Diseño, Construcción y Experimentación de un Modelo de ...
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1 Diseño, Construcción y Experimentación de un Modelo de Turbina Hidráulica Abierta para Generación de Energía Eléctrica. ALEJANDRO ESTELA VILLEGAS Proyecto de Grado Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Mecánica Diciembre de 2008, Bogotá – Colombia
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Diseño, Construcción y Experimentación de un Modelo de
Turbina Hidráulica Abierta para Generación de Energía
Eléctrica.
ALEJANDRO ESTELA VILLEGAS Proyecto de Grado
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Mecánica
Diciembre de 2008, Bogotá – Colombia
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Diseño, Construcción y Experimentación de un Modelo de
Turbina Hidráulica Abierta para Generación de Energía
Eléctrica.
Proyecto de Grado
Este documento fue presentado a la Universidad de los Andes para cumplir
con los requisitos para obtener el título de Ingeniero Mecánico
ALEJANDRO ESTELA VILLEGAS Autor
PhD ÁLVARO ENRIQUE PINILLA Profesor Titular
Asesor
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica Diciembre de 2008, Bogotá – Colombia
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A mi familia, que me lo ha dado todo y me ha apoyado
incondicionalmente en todos los momentos de mi vida.
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AGRADECIMIENTOS.
Un especial agradecimiento a mi asesor, el profesor PhD Álvaro Enrique Pinilla, por su constante motivación y valiosa colaboración durante mi carrera universitaria. Quiero agradecer al profesor MsC Juan Pablo Murcia por sus grandes contribuciones a este proyecto.
Quiero aprovechar este espacio para agradecer a mi familia a mis abuelos, por su interés y motivación a lo largo de toda mi carrera universitaria. A mis amigos del alma, Juliana, Daniel, Camilo y Tony por haber estado ahí siempre cuando los necesité. A mis compañeros y amigos Sergio, Roberto, María José y Juan Diego por hacer de cada clase una experiencia más que nunca olvidaré. A Mariana, por su constante apoyo y por nunca abandonarme sin importar las circunstancias.
Un infinito agradecimiento a Omar, Ramiro, Jorge, Juancho y Hugo por su colaboración incondicional e invaluable aporte en el desarrollo de este proyecto. Gracias por haberme hecho sentir uno más de la familia.
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TABLA DE CONTENIDOS.
LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABLAS 1. RESUMEN. 2. INTRODUCCIÓN. 3. SELECCIÓN DE PERFILES Y DISEÑO DE TURBINAS AXIALES.
a. Selección de Perfiles. b. Diseño Teórico c. Rendimiento Teórico de Rotores d. Diseño de Nariz. e. Diseño Asistido por Computador (Solid Edge®)
4. MANUFACTURA. a. Aspas b. Eje y Soportes.
5. PRUEBAS EXPERIMENTALES. a. Montajes Experimentales.
i. Canal de Agua. ii. Túnel de Viento TVIM-460-25-3.6
iii. Túnel de Viento TVIM 6. RESULTADOS EXPERIMENTALES.
a. Adquisición de datos. b. Método de Imágenes. c. Medición Momentos de Inercia.
7. ANALISIS DE DATOS. 8. CONCLUSIONES. 9. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO. 10. BIBLIOGRAFÍA
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LISTA DE FIGURAS.
Figura 2.1 Turbinas de Corriente Marinas. Figura 2.2 Generador Enercon E112 con Perfiles Recortados. Figura 3.1 Geometría de perfiles DU97-W2-300 para diferentes porcentajes de recorte. Figura 3.2 Diagrama de CI y L-D v.s. Alfa para perfiles recortados DU97-W2-300. Figura 3.3 Geometría de Semi-ovalo de Rankine. Tomado de White, 1998. Figura 3.4 Perfil de la geometría de la nariz del rotor. Figura 3.5 ¨Costillaje¨ de Aspa Normal. Figura 3.6 Geometría en Solid Edge del aspa normal. Figura 4.1 Proceso de manufactura de los rotores en madera y aluminio. Figura 4.2 Rotor terminado en aluminio. Figura 4.3 Aspa en ABS terminada. Figura 4.4 Montaje turbina de aluminio en túnel de viento pequeño. Figura 4.5 Montaje de turbinas azules en túnel de viento grande. Figura 5.1 Montaje preliminar en canal de agua. Figura 5.2 Curva de calibración del túnel de viento grande. Figura 5.3 Montaje con freno Prony y bascula en túnel de viento grande. Figura 5.4 Montaje de sistema de adquisición de datos. Figura 5.5 Curva de calibración motor/generador Johnson. Figura 5.6 Ejemplo de proceso de análisis de imágenes. Figura 6.1 Diagrama de velocidades para los rotores normal y recortado por el método de adquisición de datos. Figura 6.2 Diagrama de velocidades para los rotores normal y recortado por el método de las imágenes. Figura 6.3 Rotores Blanco y Negro de 6 y 8 aspas respectivamente. Figura 6.4 Diagrama de velocidades para los rotores Blanco y Negro por el método de las imágenes. Figura 6.5 Montaje para la medición del momento de inercia. Figura 7.1 Comportamiento típico del coeficiente de momento par para un rotor. Figura 7.2 Diagrama de velocidades experimentales y modeladas de los rotores normal y recortados. Figura 7.3 Diagrama de velocidades para los rotores Blanco y Negro con su respectiva curva del modelo. Figura 7.4 Curvas de coeficiente de potencia para los rotores azules obtenidas por los dos métodos experimentales. Figura 7.5 Diagrama de Coeficientes de potencia para los rotores Blanco y Negro respectivamente. Figura 7.6 Diagramas de Coeficiente de momento-par para los rotores azules. Figura 7.7 Diagramas de Coeficiente de momento-para para las turbinas Blanca y Negra.
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Características de diseño de los rotores. Tabla 2 Características geométricas del aspa de perfil convencional. Tabla 3 Características geométricas del aspa de perfiles recortados. Tabla 4 Coeficientes de Rendimiento Teórico Turbina convencional. Tabla 5 Coeficientes de Rendimiento Teórico Turbina Recortada. Tabla 6 Características geométricas y momentos de inercia de los rotores. Tabla 1 Parámetros Modelo Aspa Normal. Tabla 2 Parámetros Modelo Aspa Recortada Tabla 3 Parámetros del Modelo para rotor blanco Tabla 4 Parámetros del Modelo para rotor negro Tabla 11 Comparativo de los resultados teórico v.s. experimentales para los cuatro rotores.
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1. RESUMEN.
Como proyecto de grado, se decidió realizar el diseño de un rotor hidráulico para generación de energía eléctrica a partir de corrientes de agua, más específicamente en ríos de bajo caudal. Esto con el fin de investigar una alternativa más a la necesidad de encontrar fuentes de energías renovables que puedan ser implementadas en zonas rurales sin interconexión eléctrica. Como objetivo secundario, se planteo la investigación experimental sobre el desempeño de turbinas hidráulicas con perfiles aerodinámicos con borde de salida recortados al comparar el desempeño de este tipo de rotores con rotores con perfiles de borde de salida filudo. Inicialmente se construyó un rotor baja solidez y alta velocidad especifica, sin embargo, no fue posible realizar pruebas experimentales exitosas, dado que los torques generados por esta son supremamente bajos y no se cuenta con la instrumentación necesaria para realizar estas mediciones.
A partir de esta experiencia se procede a realizar el diseño de un segundo par de rotores, con velocidades específicas más bajas, los cuales se caracterizaron utilizando dos métodos experimentales diferentes. Primero se acoplaron a un generador, previamente caracterizado y se dibujaron las curvas de velocidad en su etapa de aceleración. A partir de estas respuestas se realizó un modelo que pudiese representar de forma acertada el comportamiento de estos rotores. Así, se determinan las curvas de los coeficientes de rendimiento y momento-par para los dos rotores.
Para el segundo experimento, se utilizó un método de análisis de imágenes. Para esto, se toma un video a 60 cuadros por segundo de la turbina, iniciando desde el reposo hasta su velocidad de desboque. A partir del video y con la ayuda de software especializado como VirtualDub, se descomponen las filmaciones en imágenes las cuales se analizan paso a paso para calcular la velocidad de la turbina a determinado tiempo. A través de este método se caracterizaron dos turbinas más, de mayor solidez y menor velocidad especifica, con el ánimo de realizar comparaciones con otro tipo de rotores.
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2. INTRODUCCIÓN.
En la actualidad, la humanidad atraviesa tal vez una de las etapas más críticas en su historia, desafortunadamente el planeta entero se mueve en torno a una fuente de energía supremamente nociva en todos los sentidos de la palabra. A lo largo de la historia, el petróleo ha probado ser un combustible supremamente versátil, se ha convertido en una necesidad básica para la vida diaria ya que una gran cantidad de polímeros, lubricantes, ceras, asfaltos y combustibles entre muchos otros son algunos de los derivados del mismo. Sin embargo esta misma versatilidad ha llevado a un uso indiscriminado y sin ningún tipo de control, el cual principalmente ha generado un sinnúmero de problemas de tipo ambientales. Ahora, con los recientes anuncios sobre la escases y ausencia de nuevos yacimientos importantes, han surgido crisis económicas y políticas por el interés de controlar las pocas reservas restantes en el mundo.
Es por esto que grandes compañías, universidades y unos pocos países en el mundo invierten millonarias sumas de dinero con el fin de encontrar fuentes de energías alternativas, renovables y que a su vez no perjudiquen el medio ambiente. Como se mencionó previamente, los problemas ambientales causados por las emisiones de residuos tóxicos como resultado de la quema de los hidrocarburos han ocasionado niveles de polución inimaginables originando cambios climáticos por el conocido efecto invernadero entre otros miles de problemas. Este tipo de problemas que antes se veían como míticos, han empezado a sentirse alrededor de todo el mundo y es por esto que la humanidad se ha concientizado al respecto y está actuando para tratar de contrarrestar y reparar los daños ya existentes y aquellos que se puedan presentar en un futuro.
Como motivación para este proyecto, se pensó en realizar la investigación y construcción de una de las tantas alternativas que se están planteando como sustitutos para la generación de energía eléctrica, para a su vez ser aplicadas para el beneficio de millones de personas no solo en el país, sino en todo el mundo. Se trata de gente de muy escasos recursos, que vive en zonas rurales, alejadas de las grandes ciudades y no tiene acceso a la energía eléctrica. Generalmente, en este tipo de zonas especialmente en Colombia, se cuenta con una gran cantidad de fuentes hídricas desaprovechadas. Es por esto que se decidió
Figura 2.1 Turbinas de Corrientes Marinas, tomado de www.marineturbines.com
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realizar la construcción de una pequeña turbina abierta, basándose en las nuevas turbinas de corrientes marinas, las cuales aprovechan corrientes de agua para la generación de energía eléctrica, de tal forma, que se pueda utilizar en pequeños ríos con bajas corrientes para suplir las necesidades eléctricas básicas.
Gracias al enfoque que se le dió al proyecto, fue posible aprovecharlo para agregar un obejtivo mas, con el que se pretende realizar la experimentacion de un prototipo de rotor construido a partir de perfiles con borde de salida modificados o mejor conocidos como recortados. De esta forma se puede hacer una comparacion directa del rendimiento de estos contra los rotores de perfiles convencionales. Se tomo la decision de desarrollar esto con el motivo de complementar por medio de la experimentación, el estudio realizado por Juan Pablo Murcia en su tesis de maestria ¨Aerodinámica de perfiles con borde de salida modificado¨ en el 2008.
En su documento, Murcia expone los beneficios y desventajas de utilizar este tipo de perfiles en turbinas eolicas de eje horizontal o HAWT por sus siglas en ingles. Donde al aumentar las relaciones de espesor contra cuerda o t/c, se aumenta el momento de inercia de la seccion permitiendo espesores de paredes menores, disminuyendo asi tanto el peso como los costos de producción. A su vez se facilitan los procesos de manufactura al eliminar la necesidad de generar bordes de salida filudos. En su documento se encuentran contenidos todos los beneficios y desventajas de estos perfiles, así como los diferentes metodos de recorte utilizados en la modificación de estos.
Es importante notar que este tipo de perfiles estan comenzando a utilizarse en grandes turbinas eolicas gracias a sus beneficios estructurales y en algunos casos aerodinamicos. En la mayoria de los casos, se utilizan estos perfiles en la region cercana a la raiz del rotor, donde el aspa esta sometida a los mayores esfuerzos estructurales.
Figura 1.2. Generador Enercon E112 con perfiles recortados. Tomado de http://www.panoramio.com/photo/86368.
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-1
0
1
2
3
-10 0 10 20 30
CL
Alfa (Grados)
Cl v.s. Alfa @Re 3E6
TET16 TET12 TET08 TET04 TET01
-60
-10
40
90
140
-10 0 10 20 30
L/D
Alfa (Grados)
L/D v.s. Alfa @ Re 3E6
TET16 TET12 TET08 TET04 TET01
3. SELECCIÓN DE PERFILES Y DISEÑO DE TURBINAS AXIALES.
a. Selección de Perfiles.
La selección de perfiles se realizo de forma arbitraria, dado que la idea principal de los perfiles era poder llegar a conclusiones específicas sobre el comportamiento de perfiles recortados en comparación a perfiles convencionales, se eligió una familia de perfiles aleatoria teniendo en cuenta que su comportamiento en el numero de Reynolds de diseño fuese adecuado.
Los perfiles utilizados son de la serie DU de Delft Technical University con un espesor del 30% de la cuerda, lo cual lo hace un perfil bastante gordo. Para el aspa recortada se utilizaron bordes de salida con espesores desde el 16% en la raíz hasta el 1% de recorte en la punta.
Figura 3.1 Geometría de Perfiles DU97-W2-300 para diferentes porcentajes de recorte.
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Geometría de Perfiles DU97-W2-300
TET16 TET12 TET08 TET04 TET01
Figura 3.2 Diagramas de Cl.y L/D v.s. Alfa para perfiles recortados DU97-W2-300
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Como se puede apreciar, las características aerodinámicas de los perfiles son bastante buenas, donde los perfiles con bajo porcentaje de recorte en el borde de salida tienen relaciones de sustentación contra arrastre bastante altos, entre 100 y 130 por lo cual estos perfiles son utilizados desde el 70% del radio hasta el 100%, lugar donde se genera el mayor aporte de torques a la turbina. Por otra parte, para el rotor normal se utiliza solo el perfil con recorte del 1%, es decir el TET01, ya que por su recorte tan pequeño se puede considerar como perfil convencional y a su vez mantener la misma familia de perfiles en ambos rotores. Para este rotor se podría esperar un mejor rendimiento aerodinámico ya que toda el aspa tiene relaciones de L/D mayores a las del rotor recortado.
b. Diseño Teórico.
El diseño de rotores abiertos, se basa en el diseño simplificado de rotores incluyendo los efectos del arrastre sobre los perfiles, el cual tiene grandes efectos sobre los cálculos del rendimiento aerodinámico del rotor. Además, cuando se diseñan rotores, se tiene un número finito de aspas, lo cual incurre en efectos tridimensionales sobre el flujo cruzado alrededor de la punta. De igual manera, estos efectos influyen sobre el rendimiento general del rotor, por lo cual se debe incluir en el cálculo de las características del mismo por medio de un factor conocido como el factor de reducción (F). La inclusión de este factor en el desarrollo del aspa se debe a Prandlt y se logra al incluir el valor de F en los factores de inducción axial y tangencial. Ahora, al incluir el efecto del arrastre en la teoría del momentum y del elemento de aspa, se obtiene una expresión en términos de la posición radial y de los modificadores a y a´.
Por otra parte, se plantea que la potencia extraída por un rotor está dada por el producto de la velocidad angular y su torque, sin embargo, por conveniencia se debe expresar de forma que se encuentra el aporte de cada elemento del aspa de tal forma que la expresión de potencia total está dada por;
! "
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De igual manera, el coeficiente de rendimiento (Cp) derivado de la teoría general del momentum se expresa como;
# $ %&'&' (!
Ahora bien, al maximizar el coeficiente de rendimiento y determinando el valor máximo de CL/CD se encuentran dos expresiones no lineales simultaneas para hallar los valores de a y a´ para el máximo rendimiento de la turbina.
") ) ") ) ) *+ ) ) ) ) *,
Donde E = CL/CD máximo. Cabe anotar que estas ecuaciones deben ser resueltas de forma iterativa para cada posición radial, con una velocidad especifica de diseño dada y las características E y α óptimas para cada perfil a utilizar. Una vez se tienen los valores de a y a´ se puede proceder a calcular los valores de ángulo de calaje β(r) y la distribución de cuerda c(r).
- ./012 3 4 56#786 9
Como se menciono anteriormente, es importante tener en cuenta los efectos de tener un numero finito de aspas por medio de un factor de reducción (F) dado por;
: "; <=>121?@ A " >B0CD
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Al despejar la distribución de la cuerda de las ecuaciones de la Teoría del Elemento de Aspa e incluyendo el factor de reducción F se llega a la siguiente expresión;
E ";+: : >B0CA <=> C F G ./0C6#786 $
De esta forma se completa la etapa de diseño de un rotor. A continuación se presentan los resultados del diseño obtenidos para las dos turbinas (perfiles recortados y perfil convencional).
Especificaciones de diseño Diametro 0.3 m Longitud de Pala 0.15 m Velocidad esp. (λλλλ) 2.5
Uinf 1.5 m/s
Ω 25 rad/s Numero de Aspas 2 Densidad 1000 kg/m^3
Tabla 5. Características de diseño de los rotores.
Rotor Perfil Convencional Posición Radial Perfil C(r ) β°
0.015 DU97 W2 300 F01 0.046 41.94 0.02 DU97 W2 300 F01 0.055 39.00 0.03 DU97 W2 300 F01 0.066 33.57 0.04 DU97 W2 300 F01 0.069 28.81 0.05 DU97 W2 300 F01 0.069 24.73 0.06 DU97 W2 300 F01 0.066 21.26 0.07 DU97 W2 300 F01 0.063 18.32 0.08 DU97 W2 300 F01 0.058 15.83 0.09 DU97 W2 300 F01 0.054 13.71 0.1 DU97 W2 300 F01 0.049 11.89
0.11 DU97 W2 300 F01 0.044 10.32 0.12 DU97 W2 300 F01 0.038 8.95 0.13 DU97 W2 300 F01 0.032 7.76
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0.14 DU97 W2 300 F01 0.024 6.71 0.144 DU97 W2 300 F01 0.019 6.32 0.148 DU97 W2 300 F01 0.011 5.95 0.149 DU97 W2 300 F01 0.008 5.86
0.1495 DU97 W2 300 F01 0.006 5.82 Tabla 6. Características geométricas del aspa de perfil convencional
Rotor Perfiles Recortados
Posición Radial Perfil C(r ) βo
0.015 DU97 W2 300 F16 0.035 40.15 0.020 DU97 W2 300 F16 0.042 37.20 0.030 DU97 W2 300 F12 0.054 32.62 0.040 DU97 W2 300 F12 0.059 28.45 0.050 DU97 W2 300 F12 0.061 24.76 0.060 DU97 W2 300 F08 0.058 20.96 0.070 DU97 W2 300 F08 0.055 18.02 0.080 DU97 W2 300 F08 0.051 15.53 0.090 DU97 W2 300 F08 0.047 13.41 0.100 DU97 W2 300 F08 0.043 11.59 0.110 DU97 W2 300 F04 0.040 9.79 0.120 DU97 W2 300 F04 0.037 9.14 0.130 DU97 W2 300 F01 0.033 7.76 0.140 DU97 W2 300 F01 0.024 6.71 0.144 DU97 W2 300 F01 0.019 6.32 0.148 DU97 W2 300 F01 0.012 5.95 0.149 DU97 W2 300 F01 0.008 5.86 0.150 DU97 W2 300 F01 0.006 5.82
Tabla 7. Características geométricas del aspa de perfiles recortados
Para más información sobre la teoría básica de diseño de rotor se recomienda consultar el texto del curso de Aerodinámica Básica. [Pinilla, 2007]
c. Rendimiento teórico de rotores.
El rendimiento de los rotores o turbinas están caracterizados por los parámetros adimensionales previamente mencionados como el Coeficiente de Rendimiento (CP), Coeficiente de Momento-Par (Ct) y la Velocidad Especifica (λ). A partir de estos coeficientes se puede determinar el Torque total generado por la turbina, la potencia teórica extraíble y la velocidad rotacional a partir de las siguientes relaciones.
"HIJK
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"HI%J#* ΩI
A partir de la ecuación (3.10) se realiza el cálculo de la integral y así se puede encontrar el valor de Cp a partir del cual se pueden hallar los valores de P, Ct y T.
Rendimiento teórico de la turbina de perfil convencional
Cp Ct T(Nm) P(W)
0.4248 0.170 2.027 50.671 Tabla 4. Coeficientes de Rendimiento Teórico Turbina Convencional
Rendimiento teórico de la turbina de perfil recortado
Cp Ct T(Nm) P(W)
0.42 0.168 2.004 50.097 Tabla 8. Coeficientes de Rendimiento Teórico Turbina Recortada
d. Diseño de nariz.
El diseño de la nariz de todo tipo de rotores sigue un patrón especifico, que está basado en la geometría del semi-ovalo de Rankine, este tipo de geometrías se generan a partir de flujos potenciales, en este caso especifico a partir de un flujo uniforme y una fuente como se muestra a continuación.
Figura 3.3 Geometría de Semi-ovalo de Rankine. Tomado de White,1998
Medio cuerpo
Punto de Estancamiento
Fuente
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5
Y (m
m)
Como se puede observar, esta geometría cuenta con un punto de estancamiento, el cual está ubicado en el extremo de la nariz y un punto de máxima velocidad del flujo correspondiente a 1.155 veces el valor de la velocidad del una línea a 70.5 grados de la horizontal.son;
Donde;
Ahora, el radio R del cubo de la turbina es igual a 30 mm, por lo cual se debe diseñar el para que la velocidad máxima estéque la raíz de la turbina recibe el flujo con la mayor velocidad posible
Teniendo esto en cuenta se realiza un barrido de todos los ángulos desde 0 hasta 180 grados para encontrar de esta forma los valores de completamente.
Figura 23
10 15 20 25 30
X (mm)
Diseño de nariz
Como se puede observar, esta geometría cuenta con un punto de estancamiento, el cual está ubicado en el extremo de la nariz y un punto de máxima velocidad del flujo correspondiente a 1.155 veces el valor de la velocidad del flujo sin perturbar,una línea a 70.5 grados de la horizontal. Las ecuaciones que describen la curva del perfil
Ahora, el radio R del cubo de la turbina es igual a 30 mm, por lo cual se debe diseñar el ara que la velocidad máxima esté en el punto en el que 2a es igual a 30 mm y así asegurar
que la raíz de la turbina recibe el flujo con la mayor velocidad posible
Teniendo esto en cuenta se realiza un barrido de todos los ángulos desde 0 hasta 180 grados para encontrar de esta forma los valores de r en cada posición y así describir la curva
Figura 3.4 Perfil de la geometría de la nariz del rotor.
30 35
Como se puede observar, esta geometría cuenta con un punto de estancamiento, el cual está ubicado en el extremo de la nariz y un punto de máxima velocidad del flujo
flujo sin perturbar, ubicado sobre Las ecuaciones que describen la curva del perfil
Ahora, el radio R del cubo de la turbina es igual a 30 mm, por lo cual se debe diseñar el cubo 30 mm y así asegurar
Teniendo esto en cuenta se realiza un barrido de todos los ángulos desde 0 hasta 180 en cada posición y así describir la curva
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e. Diseño Asistido por Computador (Solid Edge®).
Una vez se tienen los resultados teóricos de la geometría de las aspas, se procede a realizar el diseño asistido por computador por medio del software Solid Edge® con la ayuda de Excel®. Con el último se generan diferentes hojas de datos en las cuales está contenida la información de los perfiles para cada una de las posiciones radiales del aspa.
El primer paso para la construcción digital del modelo consiste en generar la curva de la geometría correspondiente a cada posición radial previamente calculada. Para esto es necesario tener las curvas de cada perfil, las cuales son modificadas en dimensión y en ángulo por medio de Excel a las longitudes de cuerda requeridas.
Posteriormente se importan las curvas a Solid Edge® donde se trazan automáticamente los diferentes perfiles, obteniendo el siguiente “costillaje”.
El siguiente paso consiste en generar una protrusión utilizando la función de Protrusión por Barrido del programa, definiendo una trayectoria y seleccionando los perfiles a lo largo de la misma. El aspa definitiva se puede observar en la siguiente imagen.
El mismo procedimiento es utilizado tanto para el aspa recortada como para la nariz de la turbina.
Figura 3.5 ¨Costillaje¨ de Aspa Normal.
Figura 3.6 Geometría en Solid Edge del aspa normal.
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4. MANUFACTURA.
a. Aspas.
Para la fabricación de las tres turbinas se utilizaron dos principalmente dos procedimientos diferentes, el primer rotor se fabrico en el centro de mecanizado FADAL VMC 2216 a partir de un cilindro de aluminio de 5.715 cm de diámetro y 25 cm de longitud. Para iniciar el proceso es necesario generar el código de la pieza por medio del software NX v. 4.0 en el laboratorio de manufactura, una vez se cumple éste procedimiento se realiza el montaje de la pieza y la configuración inicial de la maquina. Inicialmente se ejecutaron pruebas en madera para garantizar que el procedimiento era el adecuado para la fabricación de las aspas, de tal forma que se pueden prevenir posibles desperdicios del aluminio. A continuación se observan imágenes del proceso de manufactura.
Figura 4.1 Proceso de manufactura de los rotores en madera y aluminio.
Figura 4.2 Rotor terminado en Aluminio.
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El segundo par de rotores se fabricó completamente en ABS por medio de la máquina de prototipos rápidos STRATASYS a partir de los modelos digitales generados previamente. Después de fabricadas las aspas se procede a lijarlas para eliminar imperfecciones y mejorar el acabado de las superficies de tal forma que se eliminan rugosidades indeseadas en la turbina. El aspa terminada se puede apreciar a continuación.
b. Eje y Soportes.
A lo largo del desarrollo del proyecto se diseñaron y construyeron una serie de montajes para la turbina. Inicialmente se construyo un eje largo para así posicionar los rodamientos a una distancia tal que los efectos de arrastre generados por estos no perturbaran el flujo que sale de la turbina y así reducir el número de factores externos que pudiesen afectar el comportamiento del aspa. Este primer montaje se realizo en el laboratorio de manufactura
utilizando el torno de control numérico para la fabricar el eje y el centro de mecanizado para las chumaceras de los rodamientos. Este primer montaje se utilizo para pruebas tanto en el agua como en el túnel de viento, sin embargo en este diseño se presento un defecto de diseño, que dificultaba la alineación correcta de los rodamientos, generando fricciones excesivas afectando directamente las mediciones que se pudieran obtener.
Figura 4.3 Aspa en ABS terminada.
Figura 4.4. Montaje turbina de aluminio en túnel de viento pequeño
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Luego de detectadas estas fallas se procedió a realizar un segundo diseño más robusto que garantizara alineación axial para el eje y los rodamientos. A su vez se diseño de tal forma que se pudiera acoplar el generador directamente al eje. También se tuvieron en cuenta los efectos del arrastre generados por la parte trasera del cubo, por lo tanto se diseño para que fuera una continuación del mismo y evitar comportamientos del aire indeseados
detrás de la turbina.
Figura 4.5. Montaje Turbinas azules en túnel de viento grande.
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5. PRUEBAS EXPERIMENTALES.
a. Montajes Experimentales.
i. Canal de Agua;
A lo largo del proyecto fue necesario realizar una serie de montajes experimentales diferentes dado que la experimentación se llevo a cabo en tres etapas diferentes. Primero que todo se construyo un montaje para pruebas en el agua de la turbina de aluminio, haciendo uso del canal del laboratorio de hidráulica del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Los Andes. Este primer
montaje se realizó con el fin de observar el comportamiento de la turbina de aluminio en el agua y analizar la posibilidad de realizar las pruebas experimentales directamente en el agua.
Desde un principio se presento un problema con este canal, el caudal no era suficiente para alcanzar la velocidad del flujo necesaria y que a su vez la turbina quedara completamente sumergida en el agua, por lo cual se opto por realizar pruebas tanto a baja velocidad con un alto nivel del agua y a alta velocidad pero con un nivel de agua sustancialmente más bajo como el que se ve en la figura 5.1 donde solo la mitad de la turbina se encuentra sumergida bajo la corriente de agua. Se encontró que la primera prueba daba un flujo relativamente estable pero supremamente lento por lo que la turbina estaría lejos de su punto de operación óptimo y las mediciones que se pudieran obtener serian demasiado sensibles por las magnitudes tan pequeñas que se estarían observando. Por otra parte, la prueba a mayor velocidad presentó otro problema, la velocidad de la corriente era extremadamente variable razón por la cual sería imposible mantener una velocidad angular constante en la turbina y poder caracterizarla. Este es el tipo de escenarios a los que se estaría expuesto en la vida real en ríos o diferentes canales de agua, sin embargo para realizar pruebas experimentales contundentes es necesario realizarlas en ambientes controlados donde se puedan controlar las diferentes variables con la mayor precisión posible.
Figura 5.1 Montaje preliminar en canal de agua.
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ii. Túnel de Viento TVIM-460-25-3.6;
Dadas las condiciones anteriores, se procedió a adaptar el montaje al túnel de viento TVIM-460-25-3.6 del departamento de Ingeniería Mecánica. Cabe anotar que cualquier resultado que se obtuviera de este túnel seria netamente especulativo ya que dadas las dimensiones de la sección de pruebas de éste, la turbina actuaria como una turbina cerrada por lo cual no se podría tener en cuenta a la hora de caracterizar la turbina. Estas se realizaron dado que el túnel de viento grande no se encontraba listo para iniciar pruebas. Sin embargo estas pruebas fueron bastante útiles para detectar un problema de diseño que se había cometido en la primera turbina; dada su alta velocidad específica y el bajo número de aspas, el torque generado por la misma es muy pequeño por lo cual su medición se torno demasiado complicada con las herramientas existentes en el laboratorio de fluidos.
Para encontrar el torque de esta turbina se utilizaron dos métodos diferentes: por medio de un freno por fricción con dos dinamómetros y una correa la cual se le aumenta la tensión sobre una polea en el eje de tal forma que se aumenta la fuerza de frenado, sin embargo, éste procedimiento no fue apropiado ya que la turbina no era capaz de vencer el torque generado por la correa en su mínima tensión. Dado esto se realizó otro montaje con un freno PRONY, donde el eje seria frenado por medio de un prisionero y utilizando una balanza electrónica para la medición de la fuerza generada por la barra del freno. Una vez más, los datos obtenidos son supremamente pequeños por lo cual los errores tienden a ser muy grandes. Tras la obtención de estos resultados fue necesario rediseñar la turbina para velocidades específicas más bajas y en consecuencia obtener torques mayores.
iii. Túnel de Viento Grande
Para el momento en el que se fabricó el segundo set de turbinas (turbinas 2 y 3) el túnel de viento grande ya estaba listo, por lo cual se adaptó el montaje inicial para realizar las mediciones en este. El primer paso fue realizar la curva de calibración del túnel para saber con precisión la velocidad del viento en la salida del túnel con relación a la velocidad angular del ventilador del mismo. Para esto se hizo la medición de la velocidad del viento por medio de un tubo de Pitot y un manómetro de tubo inclinado. Los resultados de la calibración son los siguientes.
31
Figura 5.2. Curva de calibración del túnel de viento grande.
Inicialmente se trato de hacer las mediciones por medio del freno PRONY y una balanza sin embargo los resultados obtenidos eran poco consistentes prueba tras prueba, por lo que se decidió descartar ese sistema de mediciones y utilizar un método bastante más preciso. Dado a que el montaje final estaba adaptado para acoplar el generador, se conecto el mismo a una tarjeta de adquisición de datos a través de la cual se pueden obtener los voltajes del generador en tiempo real a intervalos de tiempo conocidos; en este caso cada 0.5 segundos.
y = 0.02083x
0
2
4
6
8
10
12
14
0 100 200 300 400 500 600 700
Vel
ocid
ad d
el V
ient
o (m
/s)
Velocidad Angular Ventilador (RPM)
Curva de Calibración Túnel
Series1 Linear (Series1)
Figura 5.3 Montaje con freno Prony y báscula en túnel de viento grande
32
y = 0,021xR² = 1
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
0 50 100 150 200 250
Vol
taje
(V)
Velocidad Angular (rad/s)
Curva Calibración Motor
Curva Calibración Motor
Linear (Curva Calibración Motor)
De ésta forma se midió el voltaje de la salida del generador durante la etapa de aceleración de la turbina hasta el momento en que la velocidad de la misma se acerca a la de desboque. Esto se verificó por medio del tacómetro digital AMETEK 1726 ubicando la cinta reflectiva sobre el cubo de la turbina. Una vez se realizaron las pruebas se encontró otro factor que podría estar alterando los resultados; el generador que estaba siendo utilizado generaba mucha fricción interna, por lo tanto los tiempo de estabilización de la turbina eran supremamente largos arrojando resultados de rendimiento muy lejanos de los esperados. Para contrarrestar éste problema se acoplo un motor mucho más pequeño, que tuviera una mínima resistencia al movimiento, de tal forma que éste no afectara de manera significativa los resultados experimentales. El motor que se acoplo es un motor marca Johnson con la siguiente curva de generación.
Figura 5.4. Montaje de sistema de adquisición de datos.
Figura 5.5 Curva de calibración motor/generador Johnson.
33
Como era de esperarse la relación voltaje v.s. velocidad es completamente lineal con un ajuste R2 de 1.
Por último, teniendo en mente la necesidad de optimizar la toma de datos y reducir al máximo el numero de variables que puedan alterar los resultados, se decidió realizar una segunda toma de datos por medio de otro método completamente diferente donde no hubiera necesidad de interferir en el funcionamiento de los rotores como se estaba haciendo al acoplar el motor/generador en el montaje anterior. Para lograr esto se decidió realizar un montaje nuevo donde por medio de filmaciones a alta velocidad se pudiera determinar la posición del aspa a lo largo de la etapa de aceleración de la misma. De ésta forma se puede determinar la velocidad hasta cada sesentavo de segundo.
Para esto se ubicó una cámara fotográfica digital CANON SD500 en la parte posterior del aspa, lo más lejos posible para procurar no interferir con el flujo de aire. A su vez se realizo una marca sobre una de las aspas de cada rotor de tal forma que se pueda determinar la posición del aspa en determinado espacio de tiempo. Finalmente se configuro la cámara para realizar grabaciones de video a 60 cuadros por segundo desde el reposo hasta su desboque. Una vez se tienen los videos, se procesan por medio del software VirtualDub v.1.8.6 a través del cual se pueden separar los videos en imágenes cuadro por cuadro (por cada segundo de filmación se obtienen 60 imágenes).
Ahora bien, dado que se conoce el tiempo en que se ha tomado cada cuadro, se establece una imagen inicial a partir de la cual se realiza el conteo de imágenes en las que la turbina da alrededor de una revolución. Cabe anotar que este método por si solo tiende a ser muy aproximado, ya que son muy pocas las veces en las que las imágenes coinciden con el mismo punto inicial. Para contrarrestar este factor se utilizo otra asistencia computacional en con la cual se superpone un transportador digital en las imágenes y es posible determinar cuántas revoluciones da la turbina con una precisión de hasta 0.001 revoluciones. El siguiente procedimiento se realizó para alrededor de un minuto de filmación para todos los rotores.
34
Luego de procesar alrededor de 4000 imágenes se realizó el cálculo de la velocidad en cada instante del aspa, a partir de la cual se determinaron los coeficientes de rendimiento de cada uno de los rotores.
Figura 5.6. Ejemplo del proceso de análisis de imágenes.
35
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60 70
Vel
ocid
ad A
ngul
ar (r
ad/s
)
Tiempo (s)
Velocidad Angular a 7.29 m/s
Aspa Normal Aspa Recortada
0,00020,00040,00060,00080,000
100,000120,000140,000160,000
0,000 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000
Vel
ocid
ad A
ngul
ar (r
ad/s
)
Tiempo (S)
Velocidad Angular a 7.29 m/s
Aspa Normal Aspa Recortada
6. RESULTADOS EXPERIMENTALES.
a. Adquisición de Datos.
Las curvas de velocidad para las dos turbinas obtenidas a partir del método de adquisición de datos son las siguientes;
b. Método de Imágenes.
A través del método de las imágenes se obtuvieron las siguientes curvas para los dos rotores.
Figura 6.1 Diagrama de velocidades para los rotores normal y recortado por el método de adquisición de datos.
Figura 6.2 Diagrama de velocidades para los rotores normal y recortado por el método de las imágenes.
36
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 2 4 6 8 10 12 14
Vel
ocid
ad A
ngul
ar (r
ad/s
)
Tiempo (s)
Velocidad Angular a 4.16 m/s
Turbina Blanca Turbina Negra
Los resultados obtenidos a partir del análisis de imágenes no fueron realmente los esperados, ya que el tiempo de filmación no fue suficiente para obtener el tiempo total de respuesta del rotor recortado, esto se debe a limitaciones en la cámara fotográfica ya que solo permite un tiempo máximo de filmación de 60 segundos. Por otra parte, con el ánimo de realizar comparaciones contra otros tipos de rotores, de dimensiones similares, se tomaron dos rotores construidos por estudiantes del curso de maestría de Energía Eólica de la Universidad de Los Andes, para los cuales se les realizó el mismo análisis de imágenes obteniendo los siguientes resultados.
Figura 6.3 Rotores Blanco y Negro de 6 y 8 aspas respectivamente.
Figura 6.4 Diagrama de velocidades para los rotores Blanco y Negro por le método de las imágenes.
37
Como era de esperarse, estos dos rotores al ser de un mayor número de aspas, sacrifican velocidades de desboque por un mayor momento par, lo cual los hace más eficientes para zonas con velocidades de viento más bajas.
c. Medición de momentos de inercia.
Para el cálculo de los coeficientes de potencia y rendimiento es necesario determinar los momentos de inercia de los rotores, esto se realizó utilizando un péndulo bifilar donde las aspas se ponen a oscilar sobre su eje de rotación, sujetados desde dos puntos en los extremos del aspa a distancias conocidas.
El propósito del montaje es realizar la medición del periodo de oscilación del aspa, de tal forma junto con su radio de giro, longitud de las cuerdas y masa del rotor, se pueda determinar el momento de inercia.
L M N O N N +; N P6 9 ASPA Normal Recortada Blanca Negra
g (m/s^2) 9.81 9.81 9.81 9.81 Lo (m) 0.94 1 1.08 1.06 Masa (kg) 0.4007 0.3785 0.1571 0.2773 Radio (m) 0.1407 0.1418 0.1413 0.1468 Periodo (s) 0.6917 0.6883 1.1133 1.0017 Inercia (kg*m^2) 0.0010 0.0009 0.0009 0.0014
Tabla 9 Características geométricas y momentos de inercia de los rotores.
Figura 6.5 Montaje para la medición del momento de inercia.
38
39
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
A partir de los datos obtenidos, el profesor PhD. MsC. Álvaro Pinilla desarrolló un modelo matemático para el comportamiento de los rotores, de tal forma que se puedan determinar con gran precisión las curvas de momento-par y rendimiento del rotor. El comportamiento típico de una curva de coeficiente de momento-par está representado por la siguiente figura;
Q ER -6 S * T - T *
Dado que CT se asume como una funcion lineal entre 0 y βλo se puede describir de la siguiente manera.
U Q U-6 N D
y es valida para;
* T T -6
y se complementa con
Figura 7.1 Comportamiento típico del coeficiente de momento par para un rotor.
40
Q8 -6 N 8 D" -6 T T 8
Ahora bien, recordando la ecuación que determina el coeficiente de momento-par se puede simplificar;
"HIVJ LWX " HIVJ
"L;HIVJ XD
Donde,
X Y D+
Para el analisis entre * T T -6
U Q U-6 N "L;HIVJ Y D, U Q U-6 N HIVJ"L; YD9
Integrando ambos lados;
-6Q Z N [0 \U Q U-6 N Z ] HIVJ"L; N YDD
Despejando Lambda;
^_`aQ1`aZb&c d_efghijk Nd l N Z-6Q Z D$
41
Ahora, cuando -6m Y Y6
-6 ^_`nQ1`nZb&c d_efghijk Nd l N oZ-6oQ oZ DK
Simplificando,
Q ZZ _`aQ1`aZb&c d_efghijk NcdD* Y6 _ "L;HIVJd 3 -6Q Z4 N [0 ^Q ZZ lD
Donde -6
Por otra parte, el analisis para -6 T T 8se desprende de;
En 6m `pc&c por lo que `pc&c `nQ&Q1b&c 8 6
Q 8 -68 6 _c6 dD"
Ahora con CTm definido; Q8 -6 N 8 "L;HIVJ Y D
Integrando;
8 &b&c Q8 -6 3HIVJ"L; 4Y
q D+
42
[08 rsb&c& Q8 -6 3HIVJ"L; 4 Y Y6D,
Reemplazando to por el definido anteriormente;
8 8 -6 N 1_ `aQ&Q1b&cdtefghijk 1cuD9
Valida para -6 T T 8
Definido éste modelo y con la ayuda de Excel® se puede acomodar a los datos experimentales obtenidos y realizar un estimativo de las curvas de potencia y momento-par. Los parametros del modelo utilizados son;
l0 2.35 R (m) 0.14985
Cp0 0.11 A (m2) 0.0705
lm 4.11 V¥ (m/s) 7.29
b 0.75 r (kg/m3) 0.89
CTm 0.062 I (kg m2) 0.001
CTs 0.003 t0 (s) 17.517
Dt (s) 1.168 Tabla 10. Parámetros Modelo Aspa Normal.
l0 2.4 R (m) 0.14985
Cp0 0.11 A (m2) 0.0705
lm 4.3 V (m/s) 7.29
b 0.8 r (kg/m3) 0.89
CTm 0.057 I (kg m2) 0.001
CTs 0.003 t0 (s) 20.268
Dt (s) 1.351 Tabla 11. Parámetros Modelo Aspa Recortada
43
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60 70
Vel
ocid
ad A
ngul
ar (r
ad/s
)
Tiempo (s)
Velocidad Angular a 7.29 m/s
Aspa Normal Modelo Normal Aspa RecortadaModelo Recortada Aspa Normal Fotos Modelo Normal FotosAspa Recortada Fotos Modelo Recortada Fotos
En la gráfica anterior se puede apreciar como se acomodan los modelos para los dos rotores y con los dos metodos de experimentación. Es claro que el ajuste del modelo a los datos obtenidos por medio de la tarjeta de adquisición es mucho mejor, por lo que las curvas de rendimiento y momento-par estaran bastante cercanos a los reales. Sin embargo, ésto no quiere decir que las curvas obtenidas por el metodo fotográfico sean despreciables. Primero que todo, hay que anotar la diferencia que se presenta en las velocidades de desboque, teóricamente se podría esperar que las velocidades obtenidas con el generador acoplado al rotor fuesen menores dada la mayor resistencia a la rotación producida por la presencia del mismo, cosa que no sucedió. Ésta deficiencia se podría atribuir a una serie de factores, ya sean pérdidas debidas al último montaje que se utilizó o problemas con la camara; es posible que la velocidad de filmación no sea exactamente 60 cuadros por segundo o en el peor de los casos se pudo haber observado una serie de armónicos lo cual invalidaría por completo las grabaciones realizadas y habría la necesidad de utilizar camaras profesionales con velocidades de grabación mas altas. Ahora bien, por otra parte se tienen los modelos ajustados a los resultados de los rotores negro y blanco.
Figura 7.2 Diagrama de velocidades experimentales y modeladas de los rotores normal y recortados.
44
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 2 4 6 8 10 12 14
Vel
ocid
ad A
ngul
ar (r
ad/s
)
Tiempo (s)
Velocidad Angular a 4.16 m/s
Turbina Blanca Turbina Negra Modelo Blanca Modelo Negra
l0 1.1 R (m) 0.1501
Cp0 0.18 A (m2) 0.0708
lm 2.72 V¥ (m/s) 4.16
b 0.5 r (kg/m3) 0.89
CTm 0.21919 I (kg m2) 0.00089
CTs 0.012 t0 (s) 2.337
Dt (s) 0.15578 Tabla 12. Parámetros del modelo para rotor blanco
l0 0.5 R (m) 0.1541
Cp0 0.04 A (m2) 0.0746
lm 0.58 V¥ (m/s) 4.16
b 0.8 r (kg/m3) 0.89
CTm 0.18 I (kg m2) 0.001
CTs 0.015 t0 (s) 1.837
Dt (s) 0.12246 Tabla 13. Parámetros del modelo para rotor negro
Figura 7.3 Diagrama de velocidades para los rotores Blanco y Negro con su respectiva curva del modelo.
45
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 1 2 3 4 5
Coef
icie
nte
de P
oten
cia
Velocidad Específica
Coeficiente de Potencia
Aspa Normal Aspa Recortada Aspa Normal Fotos Aspa Recortada Fotos
A diferencia de los otros dos rotores, el metodo de imágenes es consistente con el modelo, por lo cual se puede considerar que las curvas de potencia y rendimiento son consistentes con la realidad.
Los resultados de coeficiente de potencia obtenidos para los rotores normal y recortado, por ambos metodos son los siguientes;
Como era de esperarse, los resultados de ambos rotores son supremamente parecidos. A travéz del modelo se determina un coeficiente de potencia máximo de 0.11 para los dos rotores, sin embargo se observa que el rotor recortado alcanza velocidades de desboque mayores, por lo que su coeficiente de potencia máximo ocurre a velocidades de rotación un poco mas altas. Por otra parte, por el metodo de las imágenes se obtuvieron coeficientes de potencia mas bajos, 0.1 para el rotor normal y 0.071 para el rotor recortado y al igual que el caso anterior, el coeficiente de potencia máximo para el rotor recortado ocurre a una velocidad especifica un poco más alta.
Figura 7.4 Curvas de coeficiente de potencia para los rotores azules obtenidas por los dos métodos experimentales.
46
00,020,040,060,08
0,10,120,140,160,18
0,2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Coef
icie
nte
de P
oten
cia
Cp
Velocidad Específica
Coeficiente de Potencia
Turbina Blanca Turbina Negra
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0 1 2 3 4 5
Coef
icie
nte
de M
omen
to-P
ar C
t
Velocidad Especifica
Coeficiente de Momento-Par
Aspa Normal Aspa Recortada Aspa Normal Fotos Aspa Recortada Fotos
Al comprar los resultados de los rotores blanco y negro con los otros dos, se puede observar que hay una gran diferencia en el desempeño de éstos; es evidente que los últimos fueron diseñados con características de mayor torque y baja velocidad, sobre todo el rotor negro, el cual tiene una velocidad especifica de desboque alrededor de 0.6 y un coeficiente de rendimiento Cp, alrededor de 0.07, mas bajo que el de los rotores azules. Sin embargo, el rotor blanco tiene características muy diferentes, con un coeficiente de potencia muy superior al de los otros tres rotores, alcanzando valores de hasta 0.19 y una velocidad especifica máxima de 2.7.
Figura 7.5 Diagrama de Coeficientes de potencia para los rotores Blanco y Negro respectivamente
Figura 7.6 Diagramas de Coeficiente de momento-par para los rotores azules.
47
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Coef
icie
nte
de M
omen
to-P
ar C
t
Velocidad Específica
Coeficiente de Momento-Par
Turbina Blanca Turbina Negra
Por el lado del coeficiente de momento-par, se obtienen resultados un poco diferentes a los que se esperaban al comparar los dos metodos. Primero que todo, en el metodo de imágenes, es evidente que el rotor recortado no alcanza su velocidad de desboque ya que durante las pruebas con generador fue evidente que el rotor recortado alcanzaba velocidades mayores a las del rotor normal, lo cual no se ve reflejado en los resultados obtenidos por este metodo. Lo que si es una constante a lo largo de todas las pruebas, es la diferencia de momento-par entre las dos turbinas, las mediciones siempre arrojaron un mayor momento par en el rotor con borde de salida normal con coeficientes cercanos a 0.062 contra 0.057 para el rotor recortado.
Si se realiza una comparación con los valores obtenidos en las otras dos turbinas, es evidente que el mayor número de aspas aumenta sustancialmente el momento-par generado por estas. A continuación se pueden observar los resultados.
Los coeficientes de momento-par de estos dos rotores superan hasta en cuatro veces los obtenidos por los rotores azules. En la tabla a continuación se resumen los resultados obtenidos para los cuatro rotores, asi como los valores teóricos esperados para los rotores azules.
Figura 7.7. Diagramas de Coeficiente de momento-para para las turbinas Blanca y Negra.
48
Turbina λ Cp % Error Ct % Error Normal (Teórico) 2.5 0.425
73.6% 0.170
63.5% Normal (Exp) 2.4 0.112 0.062 Recortado (Teórico) 2.5 0.420
73.57% 0.168
66.07% Recortado (Exp) 2.35 0.111 0.057 Blanco 1.1 0.187 0.219 Negro 0.5 0.072 0.180
Tabla 14. Comparativo de los resultados teóricos v.s. experimentales para los cuatro rotores.
Para los rotores azules, es evidente que los valores de Cp y Ct experimentales estan supremamente lejos de los esperados, con diferencias de hasta el 73.6% para el caso de Cp y 66% en el caso de Ct. Ésto posiblemente se le puede atribuir a que el rendimiento de éste tipo de perfiles gordos no tienen buen desempeño en el Reynolds al que se probo. Hay que anotar que el rotor se diseñó para flujos de agua a velocidades de 1.5 m/s, lo cual correspondería a velocidades del viento de 22.6 m/s y sólo fue posible probarlo a velocidades cercanas a los 7 m/s, casi un tercio del valor de requerido. La razón por la cual no fue posible probarlo a mayores velocidades fue por el enorme riesgo que se corre al probar éstos rotores en el tunel sin una sección de pruebas apropiada que pueda contener el aspa en caso de una ruptura. Idealmente la turbina deberia probarse en una fuente de agua constante que alcance velocidades cercanas a las de diseño, ya que al probarse en viento a 22 m/s y siguiendo el modelo de respuesta de los rotores, se podrian alcanzar velocidades de hasta 650 radianes por segundo y los rotores no resistiran las cargas estructurales a las que estarian sometidos.
Ahora, si se comparan numericamente el rendimiento de los rotores azules con respecto a los rotores blanco y negro, se puede decir que éstos no son mucho mas eficientes, si se conocieran los parametros de diseño de éstos se podrian realizar mediciones y llegar a conclusiones mas concretas sobre su desempeño. Es evidente que el rotor negro no tiene un buen rendimiento (solo el 7%) y el blanco, a pesar de tener el mejor rendimiento de todos, seria bueno poder realizar una comparacion mas concreta con los datos de los rotores azules probados bajo las condiciones de diseño.
49
8. CONCLUSIONES
Los resultados experimentales no fueron precisamente los esperados, se puede asegurar que se debe principalmente a los factores mencionados previamente sobre las velocidades de flujo a las que se probaron. Al utilizar flujos relativamente tan bajos, las variables se tornan mucho mas sensibles, dificultando su medición a traves de metodos convencionales por lo que es necesario incursionar en metodos poco utilizados y tal vez sin la instrumentación apropiada para realizarlos, como es el caso del método de las imágenes.
Al realizar una comparación sobre el rendimiento aerodinamico entre el rotor de perfiles recortados y el rotor con borde de salida convencional, no se puede llegar a conclusiones concretas y contundentes sobre si hay alguno mejor que el otro, ambos tienen sus beneficios. Teoricamente los rendimientos aerodinamicos son practicamente iguales, sin embargo, como Murcia lo expone en su tesis de maestria, los perfiles de grandes espesores y bordes de salida recortados tienen ciertos beneficios;
• Beneficios estruturales; se aumenta significativamente la resistencia a la flexión del aspa sin perjudicar el rendimiento aerodinamico.
• Se previene la separacion del flujo, lo que aumenta los coeficientes de sustentación a angulos de ataque mayores.
• Facilidad en la manufactura y reduccion de costos al evitar la fabricacion de bordes filudos.
• Disminución de la sensibilidad a la rugosidad en el borde de ataque.
Algunas de sus desventajas son;
• Aumento en el coeficiente de arrastre.
• Falta de datos experimentales.
Siendo este último uno de los propósitos por los cuales se le dio este enfoque al proyecto.
De los resultados obtenidos, se puede establecer que las diferencias en rendimiento aerodinamico son mínimas. Sin embargo, se pueden comentar ciertas experiencias que se tuvieron durante la realización de las pruebas. Se observo consistentemente un menor momento-par en la turbina recortada, bastante evidente por los tiempos de respuesta del rotor y la sensibilidad a las mas mínimas variaciones de fuerza en el caso de las pruebas con el freno Prony. Por otra parte, una vez se estabiliza la turbina en su velocidad de desboque, ésta es consistentemente mas rápida que la turbina convencional. Diferencias que sin ser significativas a pequeña escala, pueden ser guias o indicios de cómo se pueden comportar este tipo de rotores a gran escala.
50
51
9. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO.
Es importante pensar que tipo de aplicación tienen los rotores, bajo que condiciones y en que medio operarán. Primero que todo, las turbinas para generación de energía deben tener velocidades especificas relativamente altas, dado el comportamiento lineal de los generadores eléctricos, a medida que aumenta la velocidad de la misma se tendra una capacidad de generación mayor. Sin embargo cuando se tienen rotores de altas velocidades especificas y bajo numero de aspas se tiene el problema que el rotor no pueda arrancar a bajas velocidades del flujo o en el peor de los casos no pueda mover el generador bajo ninguna condicion de operación; como ocurrió con la primera turbina que se diseñó para este proyecto.
Por otra parte; si se aumenta mucho el numero de aspas, se aumenta el momento-par generado por la turbina, pero se sacrifica la velocidad de rotación. Razón por la cual se tiene una baja capacidad de generación reduciendo así el rendimiento de la misma. Es común ver este tipo de rotores en aplicaciones de bombeo de agua donde las corrientes de viento no tienen altas velocidades y no se cuenta con energia para instalación de bombas electricas o de gasolina. Los rotores para generación de energía eléctrica por medio de las corrientes submarinas utilizan dos aspas dado que el agua, al tener menor viscosidad y mayor densidad aumenta drasticamente las fuerzas axiales al igual que el momento-par del rotor, disminuyendo la necesidad de la tercera pala.
Como continuacion de este proyecto se puede desprender una serie de trabajos ya sea con motivo de refinar las pruebas experimentales con las recomendaciones dadas previamente o con el fin de concluir este proyecto a traves de la selección de un generador apropiado para la aplicación y las caracteristicas del rotor. Tambien se debe realizar el diseño y la construcción de una carcasa que sea completamente hermética de tal forma que esta se pueda sumergir bajo el agua sin ningun inconveniente.
52
53
10. BIBLIOGRAFÍA.
Pinilla, A.E., (Agosto 2007). Notas de Curso IMEC 3250 – Curso electivo de aerodinámica. Bogotá: Universidad de los Andes.
White, F.M., (1998). Fluid Mechanics. Fourth Edition. (pp. 427-555). McGraw-Hill.
Murcia, J.P., (2008). Aerodinámica de perfiles con borde de salida modificado. Bogotá: Universidad de los Andes
Pinilla, A.E., & Sarkis, N. (2006). Experimental Study on a Model of a Commercial Windpumping Rotor. Wind Engineering, 30(6), 511-520. Multi-Science Publishing Company.
Giraldo, L.D., (2004). Diseño, Construcción y Experimentación en Turbinas Axiales con Diferentes Perfiles Alares. Bogotá: Universidad de Los Andes.
