Construcción de Rotores de Aspas para el Aerogenerador

Roberto Carlos Chumioque Quezada

Construcción de Rotores de Aspas para el Aerogenerador

1. Diagrama del patrón de un aspa.

1.1. Introducción. Esta monografía se ha preparado con el objeto de ayudar a las personas que se dedican a fabricar aspas o “rotores” de generadores pequeños. En otra monografía explicamos cómo fabricar el generador de imanes permanentes (GIP) mismo. El rotor le será colocado al generador y así podremos cargar baterías. 1.2. Tanto el GIP como sus aspas se deben montar sobre una base móvil en una torre, generalmente hecha de tubos de acero. Por último, el generador debe disponer de una veleta de cola que lo oriente al viento. Esta veleta debe desviar el generador de su posición de frente al viento para protegerlo contra daños. Ni base, torre ni veleta de cola se mencionarán más en este documento.


2. El Generador de Viento.

2.1. Este generador es útil para satisfacer necesidades limitadas de una familia tales como iluminación, mantener un radio encendido, con una batería de 12 voltios. Ha sido diseñado para velocidades de viento de bajas a medias. 2.2. Las aspas que describimos están fabricadas de fibra de vidrio, aunque es posible fabricarlas de madera 3.Pasos a seguir en la construcción de un rotor. 3.1. Seleccione un diseño para las aspas y haga plantillas de ellas de papel o de una hoja delgada de aluminio. Copie y use los dibujos que aparecen en el Apéndice II. Estas plantillas delimitan con exactitud el contorno interior de las aspas. 3.2. Use las plantillas para fabricar un patrón tridimensional con la forma del aspa. Este patrón puede ser tallado en madera, aunque se puede emplear metal o espuma plástica. 3.3. Fabrique moldes de fibra de vidrio. Es conveniente fabricar al menos suficientes moldes para un rotor. Hablamos de un rotor de tres aspas. a. Fabrique las aspas con los moldes. b. Fabríquele un núcleo de eje a sus aspas y arme el rotor.


3.4. Si la persona que va a fabricar las aspas no sabe manipular la fibra de vidrio es conveniente que solicite ayuda en ese sentido. 3.5. Finalmente hay que probar la robustez y balancear las aspas para que operen segura y satisfactoriamente. 4. Dos Diseños de Rotores. 4.1. A seguidas describimos las características resaltantes de los dos diseños que describimos en este artículo: 4.2. Perfil del aspa. El perfil del aspa es la forma de su perfil (Cortado a 90 grados). El perfil NACA 4412 se fabrica en dos cáscaras pegadas dejando un espacio entre ellas. El perfil K2 puede ser fabricado en resina sólida.

4.3. Diámetro. El aspa de mayor diámetro captará más viento, por lo que puede generar más electricidad a determinada velocidad del mismo. 4.4. Proporción de la velocidad de la punta del aspa (PVA) Esta proporción es la velocidad a la que el aspa debe girar respecto de la velocidad del viento. La velocidad de giro del eje depende de la velocidad de giro de las puntas de aspa y su diámetro, o sea:

RPM = Velocidad del viento X PVA / (Diámetro X Pi). Un rotor de dos aspas gira más rápidamente que uno de tres. Pero un rotor de tres aspas girará más suavemente que el otro. 4.5. Cada rotor ha sido diseñado cuidadosamente para operar lo más eficientemente posible con su rotor. Un alternador construido en Perú y cuya construcción está relatada en otro artículo de esta serie tiene imanes más gruesos y sus bobinas están conectadas en forma diferente.


4.6. A seguidas mostramos un gráfico de la capacidad teórica de generación de los dos rotores. Asimismo se comparan dos alternadores, el peruano y otro que se fabricó en Sri Lanka. El peruano muestra la capacidad de generación en los dos circuitos empleados en él. El mismo gráfico muestra la velocidad requerida para impulsar estos generadores.

5. Forma de las aspas. 5.1. Las dimensiones de las aspas se listas en el Apéndice I. Cada forma está definida en un número de tramos. Más abajo se puede apreciar que cada tramo tiene un radio propio, que es igual a es la distancia del tramo al centro del rotor. Para cada tramo hay una amplitud de cuerda que es el ancho del aspa en ese tramo. La línea de la cuerda es el ancho del aspa desde una punta a la otra. Esta línea es la más larga en el perfil del aspa y une el filo de ataque con el filo trasero del aspa. El ángulo del aspa (Ángulo Beta) es el ángulo entre la cuerda y el plano en que el rotor gira. 5.2. Dado el radio local, la amplitud de la cuerda, y el ángulo de ataque de cada estación podemos construir el aspa. Vea el Apéndice II.


6. Plantillas 6.1.Plantillas. 6.1.1. Seleccione el diseño de un aspa y haga fotocopias de las plantillas que aparecen en el Apéndice II. Cópielas a algún cartón o lámina delgada de aluminio. 6.1.2. Cada plantilla tiene tres áreas A – El perfil del aspa (Elimínelo) B – Una plantilla delantera A C – Una plantilla trasera B. (Voltéela y úsela para tallar la parte de atrás de la plantilla.


6.2. Patrones. 6.2.1. Un patrón es un objeto que tiene la forma exacta la forma del aspa. Con ellos se fabricarán los moldes de las aspas. Hay varios modos de fabricar un patrón, incluida su talla en madera. Lo que ocurre es que la madera puede doblarse y cambiar de forma. Si el patrón será tallado en madera debe buscarse una que sea estable. 6.2.2. En Sri Lanka, por ejemplo, la madera se dobló. Como el perfil K2 es delgado, se decidió tomar una lámina metálica delgada y hacerle un doblez inicial, que fue posteriormente rematado con mastique del empleado para reparar abolladuras en los automóviles. Con éste mastique se rellenaron los espacios que era necesario llenar y se obtuvo el perfil deseado. 6.2.3. Para construir un molde de madera, siga el siguiente procedimiento: 6.2.3.1.Son dos mitades de moldes a fabricar, la superior y la inferior. 6.2.3.2.Adquiera un listón de madera de 45mm x 165mm x 700 mm. La Madera debe estar muy bien seca. 6.2.3.3. Marque la posición de cada tramo sobre la madera. Trace dos líneas a lo largo del ancho del material de la plantilla. En el dibujo de la plantilla de muestra (Más arriba) se puede ver que sobra algún espacio más allá del ancho de la plantilla. Sin embrago, corte la madera al ancho de la plantilla en cada tramo. 6.2.3.4. Trace ahora una línea a lo largo del filo de ataque y del filo trasero del aspa. En esas líneas casarán los dos moldes. Como las plantillas están hechas en medidas exactas y sí debieron ser cortadas, marque ahora el espesor del aspa con ellas. Como la plantilla contiene por un lado el filo de ataque y por el otro el filo trasero del aspa, al colocar la plantilla sobre la misma base que sostiene el listón tendrá usted la ubicación de esos filos en los lados del listón.


6.2.3.5. Ahora lo que queda es tallar la madera siguiendo cuidadosamente las líneas de las plantillas suavizándolas entre tramo y tramo

6.2.3.6. Las plantillas del Apéndice II están ordenadas en tramos que parte desde la punta al núcleo del aspa.


6.2.3.7. Las fotografías muestran el proceso de tallado de los moldes una vez terminado el proceso de marcar con líneas el perfil de cada molde. 6.2.4. Acabado de la superficie. El acabado de la superficie debe ser muy exigente. Hay que detectar y eliminar cualquier pequeña imperfección que quede sobre la madera y luego pulirla. 6.2.5. Los moldes son útiles para vaciar de 50 a 60 unidades. Si se pudieran fabricar de aluminio estaríamos en presencia de un material de muy larga duración. 7. Comentarios sobre los moldes 7.1.Los moldes que se usaron en Perú eran de fibra de vidrio. Como el molde es de dos mitades hay que ser cuidadosos que el aspa no se divida en dos partes en la línea de separación de los moldes

.

7.2. Los extremos del aspa que se fijarán al núcleo (La raíz) debe tener una forma que permita su fácil fijación. En el dibujo que sigue se puede apreciar esta forma. Para hacer esta forma de la raíz del núcleo, deben evitarse las aristas. La transición debe ser curva y suave.


7.3. Los moldes de las aspas fabricadas en Sri Lanka se pueden apreciar más abajo. Estas fueron vaciadas en fibra de vidrio en un molde de aluminio. Uno de los lados del aspa es cóncavo

8. Hacer dos Patrones separados (Dos Mitades) 8.1.Al fabricar cada mitad del molde, use solamente una cara del patrón. Déjele a sus moldes un labio superior donde las mitades coincidirán.. Será incluso conveniente


fabricarle guías en los labios que garanticen que ambas mitades casan perfectamente cuando se hayan unido. 9. Procedimiento de vaciado de las aspas. 9.1. Limpie muy bien sus patrones. Use alcohol u otro solvente para ello 9.2. Emplee alguna sustancia para permitir la separación del vaciado del molde. Generalmente la silicona da muy buenos resultados. 9.3. Pinte una capa delgada de resina sobre el molde e inmediatamente aplique una capa de fibra (Aproximadamente 1mm). 9.4. Aplique una nueva capa de resina y repita este proceso hasta que tanga una capa de resina y fibra de aproximadamente 4 mm. 9.5. Si le resulta costoso el uso de resina, rellene el centro del aspa con tacos de madera. 9.6. Cuídese de proveer los agujeros en la raíz del aspa para permitir su fijación al núcleo.


9.7. Una vez que las capas de 4mm de fibra han sido colocadas en el molde el paso que sigue es unirlas y prensarlas durante no menos de 12 horas. Es bueno poner algo de resina en los labios del molde para rellenar cualquier pequeña imperfección que haya quedado. 9.8. Las fotografías que siguen muestran el molde durante el proceso de curado de curado y las aspas terminadas.


9.9. El aspa debe quedar perfectamente impermeable (Sin agujeros). El agua que pueda penetrarle será causa de puntos débiles y desbalanceo del aspa. Si el trozo de madera con que se fabrica la raíz se humedece, se pudrirá. 9.10. Con el tiempo las partículas sólidas que se desplazan con el viento erosionarán los filos de ataque del aspa. Para superar esta dificultad puede adquirirse una tira de metal adhesivo que se pegará a esos filos. Si ese material no está disponible puede usarse mastique en su lugar. 10. Pruebas de Esfuerzo. 10.1. Los esfuerzos más intensos de un aspa nacen de la fuerza centrífuga que desarrollan al rotar. Hay que considerar que esta fuerza en un aspa girando a 500 RPM puede ser hasta de 100 veces el peso del aspa. Si un aspa pesa 1.5 Kg. Esto significa que la fuerza centrífuga que desarrollará es equivalente a 150 Kg. 10.2.Si la velocidad llega a estar por encima de esa cifra podemos llegar a tener pesos que superan ampliamente la fuerza de las raíces de las aspas fijadas al núcleo. Hay que


disponer de un mecanismo que esquive esas grandes velocidades del viento.

10.3. Si la idea que tiene es fabricar muchas aspas bien vale la pena que tome una y le cuelgue pesos hasta determinar cuál es su resistencia. Si esta no le satisface, emplee más capas de fibra de vidrio al momento de vaciar el molde. Esto resulta especialmente útil en el área de la raíz del aspa. 10.4. Un aspa tiene la tendencia a quebrarse en los sitios donde las transiciones de curvas a aristas no se han logrado suavemente. Vigile la transición del aspa a su raíz. 11. Balanceo del Rotor. 11.1. Si el rotor no está balanceado, el generador vibrará. Con el tiempo esa vibración hará que se desprendan pedazos del mismo, siendo el primero la veleta. A seguidas damos algunos métodos para balancear un rotor. 11.2. Apoye el núcleo del aspa a algún elemento y pese su punta. Todas las puntas de las aspas deben pesar lo mismo al ser colocadas de la misma manera. Será bueno fabricar una pieza que le permita fijar el aspa exactamente por el centro de su núcleo.

11.3. Si se trata de un rotor de tres aspas, la distancia entre sus puntas debe ser igual. Si se trata de sólo dos aspas, su línea central debe pasar por el centro exacto del rotor.


11.4. Haga girar el rotor armado sobre su eje. Verifique que ninguna punta desplaza ni es desplazada por otra. 12. Instalación de las aspas al Rotor. 12.1. Las aspas deben quedar firmemente fijadas a un núcleo central que se coloca sobre el eje del GIP. No deben fijarse a ninguna pieza de este último, pues las fuerzas sobre el aspa pueden hacer que los imanes del GIP entren en contacto con sus bobinas dañando la unidad.



13. Características Técnicas

13.1. A seguidas se presentan las plantillas del perfil de las aspas diseñadas en Sri Lanka. Se trata de un rotor de dos aspas con un perfil K12.





13.2. A seguidas se dan los perfiles del rotor del GIP peruano. Son 15 tramos.






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