Tesis Ing Pinedo - EÓLICA- DISEÑO DE AEROGENERADORES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

PROYECTO DE INGENIERÍA

DISEÑO Y MANUFACTURA DE UNA TURBINA EÓLICA PARA

LABORATORIO DE TURBO MÁQUINAS DE LA ESCUELA DE

INGENIERÍA MECÁNICA

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO

Autor:

Bach. PINEDO LUJÁN, CÉSAR FERNANDO

Asesor:

Mg. Sc. QUEVEDO NOVOA, LUIS GUILLERMO

TRUJILLO – PERÚ

2010

INTRODUCCIÓN

PROBLEMA ¿Sera posible diseñar y construir una Turbina Eólica, teniendo en cuenta sus parámetros de

funcionamiento, como equipo de práctica para laboratorio de Termofluidos?

HIPÓTESIS Es factible el Diseño y Construcción de una

Turbina Eólica, para su utilización en el Laboratorio de

Termofluidos, que cubra la demanda de prácticas de

laboratorio.

OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS

OBJETIVOS GENERALES

Diseñar y construir una Turbina Eólica con

parámetros de diseño, para el Laboratorio de

Termofluidos de la Escuela Académica Profesional

de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería de

la Universidad Nacional de Trujillo.

Ampliar los recursos para la formación académica

de los estudiantes que llevan asignaturas en el

área de Termo fluidos y Turbo Máquinas.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar los parámetros de diseño de la Turbina

Eólica a diseñar.

Diseñar y construir los elementos constitutivos de la

Turbina Eólica.

Determinar los parámetros de funcionamiento de la

Turbina Eólica.

MARCO TEÓRICO

ENERGIA UTIL DEL VIENTO

MODELO TEORICO DE BETZ

Resulta:

Si se hace el cambio con:

El máximo valor de se obtiene haciendo =0, resultando

AIRE (ρ = 1,25) kg/m3

RELACIÓN DE VELOCIDAD PERIFÉRICA CELERIDAD λ (Tip-Speed-Ratio) TSR.

CUERDA DEL PERFIL ALAR

C = AB

ÁNGULO DE ATAQUE

α

PARAMETROS PRÁCTICOS

LONGITUD DEL ALABE

L

SUPERFICIE DEL ALABE

S=C x L

SOLIDEZ

El coeficiente de solidez guarda una relación inversa con el TSR.

FUERZAS DE ARRASTRE (DRAG) Y SUSTENTACIÓN (LIFT) EN PERFILES MÓVILES

A la entrada del perfil móvil se tiene un viento de

velocidad que da lugar a la fuerza axial Fax y a la

fuerza de par Fpar

A la salida del perfil móvil se tiene un viento de velocidad

aparente que da lugar a la fuerza de arrastre Farr y a la

fuerza de sustentación Fsust

dRx = D = Farr en la dirección c del viento aparente se

corresponde con una degradación de la energía

dRy = L = Fsust es la fuerza ascensional o empuje sobre

el elemento de pala, que la hace volar.

Fuerza de arrastre:

Fuerza sustentación:

Cd es el coeficiente de arrastre y Cl es el coeficiente de

sustentación, que dependen del tipo de perfil, del ángulo de

incidencia y del número de Reynolds.

RELACIONES PRACTICAS ENTRE Cd Y Cl (CURVA POLAR)

COEFICIENTE DE POTENCIA

COEFICIENTE DE TORQUE

EFICIENCIA (RENDIMIENTO AERODINÁMICO)

EXPRESION PARA CUANTIFICAR EL Cpmax Coeficiente máximo de potencia teórico

Disminución por efecto de resistencia del alabe

entonces:

Multiplicamos un factor de perdida por n° finito de

alabes

Donde B es el número de alabes y Ф es el ángulo de

flujo

Así el Cp máximo que incluye todos los efectos

reductores es:

PRIMERA ETAPA

Para turbinas de generación eléctrica

N° de alabes

Se selecciona perfil y sus valores de cl y cd según su

curva polar.

Se selecciona el ángulo de ataque correspondiente.

METODO DE DISEÑO

SEGUNDA ETAPA

Cálculo de cpmax

Cálculo de R

Potencia instantánea

2

1

3 312

1

CpKTC

ER

T

R

32

2

1VRCpP TM

TERCERA ETAPA Hallar C y β a lo largo del alabe, con el desarrollo de las

siguientes ecuaciones:

Celeridad radial

Ángulo de Flujo

Cuerda

Ángulo de Sección

R

rdrd

cos18

LdBC

rC

r

arctg

1

3

2

MATERIALES Y MÉTODO

DIMENSIONAMIENTO DE LOS PARÁMETROS DE LA TURBINA EÓLICA

Según el método empleado, se asumieron los siguientes parámetros de entrada:

Tipo de perfil: NACA 4415

Tamaño del alabe: l=1m

Celeridad de diseño: λd=4

Número de alabes: B=3

Coeficiente de sustentación diseño: Cld=0.986

Ángulo de diseño: αd= 5.31°

Arrastre sobre sustentación: Cd/Cld= 0.0073

Con estos datos y las ecuaciones presentadas anteriormente se procede a encontrar los valores de

las respectivas cuerdas C y los ángulos de sección

del alabe.

Con las siguientes ecuaciones para diferentes r.

R

rdrd

r

arctg

1

3

2

cos18

ldBC

rC

Al trabajar con perfil NACA 4415 cada perfil

a lo largo del alabe debe ser dimensionado en

función a su respectiva cuerda.

El dimensionamiento de las cuerdas nos

darán una idea de la forma terminada del alabe.

-200.00mm

-150.00mm

-100.00mm

-50.00mm

0.00mm

50.00mm

100.00mm

150.00mm

200.00mm

Series1

Series2

NACA 4415

superficie superior

superficie inferior

x y x y

0 0 0 0 1.25 3.07 1.25 -1.79 2.5 4.17 2.5 -2.68 5 5.74 5 -3.27

7.5 6.91 7.5 -3.71 10 7.84 10 -3.98 15 9.27 15 -4.18 20 10.25 20 -4.15 25 10.92 25 -3.98 30 11.25 30 -3.75 40 11.25 40 -3.25 50 10.53 50 -2.72 60 9.3 60 -2.14 70 7.63 70 -1.55 80 5.55 80 -1.03 90 3.08 90 -0.57 95 1.67 95 -0.36

100 0.16 100 -0.16 100 0 100 0

MODELAMIENTO

GEOMETRÍA DE PERFIL

DESARROLLO DE ALABE

COMPONENTES DE AEROGENERADOR

SEGURIDAD Máscara contra vapores.

Guantes de látex.

Lentes.

Tybe(ropa protectora)

MATERIALES MATERIAL CANT UNI USO

Fibra de Vidrio mat-300 5 Kg Piezas de la turbina

Fibra de Vidrio mat-450 5 Kg Moldes

Catalizador MEK 0.25 Kg

Reacción de catalización de la

resina

Peróxido de cobalto 0.25 Kg

Reacción de aceleración de la

resina

Resina poliéster 10 Kg

Fabricación de la piezas junto

con la fibra de vidrio

Bloque de aluminio 3 Kg Cabezal de rotor

Bloque de aluminio 2 Kg Chumaceras

Tubo de aluminio 5/8 3000 mm Columna de alabes

Prisioneros 1/8x1/4 6 pza. Ensamble de rotor

Pasadores m5x 40 3 pza. Ensamble de rotor

m6 x 20 4 pza. Ensamble de turbina

m5x10 8 pza. Ensamble de turbina

Plancha acero A36

350x350x

3 mm Base de poste

Plancha acero A36

400x200x

3 mm Estructura base de la turbina

Tubo negro

electrosoldado 3" 1500 mm Poste

Tubo de alta 2.5" 200 mm Base de estructura

Rodamiento SKF 6010 1 pza. Parte móvil orientación

Rodamiento SKF 6204 2 pza. Parte móvil rotación

Seguros seeger j44 2 pza. Asegurar el eje

Seguros seeger A20 2 pza. Asegurar el eje

CONSTRUCCIÓN ALABES - MODELO

PERFILES DE MODELO

NIVELADO DE SUPERFICIE

LIJADO Y PULIDO DE ALABE

MODELO TERMINADO DE ALABE

FIBRA DE VIDRIO PARA MOLDE

CONSTRUCCION DE MOLDE

MOLDE TERMINADO

ELABORACIÓN DE PERFILES PARA ALABES

ARMADO DE COLUMNA CENTRAL DE ALABE

ENSAMBLADO DE ALABE

CERRADO DE MOLDE

EXTRACCION DE ALABE DEL

MOLDE

CABEZAL DE ROTOR

CONSTRUCCIÓN DE NARIZ

CONSTRUCCIÓN DE CARCAZA

CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURA BASE

CONSTRUCCIÓN DE COLA

PARTES Y ENSAMBLE

RESULTADOS

RESULTADOS Según el método de trabajo que se realizó tenemos

los parámetros iníciales de diseño.

DATOS

Tipo de perfil: NACA 4415

Diámetro de rotor: d=2m

Celeridad para generador: λd=4

Numero de alabes: B=3

VALORES ASUMIDOS

Coeficiente de sustentación diseño: Cld=0.8 Angulo de diseño: αd= 4° Arrastre sobre sustentación: Cd/Cl d= 0.01

El valor de celeridad es adecuado por ser este valor utilizado para turbinas de generación eléctrica.

Procedimiento de cálculo

DATOS DE ENTRADA CORREGIDOS Tipo de perfil: NACA 4415 Diámetro de rotor: d=2m Celeridad para generador: λd=4 Numero de alabes: B=3 Coeficiente de sustentación de diseño: Cld=0.986 Angulo de diseño: αd= 5.31° Arrastre sobre sustentación: Cd/Cld = 0.0073

• Cálculo de CPi

• Cálculo de d(CPi)

• Cálculo de (CPi) Cd/Cl

56.0

27

16

27

16 29,129,1 435,035,0

Pi

x

Pi

C

eeC

02.0

40073.027

16

27

16

Pi

L

Pi

Cd

C

CdCd

54.0

02.056.0

L

L

CCdPi

PiPiC

CdPi

C

CdCC

9163.0

4

1

3

21

3

2

rad

arctgarctgr

93.0

29386,1

12

386,11

22

B

B senB

senB

• Cálculo de ø

• Cálculo de ηB

• Cálculo de Cpmax

50.0

54.093.0

max

max

Cp

CCpLC

CdPi

• Eficiencia para la aeroturbina

56.0

7.08.0

7,0

8,0

7,0,.

T

T

FTCT

F

CT

FTCT

nesfluctuacio

doresaerogenera

aerobombasconversionntransmisio

WP

smmmkgP

VRCP

M

M

PTM

63.540

/10)1(/23.12

15.056.0

2

1

323

32

323

32

)1(/23.12

15.056.0

2

1

VmmkgP

VRCP

M

PTM

• Potencia media

• Potencia instantánea

0.0 rpm

100.0 rpm

200.0 rpm

300.0 rpm

400.0 rpm

500.0 rpm

600.0 rpm

700.0 rpm

800.0 rpm

900.0 rpm

1000.0 rpm

0.00 kw

0.10 kw

0.20 kw

0.30 kw

0.40 kw

0.50 kw

0.60 kw

0.70 kw

0.80 kw

0.90 kw

1.00 kw

1.0

m/s

2.0

m/s

3.0

m/s

4.0

m/s

5.0

m/s

6.0

m/s

7.0

m/s

8.0

m/s

9.0

m/s

10

.0m

/s

11

.0m

/s

12

.0m

/s

KW RPM

VIENTO POTENCIA RPM

1.0m/s Pm= 0.54W 0.00 kw 76.4 rpm

2.0m/s Pm= 4.31W 0.00 kw 152.8 rpm

3.0m/s Pm= 14.55W 0.01 kw 229.2 rpm

4.0m/s Pm= 34.50W 0.03 kw 305.6 rpm

5.0m/s Pm= 67.38W 0.07 kw 382.0 rpm

6.0m/s Pm= 116.42W 0.12 kw 458.4 rpm

7.0m/s Pm= 184.88W 0.18 kw 534.8 rpm

8.0m/s Pm= 275.97W 0.28 kw 611.2 rpm

9.0m/s Pm= 392.93W 0.39 kw 687.5 rpm

10.0m/s Pm= 539.00W 0.54 kw 763.9 rpm

11.0m/s Pm= 717.41W 0.72 kw 840.3 rpm

12.0m/s Pm= 931.40W 0.93 kw 916.7 rpm

GEOMETRIA Cálculo de Celeridad radial, Ángulo de flujo, Ángulo de sección, y Cuerda

Celeridad radial

Ángulo de Flujo

14

1

3

2

1

3

2

rarctg

arctgr

1

r

R

r

drd

drd

31.5

14

1

3

2

31.5

14

1

3

2

)

14

1

3

2cos(1

8

cos18

rarctg

rarctg

rarctg

BC

rC

BC

rC

Ld

Ld

Cuerda

Ángulo de Sección

SE DESARROLLA EL CÁLCULO PARA CADA SECTOR DE SECCIÓN,

OBTENIENDO ASÍ EL SIGUIENTE RESULTADO

POSICIÓN CELERIDAD

RADIAL ÁNGULO DE FLUJO ÁNGULO DE SECCIÓN CUERDA

N radio λr ф ф° β° β C c-mm

0 0.01m 0.0400 ф= 1.021 rad ф= 58.5° β= 53.2° β= 0.928 rad 0.040542786 40.54 mm

1 0.05m 0.2000 ф= 0.916 rad ф= 52.5° β= 47.2° β= 0.823 rad 0.165997947 166.00 mm

2 0.10m 0.4000 ф= 0.794 rad ф= 45.5° β= 40.2° β= 0.701 rad 0.253798254 253.80 mm

3 0.15m 0.6000 ф= 0.687 rad ф= 39.4° β= 34.1° β= 0.594 rad 0.289089059 289.09 mm

4 0.20m 0.8000 ф= 0.597 rad ф= 34.2° β= 28.9° β= 0.505 rad 0.29433312 294.33 mm

5 0.25m 1.0000 ф= 0.524 rad ф= 30.0° β= 24.7° β= 0.431 rad 0.284621636 284.62 mm

6 0.30m 1.2000 ф= 0.463 rad ф= 26.5° β= 21.2° β= 0.371 rad 0.268583369 268.58 mm

7 0.35m 1.4000 ф= 0.413 rad ф= 23.7° β= 18.4° β= 0.321 rad 0.250666858 250.67 mm

8 0.40m 1.6000 ф= 0.372 rad ф= 21.3° β= 16.0° β= 0.280 rad 0.232985482 232.99 mm

9 0.45m 1.8000 ф= 0.338 rad ф= 19.4° β= 14.1° β= 0.245 rad 0.216446179 216.45 mm

10 0.50m 2.0000 ф= 0.309 rad ф= 17.7° β= 12.4° β= 0.217 rad 0.201362435 201.36 mm

11 0.55m 2.2000 ф= 0.284 rad ф= 16.3° β= 11.0° β= 0.192 rad 0.187768908 187.77 mm

12 0.60m 2.4000 ф= 0.263 rad ф= 15.1° β= 9.8° β= 0.171 rad 0.175578154 175.58 mm

13 0.65m 2.6000 ф= 0.245 rad ф= 14.0° β= 8.7° β= 0.152 rad 0.164656974 164.66 mm

14 0.70m 2.8000 ф= 0.229 rad ф= 13.1° β= 7.8° β= 0.136 rad 0.154862535 154.86 mm

15 0.75m 3.0000 ф= 0.215 rad ф= 12.3° β= 7.0° β= 0.122 rad 0.146058552 146.06 mm

16 0.80m 3.2000 ф= 0.202 rad ф= 11.6° β= 6.3° β= 0.109 rad 0.13812171 138.12 mm

17 0.85m 3.4000 ф= 0.191 rad ф= 10.9° β= 5.6° β= 0.098 rad 0.13094339 130.94 mm

18 0.90m 3.6000 ф= 0.181 rad ф= 10.3° β= 5.0° β= 0.088 rad 0.124429255 124.43 mm

19 0.95m 3.8000 ф= 0.172 rad ф= 9.8° β= 4.5° β= 0.079 rad 0.118497947 118.50 mm

20 1.00m 4.0000 ф= 0.163 rad ф= 9.4° β= 4.1° β= 0.071 rad 0.113079507 113.08 mm

MODELAMIENTO DE PERFIL CON POGRAMA SOLIDWORKS

166.00 mm

SUPERFICIE SUPERIOR SUPERFICIE INFERIOR

X Y X Y

0.00 mm 0.00 mm 0.00 mm 0.00 mm

2.07 mm 5.10 mm 2.07 mm -2.97 mm

4.15 mm 6.92 mm 4.15 mm -4.45 mm

8.30 mm 9.53 mm 8.30 mm -5.43 mm

12.45 mm 11.47 mm 12.45 mm -6.16 mm

16.60 mm 13.01 mm 16.60 mm -6.61 mm

24.90 mm 15.39 mm 24.90 mm -6.94 mm

33.20 mm 17.01 mm 33.20 mm -6.89 mm

41.50 mm 18.13 mm 41.50 mm -6.61 mm

49.80 mm 18.67 mm 49.80 mm -6.22 mm

66.40 mm 18.67 mm 66.40 mm -5.39 mm

83.00 mm 17.48 mm 83.00 mm -4.52 mm

99.60 mm 15.44 mm 99.60 mm -3.55 mm

116.20 mm 12.67 mm 116.20 mm -2.57 mm

132.80 mm 9.21 mm 132.80 mm -1.71 mm

149.40 mm 5.11 mm 149.40 mm -0.95 mm

157.70 mm 2.77 mm 157.70 mm -0.60 mm

166.00 mm 0.27 mm 166.00 mm -0.27 mm

166.00 mm 0.00 mm 166.00 mm 0.00 mm

CONCLUSIONES Es factible diseñar y construir una Turbina Eólica, bajo consideraciones

teóricas, en las universidades para propósitos de desarrollar y ejecutar

prácticas en los laboratorios .

Para determinar los parámetros de diseño de los alabes, se empleó

fundamentos de aerodinamica, y se logró, dimensionar alabes con

dimensión de cuerda variable, ángulo de flujo variable, y ángulo de

sección variable.

Se construyó una turbina eólica y sus elementos constitutivos según las

dimensiones descritas en los planos, y con el proceso de manufactura

descrito en el proyecto.

Se determinaron los parámetros de funcionamiento de la Turbina Eólica.

Se presentó una explicación detallada del proceso de manufactura de las

partes de la turbina.

RECOMENDACIONES El proyecto desarrollado debe ser tomado como motivación para la

elaboración de proyectos, que permitan estudiar y evaluar este tipo de tecnología, y así lograr nuestro propio desarrollo en el área de energía eólica, ya que nuestro país tiene un gran potencial eólico esperando para ser explotado, y que mejor que por nosotros mismos.

Este proyecto también nos debe permitir ver la facilidad de manufactura de componentes de formas complejas, con fibra de vidrio, y dejarnos una puerta abierta a la imaginación para diversidad de proyectos limitados por su manufactura.

Se recomienda un buen proyecto, referente a la construcción de un túnel de viento con velocidades de viento regulables, y así poder realizar un estudio más riguroso de las turbinas eólicas.

La turbina es totalmente desarmable, y por ello es factible cambiar sus componentes a otros de diferentes formas y analizar sus cambios de comportamiento.

Con referente a la turbina esta no exige mantenimiento ya que los rodamientos que posee son sellados y no están sometidos a carga.

GRACIAS