DISEÑO AEROMEC DE HAWTS

7/31/2019 DISEO AEROMEC DE HAWTS

1/1052 El Hombre y la Mquina No. 23 Julio - Diciembre de 2004

Resumen

El presente trabajo proponeuna estrategia de clculo aerome-cnico de aerogeneradores de ejehorizontal (HAWT) basada en lacombinacin de un mdulo ae-rodinmico que proporciona ladistribucin de presiones tridi-mensional sobre las palas delHAWT y un mdulo de clculoestructural que utiliza las fuerzasgeneradas por dichas presionespara hallar la deformacin de laspalas y el correspondiente mapade esfuerzos y tensiones.

Diseo aeromecnico deaerogeneradores elicos de eje

horizontal (HAWTs) S. LAN,1H.E. JARAMILLO,2

B. QUINTERO,3 M. VALLE3

1. Doctor en Ciencias Fsicas, Universidad de Zaragoza (Espaa). Docente del Departamento de Energtica y Mecnica y Director Grupo de Investigacin en Mecnica de Fluidos reconocido por Colcienciasde la Universidad Autnoma de Occidente. E-mail: [email protected]

2. M.Sc. en Ingeniera Civil. Especialista en Estructuras. Universidad del Valle. Docente del Departamento de Energtica y Mecnica . Grupo de Investigacin Ciencia e Ingeniera de Materiales reconocido porColciencias de la Universidad Autnoma de Occidente. E-mail: [email protected]

3. Estudiantes ltimo semestre de Ingeniera Mecnica. Universidad Autnoma de Occidente.

El mdulo aerodinmico in-tegra en una tarea de clculo lateora de la superficie sustenta-dora, la cual proporciona la ve-

locidad incidente efectiva y elngulo de ataque en cada seccinde la pala, y un mtodo de pane-les bidimensional con el objetode obtener la distribucin de pre-siones a lo largo de la pala.

Los datos de la distribucin depresiones generada por el mdu-lo anterior se utilizan como entra-da del mdulo estructural el cualconsiste en un paquete de elemen-tos finitos que calcula la deforma-cin y los campos de esfuerzos ytensiones sobre la pala, as comola fatiga inducida en el material.

El objetivo final del presenteestudio y desarrollo consiste enestablecer una herramienta com-putacional susceptible de ser uti-lizada para la optimizacin deldiseo de palas de aerogenerador,atendiendo a criterios de eficien-cia energtica (potencia aerodi-nmica mxima extrable) y re-sistencia estructural.

Palabras clave

Simulacin numrica, aero-generador, interaccin fluido-es-tructura

Visualizacin de la estela predefinida cilndrica.


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Abstract

An aeromechanical calcula-tion of Horizontal Axis WindTurbine (HAWT) strategy isproposed in the present paper.

Such strategy is based on thecombination of an aerodynamicmodule, which provides thethree-dimensional pressure dis-tribution on the HAWTs bla-des, and a structural modulewhich uses such pressure forcesas input data in order to com-pute both, blade deformationand strain and stress distributio-ns over the blade.

The aerodynamic modulecombines the three-dimensionalnon-linear lifting surface theoryapproach, which provides theeffective incident velocity andangle of attack at each bladesection, and a two-dimensionalpanel method for steadyaxisymmetric flow in order toobtain the 3D pressure distribu-tion on the blade.

Such pressure distributionconstitutes the input data of thestructural module, which con-sists of a finite element packagewhose output is the blade defor-mation and strain and stress dis-tribution along the blade, as wellas material induced fatigue.

The final goal of the presentdevelopment is to build a com-

putational tool being able todeal with the optimisation of aHAWT blade taking into ac-count criteria of energy effi-ciency (maximum extracted ae-rodynamic power) and structu-ral strength.

Key words

Numerical simulation, windturbine, fluid-structure interac-

tion

1. Introduccin

Las modernas palas de los ae-rogeneradores elicos de eje hori-zontal consisten en delgadas estruc-turas de materiales compuestos conuna distribucin muy sofisticada de

resinas laminadas a lo largo de laenvergadura y la cuerda. La optimi-zacin del diseo mecnico de lapala se debe realizar modelndolacomo un conjunto de lminas del-gadas ms que con una aproxima-cin mediante elementos viga.

La adecuada evaluacin de lasfuerzas interlaminares requiere unclculo detallado del campo de fuer-zas externo, es decir, del campo de

presiones. Desafortunadamente, lamxima carga aplicada a las palasaparece en condiciones de alta ve-locidad, prdidas, flujo turbulentoy direccin del viento no perpendi-cular al plano del rotor. El clculodel flujo en esas condiciones desfa-vorables est lejos de estar satisfac-toriamente resuelto. Sin embargo, elestudio del flujo a velocidades demxima eficiencia permite la opti-

mizacin del grosor, los materiales,las secuencias de apilamiento y elanlisis de la fatiga inducida por larotacin.

Por otro lado, el conocimientodel campo de presiones supone unamejor estimacin de las actuacionesen servicio del rotor que las simpli-ficadas teoras del momento, usan-do las fuerzas globales de sustenta-cin y resistencia en cada seccin.

El clculo de tales campos de pre-sin sobre las palas de una aerotur-bina, despreciando la accin de laviscosidad, se puede abordar me-diante mtodos de paneles tridimen-sionales o con la solucin de lasecuaciones del flujo de Euler. Sinembargo, tales mtodos son muycostosos computacionalmente y sontodava demasiado lentos para undiseo mecnico y aerodinmico

interactivo. Adems, los efectos vis-cosos en las capas de vorticidad y

Diseo aeromecnicoS. Lan. H.E. Jaramillo B. Quintero M. Valle



en las zonas de prdidas deben mo-delarse de alguna forma, introdu-ciendo incertidumbres en aquellosmtodos, inicialmente exactos. Asmismo, la solucin de las ecuacio-nes de flujo de Euler precisan de unmallado tridimensional en el que las

variables se calculan en cada nodo(Chaviaropoulos y Papaliou, 1988),mientras que los mtodos de pane-les slo discretizan la superficie devorticidad (Valarezzo y Liebeck,1988) Por esta razn, los ltimos seaplican en aerodinmica externaincompresible (ver, por ejemplo,Rawlinson-Smith y Hales (1990)).

Entre los mtodos simplificadosde clculo empleados se pueden ci-tar desde la primitiva teora delmomento, basada en la hiptesis deldisco actuador (Wilson et al., 1976),la teora de la lnea sustentadora(Afjeh y Keith, 1986) hasta la teo-ra de la superficie sustentadora (Si-moes y Graham, 1991). En estosmtodos, diferentes versiones de lateora del elemento de pala, se tra-tan de calcular las velocidades in-ducidas sobre secciones bidimen-

sionales de la pala y el flujo tridi-mensional es aproximado como unasecuencia de flujos bidimensiona-les sobre las secciones, a partir develocidades y ngulos de ataqueefectivos.

Todas estas estrategias requie-ren clculos de la evolucin de laestela. Incluso en condiciones de nodesprendimiento donde la vortici-dad se encuentra confinada en del-

gadas hojas helicoidales, hay unafuerte no linealidad pues el desco-nocimiento de la forma de la estelay su influencia en todo el campo delflujo impiden obtener directamentela solucin del sistema. Se han pro-puesto diferentes tcnicas para su-perar la indeterminacin de la posi-cin de la estela y las intensidadesde los vrtices. Las alternativas sepueden citar siguiendo un orden

decreciente de complejidad y costocomputacional: estela libre (Sipcic

y Morino, 1985), estela libre sim-plificada (Miller, 1988), estela pre-definida (cilndrica o tronco cni-co) (Rawlison-Smith y Hales, 1990)y estela predefinida simplificada(Hernndez y Crespo, 1987). Noobstante, segn Simoes y Graham

(1991), Gould y Fiddes (1991), Af-jeh y Keith (1986), la geometraexacta de la estela demuestra tenerslo una pequea influencia en loscasos documentados.

La estrategia de clculo aerodi-nmico adoptada en este trabajo esten lnea con la presentada en Lanet al. (1995) donde se utilizaba,como compromiso entre precisiny costo computacional, una combi-nacin del mtodo tridimensionalde la superficie sustentadora y unmtodo de paneles bidimensional.El primero permite determinar lavelocidad incidente y su ngulo deataque sobre cada seccin de la palay el segundo calcular la distribucinde presiones sobre ella.

No obstante, la accin de lasfuerzas aerodinmicas induce una

serie de deformaciones y esfuerzosen las palas que deben ser analiza-das desde un punto de vista estruc-tural con el objeto de estimar la fati-ga y/o ruptura del material, as comotambin el optimizar la forma, ya quela relacin peso-resistencia de laspalas es un factor que define su di-seo. Para realizar esta segunda par-te del clculo, se ha optado por utili-zar paquetes de elementos finitos ta-les como SARAH o ANSYS, loscuales permiten calcular y analizarlos esfuerzos y deformaciones pro-ducidos por la interaccin entre elfluido y la estructura.

2. Descripcin del

procedimiento

computacional

2.1 Configuracin geomtrica

Se considera un flujo estaciona-

rio uniforme sobre una aeroturbinade eje horizontal. sta consta de K




palas de radio R que rotan a unavelocidad angular constante yenclavadas con un cierto ngulo decalaje o pitch y alineadas conla velocidad de viento incidente V

.

Las palas se modelan como su-

perficies sustentadoras cuya geome-tra se corresponde con una super-ficie continua, curvada y alabeadaconstruida a partir de una sucesinde lneas medias curvadas en cadaperfil desde el borde de ataque alborde de fuga.

Se define un sistema de coor-denadas cartesiano (X,Y,Z) relativoa la primera pala, n = 1 (Figura 1).Las posiciones relativas a este sis-

tema de coordenadas se denotan porr = (x,y,z). El sistema de coordena-das de la superficie sustentadora sedefine en funcin de una coordena-da en la direccin de la envergadu-ra (lneas p) y otra coordenada enla direccin de la cuerda de cadaperfil (lneas q). El vector vortici-dad local sobre la hoja de vortici-dad que representa la pala se pro-yecta sobre este sistema de coorde-

nadas definiendo vrtices ligados alo largo de las lneas p y vrticeslibres desprendidos a lo largo de laslneas q.

Se considera un nmero finito deP vrtices ligados y Q+1 vrtices li-bres equivalente, para propsitoscomputacionales, a una discretiza-cin de la superficie sustentadora enm = P Q paneles de vorticidad enforma de cuadriltero (Figura 2). La

interseccin de las lneas p y las l-neas q en cada pala definen Mpq

nodos. Los puntos de control, j, es-tn localizados en los centros de lospaneles correspondientes a las palas.

Las propiedades de conserva-cin de la vorticidad permiten re-presentar la intensidad local de cual-quier vrtice como una superposi-cin de vrtices de herradura deintensidad constante

icorrespon-

diente a cada segmento de vortici-dad ligado i, i = 1,2,...,P Q.

Figura 1. Definicin de la superficie sustentadora y parmetros geomtricos.

Figura 2. Visualizacin de los vrtices o torbellinos libres y ligados en la superficie de vorticidad.

Varios autores (Simoes y Gra-ham (1991), Gould y Fiddes (1991),Afjeh y Keith (1986)), reportan quela geometra exacta de la estela de-muestra tener tan slo una pequeainfluencia en los resultados sobrelos casos documentados. Por tanto,se considerar que los vrtices li-bres viajeros siguen una trayectoria

helicoidal cilndrica prescrita des-pus de abandonar la superficie sus-




tentadora. Las leyes de conserva-cin de momento angular comple-mentadas con la teora del discoactuador (Horlock, 1978) permitenaproximar el paso de la hlice como:

(1)

donde es la velocidad especficaadimensional en punta de pala de-finida como:

(2)

y CT es el coeficiente de empujeadimensional definido a partir delempuje axial, T, el rea barrida porlas palas A, densidad del fluido, ,y la velocidad incidente en el infi-nito V

:

(3)

Como CT

depende de las fuerzas

aerodinmicas globales que actansobre la pala, su valor final es unaincgnita al comienzo del clculo.Esto introduce una no linealidad in-trnseca en el sistema la cual es re-suelta permitiendo un relajamientode la estela, a travs de un procedi-miento iterativo que comienza conuna aproximacin de C

T.

(4)

donde rij

n representa la posicin re-lativa del punto de control j, situa-do en la primera pala, respecto al

elemento diferencial del vrtice deherradura i perteneciente a la pala n(Figura 1), y dl

in es el elemento de

longitud diferencial de la lnea devrtice i.

Superponiendo las contribucio-nes debidas a todas las lneas devrtices se obtiene una expresinpseudo-lineal (Baskin et al., 1976)que proporciona la velocidad deperturbacin en los puntos de con-trol j:

(5)

Este sistema no est determina-do ya que no slo las velocidades deperturbacin u = (u

j,v

j,w

j) son des-

conocidas, sino que tambin lo sonlas intensidades (circulacin) de losvrtices

i. Para resolver el sistema

se deben imponer las condicionescinemticas de contorno en la super-ficie sustentadora, es decir, que lavelocidad total en cada punto de con-trol j debe ser tangente a dicha su-

perficie. Esto proporciona un siste-ma de ecuaciones lineal para las is,

cuyos coeficientes tan slo dependende la geometra de la superficie sus-tentadora y (Lan et al., 1995) elcual se resuelve directamente.

Una vez conocida la distribucinde intensidades de los vrtices, elteorema de Kutta-Joukowsky nosproporciona la fuerza total de sus-tentacin por unidad de longitud, Lq,

sobre cada seccin de la pala com-prendida entre las lneas q y q+1:

(6)

donde Wj

es la velocidad total rela-tiva al punto de control j, la cual esla suma vectorial de la velocidadincidente V

, la componente debi-da a la rotacin y la perturbacin u.

Esta fuerza de sustentacin so-bre cada seccin de la pala puedeproyectarse sobre el plano y el ejede rotacin. Las fuerzas axial y tan-gencial resultantes se calculan en-tonces en cada seccin de la pala,con el objeto de hallar el empujeaxial y el torque. Si las caractersti-cas de resistencia aerodinmica del

perfil son conocidas, los resultadosanteriores se corrigen con esta fuer-za de resistencia.

Conociendo el coeficiente desustentacin C

L(i), siendo i el n-

gulo de ataque, para cada perfil es-pecfico, bien experimentalmente obien mediante clculos 2D, la velo-cidad efectiva incidente sobre cadaseccin q puede calcularse median-te el proceso iterativo descrito en

Lan et al. (1995). Como resultadodel proceso se obtiene consistente-mente, para cada seccin q de lapala, una velocidad incidente Wq yun ngulo de ataque iq efectivos.

2.3 Distribucin de presiones

La distribucin de presionessobre la pala, en condiciones de nodesprendimiento de la capa lmite,puede extraerse del conocimiento

de los valores anteriores de Wq e iqpara cada seccin por medio delanlisis del flujo plano en cada sec-cin a travs de un mtodo de pa-neles 2D (Moran, 1984).

Cada pala con seccin de an-chura finita se divide en N segmen-tos de vorticidad cuya circulacinadimensional por unidad de longi-tud, la cual equivale a la velocidadlocal tangente, se denota por

jq. Una

nueva aplicacin de la ley de Biot-Savart al flujo plano junto con la

2.2 Caractersticasaerodinmicas

El campo de velocidades no es-tacionario e irrotacional total se cal-cula en funcin de la velocidad enel infinito V

, ms una perturbacin

u inducida por el campo de vortici-dades. Las velocidades inducidaspor el vrtice de herradura de inten-sidad unidad i sobre la pala n sobreel punto de control j situado en la

primera pala, uijn, viene dado por laley de Biot-Savart como:




condicin de tangencia de las velo-cidades locales en los puntos me-dios de los segmentos de vorticidadpermiten definir un sistema de Necuaciones lineales con incgnitasj

q en cada seccin. Aadiendo lacondicin de Kutta-Joukowsky ex-

presada como:

Se encuentra un sistema deecuaciones sobredeterminado:

donde Aij

q y biq solo dependen de

parmetros geomtricos del perfil,la velocidad incidente Wq y el n-gulo de ataque iq sobre la seccin.Dicho sistema se resuelve por me-dio de un procedimiento de mni-mos cuadrados (Moran, 1984) ob-tenindose los valores para

jq los

cuales, junto con los valores de Wq,permiten el clculo del coeficientede presin a lo largo del perfil de lapala q

(7)

Un valor de presin para cadapanel construido a mitad de cami-no entre nodos adyacentes, en ladireccin de la cuerda del perfil yde la envergadura de la pala, se ob-tiene multiplicando la presin en elcentro por el rea de cada panel. Ladistribucin de presiones resultan-te constituye el dato de entrada del

paquete de elementos finitos.

2.4 Clculo estructural

Como ya se ha comentado en elepgrafe introductorio, las modernaspalas de los aerogeneradores eli-cos de eje horizontal consisten endelgadas estructuras de materialescompuestos con una distribucinmuy sofisticada de resinas lamina-das a lo largo de la envergadura y la

cuerda. La optimizacin del diseomecnico de la pala se debe reali-

zar modelndola como un conjuntode lminas delgadas, ms que conuna aproximacin mediante ele-mentos viga. Adems, la adecuadaevaluacin de las fuerzas interlami-nares requiere un conocimiento de-tallado del campo de fuerzas exter-

no, en nuestro caso, del campo depresiones sobre la pala el cual sedetermina siguiendo el proceso des-crito anteriormente.

La accin de las fuerzas aerodi-nmicas inducir una serie de defor-maciones y esfuerzos en las palas quedeben ser analizadas desde un puntode vista estructural, con el objeto deestimar la fatiga y/o ruptura del ma-

terial, as como tambin el optimi-zar la forma, ya que la relacin peso- resistencia de las palas es un factorque define su diseo.

En este momento la geometrade la pala y dicho campo de pre-siones son los datos introducidosen el paquete de elementos finitosque realizar el clculo estructural.Aqu se han considerado dos pa-quetes comerciales: SARAH y

ANSYS. Sin embargo, dado que eltrabajo presentado en este artculoest todava en proceso de desarro-llo, tan solo se mostrarn resulta-dos obtenidos con el primero deellos, mientras se sigue trabajandoen el segundo.

El objetivo final del presenteestudio y desarrollo consiste en es-tablecer una herramienta computa-cional susceptible de ser utilizada

para la optimizacin del diseo depalas de aerogenerador atendiendoa criterios de eficiencia energtica(potencia aerodinmica mximaextrable) y resistencia estructural.

3. Resultados

La validacin de la estrategia declculo aerodinmica mixta super-ficie sustentadora - mtodo de pa-neles bidimensional ha sido presen-

tada en Lan et al. (1995). Por con-siguiente, aqu slo presentaremos




un resumen de los resultados msrelevantes alcanzados con ella.

En lo que respecta a parmetrosglobales que caracterizan la aerotur-bina, los fabricantes proporcionanhabitualmente la curva coeficiente de

potencia frente a velocidad especfi-ca en punta de pala . El coeficientede potencia se define como:

(8)

donde se ha utilizado la misma va-riable que para el coeficiente de pre-sin; no obstante, el contexto clari-ficar a cul de los dos coeficien-tes, potencia o presin, nos estamosrefiriendo.

La Figura 3 muestra las curvasC

p(

) para dos aeroturbinas comer-

Figura 3. Comparacin de coeficientes de potencia frente a velocidad especfica para dos aeroturbi-

nas: (a) Howden Nel 15m/60Kw y (b) Ecotecnia 20m/150Kw. Los resultados obtenidos utilizando elmtodo simplificado de Glauert se presentan como comparacin.

diciones de altos ngulos de ataquey por tanto de prdida (debido al des-prendimiento de la capa lmite), lascuales estn ms all del rango devalidez del modelo. Adicionalmen-te, el modelo se comporta mejor quela teora de Glauert, como tambin

era de esperar, ya que este ltimodesprecia la resistencia aerodinmi-ca frente a la sustentacin.

Los resultados obtenios para elcampo de presiones sobre la pala sepresentan en la Figura 4, en com-paracin con las medidas experi-mentales de Ronsten et al. (1989)realizadas sobre un rotor de 5.35 mde dimetro y 7 Kw de potencianominal en el China AerodynamicResearch and Development Center(CARDC), a una velocidad espec-fica en punta de pala = 7.4.

En la sucesin de Grficas 4 (a)- (e) se presenta el coeficiente depresin (7) a lo largo de la cuerdadel perfil de la seccin (expresadaen tanto por ciento), tanto para elintrads como para el extrads. Enellas se observa que el coeficiente

de presin es positivo para el intra-ds (curva inferior) y negativo parael extrads (curva superior), lo cualnos indica que en este ltimo apa-rece una succin o depresin netaque, en mdulo, es mayor que la so-brepresin experimentada por el in-trads. Cabe destacar que el acuer-do con las medidas experimentaleses excelente para las secciones mscercanas a punta de pala, mientras

que unas pequeas discrepanciaspueden observarse en el extrads enla seccin ms cercana a la raz,debidas a que posiblemente esa sec-cin trabaje en situacin de prdidaincipiente en las condiciones parti-culares del experimento.

Dichas curvas de coeficientesde presin en las diferentes seccio-nes se sintetizan en la Figura 5, per-mitiendo observar la tendencia glo-

bal de dichos coeficientes en un sologrfico.

ciales: HOWDEN NEL 15m/60Kwy ECOTECNIA 20m/150Kw.

En esta figura se muestran losdatos del fabricante (crculos huecos)con los obtenidos mediante la estra-tegia de clculo de la superficie sus-

tentadora mtodo de paneles 2D(lneas a trazos) y los obtenidosaplicando la teora simplificada deGlauert, tal y como se encuentra pre-sentada en Le Gourieres (1982) (l-neas de ejes). En ambos casos la es-trategia propuesta en este artculocaptura muy bien los puntos experi-mentales cerca del punto de diseodel aerogenerador (mximo de lacurva) mientras que se separan deellos conforme la velocidad inciden-

te V aumenta. Las discrepancias enestos puntos se deben a que para ve-locidades incidentes elevadas se al-canzan situaciones donde algunassecciones de la pala trabajan en con-


a.

b.



Figura 4a. Coeficientes de presin para el rotor Cardc frente al porcenta-je de la cuerda del perfil. Resultados para la seccin situada al 30% de la

envergadura de la pala.

Figura 4b. Coeficientes de presin para el rotor Cardc frente alporcentaje de la cuerda del perfil. Resultados para la seccin situada al

55% de la envergadura de la pala.

Figura 4c. Coeficientes de presin para el rotor Cardc frente al porcenta-je de la cuerda del perfil. Resultados para la seccin situada al 75% de la

envergadura de la pala.

Figura 4d. Coeficientes de presin para el rotor Cardc frente alporcentaje de la cuerda del perfil. Resultados para la seccin situada al85% de la envergadura de la pala.

Como ilustracin de las capaci-dades de anlisis del mdulo aero-

dinmico, la Figura 6 muestra ladistribucin de presiones sobre elextrads de la pala de la aeroturbi-na ECOTECNIA para diferentes n-gulos de calaje o pitch = -3, 0 y 3grados. En ella se muestra no slola variacin de la distribucin depresiones sino tambin la distribu-cin de ngulos de ataque i a lo lar-go de la envergadura de la pala. Seobserva inmediatamente que tantola succin como el ngulo de ata-que decrecen al aumentar el ngulode pitch.

Una vez conocida tanto la geo-metra (segn datos del fabricanteo el diseo que el usuario quieraprobar) como la distribucin de pre-siones a lo largo de la envergadurade la pala, se realiza la traduccindel formato de salida del mduloaerodinmico al formato de entra-

da requerido por el paquete estruc-tural. Dicho formato de entrada de-pende del programa a usar y por tan-to, el software encargado de la tra-duccin de los datos debe modifi-carse cuando se vaya a cambiar elcdigo de elementos finitos.

En lo que respecta al modela-miento estructural de la pala, stese ha realizado superponiendo has-ta diez capas de tres materiales com-

puestos distintos, variando tanto eltipo de material como el ngulo de

Figura 4e. Coeficientes de presin para el rotor CARDC frente alporcentaje de la cuerda del perfil. Resultados para la seccin situada al

95% de la envergadura de la pala.




Figura 6a. Distribucin de presiones y ngulos de ataque para lapala del aerogenerador Ecotecnia, girando a la velocidad angular

nominal de 5.35 rad/s. ngulo de pitch -3 grados.

Figura 5. Variacin de los coeficientes de presin frente a la cuerday la envergadura para la aeroturbina Cardc.

Figura 6b. Distribucin de presiones y ngulos de ataque para lapala del aerogenerador Ecotecnia, girando a la velocidad angular

nominal de 5.35 rad/s. ngulo de pitch 0 grados.

Figura 6c. Distribucin de presiones y ngulos de ataque para lapala del aerogenerador Ecotecnia, girando a la velocidad angular

nominal de 5.35 rad/s. ngulo de pitch + 3 grados.

colocacin. Todo con el objeto deoptimizar la relacin resistencia -peso de la pala.

En lo que sigue se observan losresultados preliminares obtenidoscon el paquete SARAH para la pala

de la aeroturbinaECOTECNIA 20/

150. La Figura 7muestra la deforma-cin de la pala debi-da a las cargas aero-dinmicas en el pun-to nominal de funcio-namiento del aeroge-nerador. La distanciaentre los extremos delas palas original ydeformada era, en

este caso, algo supe-rior a un metro.

La Figura 8muestra el valor ab-soluto de las tensiones a lo largo de laenvergadura de la pala. El color rojoindica valores elevados mientras queel azul valores bajos de tal variable.Como es de esperar, las tensiones sonms elevadas en las cercanas de laraz, disminuyendo gradualmente ha-

cia la punta de la pala.4. Conclusiones y trabajo

futuro

El presente artculo describeuna estrategia de clculo aerome-cnico para palas de aerogeneradorelico de eje horizontal, la cual essusceptible de ser utilizada comoinstrumento de diseo y optimiza-cin de la geometra y caractersti-

cas estructurales de dichas palas.El mdulo de clculo aerodinmi-Figura 7. Comparacin de la geometra de la pala original y ladeformada por las cargas aerodinmicas, en el caso de la turbina

Ecotecnia, en las condiciones de su punto de funcionamiento ptimo.



10/1061El H b l M i N 23 J li Di i b d 2004

Figura 8. Mapa de tensiones absolutas sobre la pala del rotor Ecotecnia 20/150 en el punto defuncionamiento ptimo. Cabe notar cmo las tensiones aumentan al acercarnos a la raz de la pala.

RAH que muestra tanto la defor-macin como el mapa de tensionesabsolutas de la pala del aerogene-rador ECOTECNIA 20/150 con uncomportamiento cualitativo sufi-cientemente satisfactorio.

El trabajo en progreso se centraen utilizar el paquete ANSYS pararealizar el clculo estructural con hin-capi en la elaboracin de un entornogrfico ergonmico que le permita alusuario tanto la eleccin de los mate-riales como el establecimiento de laestructura de las palas.

co combina la teora de superficiesustentadora con un mtodo de pa-neles bidimensional con el objetode proporcionar la distribucin depresiones que acta sobre la pala.Estas fuerzas aerodinmicas, jun-

to con la geometra de la pala, cons-tituyen los datos de entrada para elmdulo estructural, el cual consis-te en un paquete estndar de ele-mentos finitos, posiblemente co-mercial, encargado de proporcio-nar tanto la deformacin como elmapa de esfuerzos y tensiones so-bre la pala.

La capacidad predictiva delmdulo aerodinmico se ha con-

trastado frente a medidas realiza-das en un rotor de laboratorio en elChina Aerodynamic Research andDevelopment Center, obtenindo-se un excelente acuerdo entre losresultados del modelo y los puntosexperimentales para condicionesde flujo estacionario, irrotacionaly donde las palas no presentan des-prendimiento de la capa lmite enninguna de sus secciones, el cual

constituye el rango de validez delmodelo.

Tambin se han presentado re-sultados, todava preliminares, delclculo estructural obtenido con elpaquete de elementos finitos SA-

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DISEÑO AEROMEC DE HAWTS

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