Instituto Tecnológico de Celaya Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Análisis Fluido-Estructural de un Alabe de Turbina de Viento Ricardo Álvarez Cervera Raúl Lesso arroyo J Santos García Miranda Víctor López Garza
CONTENIDO Resumen 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
RESUMEN 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.
INTRODUCCION
INTRODUCCION Se 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).
AEROGENERADOR
Parámetros operativos AEROGENERADOR Velocidad del viento La velocidad de diseño suele tener valores medios de la velocidad del viento en el lugar elegido para la instalación del aerogenerador. 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. Potencia requerida La 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. P 1 = C ρau 3 η η P mecánico eléctrico
AEROGENERADOR COEFICIENTE DE POTENCIA El calculo teórico del máximo coeficiente de potencia se obtiene empleando la ecuación empírica de Wilson Lissman. C p = λb 0.593 ψ 0.67 1.9λ B 1+ λb D L Donde: ( 0.67 ) 0.04 λ 0.005 ψ = 1.48 + B + λ B D L Número de alabes Arrastre Sustentación
AEROGENERADOR VELOCIDAD ESPECIFICA 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 1 Su expresión es: λ = Ωr U Donde: Ω = Velocidad angular R = Radio de la pala r = Radio local U = Velocidad del viento λ = 0 λ r R Velocidad especifica local
ALABE DE TURBINA DE VIENTO Raíz Punta
AERODINAMICA DE LOS ALABES a = Angulo de ataque β = Angulo de asiento φ = Angulo de flujo W = Velocidad relativa L = Fuerza de sustentación D = Fuerza de arrastre
AERODINAMICA DE LOS ALABES W = U + Ω r 1 dd = ρ W c C d dr dl = 1 ρ W c C l dr
AERODINAMICA DE LOS ALABES De la teoría simplificada: R φ = tan 1 3rλ Angulo de flujo C L Bc = 16 9 λ R r R λ Cuerda del elemento alabe + 4 9 W = U + Ω r dd = 1 ρ W c C d dr dl = 1 ρ W c C l dr
Características principales: MATERIALES 1. Resistencia estructural. Resistencia a fatiga Corregir 3. Rigidez 4. Bajo peso 5. Fácil fabricación 6. Resistencia a los ambientes 7. Minimizar la emisión de ruido acústico Maderas: Álamo Pino báltico Abedul Haya Abeto Douglas Materiales compuestos: Fibra de vidrio Fibra de carbón
METODOLOGIA FLUIDO-ESTRUCTURAL TIMEO INTERFASE ANSYS Design Modeler Diseño del alabe Modelo del alabe Genera Volumen de Control ANSYS Workbench (Simulación) Análisis estructural Esfuerzos principales Deformaciones principales FLUIDO - ESTRUCTURAL CFX Mesh Mallado del sistema CFX Análisis aerodinámico Perfil de velocidades Perfil de presiones
DISEÑO DE ALABE
DISEÑO DE ALABE U = 1 m/s ρ = 1 Kg/m3 P = 450 Watts B = 3 λ = 9 ηeléctrico = 90% ηmecánico = 80% Perfil aerodinámico: NACA 441 Teoría simplificada como método de diseño Divisiones continuas en 10 partes R = 1.53m Raíz: c = 0.188m β = 4.5 Punta: c = 0.0413m β = 0.3
INTERFASE TIMEO-ANSYS MODELO DE ALABE
ANALISIS AERODINAMICO 1. VOLUMEN DE CONTROL Modelo del alabe Volumen de control en Design Space
ANALISIS AERODINAMICO. MALLADO EN CFX-MESH Raíz Mallado del alabe Punta 107445 nodos 530653 elementos Mallado del volumen de control
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: 73 ºK
ANALISIS AERODINAMICO 3. ANALISIS EN CFX Resultados: Líneas de corriente a) Análisis del soplido del viento Punta Vmáx =.71m/s Raíz
ANALISIS AERODINAMICO 3. ANALISIS EN CFX Resultados: Líneas de corriente b) Análisis de la velocidad relativa Punta Vmáx = 356.3m/s Raíz
ANALISIS AERODINAMICO 3. ANALISIS EN CFX Resultados: Perfil de presión Presión del soplido de viento PMax=10.5 Pa Presión del viento relativo PMax=14.11KPa.
ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL 3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH Material: Álamo americano Módulo de Young: 10.9 GPa Razón de Poisson: 0.03 3 Densidad: 609 Kg/m Esfuerzo de cedencia a compresión: 3.9MPa Esfuerzo último a tensión: 3.7MPa Fuente: www.matweb.com
ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL 3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH Empotramiento Mallado del alabe: Nodos: 30456 Elementos: 50
ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL 3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH Esfuerzos. Por presión del soplido de viento σmax=3.416 MPa Por presión del viento relativo σmax =310.5 MPa
ANALISIS FLUIDO-ESTRUCTURAL 3. ANALISIS EN ANSYS WORKBENCH Deformaciones. Por presión del soplido de viento dmax=3.98 cm Por presión del viento relativo dmax=.01 cm
PERFILES AERODINAMICOS INTERFASE TIMEO-ANSYS Análisis de velocidades en ANSYS-CFD de un perfil aerodinámico NACA 441 a α = 0, velocidad de entrada W=9m/s.
ANALISIS EXPERIMENTAL
ANALISIS EXPERIMENTAL NACA441 W = 9m/s P = 0 P0 = 101350Pa T0 = 73 K Fluido en Estado Estable Estado adiabático
ANALISIS EXPERIMENTAL RESULTADOS Velocidades puntuales en m/s Resultados por ANSYS-CFD Resultados por experimentación
CONCLUSIONES 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. 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. 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. Los resultados experimentales obtenidos nos dan la seguridad para continuar diseñando alabes de turbina de viento mediante el uso de herramientas computacionales como ANSYS.