage induces a measurable degradation in global stiness, manifested by a decrease in natural frequencies and alterations in the Frequency Response Function (FRF), specifically phase shifts between the second and third modes. It was determined that higher-order modes (highlighting modes 3 and 6) act as sensitivity indicators, registering maximum variations close to 2.6%. Finally, through the application of the Mode Shape Diference Index (MSDI), the defect was successfully spatially localized, establishing a reliable detectability threshold for cracks exceeding 15% of the chord length.
The wind energy industry faces the critical challenge of optimizing operation and maintenance costs, particularly for components exposed to extreme conditions such as wind turbine blades. This work develops and validates a methodology for structural damage detection in a small-scale wind turbine blade (900 mm) using a hybrid approach that integrates Experimental Modal Analysis (EMA), Finite Element Method (FEM) simulations, and Computational Fluid Dynamics (CFD). The methodology began with the geometric digitization of the blade via 3D scanning and the calibration of its material properties through static and dynamic tests. Subsequently, a numerical model was developed in ANSYS to simulate aerodynamic conditions using CFD, identifying zones of maximum stress where controlled cracks of varying magnitude were introduced. The results demonstrated that the presence of damage induces a measurable degradation in global stiness, manifested by a decrease in natural frequencies and alterations in the Frequency Response Function (FRF), specifically phase shifts between the second and third modes. It was determined that higher-order modes (highlighting modes 3 and 6) act as sensitivity indicators, registering maximum variations close to 2.6%. Finally, through the application of the Mode Shape Diference Index (MSDI), the defect was successfully spatially localized, establishing a reliable detectability threshold for cracks exceeding 15% of the chord length.
Description
Tesis presentada para optar al título de Ingeniero/a Civil Aeroespacial.
Keywords
Turbinas eólicas, Método de elementos finitos, Mantenibilidad (Ingeniería)