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Tesis:

Inestabilidad aeroelástica en catenarias con balizas esféricas

  • Autor: GÓMEZ ORTEGA, Omar

  • Título: Inestabilidad aeroelástica en catenarias con balizas esféricas

  • Fecha: 2021

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/68983/

  • Director/a 1º: FRANCHINI LONGHI, Sebastian Nicolas
  • Director/a 2º: SORRIBES PALMER, Félix

  • Resumen: Los cables de guarda que protegen las líneas de transmisión de energía eléctrica de alta tensión durante las tormentas presentan una inestabilidad registrada recientemente cuando el viento sopla longitudinalmente al cable y tiene instaladas balizas esféricas para la señalización del mismo a las aeronaves. Esta nueva inestabilidad consiste en la oscilación de las esferas en un plano transversal a la corriente (y al cable), ya sean oscilaciones, tanto horizontales como verticales, o un acoplamiento de ambas en forma de un movimiento de autorrotación. Este movimiento puede dañar tanto los apoyos como el propio cable, provocando un fallo en la red eléctrica. Por este motivo el estudio y compresión de este fenómeno es importante para poder reducirlo o suprimirlo. Para la comprensión del problema se han desarrollado dos modelos matemáticos, uno para describir el problema elástico y otro para el problema aerodinámico. El modelo elástico desarrollado ayuda a explicar el fenómeno observado en las líneas de los operadores, ofreciendo una solución muy aproximada del mismo. Por otra parte, el modelo aerodinámico, el cual está basado en las ecuaciones del movimiento incluyendo las fuerzas aerodinámicas, tiene en cuenta los cambios en el flujo provocados por la presencia del cable. Además este modelo proporciona las condiciones para que se produzcan tanto las oscilaciones de pequeña amplitud como la autorrotación. Tras el desarrollo de ambos modelos matemáticos, se han llevado a cabo dos campañas de ensayo para estudiar tanto la dinámica de una esfera en configuración de columpio, como para estudiar el efecto del cable sobre las fuerzas aerodinámicas que aparecen en una esfera estática. Los ensayos dinámicos han dado como resultado diferentes patrones de movimiento de la esfera en función de los diferentes parámetros que se han estudiado, como puede ser la flecha o el vano de la catenaria, el acabado superficial o la velocidad reducida entre otros. Durante estos ensayos, además de las oscilaciones de pequeña amplitud y la autorrotación aparecen patrones de movimiento de transición entre ambos. Los ensayos estáticos están en consonancia con los resultados publicados por otros autores. Además, en ciertos casos, aparece un fenómeno de intermitencia entre dos valores extremos en la fuerza lateral. La presencia del cable delante de la esfera provoca que las fuerzas aerodinámicas se orienten preferiblemente en el plano del cable. Además las intermitencias que aparecen en la fuerza lateral también están afectadas por el cable. ----------ABSTRACT---------- The guard cables, which protect the overhead power lines during storms, present an aeroelastic instability when the wind blows longitudinally to the cable and has spherical beacons installed on it. This new instability consists in the oscillation of the spheres in a transverse plane to the flow (and to the cable), in the horizontal or the vertical direction, or in an autorotation movement (coupling of the horizontal and vertical oscillations). This motion can damage the cable supports and the cable itself, causing a failure in the electrical power grid. For this reason, the study and understanding of this phenomenon is important in order to reduce or suppress it. To understand the problem, two mathematical models have been developed, one to describe the elastic problem and the other one the aerodynamic problem. The elastic model developed can explain the phenomenon observed in the power lines of the operators offering a very good approach. On the other hand, the aerodynamic model, which is based on the motion equations including the aerodynamic forces, considers the changes in the flow caused by the presence of the cable. In addition, this model provides the conditions for the appearance of small amplitude oscillations and whirling autorotation. After the development of the mathematical models, two test campaigns have been carried out to study the dynamics of a sphere in the swing configuration and the effect of the aerodynamic forces in a sphere respectively. The dynamic tests have shown the existence of several motion patterns of the sphere depending on the different parameters that have been studied, such as the sag or the span of the catenary, the surface roughness, or the reduced wind speed, among others. During these tests, in addition to small amplitude oscillations and whirling autorotation regimes, some transition regimes have appeared between them. The static tests are in line with the results reported by other authors. Furthermore, in certain cases, a phenomenon of intermittence has appeared between two extreme values in the lateral force. The presence of the cable in front of the sphere makes the aerodynamic forces to be oriented preferably in the plane of the cable. In addition, the intermittences that appear in the lateral force are also affected by the cable.