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Instituto Tecnológico de Celaya
Análisis Fluido-Estructural de un Alabe de Turbina de Viento
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
Ricardo Álvarez CerveraRaúl Lesso arroyoJ Santos García MirandaVíctor López Garza
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CONTENIDOResumen
Introducción
Aerogenerador
Alabe de Turbina de Viento
Aerodinámica de los alabe
Materiales
Metodología Fluido-Estructural
Diseño de alabe
Análisis aerodinámico en CFX
Análisis Fluido-Estructural en ANSYS Workbench
Análisis experimental de perfiles aerodinámicos
Conclusiones
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El presente trabajo propone una metodología para el análisis Fluido- Estructural de un Alabe de Turbina de viento, utilizando la interfase
TIMEO-ANSYS para su modelado y la interacción entre ANSYS CFX y ANSYS Workbench para la obtención de resultados.
RESUMEN
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INTRODUCCION
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INTRODUCCIONSe estima que el potencial eoloeléctrico técnicamente aprovechable de México alcanza los 5,000 MW, lo que equivale a 14% de la capacidad total de generación eléctrica instalada actualmente.
Potencial eólico en la Republica Mexicana, (cortesía del IIE).
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AEROGENERADOR
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Parámetros operativosVelocidad del vientoLa velocidad de diseño suele tener valores medios de la velocidad del viento en el lugar elegido para la instalación del aerogenerador.
AEROGENERADOR
Potencia requeridaLa potencia requerida es función de la cantidad energética que demande el sistema al cual se desee suministrar energía eléctrica. Un estudio previo del sistema a abastecer determina este parámetro.
Densidad del viento. La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa. Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire.
= eléctricomecánicoP AUCP ηηρ 3
21
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El calculo teórico del máximo coeficiente de potencia se obtiene empleando la ecuación empírica de Wilson Lissman.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+−=
LD
BBBCp λ
λψ
λ21
92.1593.0267.0
( ) 267.0 0025.004.048.1 λλψ +−+= B
Donde:
B
Número de alabes
AEROGENERADOR
COEFICIENTE DE POTENCIA
D
ArrastreL
Sustentación
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Esta velocidad especifica es es función de la finalidad de la eólica y de la velocidad de los vientos. Para eólicas rápidas entre 5 y 12 Su expresión es:
UrΩλ =
Rrλλ =0
Velocidad especifica local
Donde:Ω = Velocidad angularR = Radio de la palar = Radio localU = Velocidad del viento
VELOCIDAD ESPECIFICA
AEROGENERADOR
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ALABE DE TURBINA DE VIENTO
RaízPunta
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AERODINAMICA DE LOS ALABES
a = Angulo de ataqueβ = Angulo de asientoφ = Angulo de flujoW = Velocidad relativaL
= Fuerza de sustentaciónD
= Fuerza de arrastre
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AERODINAMICA DE LOS ALABES
222 rUW Ω+=
drCcWdL l2
21 ρ=
drCcWdD d2
21 ρ=
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AERODINAMICA DE LOS ALABES
949
16
22
2
+
=
λλRr
RBcCL⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= −
λφ
rR
32tan 1
222 rUW Ω+=
drCcWdL l2
21 ρ=
drCcWdD d2
21 ρ=
De la teoría simplificada:
Angulo de flujoCuerda del elemento alabe
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MATERIALES
1. Resistencia estructural2. Resistencia a fatiga
3. Rigidez Corregir4. Bajo peso5. Fácil fabricación6. Resistencia a los ambientes 7. Minimizar la emisión de ruido acústico
Características principales:
• Fibra de vidrio • Fibra de carbón
Materiales compuestos:Maderas:• Álamo• Pino báltico• Abedul• Haya• Abeto Douglas
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METODOLOGIA FLUIDO-ESTRUCTURAL
TIMEO ANSYSDesign Modeler
CFX Mesh
CFX
ANSYS Workbench (Simulación)
Diseño del alabe
INTERFASE
Modelo del alabe Genera Volumen de Control
Mallado del sistema
Análisis aerodinámico• Perfil de velocidades• Perfil de presiones
FLUIDO - ESTRUCTURAL
Análisis estructural• Esfuerzos principales• Deformaciones principales
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DISEÑO DE ALABE
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DISEÑO DE ALABE• U
= 12 m/s• ρ = 1 Kg/m• P
= 2450 Watts• B
= 3• λ = 9• ηeléctrico = 90%• ηmecánico = 80%• Perfil aerodinámico: NACA 4412• Teoría simplificada como método de diseño• Divisiones continuas en 10 partes
R = 1.53mRaíz: c = 0.188m β = 24.52°Punta: c
= 0.0413m β = 0.23°
3
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MODELO DE ALABE
INTERFASE TIMEO-ANSYS
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ANALISIS AERODINAMICO
Modelo del alabe Volumen de control en Design Space
1. VOLUMEN DE CONTROL
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2. MALLADO EN CFX-MESH
ANALISIS AERODINAMICO
Mallado del alabe
Mallado del volumen de control
Raíz
Punta
107445 nodos 530653 elementos
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ANALISIS AERODINAMICO
3. ANALISIS EN CFX
Condiciones de frontera:
Análisis para el soplido de viento Análisis para el viento relativo
Condiciones de referencia:
Presión : 101350Pa
Temperatura: 273 ºK
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ANALISIS AERODINAMICO
3. ANALISIS EN CFX
Resultados: Líneas de corriente
a) Análisis del soplido del viento
Raíz
Punta
Vmáx
= 22.71m/s
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ANALISIS AERODINAMICO
3. ANALISIS EN CFX
Resultados: Líneas de corriente
b) Análisis de la velocidad relativa
Raíz
Punta
Vmáx
= 356.3m/s
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ANALISIS AERODINAMICO
3. ANALISIS EN CFX
Resultados: Perfil de presión
Presión del soplido de viento Presión del viento relativo
PMax
=120.5 Pa PMax
=14.11KPa.
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ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL
3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH
Material: Álamo americanoMódulo de Young: 10.9 GPaRazón de Poisson: 0.03Densidad: 609 Kg/mEsfuerzo de cedencia a compresión: 3.9MPaEsfuerzo último a tensión: 3.7MPa
3
Fuente: www.matweb.com
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ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL
3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH
Mallado del alabe:
Nodos: 30456Elementos: 5220
Empotramiento
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ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL
3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH
Esfuerzos.
Por presión del soplido de viento Por presión del viento relativo
σMax
=3.416 MPa σMax
=310.5 MPa
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ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL
3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH
Deformaciones.
Por presión del soplido de viento
dMax
=2.01 cmPor presión del viento relativo
dMax
=3.98 cm
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PERFILES AERODINAMICOS
INTERFASE TIMEO-ANSYS
Análisis de velocidades en ANSYS-CFD de un perfil aerodinámico NACA 4412 a α = 0, velocidad de entrada W=9m/s.
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ANALISIS EXPERIMENTAL
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ANALISIS EXPERIMENTAL
W
= 9m/s
NACA4412
P
= 0
P0
= 101350PaT0
= 273 K
Fluido en Estado EstableEstado adiabático
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ANALISIS EXPERIMENTAL
RESULTADOS
Resultados por ANSYS-CFD
Resultados por experimentación
Velocidades puntuales en m/s
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CONCLUSIONES
Los resultados experimentales obtenidos nos dan la seguridad para continuar diseñando alabes de turbina de viento mediante el uso de herramientas computacionales como ANSYS®.
La energía del viento, es un recurso renovable que está tomando un gran impulso a nivel mundial en la actualidad.
El uso de herramientas computacionales resultan ser una forma práctica para obtener resultados en lapsos cortos de tiempo.
La energía del viento, es un recurso renovable que está tomando un gran impulso a nivel mundial en la actualidad.
El uso de herramientas computacionales resultan ser una forma práctica para obtener resultados en lapsos cortos de tiempo.
ANSYS®, es una excelente opción para llevar al cabo análisis fluido-estructurales debido a la fácil interacción que tiene CFX con Workbench.
La obtención de resultados a partir de ANSYS-CFD para el análisis de perfiles aerodinámicos, son bastantes confiables como se puede observar en los resultados experimentales obtenidos.
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