Sistemas Conversores Fluido - Dinámicos de energía ... · presente informe trata el estudio de las particularidades de una turbina hidrocinética de acuerdo a las características

Sistemas Conversores Fluido - Dinámicos de energía renovable para la

Patagonia Argentina

Fluid-Dynamic system converter of renewable energy for Patagonia Argentina

Vitorino, Mauro Ezequiel, [email protected]

Labriola, Carlos Víctor Manuel,[email protected]

Moyano, Hugo Alberto, [email protected]

Universidad Nacional de la Patagonia Austral - Unidad Académica Caleta Olivia

RESUMEN

A partir de la línea de investigación del PI 29B163 del año 2015 y continuando su temática, el

presente informe trata el estudio de las particularidades de una turbina hidrocinética de

acuerdo a las características definidas para la construcción de un prototipo a futuro, teniendo

en cuenta la potencia de la demanda estimada en el primer informe.

Por lo tanto, según las partes de la turbina, inicialmente se detallan las características del rotor

que captura la energía cinética del agua para obtener energía eléctrica luego de la conversión

hidromecánica y electromagnética.

Debido a que el rotor es la parte conversora de energía hidráulica en mecánica de la turbina,

es relevante detallar cómo son sus álabes, por ello inicialmente se detallan las propiedades que

caracterizan a cualquier perfil de álabes y luego se detallan los utilizados por las turbinas

hidrocinéticas del tipo NACA.

Luego, por medio del software QBlade, se realiza un cálculo hidrodinámico iterativo, el cual

se realiza sección por sección para diferentes posiciones del álabe a lo largo del radio del

rotor. A partir del análisis sobre de los resultados de dichas simulaciones, se determina el

perfil óptimo para nuestro prototipo de turbina de acuerdo a las características definidas.

Palabras clave: Perfil; Rotor; NACA; Hidrocinética.

ABSTRACT

From the research line of PI 29B163 of 2015 and continuing its topic, this report is based on

studying the particularities of a hydrokinetic turbine according to the characteristics defined

for the construction of a prototype in the future, taking into account the power of the demand

estimated in the first report.

Therefore, according to the parts of the turbine, the characteristics of the rotor that captures

the kinetic energy of the water to obtain electrical energy after the hydro-mechanical and

electromagnetic conversion are initially detailed.

Because the rotor is the mechanical power converter of the turbine, it is relevant to detail how

its blades are, therefore the properties that characterize any profile of blades are detailed first

and then those used by the hydrokinetic turbines Of the NACA type.

Then, through QBlade software, an iterative hydrodynamic calculation is performed, which is

performed section by section for different positions of the blade along the radius of the rotor.

The optimum profile for our turbine prototype is determined according to the defined

characteristics from the analysis on the results of these simulations.

Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivar 4.0 Internacional.

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Aprobado por Resolución N° 0331/17-R-UNPA

Key words: Profile; Rotor; NACA; hydrokinetic.

INTRODUCCIÓN

Independientemente de la potencia definida que pueda llegar a tener una turbina hidrocinética,

el proceso de conversión de energía en que se basa, se puede dividir esencialmente en tres

etapas, las cuales son representadas por medio de la siguiente ilustración:

Ilustración 1. Proceso de Conversión de Energía en una Turbina Hidrocinética

Por lo tanto, a la hora de diseñar a las turbinas hidrocinéticas, es aconsejable seguir estas

mismas etapas. Es así que comenzamos desarrollando el rotor.

La importancia del rotor radica en que es el encargado de extraer del fluido, una fracción de

su energía cinética, convirtiéndola en energía mecánica para que sea entregada luego a un

generador eléctrico por medio de una transmisión para poder obtener así, potencia eléctrica

útil.

Entonces, teniendo en cuenta la turbina hidrocinética de 5 kW de potencia propuesta para la

ciudad de Puerto San Julián y con un diámetro de rotor de 1.5 metros en base a una velocidad

de agua de mar de 2.5 m/s, se debe detallar el elemento principal que conforma al rotor, es

decir sus álabes. Por lo tanto, en el presente informe se focalizó la atención en el diseño de

estos, debido a que es primordial definir las características (dimensiones, ángulo de ataque,

etc.) que debe tener el álabe, ya que estas condiciones de borde definen la capacidad de

extracción de energía que puede llegar a tener el rotor.

1. MARCO DE REFERNCIA

1.1. Marco Histórico

Para iniciar con el estudio de los perfiles aerodinámicos, se debe desacatar que los pilares

fundamentales de estos, nace en la industria aeronáutica a mediados de 1799, cuando Sir

George Cayley inventó los primeros planeadores a partir de entender de que un fluido como el

aire que fluye por encima de una superficie curvada, se acelera dando lugar a la fuerza

llamada “sustentación”.

Luego, en 1866, Francis Herbert Wenham, realizo numerosas investigaciones respecto a los

parámetros geométricos del perfil, como por ejemplo, su espesor o su longitud. A su vez, se

cree que sus trabajos de investigación llegaron a las propias manos de los hermanos Wright,

influyendo de esta manera en el desarrollo de su Flyer I, considerado como la primera

máquina voladora a motor en la historia.


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Más adelante, en 1884 H.F. Phillips, patenta una serie de perfiles, a los que llamo

“sustentadores”, representados en la siguiente ilustración:

Ilustración 2. Perfiles patentados por Phillips

Durante la Primera Guerra Mundial, se crea en los Estados Unidos el Comité Consejero

Nacional para la Aeronáutica (NACA por sus siglas en inglés). En base a que sus miembros

reconocieron la importancia de mejorar los perfiles existentes, elaboran el primer reporte

anual NACA, donde se destacó la necesidad de “la evolución de perfiles alares más

eficientes”. Por lo tanto, en base a ello en 1933, dicho comité emitió un reporte técnico

llamado “The Caracteristics of 78 related Airfoil Sections from Tests in the Variable-Density

Wind Tunnel”, en el que se describían la familia de los perfiles NACA de 4 dígitos. Desde

entonces, esta serie de perfiles se ha vuelto muy popular, debido a que ya no solo se utilizan

en el ámbito aeronáutico, sino que también son una base fundamental en el diseño del rotor

de máquinas que intercambian energía con los fluidos, ya sea por ejemplo, un aerogenerador o

una turbina hidrocinética como lo es en nuestro caso.

Debe mencionarse, que la evolución de los perfiles NACA no se debutó allí, ya que durante

los siguientes años, se desarrollaron otras familias de perfiles NACA de 5, 6, 7 y 8 dígitos.

Aclarando, que debido a su complejidad, son utilizados primordialmente para casos

aeronáuticos especiales. Por lo tanto, mediante la siguiente ilustración, se representa una

pequeña parte del gran número de variaciones y de familias de perfiles que han existido a lo

largo de la historia.


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Ilustración 3. Evolución de los Perfiles a lo largo de la Historia en la primera mitad del siglo XX

1.2. Marco Conceptual

Si se parte de la idea de que un perfil aerodinámico es considerado como una sección

transversal del álabe y que en su estudio se ignora tanto la configuración horizontal del

mismo como así también los efectos de extremo del álabe, la flecha, el alabeo y otras

características de diseño. Consecuentemente, se debe mencionar entonces, que para poder

comprenderlo inicialmente es necesario detallar las características propias que los describen.

Entonces, por medio de la representación de un perfil, podemos describir las partes y regiones

de los mismos:

Ilustración 4. Características del Perfil

Borde de ataque: Es la parte delantera del perfil alar. Se le denomina “borde de

ataque” ya que es la primera parte que toma contacto el fluido, provocando que este se

bifurque hacia el intradós y el extradós.

Borde de salida: También llamado “borde de fuga” y corresponde al punto en el que

las corrientes del fluido provenientes del intradós y extradós, confluyen y abandonan

el perfil.

Intradós: Es un término genérico que denota la parte interior de una estructura y en

un perfil corresponde a la parte inferior del mismo.

Extradós: Corresponde también a un término genérico que denota la parte exterior de

una estructura y en un perfil corresponde a la parte exterior del mismo.


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Región de curvatura máxima: Es el área de un perfil comprendida entre el punto de

inicio del borde de ataque y la abscisa de la curvatura máxima.

Región de espesor máximo: Área de un perfil de superficies comprendida entre la

abscisa del punto de inicio del borde de ataque y la abscisa del espesor máximo.

A su vez, se deben describir las particularidades geométricas de un perfil, ya que tienen un

gran impacto en sus características. Estas se pueden listar de la siguiente manera:

Radio del borde de ataque: Define la forma del borde de ataque y es un valor que

influye de forma importante en la pérdida. Geométricamente corresponde al radio de

un círculo que debe ser tangente tanto al intradós como al extradós y su centro debe

estar ubicado en una tangente al origen de la línea de curvatura media. Su longitud se

mide en porcentaje del valor de la cuerda.

Cuerda: Corresponde a la línea recta que une el borde de ataque y el borde de salida.

Su valor es una característica particular de cualquier perfil.

Línea de curvatura media: Es una línea equidistante entre el extradós y el intradós.

A partir de ella, se define la curvatura del perfil, es decir si esta cae por encima de la

cuerda, se dice que el perfil posee curvatura positiva, mientras que si esta cae por

debajo de la cuerda, se dice que el perfil posee curvatura negativa. Cable aclararse que

existe una tercera posibilidad, que caiga tanto por encima y también por debajo de la

cuerda, teniendo el perfil posee una doble curvatura.

Curvatura máxima: Corresponde a la distancia máxima entre la línea de curvatura

media y la cuerda. El valor de su ordenada y la posición de está se expresa por lo

general en porcentaje de la longitud de la cuerda.

Espesor máximo: Corresponde al ancho máximo posible del espesor de un perfil. El

valor de su ordenada y el de la abscisa como valor de posición, se expresan por lo

general en porcentaje de la longitud de la cuerda.

Se debe destacar, que una sencilla clasificación de los perfiles es de carácter geométrico, ya

que se permite catalogar a los perfiles como simétricos cuando la línea de curvatura media

coincide con la cuerda y tanto la superficie superior como inferior tienen la misma forma y

equidistan de la línea de la cuerda o asimétricos cuando sucede lo contrario.

Ilustración 5. Perfil Asimétrico


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Ilustración 6. Perfil Simétrico

Pero como se dijo en el marco histórico, en los años 30, con el propósito de normalizar los

conocimientos aerodinámicos que se tenían por ese entonces y así poder clasificar a los

perfiles alares con mayor fundamento, surgen los perfiles NACA. Esta clasificación,

básicamente permite identificar a cada perfil por las palabras NACA y un conjunto de dígitos,

en un determinado orden, con los que se determinan sus dimensiones geométricas.

De acuerdo con lo dicho anteriormente, la clasificación de los perfiles NACA es la siguiente:

Perfiles de cuatro cifras

Es la primera familia de perfiles aerodinámicos diseñados. El primer dígito especifica el

ángulo de caída máximo (m) en porcentaje de la cuerda (longitud de la superficie de

sustentación), el segundo indica la posición de la comba máxima (p) en décimas de acorde, y

los dos últimos números proporcionar el espesor máximo (t) de la superficie de sustentación

en el porcentaje de acorde.

Por ejemplo, un perfil NACA 2412 tiene la curvatura máxima del 2 % de la cuerda, situada en

el punto del 40 % de la cuerda (medido desde el borde de ataque) y con un espesor máximo

del 12 % de la cuerda.

Perfiles de cinco cifras

La serie NACA de cinco dígitos utiliza las formas del mismo grosor que la serie de cuatro

dígitos, pero la línea de curvatura media se define de manera diferente y la convención de

nombres es un poco más compleja. La primera cifra, multiplicada por 3/2, se obtiene el

coeficiente de sustentación de diseño (cl) en décimas. Los dos dígitos siguientes, cuando se

divide por 2, dan la posición de la comba máxima (p) en décimas de acorde. Los dos últimos

dígitos indican de nuevo el espesor máximo (t) en porcentaje de la cuerda. Por ejemplo, la

NACA 23012 tiene un espesor máximo de 12%, un coeficiente de sustentación de diseño de

0,3, y un ángulo de caída máximo 15% situado detrás del borde de ataque.


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Perfiles de 4 y 5 cifras modificados

Las más importantes modificaciones en ambos perfiles, consisten en variaciones sistemáticas

del espesor a partir de indicar por medio de dos números enteros precedidos de un guión. El

primer de ellos, indica la magnitud relativa del radio del borde de ataque y el segundo entero

indica la posición del máximo espesor, desde el borde de ataque, en décimas de la cuerda.

Por ejemplo, NACA 0012-64: 6 radio del borde ataque sin modificar, 4 máximo espesor a 0,4

de la cuerda.

Perfiles serie 1

Representan el primer intento de desarrollo de perfiles a partir de una distribución de

presiones dada. Esta serie se representa por una notación de cinco cifras distribuidas, NACA

1a- b t1t2, en donde 1 representa la serie, a es la distancia, medida en décimas de la cuerda,

desde el borde de ataque a la posición de mínima presión (a es nula para la sección simétrica),

b es el coeficiente de sustentación en décimas, y t1t2 el espesor máximo en porcentaje de la

cuerda.

Perfiles serie 6

Estos perfiles surgen como consecuencia de la aplicación de mejores métodos teóricos que los

aplicados en los perfiles de 5 dígitos. Se designan usualmente mediante 6 dígitos, con una

declaración sobre la extensión del flujo laminar. Por ejemplo, NACA 65,3-218 a=0,5: El nº 6

indica la serie, el 2º dígito indica la distancia, medida en décimas de la cuerda, desde el borde

de ataque a la posición de mínima presión, el tercer dígito, después de la coma, da el rango,

en décimas, por encima y por debajo del coeficiente de sustentación de diseño, para el cual

existe un gradiente de presión favorable, en ambas superficies. Los dos últimos dígitos,

indican el espesor máximo en décimas de la cuerda, en nuestro caso 0,18 de la cuerda y a=0,5,

indica la fracción de cuerda sobre la cual la presión permanece uniforme.

Perfiles serie 7

Están caracterizados por una gran extensión del flujo laminar tanto en el extradós como en el

intradós. Están identificados por ejemplo por un código de la forma: NACA 747A315, en

donde el 7 en primer lugar indica la serie, el 2º dígito (4) indica la extensión sobre el extradós,

desde el borde de ataque y en décimas de la cuerda, de la región de gradiente de presión

favorable, el 3º dígito (7) indica la extensión sobre el intradós, desde el borde de ataque y en

décimas de la cuerda, de la región de gradiente de presión favorable, La letra A, distingue

diferentes secciones con parámetros que podrían corresponder a la misma designación

numérica, el cuarto dígito indica el coeficiente de sustentación de diseño, en décimas y los dos

últimos dígitos indican el espesor máximo en décimas de la cuerda.


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Perfiles serie 8

Es una variación de la serie 7, diseñada para trabajar con velocidades supercríticas. El

objetivo de estos es maximizar la extensión del flujo laminar en el extradós e intradós,

independientemente. La codificación es similar a la serie 7, por ejemplo NACA 835A216.

Ilustración 7. Distintos tipos de perfiles NACA

1.3. Marco Teórico

Para poder comprender cuales son las fuerzas dinámicas que aparecen sobre un perfil, se debe

considerar un cuerpo en el seno de una corriente fluida. Para ello, por ejemplo, si

introducimos un tablón de madera en un rio, de sección rectangular, observamos que la

fuerza que arrastra al mismo corriente abajo, es pequeña cuando enfrentamos la cara más

estrecha de este a la corriente, y que es grande, si lo enfrentamos con la cara más ancha. Esta

fuerza, que arrastra al tablón, se denomina arrastre (D), y varía entonces cuando se gira al

tablón respecto a su eje longitudinal o dicho de otra manera, acorde al ángulo que forma la

sección del tablón con la dirección de la corriente, llamando al mismo, ángulo de ataque (α).

Cabe destacarse, que además de la mencionada fuerza de arrastre que tiene que ver con el

rozamiento del fluido con la pieza sumergida, aparece otra fuerza que no tiene la dirección ni

el sentido de la corriente, sino una dirección perpendicular a ella recibiendo el nombre de

fuerza de sustentación (L).

Por lo tanto, por medio de la siguiente gráfica, se representan los términos anteriormente

definidos.


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Ilustración 8. Fuerzas Aerodinámicas Sobre un Perfil

Habitualmente, en el diseño de perfiles, se desea que la corriente “empuje” con la mayor

fuerza posible al mismo, por lo que es necesario optimizar la forma y el ángulo de ataque

para lograr así la máxima sustentación y el menor arrastre posible.

Consecuentemente, en aerodinámica, se utilizan coeficientes adimensionales que representan

la efectividad de la forma que debe tener un cuerpo para producir mayor sustentación, y a su

vez, facilitar los cálculos y diseños de los mismos.

Un modelo matemático de ello, es la fuerza de sustentación representada por la siguiente

fórmula.

Ecuación 1. Fuerza de Sustentación

L es la fuerza de sustentación, ρ la densidad del fluido, V es la velocidad del mismo, A es el

área de referencia del perfil y CL es el coeficiente de sustentación, que al ser adimensional, se

obtiene al despejarlo de la formula anterior:

Ecuación 2. Coeficiente de Sustentación Adimensional

Cabe destacarse, que la sustentación y en consecuencia su coeficiente, dependen directamente

del ángulo de ataque, ya que si se excede el punto máximo que puede llegar a tener este, el

perfil entra en pérdida dejando de sustentar. Se debe mencionar entonces, que esta pérdida se

produce debido al desprendimiento de la capa límite en la cara superior del perfil, como

consecuencia del gradiente de presión adverso existente más allá del punto de máximo


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espesor. Por esta razón, es importante que la forma de los perfiles aerodinámicos tengan un

gradiente de presión reducido para que de este modo, el desprendimiento de la vena fluida

ocurra en la parte posterior del perfil, próximo al borde de fuga, con lo cual la sustentación se

mantiene elevada por más tiempo.

Ilustración 9. Zonas de Sobrepresión y Depresión

Por otro lado, asociando la ecuación del coeficiente de sustentación, podemos escribir la

relación que asocia al coeficiente del arrastre por medio de la siguiente ecuación:

Ilustración 10. Coeficiente de Arrastre Adimensional

Entonces, a través de estos coeficientes, se confecciona la curva polar del perfil, donde se

describe el coeficiente de arrastre en función del coeficiente de sustentación, permitiendo

obtener en una comparación de perfiles, cual ofrece menor resistencia con mayor sustentación

o definir cuál de todos ellos tiene la máxima relación entre CL y CD.

De la misma manera, se define a la eficiencia aerodinámica de un perfil, como el cociente

entre la sustentación y el arrastre para cada ángulo de ataque que pueda llegar a tener el perfil.

Entonces, una vez elegido el perfil óptimo en base a la curva polar, se debe escoger para qué

ángulo de ataque, el cociente entre sustentación y arrastre es el máximo.


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Ilustración 11. Coeficiente de Sustentación (Cs) - Coeficiente de Arrastre (Ca) – Angulo de Ataque (α)

Por último, si se parte de la idea de que en la practica el fluido no es constante en su

movimiento, sino que siempre esta fluctuando e impide de esta manera saber con exactitud la

columna de fluido que pasa a través del rotor, es necesario entonces, utilizar como medida

de eficiencia de conversión de energía del fluido por parte del rotor al coeficiente de potencia

(Cp), que expresa la relación entre la potencia extraída por la turbina y la potencia disponible

en el fluido.

Ecuación 3. Coeficiente de Potencia

Esto permite establecer, que la potencia extraída del fluido básica (P = ½ · ρ · Ad (π·R2) · V

3)

no contempla dicho coeficiente, por lo que es preciso determinar cuál es la potencia real

extraída del fluido que es convertida en energía rotacional. Es decir, la readecuación de la

fórmula es la siguiente:

Ecuación 4. Potencia Real Extraída por el Rotor

Por lo tanto, para poder extraer del fluido una mayor cantidad de potencia, es necesario

encontrar un Cp que sea lo más grande posible, ya que dicha potencia varia solamente al

modificar al mencionado coeficiente, debido a que los otros parámetros (área de barrido,

velocidad del fluido y la densidad) son parámetros fijados inicialmente.


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Por lo tanto, como el coeficiente Cp depende de la forma del álabe, la cual es dada por el

perfil al asociarlo con la velocidad media específica (TSR, Tip Speed Ratio) que relaciona la

velocidad periférica del álabe con la velocidad del fluido, ecuación 5, se puede establecer

cómo varia Cp para los distintos tipos de perfil planteados, entendiéndose entonces, que para

un mismo TSR existirán distintos Cp de acuerdo al perfil.

Ecuación 5. Velocidad media específica

2. ANÁLISIS, RESULTADOS Y DISCUSIÓN

2.1 Materiales y Métodos

El estudio de las distintas opciones de perfil que puede tener un alabe de una turbina

hidrocinética, se analiza a través de software denominado QBlade. Dicho programa constituye

una multiplataforma de simulación para el diseño de turbinas de viento, este también puede

ser utilizado con el mismo propósito para nuestro caso, si solamente se varían los datos

relacionados al fluido de trabajo, ya que no se trata de un fluido como el aire, sino del agua

con características distintas.

Ilustración 12. Logo del Software QBlade

Dicho software, al ser de código abierto (libre), permite en esencia el diseño de manera

sencilla de una gran variedad de perfiles y calcular cuáles serían las condiciones óptimas de

estos para obtener un mayor rendimiento. Esto último, cabe aclararse, se logra gracias a las

distintas gráficas comparativas que el programa proporcione a partir de diferentes

simulaciones, permitiendo entonces, que el usuario tenga herramientas suficientes para

seleccionar el perfil más conveniente.

Para ello, los datos de partida básicos que se le debe proporcionar, son solamente los perfiles

que se han de tener en consideración y las propiedades físicas del fluido de trabajo. Por lo

tanto, se parte con las siguientes particulares:


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Los perfiles que se analizaran en dicho programa son los que se mencionan a

continuación:

PERFILES CONSIDERADOS

NACA 0015

NACA 0018

NACA 1308

NACA 4410

Tabla 1. Perfiles NACA a analizar

Y la representación gráfica de cada uno de ellos es:

Ilustración 13. Perfil NACA 0015





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Las propiedades físicas del agua de mar, son representadas en el software a través del

Número de Reynolds1 y del Número de Mach

2. Estos valores son calculados de la siguiente

manera:

Número de Reynolds:

Ecuación 6. Número de Reynolds

Vs: Velocidad Característica del Fluido

D: Cuerda del perfil

v: Viscosidad cinemática del agua de mar: Esta magnitud se define mediante la temperatura

promedio del agua como por la salinidad presente en ella. Entonces, ante la escasez de

información de las respectivas propiedades nombradas en nuestro punto de interese, se toma

un promedio de 10ºC para el agua según la base de datos consultada en la página web

http://seatemperature.info; mientras que se toma como valor de referencia estándar a una

salinidad media de 35 gramos de sales por Kg de agua de mar, ya que no hay ningún tipo de

información al respecto las aguas que cercanas a la ciudad de Puerto San Julián.

Número de Mach

Ecuación 7. Número de Mach

Vso: Velocidad del Sonido en el medio (agua salada) en que se mueve dicho objeto.

2.2 Resultados

Comparativa Inicial de los perfiles NACA

Luego de cargar al programa QBlade los datos base prefijados en el punto anterior, los

resultados obtenidos al realizar la simulación son:

1 Relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas presentes en un fluido, estableciendo así la

correspondencia entre la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión

adimensional que determina que el flujo pueda considerarse laminar o turbulento.

2 Medida de velocidad relativa que se define como el cociente entre la velocidad de un objeto y

la velocidad del sonido en el medio en que se mueve dicho objeto.


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http://seatemperature.info/

https://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad

https://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_del_sonido

Ilustración 17. Curva Polar de los distintos perfiles estudiados

Ilustración 18. Eficiencia Aerodinámica del Perfil NACA 4410

Analizando a los resultados proporcionados, podemos llegar a mencionar que el perfil NACA

4410 en la curva polar, describe una mejor relación entre el coeficiente de arrastre en función

del coeficiente de sustentación, ofreciendo así mayor sustentación con menor resistencia o

dicho de otra manera, entre todos los perfiles, el NACA 4410 tiene la máxima relación entre

CL y CD.

De la misma manera, podemos aproximar que el ángulo de ataque que deberá tener el álabe

para lograr mayor sustentación frente al arrastre, será en torno a un valor cercano a los 6.5º,

ya que en las gráficas se observa que el coeficiente Cl/Cd alcanza un máximo para un valor de

Alpha (ángulo de ataque) comprendido entre 6º y 8º.

A su vez, si se representa el desprendimiento de la capa límite del fluido para el ángulo de

ataque determinado, se puede obtener un mayor énfasis en la elección del mismo. Debido a

que se observa que prácticamente el desprendimiento de la capa limite es mínima con un

ángulo de ataque de 6.5º y no como en otras configuraciones de los ángulos de ataque

disponibles, donde si se observa un gran desprendimiento de la capa limite teniendo como

consecuencia la disminución del coeficiente de sustentación.


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Ilustración 19. Desprendimiento de la Capa Límite del Perfil NACA 4410 para distintos ángulos de ataque

Potencia real extraída por el rotor – CP - TSR

En el último paso, para poder obtener la potencia real extraída por el rotor como los distintos

coeficientes Cp y TSR, es necesario establecer tanto un rango de velocidades específicas del

fluido, comprendido entre 1 y 5 m/s, y otro para las velocidades angulares con que puede

llegar a girar el rotor, es decir las revoluciones por minuto del rotor, donde el mismo será de

10 a 100 RPM.

Se debe recordar, que también es necesario establecer las dimensiones del álabe para poder

calcular los distintos tipos de TSR. Por lo tanto, por medio de la siguiente ilustración, se

representan a las mismas:

Ilustración 20. Dimensiones del álabe

Por lo tanto, al proceder con la simulación, el programa nos proporciona los siguientes

resultados de los coeficientes de potencia para cada uno de los perfiles NACA considerados.


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Ilustración 21. Coeficientes de Potencia de cada uno de los perfiles NACA en función de TSR

Claramente, se puede apreciar en los resultados que el perfil NACA 4410 proporciona mayor

coeficiente de potencia respecto a los restantes perfiles restantes para un TSR dado (1.19

aproximadamente), por lo que brinda entonces, suficientes argumentos para que éste sea el

perfil en consideración para nuestra turbina hidrocinética.

Entonces, si recordamos que la velocidad del fluido es de 2.5 m/s, y establecemos que el rotor

girará a 30 rpm (línea en azul), el grafico inferior, nos indica que el valor de la potencia

extraída es alrededor de 4.8 kW.

Ilustración 22. Resultados de la simulación ante distintas RPM y velocidades del fluido

Por lo tanto, sabiendo que la potencia real extraída por el rotor es igual a:

Y recordando que la ρ es de 1025 Kg/m3y R es igual 0.75, podemos obtener el valor de Cp,

igual a 0.34.


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3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

3.1. Conclusiones

En el presente trabajo de investigación, se siguió la línea de investigación correspondiente a

las turbinas hidrocinéticas del PI 29 B163, incorporándose conocimientos en un segmento tan

fundamental como es el diseño de su rotor y su elemento principal el álabe.

Por tal motivo, al suministrar las características del medio (agua de mar con una velocidad

estimada de 2.5 m/s) donde la turbina funcionará y la potencia con las respectivas

dimensiones de la misma a un software de simulación, se pudo determinar ante una

comparativa de diversos perfiles, que el óptimo para nuestro caso es el perfil NACA 4410, ya

que presenta mejor coeficiente de relación entre la sustentación y el arrastre, y mayor

coeficiente de extracción de potencia que los restantes perfiles.

Del mismo modo, se determinó que dicho perfil, debe tener un ángulo de ataque entre 6 y 8

grados, ya que no presenta, en dicha configuración, desprendimiento de la capa límite y por

ende, no exhibe una caída del valor del coeficiente de sustentación.

Por último, se debe destacar la importancia de la utilización del perfil NACA 4410 en la

extracción de potencia por parte del rotor al fluido, ya que si se utiliza un Cp de otro perfil

para la misma velocidad, como por ejemplo Cp igual a 0.25 del perfil NACA 0018, y se

calcula la potencia extraída por el rotor, se obtiene un valor de 3537.74 W o 3.53 kW. Se

interpreta entonces, que el perfil NACA 4410 solo resta un 10% de la potencia estimada

inicial (5kW), mientras que con otros perfiles, se puede llegar a triplicar la potencia no

capturada por el rotor.

3.2. Recomendaciones

A modo de continuar con esta misma línea de investigación, se subraya la importancia de

proseguir con las subsiguientes etapas de diseño de la turbina hidrocinética, destacándose la

intención del alumno becario de completarlas para que estas constituyan la tesis de grado de

su respectiva carrera.

Es relevante simular en trabajos posteriores a este informe, con mayores espesores del perfil

(Por ejemplo 4420, 4440….) observando si cae el Cp en el rango de ángulo de ataque óptimo

respecto del perfil NACA 4410, dado que el agua siendo 800 veces más densa que el aire,

pueda ser necesario reforzar el perfil para reducir el riesgo de rotura de los álabes del rotor.

Además hay que considerar que la generación será mediante generador de imanes

permanentes con rectificación a la salida, para obtener CC y poder disponer de acumulación

en baterías cerca de la carga. Dicha acumulación, será controlada por un regulador de voltaje

que permita en un futuro incorporar otras fuentes de energía renovable como eólica o

fotovoltaica. Estas implementaciones se están llevando a cabo paralelamente a este informe.

También es importante destacar que la elección del material con que se construirán los álabes

debe realizarse con detallado estudio, ya que si se consideran, por ejemplo, los metales, por

poseer una resistencia mecánica considerable, estos a su vez son muy pesados y deben


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soldarse con una alta calidad de soldadura, debido a que cualquier micro fisura será usada

por el agua para fatigar al alabe . En cambio, si se elige utilizar las fibras y resinas, hay que

tener en cuenta, que se ha comprobado que esta se abre dilatando alguna micro fisura de

fatiga cuando el agua llega a ella. Por lo tanto, se puede considerar hacer modelos y

prototipos con estos últimos materiales por cuestión de costos para apreciar el

funcionamiento, pero lo ideal sería usar fibra de carbono y resinas epoxi como material para

los alabes de la turbina.

Por último, cabe aclararse, que se podría considerar la realización de los cálculos efectuados

para un ambiente con características distintas, como por ejemplo los canales de riego de la

ciudad de Los Antiguos. Destacándose, que en los mismos la principal diferencia es la de

densidad del agua, pasaría a ser de 1000 Kg/m3 (agua dulce) en vez de 1025 Kg/m

3.

4. AGRADECIMIENTOS

El alumno, agradece su participación en la investigación académica por segundo año

consecutivo a las siguientes personas:

Al personal del Laboratorio de Energías Renovables de la UNPA - UACO,

principalmente al Magister Labriola, Carlos, director de la presente beca, a los

ingenieros Horacio León y Abdelbaki, Abdel por proponer mi iniciación en la

investigación académica, y al Ingeniero Chacon, Hugo, por los comentarios

sugeridos.

A mis compañeros que conforman mi carrera universitaria.

Al personal de la Unidad Académica de Caleta Olivia.

A familia y amigos por el apoyo en todo el año.

5. REFERENCIAS

CORTEZ AGUILAR, M. M. (2014). Análisis aerodinámico de la hélice de un aerogenerador

tripala de eje horizontal de 3 KW mediante simulación numérica.

DE ALBA, M. F. M., FERNÁNDEZ, L. E. G., & ALMONACID, M. A. G. (2010).

Metodología de obtención de los coeficientes de sustentación y arrastre para un rango

amplio de números de Reynolds y ángulos de ataque para aplicaciones en turbinas

eólicas.

DÍEZ, P. F. (1993). Energía eólica. Universidad de Cantabria, Escuela Politécnica Superior

de Ingeniería.

FUNES RUIZ, J. F. (2009). Análisis simplificado de la respuesta estructural de una pala de

aerogenerador.

LECUONA NEUMANN, A. (2002). La energía eólica: principios básicos y

tecnología. Madrid: l'autor.

MALDONADO, F. (2005). Diseño de una turbina de río para la generación de electricidad en

el distrito de Mazán-Región Loreto. Universidad Nacional Mayor de San Marcos,

Lima.


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MUÑOZ CHEREAU, Á. H. (2014). Metodología costo efectiva para el diseño de una turbina

hidrocinética de eje horizontal.

MUÑOZ, C., & ANDRÉS, H. (2015). Pre-diseño del rodete de turbinas para ríos de Chile.

VITORINO, M. E., LABRIOLA, C. V. M., & MOYANO, H. A. (2016). Sistemas

Conversores Fluido-Dinámicos de energía renovable para la Patagonia

Argentina. Informes Científicos-Técnicos UNPA, 8(2), 113-138.


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6. ANEXOS

En las últimas páginas de dicho informe, se anexan las láminas con las respectivas

dimensiones del rotor del prototipo como de los elementos que lo constituyen al mismo.


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Sistemas Conversores Fluido - Dinámicos de energía ... · presente informe trata el estudio de las particularidades de una turbina hidrocinética de acuerdo a las características