Evaluación de las aspas de aerogeneradores con la técnica de Ultrasonido por Arreglo de Fases (PAUT)

Introducción

El mantenimiento e inspección de las aspas de aerogeneradores o turbinas eólicas son significativas para asegurar la vida util y eficiencia de las turbinas. Los materiales compuestos, preferidos por su alta relación resistencia-peso y resiliencia contra factores ambientales, se utilizan comúnmente en la fabricación de estos componentes. Sin embargo, su estructura compleja plantea desafíos para la inspección.

El Ultrasonido de Arreglo en Fase (PAUT) ha surgido como un método potente de prueba no destructiva (NDT) para abordar estos desafíos, ofreciendo detalles profundos sobre la condición interna de las aspas de aerogeneradores de materiales compuestos sin causar daño.

La importancia de la inspección de las aspas de aerogeneradores

La inspección de las palas están sujetas a una variedad de factores estresantes como: cizallamiento del viento, exposición a UV, humedad y fluctuaciones de temperatura, que pueden causar diversas formas de degradación y fallo con el tiempo. La inspección regular es crucial para la detección a tiempo de posibles problemas, permitiendo reparaciones o reemplazos oportunos para evitar fallos catastróficos y maximizar la eficiencia del aerogenerador. Los métodos tradicionales de NDT a menudo no logran detectar efectivamente defectos dentro de las estructuras internas complejas de las aspas de materiales compuestos, haciendo esenciales técnicas avanzadas como PAUT.

Secciones de las aspas de aerogeneradores

Las aspas de aerogeneradores son estructuras mixtas, que incluyen principalmente el revestimiento, el ala y el alma de la viga (larguero) y otras unidades estructurales. Entre ellos, el ala y el alma de la viga o larguero son la estructura de soporte principal de toda la pala, que es responsable de controlar la rigidez general del aspa (rendimiento de deformación), resistencia máxima (rendimiento de rodamiento) y desempeño de resistencia al corte. Además, la estructura que no soporta carga o que soporta carga secundaria de la carcasa de piel se utiliza principalmente para formar la forma aerodinámica del aspa¹.

Materiales compuestos en aspas de aerogeneradores

Los materiales compuestos utilizados en las aspas de aerogeneradores típicamente consisten en capas de polímeros reforzados con fibra de vidrio o de carbono incrustadas en una matriz de resina. Estos materiales ofrecen excelentes propiedades mecánicas pero su heterogeneidad y anisotropía introducen complejidades en la detección de defectos. Delaminaciones, vacíos y rotura de fibras son problemas comunes que pueden impactar significativamente la integridad estructural y el rendimiento de las aspas.

En la figura 1, se muestra la forma típica de la estructura de las aspas de aerogeneradores construida con material de compuesto².

Entendiendo el Ultrasonido de Arreglo en Fase (PAUT)

PAUT es una técnica avanzada de ultrasonido que utiliza múltiples elementos ultrasónicos dispuestos en un arreglo. Cada elemento puede ser pulsado individualmente con tiempos controlados (fase), permitiendo que el haz de ultrasonido sea dirigido, enfocado y barrido a través del área de inspección. Esta flexibilidad permite una cobertura completa de geometrías complejas, como las encontradas en las aspas de aerogeneradores de materiales compuestos, y proporciona imágenes de alta resolución de la estructura interna.

El proceso de inspección por PAUT

El proceso de inspección con la técnica de ultrasonido por arreglo de fases implica varios pasos:

• Preparación de la superficie del aspa: La superficie de la pala se prepara para asegurar un contacto óptimo con la sonda de ultrasonido, a menudo requiriendo limpieza y la aplicación de un acoplante.
• Calibración del equipo: Se ajustan los diferentes parámetros del equipo con el objeto de que este muestre las diferentes vistas representativas del componente, con la sensibilidad necesaria y valores de resultados de ubicación y dimensionamiento correctos. Para la obtención de resultados confiables se requiere de una réplica del aspa a inspeccionar, que incluya fallas inducidas artificialmente, tales como porosidad, falta de unión o delaminaciones³.
• Escaneo: La sonda PAUT, conectada a un software sofisticado, se mueve sobre el aspa, emitiendo ondas ultrasónicas enfocadas que penetran el material compuesto.
• Adquisición de Datos: Los ecos devueltos por defectos o características dentro del material son capturados por la sonda y procesados por el software para crear imágenes detalladas de la estructura interna.
• Análisis: Especialistas analizan estas imágenes para identificar y evaluar cualquier defecto, utilizando sus características para determinar el tipo y la severidad de los problemas presentes.
• Reporte: Los hallazgos se documentan en informes detallados que incluyen la ubicación, tipo y severidad de los defectos detectados, junto con recomendaciones para acciones futuras.

En la figura 2, se muestra el montaje del ensayo PAUT de inspeccion de las aspas de una turbina eolica de un material compuesto (parte superior) y los resultados del barrido (parte inferior).

Tipos de Fallas en aspas de aerogeneradores de material compuesto

Las aspas de turbina de material compuesto son propensas a sufrir fallas que pueden ser el resultado del diseño del aspa o del proceso de fabricación. Entender los tipos de fallas que pueden ocurrir en palas de material compuesto es crucial para una inspección y mantenimiento efectivos:

• Delaminación: Separación entre capas de material compuesto, a menudo causada por fatiga o impacto, que puede llevar a una pérdida de integridad estructural.
• Rotura de Fibras: Roturas en las fibras de refuerzo, resultando en una reducción de la fuerza y rigidez de la pala.
• Arrugas: Las arrugas son defectos que suelen aparecer durante el proceso de fabricación de las aspas de los aerogeneradores. Las arrugas pueden surgir en varios lugares de la estructura, exhibiendo una variedad de formas diversas.
• Grietas en la Matriz: Grietas en la matriz de resina, que pueden permitir la entrada de humedad y llevar a una mayor degradación.
• Vacíos y Porosidad: Bolsas de aire o vacíos dentro del material compuesto, que pueden ocurrir durante la fabricación y debilitan la estructura del aspa.
• Erosión del Borde de Ataque y de Salida: Desgaste en los bordes del aspa debido a la exposición ambiental, impactando el rendimiento aerodinámico.

Es importante no sólo identificar y dimensionar estos defectos sino también caracterizar el ancho del adhesivo y su posición entre la viga y la carcasa⁴.

Ventajas de PAUT en la inspección de aspas de aerogeneradores

La técnica de ultrasonido por arreglo de fases ofrece varios beneficios sobre los métodos de inspección tradicionales, particularmente cuando se trata de materiales compuestos en la evaluación de aspas de aerogeneradores:

• Capacidades de detección mejoradas: La capacidad de enfocar y dirigir el haz de ultrasonido permite la detección de defectos pequeños y complejos que podrían ser pasados por alto por otros métodos.
• Alta Resolución: Las imágenes detalladas producidas por PAUT proporcionan una vista clara de la estructura interna, permitiendo una evaluación precisa del tipo y severidad de los defectos.
• Versatilidad: PAUT puede adaptarse para inspeccionar palas de varios tamaños y complejidades, haciéndolo adecuado para una amplia gama de turbinas.
• Eficiencia: Los tiempos de inspección más rápidos y la capacidad de procesar y analizar datos de inmediato agilizan el proceso de mantenimiento, reduciendo el tiempo de inactividad.

A continuacion se presenta un video explicativo de como relizar un escaneo ultrasónico robotizado de palas de turbinas eólicas (Fuente. Cortesia de: Aerones).

Desafíos y consideraciones

A pesar de sus ventajas, PAUT también presenta desafíos. La técnica requiere equipos especializados y operadores capacitados, representando una inversión inicial más alta que algunos métodos tradicionales. Además, la interpretación de datos PAUT puede ser compleja, necesitando un análisis experto para identificar y evaluar defectos de manera precisa en la evaluación de aspas de aerogeneradores.

Direcciones futuras

A medida que la energía eólica continúa creciendo, la demanda de métodos de inspección de palas eficientes y confiables aumentará. Innovaciones en la tecnología de ultrasonido por arreglo de fases, incluyendo avances en el diseño de transductores y algoritmos de procesamiento de datos, se espera que mejoren aún más sus capacidades. Además, integrar PAUT con otros métodos de NDT y análisis de datos podría proporcionar una comprensión más completa de la condición del aspa, habilitando estrategias de mantenimiento predictivo que minimizan el tiempo de inactividad y extienden la vida útil de las aspas.

Conclusión

El Ultrasonido de Arreglo en Fase representa un avance significativo en la inspección de aspas de aerogeneradores de material compuesto de turbinas eólicas. Su capacidad para proporcionar evaluaciones detalladas y precisas de estructuras internas lo convierte en una herramienta invaluable para asegurar la seguridad, confiabilidad y eficiencia de la producción de energía eólica. A medida que la tecnología evoluciona, PAUT está destinado a desempeñar un papel cada vez más vital en el mantenimiento y operación de turbinas eólicas, apoyando el crecimiento sostenible de la energía renovable.

Referencias

1. Hanwei Teng, Shujian Li, Zheng Cao , Shuang Li 1, Changping Li, and Tae Jo Ko. Carbon Fiber Composites for Large-Scale Wind Turbine Blades: Applicability Study and Comprehensive Evaluation in China; Consultado en fecha 08 de Marzo de 2024; https://www.mdpi.com/2077-1312/11/3/624
2. SOMIM. La Ingeniería Mecánica Impulsando el Desarrollo Nacional y la Innovación; Consultado en fecha 11 de Marzo de 2024; https://somim.org.mx/publicaciones/Libro_Ingenieria_Mecanica_Impulsando_el_Desarrollo_Nacional_ISBN.pdf
3. WAYGATE TECHNOLOGIES. 6 ways to simplify ultrasonic wind blade inspection; Consultado en fecha 11 de Marzo de 2024. https://dam.bakerhughes.com/m/30fbda04e28b2eb0/original/BHW-13970_UTSP_WindBlade_e-Book_Final.pdf
4. ANDRÉ LAMARRE. Inspection of Composite Turbine Blades with Ultrasonic Phased Array Technology; Consultado en fecha 08 de Marzo de 2024. https://www.windsystemsmag.com/inspection-of-composite-turbine-blades-with-ultrasonic-phased-array-technology/#:~:text=Conclusion-,Ultrasonic%20phased%20array%20can%20be%20used%20to%20inspect%20wind%20blades,can%20be%20detected%20and%20sized.