Instituto Tecnológico de Celaya

Análisis Fluido-Estructural de un Alabe de Turbina de Viento

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

Ricardo Álvarez CerveraRaúl Lesso arroyoJ Santos García MirandaVíctor López Garza

CONTENIDOResumen

Introducción

Aerogenerador

Alabe de Turbina de Viento

Aerodinámica de los alabe

Materiales

Metodología Fluido-Estructural

Diseño de alabe

Análisis aerodinámico en CFX

Análisis Fluido-Estructural en ANSYS Workbench

Análisis experimental de perfiles aerodinámicos

Conclusiones

El presente trabajo propone una metodología para el análisis Fluido- Estructural de un Alabe de Turbina de viento, utilizando la interfase

TIMEO-ANSYS para su modelado y la interacción entre ANSYS CFX y ANSYS Workbench para la obtención de resultados.

RESUMEN

INTRODUCCION

INTRODUCCIONSe estima que el potencial eoloeléctrico técnicamente aprovechable de México alcanza los 5,000 MW, lo que equivale a 14% de la capacidad total de generación eléctrica instalada actualmente.

Potencial eólico en la Republica Mexicana, (cortesía del IIE).

AEROGENERADOR

Parámetros operativosVelocidad del vientoLa velocidad de diseño suele tener valores medios de la velocidad del viento en el lugar elegido para la instalación del aerogenerador.

AEROGENERADOR

Potencia requeridaLa potencia requerida es función de la cantidad energética que demande el sistema al cual se desee suministrar energía eléctrica. Un estudio previo del sistema a abastecer determina este parámetro.

Densidad del viento. La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa. Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire.

= eléctricomecánicoP AUCP ηηρ 3

21

El calculo teórico del máximo coeficiente de potencia se obtiene empleando la ecuación empírica de Wilson Lissman.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−=

LD

BBBCp λ

λψ

λ21

92.1593.0267.0

( ) 267.0 0025.004.048.1 λλψ +−+= B

Donde:

B

Número de alabes

AEROGENERADOR

COEFICIENTE DE POTENCIA

D

ArrastreL

Sustentación

Esta velocidad especifica es es función de la finalidad de la eólica y de la velocidad de los vientos. Para eólicas rápidas entre 5 y 12 Su expresión es:

UrΩλ =

Rrλλ =0

Velocidad especifica local

Donde:Ω = Velocidad angularR = Radio de la palar = Radio localU = Velocidad del viento

VELOCIDAD ESPECIFICA

AEROGENERADOR

ALABE DE TURBINA DE VIENTO

RaízPunta

AERODINAMICA DE LOS ALABES

a = Angulo de ataqueβ = Angulo de asientoφ = Angulo de flujoW = Velocidad relativaL

= Fuerza de sustentaciónD

= Fuerza de arrastre

AERODINAMICA DE LOS ALABES

222 rUW Ω+=

drCcWdL l2

21 ρ=

drCcWdD d2

21 ρ=

AERODINAMICA DE LOS ALABES

949

16

22

2

+

=

λλRr

RBcCL⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= −

λφ

rR

32tan 1

222 rUW Ω+=

drCcWdL l2

21 ρ=

drCcWdD d2

21 ρ=

De la teoría simplificada:

Angulo de flujoCuerda del elemento alabe

MATERIALES

1. Resistencia estructural2. Resistencia a fatiga

3. Rigidez Corregir4. Bajo peso5. Fácil fabricación6. Resistencia a los ambientes 7. Minimizar la emisión de ruido acústico

Características principales:

• Fibra de vidrio • Fibra de carbón

Materiales compuestos:Maderas:• Álamo• Pino báltico• Abedul• Haya• Abeto Douglas

METODOLOGIA FLUIDO-ESTRUCTURAL

TIMEO ANSYSDesign Modeler

CFX Mesh

CFX

ANSYS Workbench (Simulación)

Diseño del alabe

INTERFASE

Modelo del alabe Genera Volumen de Control

Mallado del sistema

Análisis aerodinámico• Perfil de velocidades• Perfil de presiones

FLUIDO - ESTRUCTURAL

Análisis estructural• Esfuerzos principales• Deformaciones principales

DISEÑO DE ALABE

DISEÑO DE ALABE• U

= 12 m/s• ρ = 1 Kg/m• P

= 2450 Watts• B

= 3• λ = 9• ηeléctrico = 90%• ηmecánico = 80%• Perfil aerodinámico: NACA 4412• Teoría simplificada como método de diseño• Divisiones continuas en 10 partes

R = 1.53mRaíz: c = 0.188m β = 24.52°Punta: c

= 0.0413m β = 0.23°

3

MODELO DE ALABE

INTERFASE TIMEO-ANSYS

ANALISIS AERODINAMICO

Modelo del alabe Volumen de control en Design Space

1. VOLUMEN DE CONTROL

2. MALLADO EN CFX-MESH

ANALISIS AERODINAMICO

Mallado del alabe

Mallado del volumen de control

Raíz

Punta

107445 nodos 530653 elementos

ANALISIS AERODINAMICO

3. ANALISIS EN CFX

Condiciones de frontera:

Análisis para el soplido de viento Análisis para el viento relativo

Condiciones de referencia:

Presión : 101350Pa

Temperatura: 273 ºK

ANALISIS AERODINAMICO

3. ANALISIS EN CFX

Resultados: Líneas de corriente

a) Análisis del soplido del viento

Raíz

Punta

Vmáx

= 22.71m/s

ANALISIS AERODINAMICO

3. ANALISIS EN CFX

Resultados: Líneas de corriente

b) Análisis de la velocidad relativa

Raíz

Punta

Vmáx

= 356.3m/s

ANALISIS AERODINAMICO

3. ANALISIS EN CFX

Resultados: Perfil de presión

Presión del soplido de viento Presión del viento relativo

PMax

=120.5 Pa PMax

=14.11KPa.

ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL

3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH

Material: Álamo americanoMódulo de Young: 10.9 GPaRazón de Poisson: 0.03Densidad: 609 Kg/mEsfuerzo de cedencia a compresión: 3.9MPaEsfuerzo último a tensión: 3.7MPa

3

Fuente: www.matweb.com

ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL

3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH

Mallado del alabe:

Nodos: 30456Elementos: 5220

Empotramiento

ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL

3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH

Esfuerzos.

Por presión del soplido de viento Por presión del viento relativo

σMax

=3.416 MPa σMax

=310.5 MPa

ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL

3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH

Deformaciones.

Por presión del soplido de viento

dMax

=2.01 cmPor presión del viento relativo

dMax

=3.98 cm

PERFILES AERODINAMICOS

INTERFASE TIMEO-ANSYS

Análisis de velocidades en ANSYS-CFD de un perfil aerodinámico NACA 4412 a α = 0, velocidad de entrada W=9m/s.

ANALISIS EXPERIMENTAL

ANALISIS EXPERIMENTAL

W

= 9m/s

NACA4412

P

= 0

P0

= 101350PaT0

= 273 K

Fluido en Estado EstableEstado adiabático

ANALISIS EXPERIMENTAL

RESULTADOS

Resultados por ANSYS-CFD

Resultados por experimentación

Velocidades puntuales en m/s

CONCLUSIONES

Los resultados experimentales obtenidos nos dan la seguridad para continuar diseñando alabes de turbina de viento mediante el uso de herramientas computacionales como ANSYS®.

La energía del viento, es un recurso renovable que está tomando un gran impulso a nivel mundial en la actualidad.

El uso de herramientas computacionales resultan ser una forma práctica para obtener resultados en lapsos cortos de tiempo.

La energía del viento, es un recurso renovable que está tomando un gran impulso a nivel mundial en la actualidad.

El uso de herramientas computacionales resultan ser una forma práctica para obtener resultados en lapsos cortos de tiempo.

ANSYS®, es una excelente opción para llevar al cabo análisis fluido-estructurales debido a la fácil interacción que tiene CFX con Workbench.

La obtención de resultados a partir de ANSYS-CFD para el análisis de perfiles aerodinámicos, son bastantes confiables como se puede observar en los resultados experimentales obtenidos.