METODOLOGIA DE DISENO

Transcripción

1 Proel5 METODOLOGIA,.., DE DISENO Ig. MIGUEL ANGEL VEGA MARQUEZ Profesor Asociado - Uiversidad Nacioal de Colombia Facultad de Igeiería Co-Ivestigador e Eergía Eólica. E RESUMEN I presete artículo busca presetar de ua maera breve cómo ha evolucioado el proceso de diseño y costrucció de u aerogeerador de 5 kw, como parte del trabajo del equipo de Ivestigació e Eergía Eólica. A partir de ua descripció geeral del equipo, se cetra la exposició e la forma como se ha calculado los esfuerzos cortates a lo largo del aspa. T amado como base que para el diseño de u aerogeerador, el puto de partida siempre será la evaluació de las ecesidades de servicio: potecia requerida, calidad de la eergía a etregar, etc., este proceso tiee como complemeto el estudio de vietos de la zoa de trabajo, de dode se obtiee el tamaño macro de la máquia: úmero de aspas, velocidad de rotació, tamaño de las aspas, perfil a utilizar, etc. El diseño mecáico propiamete dicho, ha partido de la iformació aterior, y dividiedo la máquia e sistemas, tal como se observa e la figura 1, permite defiir objetivos para cada uo de ellos. 1 3 SISTEMAS 1- Aspas 2- Rotor 3- Regulador de velocidad 4- Freo 5- Trasmisió 6- Yaw 7- Torre 8- Geerador eléctrico Figura No. 1. Sistemas que coforma u aerogeerador. Igeiería e Ivestigació 45

2 SISTEMA DEL YAW. ASPAS Se mecioa iicialmete este sistema por ser el soporte pricipal de todo el cojuto. Además cumple co las siguietes fucioes geerales: permite el giro de la máquia alrededor de su eje vertical,orietádose por sí mismo al cambiar la direcció del vieto; sirve como medio de uió etre el aerogeerador y la torre. Para su diseño y cálculo, se debe teer e cueta las fuerzas que se preseta e todos y cada uo de los demás sistemas, evaluadas bajo codicioes de borrasca (velocidad del vieto de 20 mis): - Sobre las aspas, cosideradas para este caso como cuerpos rígidos, actúa las fuerzas de empuje y arrastre producidas por el vieto, las fuerzas de iercia origiadas por su movimieto de rotació, las fuerzas giroscópicas producidas por el cambio e la direcció del vieto y la acció de sus masas. SISTEMA - Sobre el rotor actúa las fuerzas de apoyo de las aspas y su propio peso. Las cargas origiadas por el sistema de regulació de velocidad so despreciables frete a las demás fuerzas que actúa e el rotor. - Además se debe cosiderar los pesos y torques producidos por la trasmisió, el geerador y el sistema de freo. DE 1RANSMISION Se compoe de u eje el cual recibe la potecia geerada por las aspas a través del rotor, que está motado gor u extremo. POI elotro extremo etrega esta potecia a la caja de egraajes, la cual va acoplada al geerador de eergía eléctrica. El eje está apoyado sobre dos rodamietos de cotacto agular autoalieables, motados sobre maguitos de fijació para evitar cambios de secció e el eje; tambié sobre este eje de toma de potecia va motado el sistema ;de freo hidráulico del molio. ro 1),El diseño y cálculo del eje se ha hecho de acuerdo a los métodos típicos que parte-de las cargas que actúa sobre él, se hace el cálculo estático: y se recalcula por fatiga para obteer el material v.tas dimesioes fiales., ",',1,; j' 'La caja de egraajes se cosideró como u elemeto comercial el cual se seleccioó de acuerdo al catálogo del fabricate, rorade-como patáretros'la potecia 'v ~I-º-ª-f a trasmitir La experiecia obteida hasta ahora, os idica que el diseño de las aspas preseta u alto grado de dificultad ya que so elemetos estructurales esbeltos, que debe satisfacer uos requerimietos aerodiámicos muy precisos y sobre los cuales la teoría o es muy desarrollada. Es por estas razoes por las que este tema ha cetrado la ateció e lo que a diseño se refiere. El procedimieto seguido parte de los criterios básicos cotemplados e los métodos de Lyse, de Paor, y particularmete el método de Jase y Smulders. A ivel itero se ha desarrollado las siguietes herramietas: - U método de aálisis propio, o método de la Uiversidad Nacioal', el cual desarrolla el procedimieto propuesto por la Buehrig y lo combia co el factor de Pradtl para establecer las pérdidas e la puta del aspa, buscado maximizar el coeficiete de potecia. - U programa de computador, deomiado SCEE, el cual permite hacer u prediseño global. del aerogeerador usado alguos de los métodos expuestos. - U programa de computador mediate el cual se puede calcular las fuerzas y los mometos iteros que se preseta a lo largo del aspa. Para el caso particular de las aspas del Proel 5 se tomaro los siguietes parámetros iiciales: Velocidad promedio del vieto: Ve = 8 mis. Número de aspas B = 3 Perfil NACA 4412 Agulo de ataque a = 6 (para Re',= 1.64E5 YCL= 0.9) Potecia a la salida P = 5000 w Relació de velocidades de diseño X. = 8 Para el cálculo de las fuerzas y los esfuerzos e el aspa se defie las siguietes covecioes básicas", co la ayuda del esquema presetado e la figura 2: - águlo de coo "/, - águlo de posicioamieto agular del aspa <1> - águlo de derrape 8, (Es el águlo que forma la direcció del vieto co el eje del rotor), - velocidad y aceleració agulares del rotor <1> y <1>, respectivamete. - velocidad y aceleració agulares del yaw 8 y 8, respectivamete. - velocidad relativa del vieto w, - radio de raíz r" - radio total del aspa r. - brazo del yaw al cetro del rotor L, - úmero de particioes N, r 1. Ver Ahumada y Trujillo 2. -Ver Ramírez y Peña 46 Ig_eiería e Irwestigació

3 M ECANIC,II. z. - Z o,\.,/,/ /J.._/' Figura 2. Covecioes básicas... «J <p - sistema coordeado absoluto X Y Z, solidario co el eje del yaw, ~ - sistema coordeado relativo x y z, co orige e el cetro del rotor.... Ua vez se tiee defiidos estos parámetros, se realiza u aálisis diámico (ciemática y ciético) de u puto del aspa para coocer cual es su aceleració absoluta. Al aplicar las ecuacioes para jriovimieto relativo, se llega a que esta aceleració tiee como expresió geeral: AA = -1 [ 02L rsev - o rcosócosó - 20<l> rcosvseó ] + T [ ol - 02rcos<l>coso+ orse-y-<l>2rcos-ycos<l>-<l> rcosvseé ] + r[ -<l>2rcos-yse<l> + <l>rcos-ycos<l>] Corr.esta expresió, se puede calcular las fuerzas geeradas por el movimieto que actúa sobre u pufo pártic,jlt:it'd'el aspa e las direccioes se los'eies móviles x,y,z. Si embargo como se busca coocer las fuerzas que actúa sobre el aspa y que produce esfuerzos de tesió, compresió, flexió y torsió como U paso ecesario, para su.diseño Y cálculo, se hace idispesable cotar cojla po: ;"_bi.lidadde _covertir.esta expresió vectorial e tres direccioes gejr fiidas sobre el aspa: logitudial e la direcciódel eje del aspa; cuerda colieal co la cuerda e la estació estudiada y tagecial, perpedicular a las dos ateriores. ' r". R I La equivalecia.etre los vectores, urütarlos-de.estos ' sistemas es: l' I... ( + L=se-yi + cosvcosó] + cosvseók T=se<l>T - cos<l>k ~ A=cos<l>i - cosósev] - seósevk ",,' Al cosiderar los efectos totales sobre ua partició, se preseta fuerzas y mometos exteros que origia sus respectivas reaccioes iteras, tal como se observa e las figuras 3 y 4, dode: - PT,PLY Pe"so 'Ias compoetes de las fuerzas exteras expresadas e las direccioes tagecial, loqitudial y de la cuerda. " \ \ - Le, LL,y Le,so las compoetes de los mometos exteros expresados e las mismas direccioes ateriores. Aplicado el pricipio de O'Alambert 1 F'::'_ ma= O Se puede evaluar las fuerzas e toda la logitud del aspa, desarrollado las siguietes sumatd'tias: - e la direcció C: - e la direcóló L: ) r, ~ P L.+ V L -V L -:-1 (mi.a )= i O t-, 1=1 1 M 01=1.. Igeieria--e Ivestigació, 41

4 "- C"- Figura 3. Fuerzas que actúa e -ua partició. Q VT-1 <, T-1 '~ 0i-1 Figura 4. Mometos que actúa sobre ua partició. - e la direcció T: I P T +V T -V T -I (m..e.l= O i=1 i o i=1 I I Como resultado imediato se puede evaluar las reaccioes e el apoyo del eje del aspa, es decir, las fuerzas que se preseta e la uió del aspa co el rotor. dode dh/dt es la variació del mometo ciético respecto al tiempo. Los mometos iteros presetes e cada partició se puede evaluar al calcular iterativamete cada ua de las siguietes expresioes, e cada direcció de referecia: Para trabajar co los mometos, ciética: I _dh M=dt 48 Igeiería e Ivestigació se usará la relació - e la direcció C:

5 - e la direcció L: - e la direcció T: Para coseguir este objetivo fue ecesario desarrollar rutias detro del programa geeral, que al efectuar las sumatorias e toda la logitud del aspa permite obteer los valores deseados e cada puto. Como se trata de evaluar los esfuerzos que se produce e cada secció es coveiete defiir u sistema coordeado co direcció propia para cada partició, se eligiero las siguietes direccioes: - Stage que coicide co la direcció de la cuerda de la partició. Co la iformació así obteida se procede a calcular los esfuerzos que actúa a I~ largo del aspa. Se parte de cosiderarla como ua viga empotrada sometida a cargas trasversales que origia esfuerzos e toda su logitud, posteriormete se combia co los esfuerzos de tesió y/o compresió para obteer el estado de esfuerzos pricipales. E este artículo sólo se reseñará brevemete el desarrollo para el cálculo de los esfuerzos cortates. Como puto iicial se trabaja co la teoría básica de Esfuerzos Cortates e Elemetos de Pared Delgada, teiedo e cueta que para el presete caso o se tiee u elemeto de revolució, e cambio si es de secció variable, tato e su geometría como e su posició e el espacio, es decir, la ecuació: V.O T prom = -- I.t se debe modificar para itroducir las variacioes de: - mometo de ierciade cada partició - del mometo de primer orde de cada partició Oí, - de la fuerza cortate que actúa e cada partició Vi. - Uper, perpedicular a la aterior, tal como se observa e la figura 5. Co referecia a estas direccioes, las compoetes de esfuerzo cortate viee dadas por: (V,.cose +Ve.see).!, Ai.Upei i=1 Tupe= (Is,age- (A. (O.223.c)2)).t (Ve.cose - V,.see).!, Ai.Stci i=1 Ts'e= lupe,- (A. (O.027.c)2)).t A maera de coclusió se preseta la siguiete gráfica e la cual se resume los valores de los esfuerzos cortates e toda la logitud del aspa. ROTOR Para su diseño se ha tomado como base las fuerzas y mometos origiados por las aspas. Además se ha icluido los efectos que sobre esta pieza preseta el sistema de regulació de velocidad. ("ioi I \ Uper ~ l ~ C4,... o ' u, l- e e '0 al," ~ 1- ao 5' e. o -'50 o N Lo c... :J 1/) lo) -.DO -2!O Figura 5. Sistemas coordeados sobre u perfil. -HO Particio sobre el aspa t2 ti '4 II.. PaoIoIo!h o gradao -+- ~ 60 gr_ -- P-..! 120 gr-.9- P~ _ -* ~ 2-'0.. _ "1'aoIdII loo...- Igeiería e Ivestigació 49

6 SISTEMA DE GENERACION etregue corriete de frecuecia costate co variació de las revolucioes del rotor. Está e desarrollo. El pricipal problema que se ha ecotrado es o cotar co geerador trifásico que Se está trabajado e u circuito de cotrol que permita ofrecer corriete co poca variació de frecuecia, aú cuado la variació de la velocidad agular del aerogeerador sea cosiderable. - INSTITUTO DE ENSAYOS E INVESTIGACION Uiversidad Nacioal de Colombia Facultad de Igeiería Sede: Satafé de Bogotá - D.C. Presta servicios de Asesoría, Cosultoría, Ivestigació y Esayos. Laboratorios de: Igeiería Eléctrica Igeiería Química Igeiería Agrícola Igeiería Mecáica Igeiería de Sistemas Esayo de Materiales Metalurgia Igeiería Ambietal e Hidráulica EII.E.I., es coocido e todo el país y goza de u eorme prestigio. Ha prestado servicios, de esayo y asesoría a múltiples empresas del sector público y privado. Es teido e cueta para el cotrol de calidad de los productos acioales. Es recoocido como árbitro calificado e los coflictos técicos e el campo de la Igeiería. Es la image extera de la Facultad de Igeiería. DIRECTOR: Ig. Javier Baroa Palacios Direcció: Uiversidad Nacioal de Colombia Satafé de Bogotá, D.C. Tel: Fax: A.A Igeiería e Ivestigació