CALCULO, CALCULO, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN TUNEL DE VIENTO PARA ESTUDIOS EXPERIMENTALES DE AEROGENERADORES Y SUS COMPONENTES El pres presen ente te trab trabaj ajo o co cons nsti titu tuye ye el cá cálc lcul ulo, o, dise diseño ño,, co cons nstr truc ucció ción n y puesta en funcionamiento de un Túnel de Viento de circuito abierto, elaborado en su totalidad con materiales e ingeniería nacional. Su diseño se basa en los principios de la inámica de !luidos y en el crit criter erio io inge ingeni nier eril il para para su dime dimens nsio iona nado do y co cons nstr truc ucci ción ón co como mo elemento prototipo de in"estigación. Este banco de pruebas, primero en su g#nero $ec$o en el %erú, se $a instalado en el &aboratorio de Ener Energía gía de la !ac acul ulta tad d de 'nge 'ngeni nier ería ía (ecá (ecáni nica ca de la )*'. )*'. +o +ons nsta ta principalmente de tres subsistemas el colector o cono de contracción, la cámara de estancamiento o cámara de pruebas y, el difusor- como elemento simulador de "iento se diseñó un "entilador aial con potencia de motor de /0 1% y "ariador de "elocidad en el rango de 2 m3s a 24 m3s. Su utili5ación está orientada a in"estigación, para caracteri5ación eper eperime imenta ntall de pe6ueñ pe6ueños os aer aeroge ogener nerado adore ress y aer aeroge ogener nerado adore ress modelo, estabilidad dinámica de aerogeneradores, diseño óptimo de palas, diseño óptimo de "eletas y elementos de control y seguridad del aerogenerador y, optimi5ación del generador el#ctrico de imanes permanentes. Todas estas pruebas $ec$as en el Túnel de Viento se caracteri5an, comparati"amente a las 6ue se reali5an en campo, por la reducción signi7cati"a de costos y el a$orro de tiempo en los logros. &os cálculos para su diseño se reali5aron empleando las ecuaciones de 8ujo compresible, tomando como "ariables de entrada la "elocidad simulada de "iento "ariable entre 2 m3s y 24 m3s, con un comportamiento uniforme y estable de 8ujo en la cámara de pruebas. 9sí 9sí mism mismo o se ca calc lcul ular aron on apr apropia opiada dame ment nte e las las p#r p#rdidas didas de altu altura ra energ#tica 6ue se generan a lo largo de los componentes del túnel, a 7n de dimensiona dimensionarr bien el sistema sistema simulador de 8ujo constituido constituido por un soplador:etractor soplador:etractor de tipo aial. +omo +omo resul resultad tados os del dimens dimension ionado ado y diseño diseño adecua adecuados dos e:ant e:ante, e, medi me dian ante te prueb rueba as se obtu obtu"o "o 6ue 6ue el Túnel únel de Vient iento o alc alcan5 an5a "elocidades de ensayo uniformes de $asta de 24 m3s, así como la estabilidad y linealidad de 8ujo en la cámara de pruebas teniendo en su interior el aerogenerador en prueba. ;tra de sus "entajas logradas es la estabilidad "ibracional y acústica del sistema.
1. INTRO INTRODUC DUCCIO CION N El Túnel únel de Vient iento o cons consti titu tuye ye un e6ui e6uipo po es espe peci cial al de prue prueba bass eperimentales, en el 6ue se busca conocer la interacción dinámica
entre un cuerpo sólido en estudio y el 8ujo uniforme del aire a di"ersas condiciones de "elocidad, con la 7nalidad de e"aluar el comportamiento 8uidodinámico, energ#tico, aerodinámico y estabilidad del cuerpo sólido en estudio. %rincipalmente está compuesto por una cámara o sección de pruebas, un "entilador simulador de "iento, una estructura geom#trica especial y la instrumentación para las mediciones. &a estructura del túnel de "iento tiene secciones características peculiares, las cuales se muestran en la 7gura 2. &o compone un primer cuerpo denominado colector, caracteri5ado por secciones 6ue se contraen de forma continua para e"itar desprendimientos de capa límite y turbulencias, a 7n de garanti5ar un 8ujo estable y uniforme en la cámara de pruebas. Esta cámara es el elemento neurálgico del sistema, allí se instala el modelo o prototipo de aerogenerador en estudio y los instrumentos de medición. 9guas abajo de la sección de pruebas se instala el cuerpo difusor de característica troncocónica, dimensionada de forma tal 6ue posea una disminución sua"e de "elocidad tal 6ue garantice la uniformidad de 8ujo en la sección de pruebas.
Entre las principales "entajas del Túnel de Viento para pruebas de pe6ueños aerogeneradores, comparati"amente a las 6ue se reali5arían en campo, están la optimi5ación en el diseño, construcción y operación del modelo o prototipo aerogenerador, así como el a$orro en tiempo y economía para las pruebas y ensayos. Entre los estudios 6ue se pueden reali5ar se tienen < Estabilidad dinámica de aerogeneradores < iseño óptimo de palas según material y aerodinámica
< iseño óptimo de "eletas según material y geometrías < iseño de elementos de control y seguridad de aerogenerador mecánicos y electrónicos < ;ptimi5ación del generador el#ctrico de imanes permanentes, según material y geometría < %ruebas de performance de micro aerogeneradores de di"ersos tipos El diseño y fabricación de micro aerogeneradores en el %erú, no sólo se justi7ca por crear el estado de arte, sino por optimi5arlo en condiciones t#cnicas, económicas y con7ables de operación, frente al mercado internacional de aerogeneración =>ef. 2? en esta escala y en tales condicionantes. &a microaerogeneración, apro"ec$ada de forma estrat#gica en las 5onas donde eiste el recurso eólico =costeras rurales y altoandinas?, permitirá mejorar la condición socioeconómica, incrementar la calidad de "ida, el desarrollo cultural y la conciencia ecológica de a6uellas comunidades dispersas, alejadas e $istóricamente marginales del %erú. Tambi#n se presenta como una solución energ#tica de microempresas pecuarias y agroindustriales ubicadas en las 5onas rurales.
2. DISEÑO DEL TUNEL DE VIENTO &as "ariables fundamentales 6ue se consideran en el diseño del Túnel de Viento son la "elocidad simulada de "iento, la geometría del túnel acorde al tamaño del modelo de aerogenerador en pruebas y, las condiciones medioambientales del lugar =>ef. @ y /?.
Velocidad del ie!"o.# 9 condiciones reales, los aerogeneradores transforman la energía eólica, apro"ec$ando "elocidades de "iento en un amplio rango. %ara micro aerogeneradores, a grandes "elocidades un mecanismo de cola saca de funcionamiento a la turbina, a 7n de e"itar 6ue se embale y pro"o6ue sobrecarga y deterioro de sus elementos. +omo condición de "elocidad máima en el Túnel, se asumió alrededor de 2@ m3s con el 7n de poder eperimentar el funcionamiento del mecanismo de cola de un aerogenerador en prueba.
Di$e!%io!e% del ae&o'e!e&ado&.# El Túnel de Viento ser"irá para eperimentación de aerogeneradores de $asta 200A, con un diámetro de rotor de 2.@0 m, por lo 6ue se $a considerado 6ue la menor sección del colector
sea de 2.B0 m de diámetro. %ara e"itar 6ue la "ariación de presión pro"o6ue distorsión en los eperimentos, la sección de prueba será apropiadamente instalada detrás del colector en forma de una cámara de estabili5ación, permitiendo así 6ue la in8uencia de las paredes sobre el 8ujo 6ue pasa por el aerogenerador, sea mínima.
Co!dicio!e% de ()*o.# El 8ujo de aire, aspirado mediante un "entilador aial simulador de "iento, ingresa al colector y a la cámara de estabili5ación, en donde se reali5arán los eperimentos, pasando luego al difusor, en cuyo etremo inicial se ubicará el "entilador. &as propiedades del aire se asumen a condiciones estándar, considerándose para el cálculo los siguientes parámetros < %resión p C 202./ D%a < Temperatura T C @ FG < 9ltura geom#trica 5 C 0 m.s.n.m. < ensidad H C 2.@@4 Dg3m/
Co$+o!e!"e% del "!el de ie!"o.# El #ito en el diseño del Túnel de Viento, dependerá del cálculo y dimensionado de cada uno de los siguientes elementos < +olector, para ordenar y acelerar el 8ujo < +ámara de pruebas, donde se instala el aerogenerador en prueba y los instrumentos de medición < ifusor, 6ue permite la salida del aire en forma sua"e o uniforme. < E6uipo de impulsión o etractor de aire, 6ue produce el 8ujo de aire
-. ORMULACI/N Y C0LCULOS &a formulación y cálculos obedecen al principio de 8ujo compresible, donde las "ariables participantes se identi7can a continuación =>ef. B y 4? Velocidad crítica aI.: Es la "elocidad del 8ujo 6ue iguala a la "elocidad del sonido $aciendo 6ue todos sus parámetros como presión, temperatura y densidad tambi#n sean críticas. Se calcula mediante la siguiente epresión
Coeicie!"e adi$e!%io!al de elocidad .# !ísicamente relaciona la energía cin#tica del 8ujo respecto a la energía total del mismo, tambi#n denominado *úmero de (ac$- se epresa por
Coe3cie!"e de 'a%"o $4%ico 5.# +onstituye la ra5ón 6ue eiste entre el gasto especí7co en curso frente al gasto máimo. Es un coe7ciente 6ue identi7ca la densidad de la línea de corriente del 8uido.
0&ea c&6"ica A7.# Es el área mínima de una tobera 6ue $ace 6ue el fluido alcance un JC2. Se calcula usando el coeficiente de gasto másico
P&e%i8! di!4$ica, PDIN.# Epresada por
P9RDIDAS EST0TICAS EN EL T:NEL DE VIENTO Tanto en el colector, cámara de estabili5ación, como en el difusor, se calculan las p#rdidas totales de acuerdo a los siguientes pasos < &a longitud del colector y difusor se di"ide en tramos de un metro y se determina el diámetro de la sección media , y el área de paso correspondiente. < %ara cada tramo, se calcula el coe7ciente de gasto 6 y el "alor del coeficiente de "elocidad J. < +on el coeficiente de "elocidad J y la "elocidad crítica aI se calcula la "elocidad V en la sección media. < Se determina el factor de fricción f mediante la fórmula de +olebrooD
< %ara determinar las p#rdidas en las es6uinas se calcula el coe7ciente de p#rdida mediante la siguiente fórmula empírica
< &a caída de presión en mm1@; debido a la fricción, se obtiene de acuerdo a la fórmula
< Se $alla la caída de presión en mm1@; originadas por las aristas, modelo y cámara de estancamiento, de acuerdo a la siguiente fórmula
< &a rugosidad absoluta, para el acero gal"ani5ado es K C B.L20:4m. < )na "e5 obtenidas las p#rdidas totales, se resta la p#rdida dinámica para determinar las p#rdidas estáticas del túnel.
C0LCULO Y DISEÑO DEL COLECTOR &as características del aire estándar a ni"el del mar se consideran < %resión, p 202./ D%a < Temperatura, T @M/ G < ensidad, H 2.@@4 Dg3m/ < +alor especí7co, +p 2.004 DN3DgFG < +oe7ciente adiabático, D 2.B DN3DgFG < Viscosidad cinemática, 2.BL4.20:4 salida del colector.:
m@ 3s atos de la sección de
< iámetro C 2.B m < Orea 9 C 2.4/ m@ < Velocidad del 8ujo V C 2@ m3s +on estos datos de entrtada se obtienen los siguientes resultados < Velocidad +rítica, aIC/2/.@@ m3s < +oeficiente de "elocidad en la sección de salida del colector, J C 0.0//2
< +oe7ciente de gasto en la sección de salida del colector, 6S C 0.0L0/M < Orea crítica del túnel de "iento, 9I C 0.0M@ML m@ < %resión dinámica a la salida del colector, %'* C .BB m1@; 9 partir de estos resultados se calcula el lado máimo del colector para 6ue el 8ujo no se estan6ue en la entrada, "er Tabla 2. +uando el lado & del colector es de B.B/@ m, la "elocidad V del aire en esa sección es de 0.M/M m3s- entonces para asegurar 6ue el 8ujo ingrese adecuadamente al colector es preferible 6ue el lado del cuadrado del colector se encuentre entre B y 4 m. !inalmente, la geometría del colector 6ueda según las 7guras @ y /.
+alculando las p#rdidas totales en el colector por tramos de 2 m ="er Tabla @?, se obtiene el diámetro de la sección media y el área de paso. Sumando las p#rdidas parciales a lo largo del colector se obtiene 2.42 mm1@;. Entonces, 7jando un factor de seguridad de 2./, la p#rdida total del colector será de 2.MP mm 1@;.
C0LCULO Y DISEÑO DE LA C0MARA DE PRUE;AS +uando se trata de una cámara de pruebas de un túnel de "iento de paredes cerradas, la capa límite se "a engrosando a medida 6ue el aire atra"iesa la sección de pruebas- ello origina una contracción del 8ujo $aciendo 6ue el área efecti"a de pruebas sea menor y aumente la "elocidad del 8ujo =>ef. L?. %ara nuestro caso, se opta por la sección de prueba sea abierta =denominada casa o cámara de estancamiento?, con la 7nalidad de 6ue la capa límite 6ue se genera en las paredes del colector, se epanda a la salida de ella y no afecte la libre circulación del aire. ;tra de las ra5ones para la geometría elegida, es tener la $olgura apropiada a 7n de 6ue el modelo de ensayo, relati"amente grande =un aerogenerador con un diámetro de 2.@0 m y una cola con "eleta de 2./0 m?, apro"ec$e e7cientemente el 8ujo uniforme generado. 9sí, en la cámara de estancamiento se forma un cilindro de acción de 8ujo de aire, donde atra"esará al aerogenerador en prueba sin ninguna perturbación. Este cilindro se forma debido a la acción simultánea de la ubicación adecuada del "entilador etractor, el ingreso sua"e del aire por el colector, atra"esando el "olumen bien dimensionado de la cámara de prueba y salida uniforme del 8ujo en el difusor. En la cámara la presión dinámica es nula =no $ay mo"imiento de 8uido?, por tanto la presión estática se considera máima e igual a la presión total. %recisamente esta presión de estancamiento $ace 6ue el 8uido del cilindro de acción no salga de ella comportándose como la Qpared in"isibleR del cilindro.
De"e&$i!aci8! de +<&dida% e! la c4$a&a de +&)e=a%
%ara la casa de estancamiento, las p#rdidas de presión se componen de una caída de presión por la propia cámara, y otra caída de presión por la presencia del modelo aerogenerador en prueba y la instrumentación. %ara cada caso, la caída de presión se calcula como *o eiste una fórmula deducida del 8ujo para calcular los "alores de Di, por lo 6ue se opta elegir "alores recomendados, como D C @.0 para la cámara de estabili5ación y D C 2.4 para el modelo en prueba. e donde se obtiene 6ue la caída de presión en la cámara es de 2P.L mm1@; y la ocasionada por el modelo en prueba de 2/.@LL mm1@;, lo cual suma una caída total de /0.M4B mm1@;. +onsiderando un factor de seguridad de 2./ se tiene una caída de presión total en la cámara de estancamiento de B0.@B mm1@;. En base a estos "alores, la cámara se dimensiona bajo una geometría mostrada en la 7gura B.
C0LCULO Y DISEÑO DEL DIUSOR El difusor es el elemento 6ue permite 6ue el 8uido se epanda reduciendo sua"emente su "elocidad a la salida, manteniendo uniforme las líneas de corriente en la cámara de pruebas. El diámetro en la entrada del difusor se toma de 2.B4m, un poco mayor 6ue la salida del colector, a 7n de garanti5ar la entrada del cilindro de acción de aire. El diseño del difusor resulta ser cla"e en el #ito de la calidad del túnel de "iento, pues es necesario encontrar el punto óptimo para aumentar el área sin permitir 6ue la capa límite se desprenda. &os difusores se dimensionan con la relación de áreas entrada : salida, o con el ángulo e6ui"alente de cono 6ue surge al tra5ar un cono truncado entre el área de entrada y el de salida =ángulo de di"ergencia?. &a relación de áreas recomendada debe ser de cinco o seis a uno y el ángulo debe ser de siete grados o menos. +onsiderando las recomendaciones =>ef. L?, se elige 4 grados de di"ergencia- entonces la longitud total del difusor tendrá 20 m sin contar el "entilador. 9sí, si la entrada del difusor es de 2.B4 m de
diámetro, la salida tendrá @./B m de diámetro. En la 7gura 4 se ilustra la geometría del difusor.
De"e&$i!aci8! de la% +<&dida% e! el di)%o& %ara el diseño del difusor se $a considerado las siguientes condiciones < iámetro de entrada al difusor, E C 2.B4m < &ongitud del difusor, &C 20m < 9ngulo de di"ergencia, C 4 En las secciones di"ergentes, las p#rdidas ocurren por fricción contra las paredes y por epansión, la combinación de las dos "iene dada por la ecuación
onde es la di"ergencia de las paredes y f es el factor de fricción. %ara calcular f se utili5a la fórmula de +olebrooD. &as p#rdidas de presión, U$, se obtienen utili5ando el mismo procedimiento para el colector, cuyos "alores obtenidos por cada metro a lo largo del difusor se muestran en la Tabla /.
Sumando las caídas de presión a lo largo del difusor se tienen @.L2M mm1@;. 9sumiendo un factor de seguridad de 2./, la caída de presión en el difusor será de /.B mm 1@;. &a p#rdida total de presión a lo largo del túnel de "iento, se calcula como la suma de las p#rdidas de presión en el colector, en la cámara de estabili5ación y en el difusor- es decir, B4. L2 mm 1@;. &a presión estática re6uerida por el "entilador se calcula de la p#rdida total de presión a lo largo del túnel de "iento, descontando la presión dinámica a la salida del colector, esto es %EST C B4.L2 mm1@; : .B mm1@; C /L.PP mm1@; C 2.B4 pulg 1@;
DIMENSIONADO Y SELECCI/N DEL VENTILADOR
Ca)dal, >. El caudal desarrollado por el "entilador impulsor de aire se calcula con la "elocidad y área a la salida del +olector, esto es C 2@ m3s 2.4B m@ C 2.B m/ 3s
P&e%i8! E%"4"ica, PEST.
+omo la presión estática del "entilador es un parámetro de fabricación, para nuestro re6uerimiento el "alor más cercano es de @.0 pulg. 1@; ó 400 %a. %EST C 400 %a
Po"e!cia del $o"o& del e!"ilado&, Pe*e$o"o&. +onsiderando una eficiencia del "entilador del W CP4X, la eficiencia de transmisión"ariador de "elocidad WTV C 0X, entonces la potencia en el eje del motor el#ctrico de accionamiento del "entilador será
e acuerdo a catálogos de fabricante y asignando un factor de seguridad de 2.@ =>ef. P?, el mismo 6ue garanti5a una "elocidad de 8ujo a la entrada a la cámara de pruebas superior a 2@ m3s, se selecciona un "entilador aial con motor el#ctrico de potencia en su eje de @4 1% o de /0 1%. %ara obtener una "elocidad máima de 8ujo de 2@ m3s en la cámara de pruebas, el motor:"entilador se dimensionó para la siguiente especi7cación nominal < +audal B0,000 +!( < %resión estática @ pulg 1@; < %otencia al eje del motor el#ctrico @4 1% (ientras 6ue para una "elocidad máima de 8ujo en la cámara de pruebas de 24 m3s, la especi7cación nominal del motor:"entilador es < +audal BM,000 +!( < %resión estática @ pulg 1@; < %otencia al eje del motor el#ctrico /0 1% En efecto se optó por elegir un sistema motor:"entilador de /0 1%, a 7n de disponer de una "elocidad de 8ujo en la cámara de pruebas del orden de 24 m3s.
?. INSTALACION Y PRUE;AS DE UNCIONAMIENTO )na "e5 diseñados y construidos cada uno de los componentes del túnel de "iento, se procedió a su ensamblaje e instalación en el del &aboratorio de Energía de la !acultad de 'ngeniería (ecánica de la )*'. )n es6uema de la distribución de los componentes del túnel de "iento se ilustra en la 7gura L.
PRUE;AS DE UNCIONAMIENTO e las pruebas de funcionamiento se "eri7ca 6ue el túnel de "iento desarrolla una "elocidad máima de 2 m3s en la cámara de pruebas, cuando #sta se encuentra libre de elementos en estudio. +uando en la cámara de pruebas se coloca un prototipo de aerogeneración, se alcan5an "elocidades máimas de 24 m3s. En cuanto a "ibraciones, a lo largo de todas las pruebas de operación, el sistema eperimenta buena estabilidad mecánica y acústica 9sí, en la Tabla B se presentan los "alores medidos de "elocidades de 8ujo en la cámara de pruebas y en la salida del difusor.
@. CONCLUSIONES Y RECOMENDA CIONES < &a ubicación elegida para la instalación del túnel de "iento en el interior del &aboratorio de Energía de la !'(:)*', garanti5a las condiciones ambientales y de estabilidad de 8ujo, para reali5ar pruebas e7cientes de modelos y prototipos de aerogeneradores, así como de sus componentes < e las pruebas reali5adas, midiendo "elocidades tanto en la cámara de pruebas como a la salida del difusor, se demuestra 6ue con la geometría dimensionada del túnel de "iento =e : ante?, se logra simular y garanti5ar "elocidades de 8ujo uniforme y estable entre 2 y 24 m3s, ello con el aerogenerador puesto en prueba. < urante todas las pruebas de operación, tanto en "acío como con el modelo aerogenerador en prueba, a lo largo del rango de "elocidades de 2 m3s a 24m3s, el Túnel de Viento no mani7esta "ibraciones y posee buena estabilidad acústica < El Túnel de Viento de la !'(:)*', puesto al ser"icio de in"estigación en aerogeneración, se utili5ará para reali5ar mejoras de diseño y construcción de cada uno de los componentes de
aerogeneradores de pe6ueña potencia y modelos para gran potencia, pruebas de dispositi"os de regulación y control de potencia y normali5aciones. < Este banco de pruebas tambi#n se recomienda utili5ar para caracteri5ación y e"aluación de performances o rediseños de "entiladores aiales de uso industrial.
