DISEÑO FLUIDODINAMICO DE AEROTURBINAS Y ENDOGENIZACIÓN TECNOLOGICA

M.Sc.Ing.Quevedo Novoa Luis G. 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE POSTGRADO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

DISEÑO FLUIDODINAMICO DE AEROTURBINAS Y ENDOGENIZACIÓN TECNOLOGICA

M. Sc. Ing. Mec. Quevedo Novoa L. Guillermo

CUSCO – PERÚ2009

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO”

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

XVI Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniería Mecánica, Eléctrica, Electrónica y Ramas Afines

(XVI CONEIMERA)


INTRODUCCION

Me es muy grato estar ante ustedes. Agradezco la invitación de la Comisión Organizadora del XVI CONEIMERA y de la Escuela Académica de Ingeniería Mecánica de la UNSAAC.

Voy a tratar dos temas centrales:– Primero, sobre el productos de la investigación:

“Algoritmo de Diseño para Aeroturbinas”. Que es parte de un curso tutorial que se viene dictando en este congreso.

– Segundo, alcanzo precisiones sobre lo que a devenido en llamarse Endogenización tecnológica, tema de vital importancia para el desarrollo nacional


Digo con humildad que “Algoritmo de Diseño para Aeroturbinas” es una investigación que se hizo acreedora al premio nacional de la Asociación Peruana De Energía Solar Y Renovables (APES), en su IX Simposium Peruano y II Seminario Internacional (Arequipa).

Corresponde a una investigación de carácter tecnologíco-científico en el área de energía, en el contexto de Tecnologias Apropiadas y Desarrollo Sostenible-Energias Renovables.

Se logro en el esfuerzo de investigar para consolidar paquetes tecnológicos Endogenizados, que son de carencia y necesidad en la realidad latinoamericana.


En la investigación de “Algoritmo de Diseño para Aeroturbinas”, se tuvo el apoyo en información de SWG de la Cooperación Internacional Holandesa.

Debo reconocer al colega Aguilar Marín y a mis maestros Dr. Giovanni Zucchi (Italia) y Dr. Jaime Benítez (Puerto Rico), por su iniciación y/o aporte.


• Diseño de Aeroturbinas

• Endogeneización Tecnológica

• Diseño de otras Turbinas : Pelton; Michell Banki

• Diseño de Equipos de control de Material Particulado

INDICE


¿Cómo se Diseña Aeroturbinas?

¿Cómo a partir de Datos de las Prestaciones Requeridas y Datos de Campo, llegamos a las Dimensiones Constructivas de Planos?


UBIQUEMONOS EN AEROTURBINAS

• UN NUMERO DE ALABES.

• RADIO.

• PERFIL (TAMAÑO DE CUERDA Y LUGAR GEOMETRICO).

• ANGULO DE ATAQUE.

• VELOCIDAD DE GIRO .

DIMENCIONES CONSTRUNTIVAS A LOGRAR EN EL DISEÑO

TRABAJO PARA TURBINAS DE MEDIANA POTENCIAMENOR QUE 250 KW.


FUNDAMENTACION CIENTIFICA DE METODOLOGIA DE DISEÑO

1. DEFINICIONES Y CONCEPTOS MARCO

· Cuerda de perfil


· Superfície de álabe (S) y solidez () = (BxS) / Ab

B : Número de álabes, Ab: Area barrida.

· Celeridad.

· Sistema de referencia y Línea de referencia.

VR


· Línea de referencia en movimento, Ángulo de ataque, de fujo y de seccion.


3AV1/2

2. ENERGIA DE VIENTO TRANSFERIDA, ENERGIA DISPONIBLE

Ejemplo: ¿Cuál es la potencia disponible en un 1m2 de area de barrido en la ciudad de Cusco donde la velocidad representativa del viento es V= 5.5 m/s. se tiene como densidad del aire Ρa= 1.2255 Kg/m3?

WPVAP dd 946,10121 3

1


Límite de velocidad V2 : No transferencia V2 = V1 Estancamiento V2 = 0

Eso dio origen al concepto de limite de Froude (no toda la energia cinética puede ser utilizada)

Límite de velocidad angular : No transferencia = 0 Bloqueo del viento muy alto.


3. TORQUE VS VELOCIDAD ANGULAR; POTENCIA VS VELOCIDAD ANGULAR.

MECANISMOS DE UNA

TRANSFORMACION : Desequilibrio de fuerzas o temperaturas

Principio de Euler:Desviacion del sentido de la velocidad de un fluido por un solido en movimiento produce intercambio energico


4.- ANÁLISIS Y SEMEJANZA EN AEROTURBINAS INCLUIR DIFERENTES V1, R, , , Q, P. (no incluyen B, α y perfil)

Coeficiente de potencia

Coeficiente de Torque

dP P

P

AV

PC

3

21

RVA

QCC TQ

2

21


DIAGRAMA DE COEFICIENTE DE POTENCIA Y DE TORQUE VERSUS CELERIDAD


5. FUERZA DE SUSTENTACION Y ARRASTRE.

Depende de geometria, forma del perfil del álabe, ángulo de ataque y longitud del álabe.


Fuerza de arrastre ocasiona perdida de rozamiento. Coeficiente de sustentación, coeficiente de arrastre Esta propuesta desprecia funcionalidad de Reynols.

SV

LCL

2

2

1

SV

DCd

2

2

1


6. EFICIENCIA DEL ALABE, COMPORTAMIENTO CL,CD

d

L

C

CE

E

LD

D

LE

VEL

DV

VE

L

MAX

minPr

DV = PERDIDA DE FICCIÓN = Pr


CURVA POLAR, Curva experimental para cada perfil.

Así, para consideraciones de diseño, se necesita para cada perfil,

gráficos o tablas experimentales que nos den el , el CL para cada ( Cd/CL ) min, o sea mínima pérdida.


CURVA POLAR

(Cd/CL)mín = 0.00759, αd = 6 CL = 1.024


7. MODELO DE FROUDE PARA CUANTIFICAR LA POTENCIA Y EL COEFICIENTE DE POTENCIA.¿que fraccion de V1 es el V2 optimo?

Intercambio energético viento-álabe, energia cinética del aire.Sin estela detras de aeroturbinas .Sin pérdida de presión en punta B .


MODELO DE FROUDE

En su desarrollo se Aplica:La ecuación de bernoulli

2

2

11

21

1 ..2.

..2.

ZgV

PZgV

P O

• Entre A1 y A1

´:

Z1=Z2 ; P1=PO: Presión atmosférica.

• Entre A2´ y A2:

2

22

22

2

2 ..2

...

2

.Zg

VPZg

VP o

Z´2=Z2; P2=PO


FdVVt

dAnVV

..)..(

Análisis de volumen de control:

Ecuación de cantidad de movimiento a flujo permanenteen régimen inercial.

0.... dVVt

dVVt

FdAnVV

)..(

FdAnVVdAnVVdAnVVAAA

)...()...()...(

321

Por ser régimen permanente:

Desarrollando la integral cerrada

• La segunda ecuación de la primera ley sistema abierto


Expresiones logradas

22

2121.

4

1VVVVAP

3231 1.

4

1aaaAVP

2112

1aaCp

• Potencia

• Coeficiente de Potencia

12 /VVa


8. EL JUSTO VALOR DE V2 Y a

0.4

1321 3

12 AVaa

da

dP

VVa3

1

3

12

3

1max ..2

1

27

16VAP


9. AJUSTE AL MODELO DE FROUDE

CP REAL DE DISEÑO – TRES EFECTOS DE REDUCCION

10. EFECTO DE ROTACION DE ESTELA EN DISMINUCION DE CP

La potencia : Torque x velocidad angular. El torque : Fuerza x radio. Foiça : masa x cambio de velocidad. Cambio de velocidad: inicialmente viento no tiene componente

tangencial. El cambio de velocidad produce una componente tangencial, produce la estela, produce pérdidas, pero permite la potencia.

PARA UNA POTENCIA, A MENOS VELOCIDAD ANGULAR, MAS FUERZA TANGENCIAL, MAYOR ES LA COMPONENTE TANGENCIAL QUE APARECE, POR ELLO MAS ESTELA.

, NO ESTELA, NO PERDIDAS.


11. EFECTO DEL NUMERO DE ALABES.

Cortocircuito de presiones de vientre y dorso del álabe en la punta ocasiona flujo transversal en la punta, decrece la diferencia de presiones, decrece la sustentación.

12. EFECTO DE ( Cd/CL) SOBRE CP

El rozamiento varia según ( Cd/CL).


13. EFECTO COMBINADO DE AJUSTES REALES A CP.

Se tienen gráficas adimensionales de CP.= CP() donde R, , , P esta incluidos y se tiene diferentes graficas para diferentes B, Cd/CL .

También la siguiente expresión empírico analítica cuyo estado del arte no esta consolidado en el mundo:

d

L

dMAX C

CeSen

BCp 29,135,0

2

27

162

386,11

darctg 13

2


PASO 1. ESTIMACION DE d

Por el tipo de carga : Q vs. : Bomba 1< d 2

Generador 4 < d 10

PASO 2. DETERMINACIÓN DE B De relación B vs. con que se cuenta

ALGORITMO DE DISEÑO DE UNA TURBINA EOLICA


PASO 3. OPCION DE PERFIL

Por criterios comerciales entre placa plana, placa curva , perfil NACA , etc.

PASO 4. SE DETERMINA Cld Y d

De tablas o gráficos experimentales (curva polar) para ( Cd/CL)mínimo


PASO 5. CALCULO DEL CP máx. Y AJUSTE DE d En gráficas de CP.= CP(), en diferentes graficas de CP para

diferentes B. mencionadas.

PASO 6. VERIFICACION DE BEn la tabla B vs .Iteración hasta concordancia.


32

21

VRCP PTM

PASO 7. CALCULO DE R

7.1 Por el requerimiento de energía anual con

7.2 Por demanda máxima de potencia

21

3 3121

PT

R

CKTC

ER

32

21

VRCP PTM


PASO 8. CALCULO DE LA CUERDA, DEL ANGULO DE FLUJO Y DEL NUMERO DE ALABES.

Con las siguientes ecuaciones para diferentes r

Este cálculo en dos variantes, CL= const. ó C = const.

8.1 CL= const. siguiendo las ecuaciones. 8.2 C = const. Despejando tercera ecuación y asumiendo un C.

Rr

drd

rarctg

1

3

2 cos1

8

LdBC

rC B


PASO 9. CALCULO DE DIMENSIONES CONSTRUCTIVAS DE PERFILES ESTANDARIZADOS.

Los perfiles estandarizados ofrecen Coordenadas x,y del perfil como porcentaje de la cuerda.


CONSTRUCION DE ALABES DE FIBRA DE VIDRIO

Estamos rehaciendo el primer nivel de investigación constructiva

Fotos de la primera investigacion tecnologica


Se alcanza a continuación primero una tabla de Cd y CL para perfiles de placas, seguido unas

series de gráficos, las primeras dan el Cp para un B dado a varios Cd/CL y varios λ.

El según grupo de gráficas da para diversos λ un Cd/CL dado y para diferentes B el valor del

Cp, y por ultimo tablas del lugar geométrico de la serie de perfiles NACA.

GRAFICAS Y TABLAS REQUERIDAS PARA EL DISEÑO DE TURBINAS EÓLICAS


GRAFICAS TOMADO DEL LIBRO DE INGENIERÍA EÓLICA DEL MISMO AUTOR

NUMERO DE PALAS 2


NUMERO DE ALABES 3


Para el perfil NACA4412:

(Cd/CL)mín = 0.00711, αd = 5.3 CL = 1

41M.Sc.Ing.Quevedo Novoa Luis G.

Para perfil NACA4415

(Cd/CL)mín = 0.00759, αd = 6 CL = 1.024 ...


EJEMPLO DE DISEÑO DE TURBINA EÓLICA USANDO GRAFICAS DE Cp

Desarrolle el Diseño de la Aeroturbina para generar energía eléctrica si de la demanda máxima la potencia instantánea requerida es 180 W, en la ciudad del Cusco donde la velocidad promedio es V = 5.5 m/s.

SOLUCIÓN:

Tenemos los siguientes datos: P = 180 W (potencia instantánea requerida) V=5.5 m/s


EL MÉTODO EN SU PRIMERA ETAPA

Como sabemos que para turbinas empleadas en la generación de energía eléctrica, se tiene

4 < λd < 10

elegimos : λd = 6 y B = 3 (número de alabes)

elegimos el tipo de perfil : alabe aerodinámico (eje)

perfil alar NACA 4412

donde se tiene : (Cd/CL)min = 0.01

αd = 4°

(CL) = 0.8


EL MÉTODO EN SU SEGUNDA ETAPAHallamos el Cp max, de gráfica dadas en el texto otorgado por el profesor (pagina 54, NACA 4412) obtenemos que el Cp max es 0.51 y con este dato obtenemos el nuevo λd que será igual a 6.7 y verificamos que el B = 3.

Luego calculamos el valor de R:

Usamos la siguiente ecuación: P = ηt Cp (1/2) ρ π R2 V3

Despejando tenemos : R = ( P / (ηt Cp (1/2) ρ π V3))1/2

Donde ηt = ηtc ηf

Reemplazando datos tenemos que R = 1.4 m


EL MÉTODO EN SU TERCERA ETAPA

Tenemos que hallar C y B a lo largo del alabe y para esto utilizaremos la ayuda de las siguientes formulas:

λrd = λd (r/R) (celeridad)

ø = (2/3) arctg (1/λ) (ángulo de flujo)

c = (8πr/BCLd) (1-cos ø) (cuerda)

β = ø - α (ángulo de la sección del alabe)

haciendo cálculos para diferentes posiciones (diferentes valores de r) y utilizando los datos obtenidos en la segunda etapa tenemos el siguiente cuadro :


CUADRO 1

Tomando en consideración las tablas que dan la estandarización NACA que aparece en el texto otorgado por el profesor donde dan las ordenadas y las abscisas que definen el lugar geométrico de la sección tenemos el siguiente cuadro:


HACIENDO PLANOS CON LOS DATOS DADOS EN LOS CUADRO

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100 120 140 160

PLANOS …..


¿QUE HAY QUE SABER ENTONCES PARA

LLEGAR A SABER CÓMO SE DISEÑA?


t

t

EL METODO DE VOLUMEN DE CONTROL

Configuración de S en “t” y en “t+ ”

Configuración de S en el instante “t”

Configuración de S en el instante “t+dt”

Expresión del Valor de N

tIItIt dvηρdvηρN

tΔtIIItΔtIItΔt dvηρdvηρN


Tenemos :

Logramos la siguiente Expresión:

t

dvdvdvdv

DtDN tIItIttIIIttII

t

)()(

0lim

tΔ

dvηρdvηρlim

tΔ

dvηρdvηρlim

Dt

DN tI)tΔt(III

0tΔ

tII)tΔt(II

0tΔ

I.VI.Sz,y,x dvηρ

tdAnvηρ

Dt

DN

Mal llamada ecuación de transporte de Reynolds


Aplicaciones Generales del Método de Volumen de Control

• Ecuación de Continuidad Volumétrica (Sustancias incompresibles)

N = V

• Ecuación de Continuidad Masica

M = V

0t

ρvρdiv z,y,x

0)v(div 0dAnv z,y,x.C.S

z,y,x


• Ecuación de Cantidad de Movimiento para el V.C

N = Qxyz (=Vxyz)

dvVwrwwrwRDt

QD

DtDN

CVzyx

zyx

..,,

,, 2)(Re

dvρ Vw2)rw(wrwRRe

dvρVt

dA)n.Vρ(V

.C.Vz,y,x

.C.Vz,y,x

.C.Sz,y,xz,y,x


• Ecuación del Momento de la Cantidad de Movimiento para el V.C

N = Bxyz (= r x Vxyz)

dvρ Vw2)rw(wrwRr MeDt

BD

Dt

DN.C.V

z,y,xz,y,x

dvρVw2)rw(wrwRrMe

dvρVrt

dA)n.Vρ(Vr

.C.Vz,y,x

.C.Vz,y,x

.C.Sz,y,xz,y,x


gUVUV

We

2211 ..

APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE TURBOMÁQUINAS HIDRAULICAS

ECUACIÓN DE EULER


EL METODO DE ANALISIS Y SEMEJANZA

SEMEJANZA GEOMETRICA, CINEMATICA, DINAMICA Y DE RELACIONES DE MASAS

Esto a permitido a la Ingeniería utilizar data histórica y experimental.

PORQUE la semejanza conlleva :

• A la Igualdad de Grupos Adimensionales Independientes.

• A la Igualdad de Grupos Adimensionales Dependientes.


),,,( DVfF

V

......)(...)( 22221111

21 dcbadcba DVKDVKF


Aun más la igualdad de los grupos adimensionales independientes conlleva a la semejanza que nos permite establecer la igualdad de grupos adimensionales dependientes y por lo tanto el uso de data histórica y experimental

...21

2122

CC

DVK

DVK

DVF


o

ooDVRe

)(De

fLD

VP

))((2

;H

Nnnc

45

21


DATOS DE LABORATORIO, DATOS HISTORICOS, DATOS DEL MODELO PERMITIDO DE USAR EN LOS PROTOTIPO

Vi

UKp

D

dKp)Z()(576n 2

12

1

Tc

ViV1


)(t )( dtt

Pe

Ps

ECUACION DE BALANCE ENERGETICO PARA SISTEMAS ABIERTOS

Configuración del Sistema en el instante “ t ” y “t +t”

dm Pe

Ps

tdWdxAsPsdxAePedW 21 ....

estdtt udmudmdUUU ..)()(

ts

s

se

e

e wZgV

hqZgV

h ).2

().2

(22

.2

.2

112

21

22 ZZg

VVdPww r


ECUACION DE BALANCE EN MOVIMIENTO RELATIVO

CAMPO DE VELOCIDADES Y TRASFORMADAS CONFORMES

MECANISMOS DE UNA TRASFORMACION


Cuando sepamos todo eso y en secuencia de eso

comencemos a saber lo específicamente pertinente a

una tecnología, estaremos Endogenizando esa

tecnología.


Conocimiento Tecnológico Alcanzado a partir de Conocimiento Científico.

Conocimiento Científico alcanzado con un Pertinente Proceso de Acumulación.

Conocimiento científico hecho objeto.

ENDOGENIZACION TECNOLOGICA


EXPLIQUEMOS ALGO MAS SOBRE

ENDOGENEIZACIÓN


· No se dio: “ la vinculación en forma orgánica de los procesos de generación sistemática del conocimiento y los procesos productivos a través del desarrollo de técnicas productivas basadas en descubrimientos científicos”.

· No se “logro transformar conocimientos en productos”.

EN PAÍSES SUBDESARROLLADOS COMO EL PERÚ:


· No hubo, evolución de las actividades destinadas a crear conocimiento científico.

“La Difusión de la Ciencia Occidental a los países subdesarrollados solo fue un proceso irregular, que trágicamente solo conllevó a una aceptación de resultados sin tener en cuenta y sin tener plena conciencia del PROCESO ACUMULATIVO QUE LES DIÓ ORIGEN”.


· La ciencia, “ Llegó a tener un carácter fragmentario, reflejo, imitativo (que no es recreativo), falciario, usufructuante, superficial y aparente”.

Solo se “adquiere una capa superficial de conocimientos técnicos y que dependen del exterior para su mantenimiento y renovación”.


QUE HACER

“Lograr un hacer científico verdadero”.

“Redescubrir y descubrir ciencia y con ello derivar y redesarrollar tecnologías productivas”.

“Aprender con ciencia las tecnologías”.

“Vincular la actividad científica generadora de conocimiento con la base tecnológica de las actividades productivas tanto modernas como tradicionales”.


“Regenerar y generar tecnologías de producción basadas en descubrimientos científicos”.

“Endogeneizar la revolución científico-tecnológica en forma selectiva y gradual escogiendo concientemente las áreas y los campos”.

Y se debe saber que la magnitud del esfuerzo es inmenso, endogeneización misión difícil, improbable pero luchable.


DISEÑO DE OTRAS TURBINAS Y DE

EQUIPOS DE CONTROL DE MATERIAL PARTICULADO


Claramente en esta conferencia no se alcanza a dictar los algoritmos de michell banki y pelton, pero se viene realizando en el curso tutorial. Es de echo que se requiere analoga base de ciencia de ingenieria que nos permita la aprension Endogenizada de esas tecnologias.

Por otro lado doy las facilidades atraves de los organizadores para fotocopiar 2 libros: Energia Eolica y Contaminacion Atmosferica (de mi autoría).


GRACIAS

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