Cuando las olas se suman a la fuerza del viento

El transductor de fuerza S9M de HBM registra la carga que ejercen las olas sobre la estructura de los aerogeneradores marinos

Cada vez que rompe una ola contra un aerogenerador marino, se genera un golpe de presión que puede llegar a sobrecargar la estructura de soporte, incluso en aguas poco profundas. Con el fin de mejorar los métodos de dimensionamiento de las estructuras de armazón (también llamadas estructuras en forma de enrejado o "jackets"), se han llevado a cabo experimentos de modelización física en el canal de grandes olas del Centro de Investigación Costera (FZK) de Hannover, Alemania. El transductor de fuerza S9M ha permitido obtener resultados decisivos.

Pruebas de carga en uno de los canales de olas más grandes del mundo

Los picos de presión causados por las olas que arbolan y rompen violentamente (de "rompiente en voluta" o "plunging breakers") tienen una importancia crítica. Existen varios modelos analíticos que describen las cargas que este tipo de olas ejercen sobre postes redondos individuales. No obstante, estos modelos solo se pueden aplicar de forma limitada a las estructuras en forma de enrejado que se utilizan en los parques eólicos marinos. Estas limitaciones no son sorprendentes, teniendo en cuenta los distintos niveles de complejidad de estas estructuras en términos de condiciones hidrodinámicas.

Con el fin de mejorar los métodos de dimensionamiento de las estructuras de armazón sujetas a picos de presión repentinos, se han llevado a cabo experimentos de modelización física mediante un modelo a gran escala en el canal de grandes olas del FZK, dentro del programa de investigación HYDRALAB IV, financiado por la UE. Los experimentos fueron encargados por la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) de Trondheim y por la Universidad de Stavanger (UiS).

Con sus 320 metros de longitud, 5 metros de anchura y 7 metros de profundidad, el canal del FZK es uno de los más grandes del mundo. Para hacer un uso óptimo de la salida de 800 kW del generador de olas, se hizo un modelo a escala 1:8. Las olas que actuaban sobre la estructura a esta escala medían más de dos metros de altura. Las barras del armazón consistían en tubos de acero de 14 cm de diámetro. La estructura global tenía unas dimensiones de 2,4 x 2,4 x 4,9 m.

Todas las cargas se grabaron de manera metrológica

Para grabar metrológicamente los procesos hidráulicos y los efectos sobre la estructura tipo enrejado seleccionada, se instaló un gran número de transductores distintos en el canal de olas y en la propia estructura:

  • Se emplearon sensores de caudal y de nivel de las olas para medir las fluctuaciones en el nivel del agua y las condiciones de caudal frente a la estructura y en ella.
  • La reacción de la estructura a la carga de las olas se midió con transductores de fuerza y sensores de aceleración.
  • Un sistema de vídeo, sincronizado con el sistema de adquisición de datos de medición, proporcionaba información visual detallada sobre la naturaleza de las olas que rompían y la amplitud con que alcanzaban la estructura.

El gran desafío: medir la fuerza

Las distintas mediciones de la fuerza sobre la estructura planteaban dificultades especiales. Uno de los objetivos consistía en determinar cómo se reparte la carga entre determinados tubos del armazón. Otro consistía en determinar la fuerza total que actúa sobre los tubos individuales y sobre el conjunto de la estructura.

Durante el ensayo, los transductores de fuerza debían permanecer sumergidos de forma constante o intermitente; por ello, se emplearon transductores S9M de HBM con grado de protección IP 68 para determinar la distribución de la carga. Se instalaron hasta cuatro transductores de fuerza en tubos individuales de aluminio sólido. La carga perpendicular de las olas se midió en anillos de armazón de 5 cm de anchura, fijados a cada uno de los transductores de fuerza. Las mediciones individuales se utilizaron después para determinar la distribución de la carga sobre un tubo.

Se utilizaron cuatro transductores de fuerza del mismo tipo para determinar la fuerza horizontal resultante que actúa sobre la estructura. Para evitar derivaciones de fuerza, toda la estructura se ancló a soportes pendulares articulados; los transductores de fuerza se instalaron en los cuatro soportes pendulares en la dirección de impacto de la ola.

HBM desarrolló transductores bicomponente para medir las fuerzas resultantes en seis tubos seleccionados del armazón. Esos seis tubos se integraron en la estructura del enrejado utilizando dos transductores de fuerza en cada uno. Fue preciso desarrollar un diseño muy compacto, debido al diámetro especificado para los tubos del armazón (14 cm) y las elevadas fuerzas previstas (fuerzas laterales nominales de 20 kN en el transductor). Para evitar cargas de flexión en los transductores de fuerza, estos se unieron a la estructura mediante unas rótulas especialmente desarrolladas para la aplicación.

Contáctenos Contacte con HBM si desea saber más sobre lo que HBM le puede ofrecer.