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: Autor: Bach. PINEDO LUJÁN, CÉSAR FERNANDO Asesor: Mg. Sc. QUEVEDO NOV NOVOA, OA, LUIS GUILL GUILLERMO ERMO TRUJILLO PERÚ
INTRODUCCIÓN
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
Si se hace el cambio con: Resulta:
El máximo valor de
se obtiene haciendo
=0, resultando
AIRE (ρ = 1,25) kg/m3
PARAMETROS PRÁCTICOS
RELACIÓN DE VELOCIDAD PERIFÉRICA CELERIDAD λ (Tip-Speed-Ratio) TSR.
CUERDA DEL PERFIL ALAR
C = AB
ÁNGULO DE ATAQUE
α
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 = F arr en la dirección c del viento aparente se corresponde con una degradación de la energía dRy = L = F sust 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:
METODO DE DISEÑO 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.
SEGUNDA ETAPA
Cálculo de cpmax
Cálculo de R
Potencia instantánea
1
2 E R R 1 C 3T 1 3 K Cp T 2
1 3 P M T Cp R 2 V 2
TERCERA ETAPA Hallar C y β a lo largo del alabe, con el desarrollo de las siguientes ecuaciones:
Celeridad radial Ángulo de Flujo Cuerda
C
Ángulo de Sección
rd d 8 r
BC Ld
r R
2 1 arctg 3 r
1 cos
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: Cl d=0.986
Ángulo de diseño:
α d =
5.31°
Arrastre sobre sustentación:
Cd/Cl d= 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.
rd d
r R
8 r 1 cos C BC ld
1 arctg 3 r 2
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
NACA 4415 superficie superficie superior inferior x y x y
0 0 1.25 3.07 2.5 4.17 5 5.74 7.5 6.91 10 7.84 15 9.27 20 10.25 25 10.92 30 11.25 40 11.25 50 10.53 60 9.3 70 Series1 7.63 Series2 5.55 80 90 3.08 95 1.67 100 0.16 100 0
0 1.25 2.5 5 7.5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 95 100 100
0 -1.79 -2.68 -3.27 -3.71 -3.98 -4.18 -4.15 -3.98 -3.75 -3.25 -2.72 -2.14 -1.55 -1.03 -0.57 -0.36 -0.16 0
MODELAMIENTO
GEOMETRÍA DE PERFIL
DESARROLLO DE ALABE
COMPONENTES DE AEROGENERADOR
SEGURIDAD
Máscara contra vapores. Guantes de látex. Lentes. Tybe(ropa protectora)
MATERIALES
MATERIAL Fibra de Vidrio mat-300 Fibra de Vidrio mat-450
CANT 5 5
Catalizador MEK
0.25
Peróxido de cobalto
0.25
Resina poliéster Bloque de aluminio Bloque de aluminio Tubo de aluminio 5/8 Prisioneros 1/8x1/4 Pasadores m5x 40 m6 x 20 m5x10 Plancha acero A36 Plancha acero A36 Tubo negro electrosoldado 3" Tubo de alta 2.5" Rodamiento SKF 6010 Rodamiento SKF 6204 Seguros j44
UNI USO Kg Piezas de la turbina Kg Moldes Reacción de catalización de la Kg resina Reacción de aceleración de la Kg resina Fabricación de la piezas junto Kg con la fibra de vidrio Kg Cabezal de rotor Kg Chumaceras mm Columna de alabes pza. Ensamble de rotor pza. Ensamble de rotor pza. Ensamble de turbina pza. Ensamble de turbina
10 3 2 3000 6 3 4 8 350x350x 3 mm Base de poste 400x200x mm Estructura base de la turbina 3 1500 200 1 2 2
mm mm pza. pza.
Poste Base de estructura Parte móvil orientación Parte móvil rotación 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 Ti po de perfil: perfi l: Diámetro Diámet ro de rotor: Celeridad para generador: Numero de alabes:
NACA 4415 d=2m λd =4 B=3
VALORES ASUMIDOS Coeficiente de sustentación diseño: Angulo Angulo de diseño: Arrastre sobre sobre sustentación:
Cl d =0.8 α d = 4 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 C Pi
16
e
0, 35 1, 2 9
27 C Pi 0.56
•
16 27
e
0, 35 x 4 1, 2 9
Cálculo de d(CPi) d C Pi
16 Cd 27 C L
16 27
0.0073 4
d C Pi 0.02
•
Cálculo de (CPi) Cd /Cl C Pi Cd C Pi d C Pi 0.56 0.02 C L
C Pi Cd 0.54 C L
•
Cálculo de ø
2 3
arctg
1 r
2 3
arctg
1 4
0.163rad 9
•
Cálculo de ηB 2
1,386 1,386 9 sen 1 sen B 1 2 2 B B B 0.93
•
Cálculo de Cpmax Cpmax C Pi Cd 0.93 0.54
Cpmax 0.50
C L
2
•
Eficiencia para la aeroturbina T TC F
T .C transmision, conversion F fluctuacio nes 0,7 T TC F T 0.8 0.7 0 56
aerobombas 0,7 aerogenera dores 0,8
•
Potencia media 1 P M T C P R 2V 3 2 P M 0.56 0.5
1 2
1.23kg / m 3 (1m) 2 10m / s
P M 540.63W
•
Potencia instantánea 1 P M T C P R 2V 3 2 1 3 P M 0.56 0.5 1.23kg / m 3 (1m) 2 V 2
3
VIENTO POTENCIA
1.00 kw
1000.0 rpm
0.90 kw
900.0 rpm
0.80 kw
800.0 rpm
0.70 kw
700.0 rpm
0.60 kw
600.0 rpm
0.50 kw
500.0 rpm
0.40 kw
400.0 rpm
0.30 kw
300.0 rpm
0.20 kw
200.0 rpm
0.10 kw
100.0 rpm
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
0.00 kw
s / m 0 . 1
s / m 0 . 2
s / m 0 . 3
s / m 0 . 4
s / m 0 . 5
s / m 0 . 6 KW
s / m 0 . 7
s / m 0 . 8 RPM
s / m 0 . 9
s / m 0 . 0 1
s / m 0 . 1 1
s / m 0 . 2 1
0.0 rpm
GEOMETRIA Cálculo de Celeridad radial, Ángulo de flujo, Ángulo de sección, y Cuerda r Celeridad radial rd d R
rd Ángulo de Flujo
2
3
2
3
d
r 1
arctg
arctg
1
r 1 4
r 1
Cuerda
C
8 r
BC Ld
1 cos
8 r 2 1 1 cos( arctg ) C r 3 BC Ld 4 1
Ángulo de Sección
2 3
arctg
2 3
arctg
1 5.31 r 4 1
1 5.31 r 4 1
SE DESARROLLA EL CÁLCULO PARA CADA SECTOR DE SECCIÓN, OBTENIENDO ASÍ EL SIGUIENTE RESULTADO POSICIÓN N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
radio 0.01m 0.05m 0.10m 0.15m 0.20m 0.25m 0.30m 0.35m 0.40m 0.45m 0.50m 0.55m 0.60m 0.65m 0.70m 0.75m 0.80m 0.85m 0.90m 0.95m
CELERIDAD RADIAL
ÁNGULO DE FLUJO
ÁNGULO DE SECCIÓN
λr
ф
ф
β
0.0400 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000 1.4000 1.6000 1.8000 2.0000 2.2000 2.4000 2.6000 2.8000 3.0000 3.2000 3.4000 3.6000 3.8000
ф= 1.021 rad
ф= 58.5
ф= 0.916 rad ф= 0.794 rad ф= 0.687 rad
ф= 52.5 ф= 45.5 ф= 39.4
ф= 0.597 rad ф= 0.524 rad ф= 0.463 rad ф= 0.413 rad
ф= 34.2 ф= 30.0 ф= 26.5 ф= 23.7
ф= 0.372 rad ф= 0.338 rad ф= 0.309 rad ф= 0.284 rad
ф= 21.3 ф= 19.4 ф= 17.7 ф= 16.3
ф= 0.263 rad ф= 0.245 rad ф= 0.229 rad ф= 0.215 rad
ф= 15.1 ф= 14.0 ф= 13.1 ф= 12.3
ф= 0.202 rad ф= 0.191 rad ф= 0.181 rad ф= 0.172 rad
ф= 11.6 ф= 10.9 ф= 10.3 ф= 9.8
°
β
°
° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °
°
β= 53.2 β= 47.2 β= 40.2 β= 34.1 β= 28.9 β= 24.7 β= 21.2 β= 18.4 β= 16.0 β= 14.1 β= 12.4 β= 11.0
° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °
°
β= 9.8 β= 8.7 β= 7.8 β= 7.0 β= 6.3 β= 5.6 β= 5.0 β= 4.5
° ° ° ° ° ° ° °
β= 0.928 rad β= 0.823 rad β= 0.701 rad β= 0.594 rad β= 0.505 rad β= 0.431 rad β= 0.371 rad β= 0.321 rad β= 0.280 rad β= 0.245 rad β= 0.217 rad β= 0.192 rad β= 0.171 rad β= 0.152 rad β= 0.136 rad β= 0.122 rad β= 0.109 rad β= 0.098 rad β= 0.088 rad β= 0.079 rad
CUERDA C 0.040542786 0.165997947 0.253798254 0.289089059 0.29433312 0.284621636 0.268583369 0.250666858 0.232985482 0.216446179 0.201362435 0.187768908 0.175578154 0.164656974 0.154862535 0.146058552 0.13812171 0.13094339 0.124429255 0.118497947
c-mm 40.54 mm 166.00 mm 253.80 mm 289.09 mm 294.33 mm 284.62 mm 268.58 mm 250.67 mm 232.99 mm 216.45 mm 201.36 mm 187.77 mm 175.58 mm 164.66 mm 154.86 mm 146.06 mm 138.12 mm 130.94 mm 124.43 mm 118.50 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
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.
