aero generador de eje horizontal

Análisis aerodinámico y estructural de un aerogenerador de eje horizontal

Anzaldo Muñoz Gonzalo

Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Ticomán, Avenida San José Ticomán número 600, Delegación Gustavo A. Madero, México, D.F, C.P. 07340

Resumen En este trabajo se presenta el uso de las herramientas del software de análisis y simulación ANSYS, en particular se utilizaron los módulos dedicados al análisis de la dinámica de fluidos (CFD) y análisis estructurales estáticos (Mechanical), cada uno enfocado en el diseño y estudio de un aerogenerador de eje vertical. El diseño de este aerogenerador se realizó con base en las turbinas eólicas tipo Savonius. La sencillez de este tipo de máquinas eólicas permite su producción a un menor costo y la posibilidad de extender esta tecnología para la producción de energía eólica a precios asequibles.

Figura 1: Generador Savonius

Las simulaciones para la dinámica de fluidos fueron realizadas en el software ANSYS Fluent y CFX en 2 y 3 dimensiones, respectivamente; los análisis estructurales se realizaron empleando Mechanical, y la interacción fluido-estructura se realizó utilizando Workbench. Se emplearon diferentes valores de velocidad (4, 6, 8,10 y 12 m/s), y para cada valor se obtuvieron los esfuerzos originados sobre la geometría del aerogenerador. De igual manera, se llevó a cabo un análisis modal del generador Savonius y de la turbina de eje vertical, con el fin de encontrar las frecuencias naturales y modos de vibración libre.

Las pruebas en túnel de viento se realizaron con el propósito de obtener la distribución de presiones alrededor de las palas del generador Savonius, y las pruebas de túnel de humo se llevaron a cabo con el fin de obtener una visualización del flujo alrededor de esta turbina eólica. Introducción El viento es una fuente de energía gratuita, limpia e inagotable. Ha sido ocupada desde siglos como fuente de energía alternativa. Por otra parte, la abundante cantidad de vientos y la constancia de éstos, presentan a la generación eólica una buena opción para producir electricidad. Este trabajo contempla el diseño preliminar y análisis de una turbina eólica de eje horizontal, en la perspectiva de generar la base para poder desarrollar un prototipo real, y posteriormente partir hacia otros rumbos como los costos, tanto de crear el prototipo y que este pueda posibilitar el abastecimiento de energía eléctrica. Metodología Cuando se pretende realizar algún análisis, ya sea aerodinámico o estructural, la metodología a seguir está basada en 5 pasos, los cuales se muestran en el siguiente diagrama:

Figura 2: Metodología en los análisis En el presente trabajo, los análisis efectuados los podemos clasificar de acuerdo a nuestro elemento de análisis, que en este caso puede ser la turbina de eje vertical (generador Savonius) o el aerogenerador de eje horizontal.

Geometría

Creación y generación de mallas

Condiciones de frontera

Simulación computacional

Visualización de resultados

Primeramente, se realizaron los análisis en el software CFX; posteriormente, mediante herramientas en el programa ANSYS Workbench, se exportaron los resultados obtenidos en el análisis de fluidos (distribución de presiones) al módulo de análisis estructural, con el fin de obtener los esfuerzos originados en la turbina de eje vertical (para nuestro caso de estudio, se obtuvieron las deformaciones totales, los esfuerzos de Von Mises y los esfuerzos cortantes bajo diferentes valores de velocidad y rotación del aerogenerador) Aerogenerador de eje horizontal Savonius No es mucha la literatura que se ha publicado sobre el análisis experimental y numérico del rotor Savonius y su utilización. Sin embargo, el desarrollo de un rotor de este tipo está estrechamente relacionado con la investigación y la utilización del efecto Magnus. En la actualidad, existe un constante interés por los aerogeneradores tipo Savonius, el cual, se mantiene hasta nuestros días. Una razón para esto radica en las ventajas que el rotor Savonius ofrece:

1) Simple, fácil de construir y un diseño de bajo costo

2) Par de arranque muy alta que les da ventaja de corte bajo en la velocidad del viento,

3) Diseño que permite su funcionamiento incluso a altas velocidades del viento (cuando la mayoría de la alta velocidad debe ser detenido por razones de seguridad).

4) Está demostrado que el rotor Savonius es más resistente a la tensión mecánica que a

cualquier velocidad alta HAWT.

5) La capacidad de operar independientemente de la dirección del viento,

6) Bajo nivel de ruido. La geometría de este tipo de turbina eólica consiste en dos palas con forma de semicilindros, limitadas en su parte inferior y superior por tapas circulares. Existen diferentes configuraciones para este tipo de turbinas, siendo las más comunes las siguientes:

Figura 3: Configuraciones de aerogeneradores tipo Savonius

El rendimiento de este tipo de turbinas eólicas está en función del valor de la velocidad periférica de la pala; en la siguiente figura, se puede observar la relación existente entre diferentes tipos de máquinas eólicas:

Figura 4.1: Comparativa entre diferentes tipos de aerogeneradores eólicos y el límite de Betz. Objetivos de diseño

a) Lograr obtener un buen rendimiento mecánico, en los términos de las características de arranque y número de revoluciones alto de las palas. Si estos parámetros se cumplen, podemos garantizar la libre capacidad de arranque del aerogenerador para bajas velocidades del viento.

b) Obtener un bajo costo de la fabricación de las palas; este sin duda es un requisito

fundamental para la aplicación exitosa del aerogenerador de eje horizontal.

c) La simplicidad de la construcción es también una característica muy importante. Los rotores tipo Savonius sufren de la imposibilidad de cambiar su número de rpm de giro. Este atributo corresponde a la falta de un mecanismo, fenómeno que ocurre en la mayoría de los pequeños aerogeneradores de viento convencionales de baja potencia. Por otra parte, esto permite la construcción mucho más simple y por lo tanto es favorable en términos de los costos y mantenimiento.

d) La fiabilidad y la durabilidad del aerogenerador están dando una gran importancia

en el diseño futuro. Una vez instalado, el propósito del sistema de viento es funcionar por años sin ningún tipo de reparaciones importantes, aparte de la comprobación anual y el procedimiento de mantenimiento regular.

e) El uso de piezas recicladas debe también considerarse seriamente como una

estrategia para la política de reducción de costos. Las características de simplicidad del rotor Savonius no requieren la demanda de construcción especial ni de una elaboración precisa, como en el caso de los álabes de la turbina de viento convencionales. Por lo tanto, tubos de plástico o de aluminio, armaduras de acero o alternadores de automóviles podrían ser utilizados para diseñar el rotor.

Teniendo en cuenta los objetivos establecidos previamente, se tomó en cuenta para el diseño preliminar de las palas, un clásico perfil Savonius debido a la simplicidad del diseño.

Figura 4.2: Funcionamiento de diferentes tipos de turbinas eólicas: rotación de cilindros, rotor Savonius.

Geometría Las dimensiones de las palas que componen el aerogenerador de eje horizontal se pueden apreciar en la siguiente figura; las medidas están dadas en milímetros: Dimensiones de la pala

Figura 5: Dimensionamiento de la pala del aerogenerador, con vista de la sección transversal para la apreciación de los semicilindros que componen las palas.

- Dimensiones del soporte del aerogenerador

Figura 6: Dimensiones del soporte de las palas del aerogenerador

Materiales El aerogenerador se analizó utilizando 2 diferentes materiales: aluminio y acero. Las propiedades de cada uno de estos materiales se pueden apreciar en las siguientes tablas:

Propiedades de los materiales a utilizar

Propiedad Aluminio Acero Módulo de Young (Pa) 7.1e10 2.e11

Relación de Poisson 0.33 0.3 Módulo de compresibilidad (Pa) 6.9608e10 1.6667e11

Módulo al corte (Pa) 2.6692e10 7.6923e10 Esfuerzo permisible (Pa) 150e6

El aerogenerador completo tiene las siguientes propiedades de masa y volumen:

Aerogenerador de eje horizontal Propiedad Aluminio Acero

Volumen (m3) 4.3995e-3 m³ Masa (kg) 12.187 34.536

Utilizando como material de fabricación al acero, el volumen de nuestro aerogenerador no se modificó; sin embargo, debido a la densidad de este material, la masa del aerogenerador aumento de manera considerable (más de doble, comparado con el aluminio). Análisis en CFX Descripción del tipo de flujo Para la simulación realizada en CFX, los parámetros del aire fueron tomados de la atmosfera normales a nivel medio del mar (presión, temperatura y viscosidad). Con el fin de obtener los valores de presión y velocidad para diferentes ángulos, la velocidad se dio a través de sus componentes en direcciones x e y aplicados en los límites del dominio. Modelo de turbulencia empleado El modelo de turbulencia empleado en todas las simulaciones fue el RNG (grupo re-normalizado), que tiene entre otras ventajas el que la convergencia sea estable y eficaz, en donde la geometría tiene una fuerte curvatura (como es el caso del aerogenerador tipo Savonius, que se puede apreciar claramente en su sección transversal). Por definición, el modelo RNG es el tipo k-ε, modelo derivado de las ecuaciones instantáneas de Navier-Stokes. El método para este modelo básico consiste de un simple procedimiento iterativo para eliminar los remolinos más pequeños y la sustitución del efecto medio de los remolinos más grandes que quedan por el aumento de la viscosidad. Al igual que otras técnicas, esta es otra manera de amortiguar los remolinos más pequeños. La ecuación resultante se reajustará mediante un procedimiento iterativo hasta dos iteraciones sucesivas.

Generación de la malla La malla utilizada en el análisis en CFX fue no estructurada, debido a la complejidad de los componentes del aerogenerador y a las ventajas que nos ofrece el utilizar este tipo de mallas cuando se trata de análisis en CFD; la malla se puede apreciar en la siguiente figura:

Figura 7: Detalle de la malla ejecutada durante el análisis en CFX

En total, el número de nodos y elementos generados se muestran en la siguiente tabla:

Parámetro Valor Número de nodos 102573

Número de elementos 562586 Condiciones de frontera Se identificaron las zonas que funcionarían como entrada, salida y paredes para nuestro volumen de control; las caras pertenecientes al aerogenerador pertenecieron al tipo “Wall”:

Figura 8: Detalle de las condiciones de frontera utilizadas en nuestro volumen de control; la distancia

existente entre la entrada de flujo y el aerogenerador fue seleccionada de manera tal que no se presentara el fenómeno de frenado del fluido.

Análisis en Mechanical Generación de la malla Para la geometría utilizada en el análisis de esfuerzos, se utilizó una malla no estructurada, con un refinamiento en las palas a fin de obtener mayor precisión en los resultados obtenidos durante los análisis; la malla se puede apreciar en la siguiente figura:

Figura 9: Malla originada para el análisis de esfuerzos en Mechanical En total, para esta malla se generaron los siguientes nodos y elementos:

Parámetro Valor

Número de nodos 103843 Número de elementos 52400

Condiciones de frontera La presión ejercida en el aerogenerador se importó de los análisis realizados previamente en CFX; para realizar este paso, se creó la siguiente relación entre la solución obtenida en CFX y las condiciones de frontera a utilizar en el análisis estático:

Figura 10: Relación establecida entre CFX y el análisis estructural en Mechanical

Para obtener los valores de presión sobre el aerogenerador, fue necesario seleccionar las caras de interés en nuestro aerogenerador; posteriormente, se indicó a partir de que condición de frontera teníamos que importar estos datos. Los resultados obtenidos de este paso se pueden apreciar en la siguiente figura:

Figura 11: Presión importada alrededor del aerogenerador, para U = 8 m/s

Mediante un acercamiento a una de nuestras palas, fue posible observar los vectores de presión distribuidos alrededor de nuestra geometría; en la siguiente figura podemos observar estas líneas de presión:

Figura 12: Detalle de la presión alrededor de una de las palas del aerogenerador, para U = 4 m/s

Además de contar con estos valores de presión (carga sobre nuestra geometría), el aerogenerador fue empotrado en la sección donde se colocaría posteriormente la flecha que permitiría transformar la energía mecánica en eléctrica; el aerogenerador además, fue sometido a diferentes valores de velocidad angular. En la siguiente figura, podemos observar las condiciones de frontera utilizadas en este caso.

Figura 13: Condiciones de frontera en el análisis de esfuerzos efectuado en Mechanical

Modelo de palas giratorias Para el modelo de palas giratorias, además de utilizar un valor de velocidad angular para el soporte, se dio movimiento a las palas que componen el aerogenerador de eje horizontal, como se puede apreciar en la siguiente figura:

Figura 14: Condiciones de frontera para el aerogenerador con palas móviles

Análisis modal Geometría

Figura 15: Geometría de una pala y del aerogenerador de eje horizontal completo

Malla Nuevamente, para este tipo de análisis se utilizó una malla no estructurada; las estadísticas en cuanto al número de nodos y elementos utilizados se pueden apreciar en la siguiente tabla:

Parámetro Valor Número de nodos 111941

Número de elementos 55963

Condiciones de frontera Puesto que en este tipo de análisis nos interesa obtener el valor de la frecuencia natural y los modos de vibración de las palas y el aerogenerador completo, solo fue necesario indicar en este caso el lugar en donde nuestras geometrías quedarán empotradas. En la siguiente figura se puede apreciar esta condición aplicada a cada geometría:

Figura 16: Condiciones de frontera utilizadas en los análisis modales Resultados El aerogenerador de eje horizontal se analizó bajo diferentes valores de velocidad específica; a partir de esta velocidad, se determinaron los valores de esfuerzos y deformaciones máximas generadas en nuestro aerogenerador.

- Caso 1: U = 4 m/s

Condiciones de frontera En nuestro primer caso, el valor de la relación de velocidad específica fue de 0.6. Considerando una velocidad de corriente libre de 4 m/s, tenemos entonces las siguientes propiedades de movimiento:

Caso 1 Parámetro Modelo de palas rígidas Modelo de palas móviles

λ 0.6 0.2 U (m/s) 4 4 R (m) 0.108 0.108

ω (rad/s) 22.2222222 7.40740741 Distribución de presiones y velocidades para diferentes ángulos de las palas El análisis de la distribución de presiones y velocidades alrededor de las palas se realizó utilizando el software ANSYS Fluent 14.5; se varío el ángulo de ataque con el fin de observar la variación de ambos parámetros a lo largo de la geometría de estudio.

Ángulo = 0°

Parámetro Valor numéricoPresión máxima (Pa) 65.8

Velocidad máxima (m/s) 16.5

Figura 17: Contornos de presión y velocidad alrededor del generador Savonius para U = 4 m/s y θ = 0° Ángulo = 90°



Figura 18: Contornos de presión y velocidad alrededor del generador Savonius para U = 4 m/s y θ = 90°

- Distribución de presiones y velocidades para el aerogenerador

Parámetro Valor numérico Presión máxima (Pa) 11


Valores de presión y velocidad máxima para U = 4 m/s a lo largo del aerogenerador

Figura 19: Distribución de presiones alrededor del aerogenerador para U = 4 m/s, obtenidas a lo largo del plano medio

La estela originada a lo largo del plano medio del aerogenerador se puede observar en la siguiente figura; los valores de velocidad 0 m/s indican la presencia de vórtices, que son originados por la geometría misma del aerogenerador:

Figura 20: Distribución de velocidades alrededor del generador para U = 4 m/s, obtenidas a lo largo del plano medio

Mediante la visualización de las líneas de corriente originadas por el aerogenerador, es posible observar de mejor manera los vórtices creados en las palas:

Figura 21: Líneas de corriente alrededor del aerogenerador para U = 4 m/s

Figura 22: Vectores de velocidad alrededor del generador para U = 4 m/s

Reporte de esfuerzos El esfuerzo máximo obtenido se comprobó con el esfuerzo permisible de cada material para de esta manera determinar si el generador puede operar bajo estas condiciones de flujo o si es necesario disminuir el valor de la velocidad específica. Modelo de palas rígidas

Parámetro Aluminio Acero Esfuerzo de Von-Mises (Pa) 6.9857e6 2.0513e7

Deformación (m) 0.00041394 0.00040375 Esfuerzo cortante (Pa) 2.4614e6 6.923e6

Las deformaciones y esfuerzos obtenidos para este primer caso se pueden apreciar en las siguientes figuras:

Figura 23: Deformaciones alrededor del aerogenerador para U = 4 m/s

Figura 24: Localización de los esfuerzos máximos en el aerogenerador para U = 4 m/s; notamos que los esfuerzos máximos se encuentran cerca de la unión de las palas al disco del soporte del aerogenerador.

Figura 25: Esfuerzos cortantes en las palas del aerogenerador para U = 4 m/s

Modelo de palas móviles


Deformación (m) 6.3355e-5 2.3638e-5 Esfuerzo cortante (Pa) 1.8856e5 2.2848e5

- Caso 2: U = 6 m/s

Para ese segundo caso, el valor de la velocidad del aire aumento, lo que trae consigo el aumento de la velocidad angular del aerogenerador. Condiciones de frontera


λ 0.8 0.4 U (m/s) 6 6 R (m) 0.108 0.108

ω (rad/s) 44.4444444 22.2222 Distribución de presiones y velocidades para diferentes ángulos de las palas

Ángulo = 0°



Figura 26: Contornos de presión y velocidad alrededor del generador Savonius para U = 6 m/s y θ =0° Ángulo = 90°

Parámetro Valor numérico Presión máxima (Pa) 28.6


Figura 27: Contornos de presióny velocidad alrededor del generador Savonius para U = 6 m/s para θ = 90°

- Distribución de presiones y velocidades para el aerogenerador Para el aerogenerador completo, se obtuvieron valores diferentes de velocidad y presión máximas; esto puede deberse a diversos factores, entre los que podemos encontrar los siguientes:

1) Tamaño y densidad de la malla 2) Solver utilizado para resolver el problema en CFX y Fluent 3) Distancia entre el borde de ataque de la geometría y la entrada.

Parámetro Valor numérico

Presión máxima (Pa) 24.75 Velocidad máxima (m/s) 10.73

- Reporte de esfuerzos

Modelo de palas rígidas



En este segundo caso, notamos que los valores de deformaciones y esfuerzos obtenidos, utilizando como material de fabricación el aluminio, resultaron ser menores en comparación con el aerogenerador hecho de acero. Esto puede deberse a las propiedades del material empleado; debido al hecho de que la densidad del acero es mayor que la del aluminio, al momento de girar a estas velocidades el peso del acero (que es mayor) tiende a provocar mayores deformaciones.

Figura 28: Deformaciones de la pala cuando U = 6 m/s, utilizando el material acero Modelo de palas móviles

Aluminio


Deformación (m) 0.00014839 8.3032e-5 Esfuerzo cortante (Pa) 5.7272e5 9.7246e5

- Caso 3: U = 8 m/



λ 1 0.6 U (m/s) 8 8 R (m) 0.108 0.108

ω (rad/s) 74.0740741 44.4444

- Distribución de presiones y velocidades para diferentes ángulos de las palas

Ángulo = 90°

Parámetro Valor numérico Presión máxima (Pa) 45


Figura 29: Contornos de presión y velocidad alrededor del generador Savonius para U = 8 m/s para θ = 90°

- Distribución de presiones y velocidades para el aerogenerador

Figura 30: Detalle de los vórtices originados en las puntas de las palas del aerogenerador; mediante los vectores de velocidad, es posible determinar las zonas donde existiera recirculación de flujo al momento de

incidir sobre el aerogenerador.

Figura 31: Líneas de corrientes alrededor de la pala del aerogenerador



- Reporte de esfuerzos

Modelo de palas rígidas

Parámetro Aluminio Acero

Esfuerzo de Von-Mises (Pa) 7.7859e7 2.2817e8 Deformación (m) 0.0042707 0.0044538

Esfuerzo cortante (Pa) 2.6079e6 7.5628e7 Modelo de palas móviles



Esfuerzo cortante (Pa) 1.4879e6 3.6869e6

- Caso 4: U = 10 m/s Condiciones de frontera


λ 1.2 0.8 U (m/s) 10 10 R (m) 0.108 0.108

ω (rad/s) 111.111111 74.07407 Distribución de presiones y velocidades para diferentes ángulos de las palas

Ángulo = 90°



Figura 32: Contornos de presión y velocidad alrededor del generador Savonius para U = 10 m/s

Distribución de presiones y velocidades para el aerogenerador



Reporte de esfuerzos Modelo de palas rígidas



Esfuerzo cortante (Pa) 5.8191e7 1.6966e8 Modelo de palas móviles



Figura 33: Deformaciones alrededor del aerogenerador de palas móviles para U = 10 m/s

Figura 34: Esfuerzos de Von-Mises alrededor del aerogenrador, para U = 10 m/s

- Caso 5: U = 12 m/s



λ 1.4 1 U (m/s) 12 12 R (m) 0.108 0.108

ω (rad/s) 155.555556 111.1111

Reporte de esfuerzos Modelo de palas rígidas



Esfuerzo cortante (Pa) 1.1348e8 3.3315e8

Modelo de palas móviles



Distribución de presiones y velocidades para el aerogenerador


Velocidad máxima (m/s) 21.51 Distribución de presiones y velocidades para diferentes ángulos de las palas

Figura 35: Malla no estructurada utilizada para análisis en 2D en Fluent

Ángulo = 0°

Figura 36: Contornos de presión y velocidad alrededor del generador Savonius para U = 12 m/s Ángulo = 30°


Ángulo = 60°


Figura 39: Vectores de velocidad para U = 12 m/s y θ = 60°

Ángulo = 90°


Figura 41: Vectores de velocidad para U = 12 m/s y θ = 90°

En la siguiente tabla es posible observar las variaciones existentes entre la presión y velocidad máxima para cada ángulo de ataque y una velocidad de 12 m/s:

U = 12 m/s Ángulo Presión máxima (Pa) Velocidad máxima (m/s)

0° 87.1 25 30° 87.6 25 60° 87.5 27.8 90° 110 27.8

Análisis modal El objetivo del análisis modal en la mecánica estructural es determinar las frecuencias naturales y modos de vibrar de un objeto o estructura durante vibración libre. Es común utilizar el método de los elementos finitos (MEF, o FEM por sus siglas en inglés) para desarrollar el análisis porque, como en otros cálculos usando el MEF, el objeto que se analiza puede tener formas arbitrarias y los resultados de los cálculos son aceptables. Los tipos de ecuaciones que surgen del análisis modal son vistas en Sistemas propios. La interpretación física de los valores propios y vectores propios, los cuales vienen de resolver el sistema, representan las frecuencias y modos de vibrar correspondientes. A veces, los únicos modos deseados son los correspondientes a las menores frecuencias porque pueden ser los modos predominantes en la vibración del objeto. Modos de vibración y frecuencias libres para el aerogenerador

Modo Frecuencia natural (Hz)Aluminio

Frecuencia natural (Hz) Acero

1 24.301 23.91 2 24.392 23.997 3 24.413 24.018 4 24.428 24.032 5 27.815 27.441 6 27.916 27.541 7 27.986 27.607 8 28.012 27.632 9 55.311 54.383 10 55.318 54.39

Figura 42: Primer y segundo modo de vibración

Figura 43: Tercer y cuarto modo de vibración

Figura 44: Quinto modo de vibración

Modos de vibración y frecuencias libres para una pala

Modo Frecuencia (Hz)Aluminio

Frecuencia (Hz) Acero

1 13.735 13.563 2 15.222 15.084 3 37.856 37.426 4 122.27 121.44 5 138.43 137.31 6 197.35 197.85 7 264.76 264.14 8 274.91 273.44 9 337.68 335.44 10 352.69 350.08

Figura 45: Primer y segundo modo de vibración

Figura 46: Tercer y cuarto modo de vibración, correspondiente al modo de torsión

Figura 47: Quinto modo de vibración

Para ambos casos, podemos observar que el valor de las frecuencias naturales es mayor en el caso de que las geometrías sean de aluminio que de acero; esto nuevamente está influenciado por las propiedades de cada material. Resultados obtenidos en el túnel de viento El modelo utilizado para obtener la distribución de presiones alrededor de las palas de un aerogenerador Savonius tiene las siguientes características geométricas:

Parámetro Valor numérico Aspect ratio 1.9792

Overlap ratio 22.93% Separation gap 0

Relación de radios 1.1399

- Aspect ratio = ; = 38.219.3 = 1.97927

- Overlap ratio

= ; = 2.510.9 = 0.229358

≈ 22.9358%

- Separation gap

= − ; = 0; = 0

- Relación de radios = 2219.3 = 1.1399

Figura 48: Parámetros de diseño utilizados en la elaboración y fabricación de un aerogenerador tipo Savonius

Las tomas de presión fueron colocadas alrededor de las palas, separadas a una distancia equidistante. En total, se utilizaron 22 tomas de presión, 11 para la parte del intradós y 11 para el extradós.

Figura 49: Modelos de tomas de presión dentro del túnel de succión.

Figura 50: Posición de las tomas de presión alrededor del intradós y el extradós.

Derivado de las pruebas efectuadas, se obtuvieron los siguientes resultados para una velocidad en corriente libre de 33 m/s, un ángulo de 0°, 60°, 30° y 90°; la línea roja representa la distribución de coeficientes de presión a lo largo del intradós, mientras que la línea azul representa la tendencia del extradós:

Figura 51: Distribución de presiones para un ángulo de 0°

‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

1

0 2 4 6 8 10 12

Coeficiente de presión (Cp)

Distancia (X)

Coeficientes de presión θ = 0°



‐2

‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

0 2 4 6 8 10 12


Distancia (X)


‐1

‐0.8

‐0.6

‐0.4

‐0.2

0

0.2

0.4

0 2 4 6 8 10 12


Distancia (X)



Comparativa entre los resultados obtenidos en Fluent y las tomas de presión en el túnel de viento Con los resultados obtenidos en el túnel de viento y las simulaciones en el software Fluent, fue posible hacer una comparación entre los resultados obtenidos entre ambos métodos. Mediante las siguientes gráficas, podemos darnos cuenta de la diferencia existente entre ambas soluciones:

Figura 55: Distribución de presiones sobre el extradós; comparativa entre las soluciones obtenidas en Fluent y el método experimental

‐0.5

‐0.4

‐0.3

‐0.2

‐0.1

0

0.1

0.2

0.3

0 2 4 6 8 10 12


Distancia (X)


‐4

‐3

‐2

‐1

0

1

2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


Posición (X)

Posición: extradós

Fluent

Tomas de presión

Figura 56: Distribución de presiones sobre el intradós; comparativa entre las soluciones obtenidas en Fluent y el método experimental

Resultados obtenidos en el túnel de humo El túnel de humo se utilizó con el propósito de visualizar el desprendimiento de la capa límite alrededor de la geometría, además de observar las líneas de corriente generadas sobre la turbina eólica. Se realizaron observaciones a 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150° y 180°. Entre los resultados obtenidos tenemos los siguientes:

Figura 57: Ángulos de 0° y 30°

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


Posición (X)

Posición: intradós

Fluent

Tomas de presión



Conclusiones Mediante los resultados obtenidos en los análisis, fue posible determinar que el material empleado, en este caso aluminio, cumple con los requisitos en cuanto a esfuerzos permisibles se trata (se compararon los esfuerzos de Von Misses con los del material). Además, mediante el análisis en CFX y Fluent fue posible conocer las zonas críticas que estarán sometidas a grandes valores de presión, y que requieren atención con el fin de evitar en lo posible el fallo estructural del aerogenerador, ya sea por fatiga o impacto del fluido operante (aire en este caso) con la geometría de estudio. Mediante el análisis modal, fue posible determinar aquellas zonas en donde la vibración libre pudiera originar daños provocados por la fatiga del material; este aspecto es importante, ya que no importa el valor del esfuerzo máximo de cedencia que tenga el material, este puede sufrir daños estructurales originados por las vibraciones libres.

Referencias

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1. http://www.cfd-online.com/Wiki/K-epsilon_models 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Turbulence_modeling 3. http://panemona.com.ar/rotor-eolico-savonius-de-eje-vertical-savonius-p_64.htm 4. http://fotosveronica.blogspot.mx/2011/06/rotor-sabonius-con-video.html 5. http://www.motherearthnews.com/renewable-energy/savonius-super-rotor-zmaz74zhun.aspx 6. http://savoniushelicoidal.blogspot.mx/

aero generador de eje horizontal

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