Influencia de la orientación de fibras sobre la respuesta estructural inducida por adaptabilidad aeroelástica en palas de turbinas eólicas híbridas vidrio-carbono

Resumen

El incremento en el tamaño de las palas de aerogeneradores modernos ha intensificado las cargas aerodinámicas, inerciales y de fatiga, motivando el desarrollo de estrategias de control pasivo de cargas. Entre estas, la adaptabilidad aeroelástica (Aeroelastic Tailoring, AT) aprovecha la anisotropía de los materiales compuestos para inducir acoplamientos flexión–torsión, permitiendo que la pala se torsione ante incrementos de carga y reduzca el ángulo de ataque de manera pasiva. En este estudio se investiga numéricamente la influencia del ángulo de orientación de las fibras y del número de capas en la piel de una pala eólica de 61.5 m correspondiente a la turbina de referencia NREL de 5 MW. Se emplea una metodología basada en diseño de experimentos (DoE) y análisis por elemento finito (MEF) utilizando ANSYS®, considerando configuraciones híbridas de fibra de carbono bajo una condición aerodinámica representativa a 12 m/s. Los resultados muestran una alta sensibilidad de la torsión inducida al ángulo de orientación y al espesor del laminado, identificándose ángulos óptimos cercanos a 25°, 23° y 21° para 1, 2 y 3 capas, respectivamente, con torsiones máximas en punta de hasta 4.18°, asociadas a una reducción potencial de cargas estructurales. No obstante, las configuraciones con fibra de carbono en la piel presentan incrementos significativos en el índice de fallo y en las deformaciones por cortante, superando los criterios de resistencia normativa. Se concluye que la AT es efectiva para la mitigación pasiva de cargas, pero requiere un diseño estructural cuidadosamente balanceado para garantizar la integridad estructural de la pala