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1 MASTER EN SISTEMAS MECANICOS __________________________________ POSGRADO EN IGENIERÍA MECANICA Y DE MATERIALES TRABAJO FIN DE MASTER DISEÑO AERODINAMICO, ESTRUCTURAL Y DETERMINACIÓN DEL SISTEMA DE FABRICACIÓN DE UNA PALA EN FIBRA DE VIDRIO DE UN AEROGENERADOR DE PEQUEÑA POTENCIA. FABIAN RIVEROS MOYANO Dirigido por Jesús Cuartero Salafranca Zaragoza, septiembre de 2010 1/2 2 DISEÑO AERODINAMICO, ESTRUCTURAL Y DETERMINACIÓN DEL SISTEMA DE FABRICACIÓN DE UNA PALA EN FIBRA DE VIDRIO DE UN AEROGENERADOR DE PEQUEÑA POTENCIA. RESUMEN Este proyecto aborda el proceso completo de diseño de un rotor de un aerogenerador de pequeña potencia, comenzando por el diseño aerodinámico del rotor que esta demarcado por unos criterios de funcionamiento del aerogenerador, el dimensionado y cálculo de la estructura resistente de cada pala mediante el uso de la herramienta NuMAD y su posterior postprocesado en ANSYS; y la determinación de un sistema de fabricación. Se ha realizado el análisis aerodinámico completo, desde la selección de los perfiles aerodinámicos, el desarrollo de un código de cálculo y la comprobación mediante un código comercial. A partir de este diseño y cálculo se encuentran las cargas que actúan sobre la pala para realizar el análisis estructural. Mediante la herramienta de diseño NuMAD, desarrollada por el NREL (National Renewable Energy Laboratory) específicamente para generar una geometría y mallado de palas reduciendo el tiempo y aumentado la confiabilidad mediante un proceso simplificado de creación de un modelo en tres dimensiones, se genera un modelo para elementos finitos que utiliza a ANSYS como postprocesador. Se realiza el diseño estructural usando un apilado de capas de fibra de vidrio y se comprueba su resistencia ante las cargas de diseño, ante vibraciones y pandeo. Finalmente se selecciona el método de fabricación, el cual es el RTM. 3 TABLA DE CONTENIDO 1. CRITERIOS DE DISEÑO DEL AEROGENERADOR..................................... 6 2. DISEÑO DE PALA ......................................................................................... 7 2.1 DETERMINACIÓN DE CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO DEL PERFIL NREL 822.......................................................................................... 9 2.2. GEOMETRÍA FINAL .............................................................................. 11 3. CARGAS SOBRE LA PALA ......................................................................... 12 3.1. Cargas de cálculo................................................................................. 14 4. PREPARACIÓN DEL MODELO EN NuMAD ............................................... 15 4.1 CALCULO DE PALA............................................................................... 18 4.1.1. Resistencia a Empuje...................................................................... 18 4.1.2. Resistencia a par motor. ................................................................. 20 4.1.3. Resistencia ante carga combinada. ................................................ 20 4.1.4. Análisis modal estático y en revolución........................................... 21 4.1.4. Análisis de pandeo lineal................................................................. 22 5. METODO DE FABRICACIÓN ...................................................................... 23 6. CONCLUSIONES......................................................................................... 24 7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 26 4 INDICE DE FIGURAS FIGURA 1. Perfil NREL 822......................................................................................... 9 FIGURA 2. Cl vs α para NREL 822 ............................................................................ 9 FIGURA 3. Cl vs Cd para NREL 822........................................................................ 10 FIGURA 4. Cl/Cd vs α para NREL 822 .................................................................... 10 FIGURA 5. Distribución de presión para α 6º ........................................................ 10 FIGURA 6. Distribución de presión para α 12,5º................................................... 11 FIGURA 7. Perfiles para dibujo en 3D ..................................................................... 12 FIGURA 8. Perfiles unidos para generar 3D........................................................... 12 FIGURA 9. Apilado en NuMAD ................................................................................. 16 FIGURA 10. Modelo de pala generado en NuMAD............................................... 17 FIGURA 11. Selección de tamaño de elemento de malla. ................................... 17 FIGURA 12 y 13. Modelo y malla.............................................................................. 17 FIGURA 14 y 15. Detalle de reducción de espesor en bordes. ........................... 18 FIGURA16. Resultado Criterio de Fallo de TSAI-WU ........................................... 19 FIGURA17. Criterio de TSAI-WU con corte en pala.............................................. 19 FIGURA 18. Desplazamiento ante empuje. ............................................................ 20 FIGURA 19. Criterio de TSAI-WU para par motor. ................................................ 20 FIGURA 20. Desplazamientos ante par motor. ...................................................... 20 FIGURA 21. Criterio inverso de TSAI-WU para carga combinada...................... 21 FIGURA 22. Desplazamientos ante carga combinada.......................................... 21 FIGURA 23, 24 y 25. Deformada ante tres primeros modos................................ 22 FIGURA 26. Primer modo de pandeo. ..................................................................... 23 5 INDICE DE TABLAS TABLA 1. Criterios de diseño del rotor............................................................... 7 TABLA 2. Geometría final de pala.................................................................... 11 TABLA 3. Resultados de funcionamiento v=14m/s. ......................................... 13 TABLA 4. Resultados de cargas y potencia v=14m/s....................................... 13 TABLA 5. Resultados generales a v=14m/s..................................................... 14 TABLA 6. Cargas para cálculo de pala. ........................................................... 14 TABLA 7. Propiedades de la fibra de vidrio...................................................... 16 TABLA 8. Resultado de frecuencias de análisis modal.................................... 22 TABLA 9. Factor de pandeo............................................................................. 23 6 1. CRITERIOS DE DISEÑO DEL AEROGENERADOR A continuación se describen brevemente los criterios que se han tenido en cuenta para el diseño del aerogenerador. En el ANEXO 1 se hace un análisis más exhaustivo de estos criterios. El diseño de éste aerogenerador se basa en conseguir la maximización de captación energética para una potencia y una velocidad de viento. La potencia elegida es de 5 kW, la cual corresponde a un aerogenerador de pequeña potencia, ideal para uso urbano sobre tejados, para generación aislada de red en zonas agrícolas, carga de baterías, etc. El número de palas del rotor es de 3, ya que este tipo de aerogenerador cumple con los siguientes criterios: • Búsqueda de un par de arranque alto para facilitar el funcionamiento a vientos de baja velocidad. • Estabilidad ante oscilaciones provocadas por el viento. • Menor velocidad de rotación para disminuir el ruido provocado por las palas. • Mayor coeficiente de potencia. Una velocidad nominal con la que la captación energética sea apropiada para los lugares donde se podría utilizar esta turbina. La velocidad que se estima puede cubrir de una manera adecuada con estas condiciones es de 9,8 m/s, ya que en aplicaciones urbanas el recurso eólico no suele ser muy alto. Finalmente, la velocidad de giro se determina en un proceso iterativo en base a la disposición de velocidades de rotación de generadores comerciales, al radio de pala y al λ (velocidad relativa) que en su conjunto determinan el Cp (coeficiente de potencia) del aerogenerador. 7 Para este caso, el resultado de esta selección y sin entrar aun en detalles de la iteración, es una velocidad de giro 200 rpm, la cual corresponde a un λ de 5,88 y a un radio de pala de 2,75 m. La TABLA 1 muestra los criterios seleccionados que debe cumplir el diseño del rotor del aerogenerador. TABLA 1. Criterios de diseño del rotor. Potencia [kW] P 5 Numero de palas B 3 Velocidad nominal [m/s] Vn 9,8 Velocidad de Rotación [rpm] ω 200 lambda λ 5,88 En base a estos criterios se realiza el diseño de la pala, buscando un arranque fácil a baja velocidad de viento y un funcionamiento óptimo antes que un alto rendimiento (CP). 2. DISEÑO DE PALA Para la selección del perfil aerodinámico a utilizar en la pala se busca de entre los disponibles los que cumplan con las siguientes consideraciones: • Numero de Reynolds de diseño del perfil • Relación L/D • Comportamiento antes suciedad • Comportamiento en funcionamiento en pérdida aerodinámica. El numero de Reynolds de de una pala de aerogenerador se calcula de la siguiente manera: υ Wc =Re 8 Donde, W es la velocidad relativa incidente; c el la cuerda y ν es la viscosidad cinemática. Para las condiciones de diseño de pala expuestas el número de Reynolds para cuerdas coherente para este tamaño de pala es de entre 0,4E6 y 0,6E6; por lo tanto se busca un perfil cuyo Reynolds de diseño este en este rango. En cuanto al comportamiento ante suciedad y la relación L/D, los perfiles diseñados con fines aeronáuticos suelen tener una relación L/D muy alta cuando están libres de suciedad e imperfecciones, pero al estar presentes éstas la relación disminuye de manera considerable. En aeronáutica esto no es del todo un inconveniente ya que se programan mantenimientos continuos de los aviones donde incluye limpieza de las alas; por el contrario en un aerogenerador esta sería una operación ocasional y por lo tanto es fundamental contar con un perfil que mantenga sus propiedades aerodinámicas ante la presencia de suciedad. Existen perfiles especialmente desarrollados para aerogeneradores como son los NREL, RISO o DU los cuales cumplen con la estabilidad antes suciedad. Finalmente para el caso de rotores a pitch fijo, como lo es el del presente diseño, el control de potencia se consigue mediante la entrada en perdida del perfil aerodinámico. Esto sucede cuando a partir de un ángulo de ataque el L disminuye y el D aumenta permitiendo reducir la potencia entregada por el rotor. Con base en estas consideraciones se ha seleccionado el perfil NREL 822, el cual tiene un numero de Reynolds de diseño de 0,6E6 y esta especialmente diseñado para aerogeneradores, es decir cumple con las características de resistencia a suciedad y tiene un comportamiento adecuado a perdida aerodinámica. La FIGURA 1 muestra el perfil NREL 822. 9 FIGURA 1. Perfil NREL 822 2.1 DETERMINACIÓN DE CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO DEL PERFIL NREL 822 Para el calculo de una pala hace falta contar con las curvas Cl y Cd vs α para diferentes números de Reynolds, información que no suele estar disponible y por lo debe buscarse en base a la geometría del perfil por medio de programas especializados de aeronáutica. Debido a que la pala funciona con números de Reynolds diferentes en función de la velocidad del viento incidente, se buscan varias curvas para luego interpolar entre estas con la finalidad de encontrar los coeficientes de trabajo. Las FIGURAS 2, 3 y 4 muestran respectivamente las curvas Cl vs α, Cl vs Cd, y Cl/Cd vs α para números de Reynolds comprendidos entre 0,1E6 y 0,6E6. De estas curvas se puede ver la dependencia de estos coeficientes con el número de Reynolds y la importancia de determinarlos para utilizarlos en el diseño. FIGURA 2. Cl vs α para NREL 822 16 Las propiedades de los materiales utilizados se muestran en la TABLA 7. Cada capa tiene un espesor de 0,3mm. TABLA 7. Propiedades de la fibra de vidrio Material E1 [GPa] E2 [GPa] G12 [GPa] v12 X=X´ [MPa] Y=Y´ [MPa] Sxy [MPa] Densidad [kg/m3] MAT 7.85 7.85 4 0.3 80 80 35 1690 UNI 48.2 11.7 6.48 0.3 360 60 135 1744 En este caso, por ser una pala pequeña, de 2,75 m, se utiliza un solo espesor para toda la pala. La configuración del apilado, tal como se muestra en NuMAD, se muestra en la FIGURA 9. FIGURA 9. Apilado en NuMAD Tal como se puede ver, la capa exterior es de MAT, luego va una de +-45º , seguida por 6 de UNI a 0º (en dirección de la pala) y seguido en la parte interior por otra capa de +-45º. El resultado es 60% unidireccional y 40% de +-45 con un espesor total de 3,3 mm. A continuación se genera la geometría tal como lo muestra la FIGURA 10. En este proceso se adicionan los elementos de pala con su perfil y su calado, a la vez que se asigna el material par cada una de las regiones. En este caso toda la pala tiene el mismo material con el mismo espesor. 17 FIGURA 10. Modelo de pala generado en NuMAD. En este momento se puede generar el modelo en ANSYS, para lo cual se indica en NuMAD tal como lo muestra la FIGURA 11. El tamaño de elemento que se encuentra es adecuado es de 0,015 m. FIGURA 11. Selección de tamaño de elemento de malla. NuMAD genera de esta manera el modelo en ANSYS, la geometría obtenida se muestran en la FIGURA 12 y 13. FIGURA 12 y 13. Modelo y malla. 18 Debido a que en el borde de ataque y de fuga el radio es muy pequeño, el programa da error de mallado por tener un espesor muy grande y no lo puede mallar. Este es un problema común en mallado de palas que se soluciona dando un espesor menor a en esta región (solo para calculo, no en la fabricación). El resultado del mallado en esta sección se muestra en las figuras 14 y 15. FIGURA 14 y 15. Detalle de reducción de espesor en bordes. Esta reducción puede dar problemas al calcular la resistencia en esta sección, pero es necesario para realizar el cálculo. Mas detalles del mallado, geometría y de las propiedades mecánicas de la pala se pueden ver en el ANEXO 4. 4.1 CALCULO DE PALA En ANSYS se realizan las comprobaciones de: calculo estructural a carga de empuje, a carga de par motor y a combinación de éstas dos; calculo modal en estático; calculo modal en rotación y calculo de pandeo. Todos los cálculos se realizan con la pala en voladizo. 4.1.1. Resistencia a Empuje. Con las cargas de la TABLA 6 se realiza el cálculo. La FIGURA 16 muestra el resultado del criterio de fallo inverso de TSAI-WU según los valores de resistencia de cada material de la TABLA 7. 19 FIGURA16. Resultado Criterio de Fallo de TSAI-WU El valor máximo es 1.6, lo que indica fallo en esta zona, pero tal como ya se ha comentado el espesor en el borde de ataque es 5 veces menor para poder realizar el cálculo, por lo que se espera que con el espesor real no de problema. Para realizar esta comprobación se calcula de nuevo quitando por completo los elementos de esta zona, es decir haciendo un corte de material a la pala. El resultado se muestra en la FIGURA 17. FIGURA17. Criterio de TSAI-WU con corte en pala En este caso el valor máximo baja a 1.2 porque las tensiones se concentran justo al lado del corte debido a la falta de material. Es de esperar que con el material con el espesor correcto la tensión se reparta sobre toda el área y el índice de TSAI-WU sea menor de 1. La FIGURA 18 muestra los desplazamientos, el cual tiene un valor máximo de 54 mm. 20 FIGURA 18. Desplazamiento ante empuje. 4.1.2. Resistencia a par motor. La FIGURA 19 muestra los resultados criterio de fallo inverso de TSAI-WU, el cual tiene un valor máximo de 0.37, aún con el material delgado en bordes. FIGURA 19. Criterio de TSAI-WU para par motor. La FIGURA 20 muestra el desplazamiento obtenido, el cual tiene un máximo de 7 mm. FIGURA 20. Desplazamientos ante par motor. 4.1.3. Resistencia ante carga combinada. 21 La FIGURA 21 muestra el criterio inverso de TSAI-WU, donde el valor máximo es de 1.6. FIGURA 21. Criterio inverso de TSAI-WU para carga combinada Este valor es el mismo que para el empuje ya que no coincide la suma de tensiones sobre el mismo lugar, además de que la aportación del par motor es menor. Por lo tanto el criterio de aceptación según la disminución de material en esta zona es igual que para solo carga de empuje. La FIGURA 22 muestra los desplazamientos, con un valor máximo de 52 mm FIGURA 22. Desplazamientos ante carga combinada. Los valores obtenidos son aceptables y por lo tanto el diseño mecánico ante estas cargas es válido. 4.1.4. Análisis modal estático y en revolución Se realiza un análisis modal con la pala en estático y uno más con la pala en su velocidad máxima de rotación, que es 200 rpm. 22 La TABLA 8 muestra los resultados de frecuencias para éstas dos condiciones. TABLA 8. Resultado de frecuencias de análisis modal. Modo Frecuencia Estático [Hz] Frecuencia girando [Hz] 1 9,8505 12,735 2 1,.642 15,526 3 41,011 43,630 4 62,575 64,934 5 83,147 86,842 6 104,10 108,44 El primer modo equivale a una velocidad de giro de 591 rpm que es muy superior a la de giro (200 rpm) y por lo tanto es válido el diseño ante la excitación por el propio giro. Las deformadas ante los tres primeros modos se muestran en las FIGURAS 23, 24 y 25. FIGURA 23, 24 y 25. Deformada ante tres primeros modos. 4.1.4. Análisis de pandeo lineal 23 Se realiza un análisis ante pandeo que puedan producir las cargas que actúan sobre la pala. El resultado de los modos de pandeo utilizando las cargas combinadas como base se muestra en la TABLA 9. TABLA 9. Factor de pandeo Modo de pandeo Factor 1 10,077 2 10,814 3 11,177 La FIGURA 26 muestra la imagen del primer modo de pandeo. FIGURA 26. Primer modo de pandeo. Se comprueba por lo tanto el pandeo, el cual se produce ante una carga 10 veces mayor que las cargas de diseño. 5. METODO DE FABRICACIÓN De entre los posibles métodos de fabricación de una pala en fibra de vidrio, como lo son el moldeo por compresión, prepreg, filament winding y RTM: éste último ha sido seleccionado como un método adecuado y económico para la fabricación de esta pala en caso de hacerse para grandes series. La mayoría de la industria de palas de turbinas eólicas en la actualidad utiliza técnicas manuales de apilado de laminas para procesar. Si bien hay beneficios para este proceso, los inconvenientes inherentes a este proceso junto con otras 24 ventajas sugieren que esta alternativa de fabricación puede ser más conveniente. El RTM (Resin Transfer Molding) juega un papel importante en el espesor del laminado, el volumen de fibra, y el peso de las geometrías. Reduce el grosor y el peso y aumentar los volúmenes de fibra para todas las subestructuras, resultando más estricto en el seguimiento de radios de la geometría, en transiciones y eliminando la necesidad para la mayoría de las operaciones de enlaces secundarios. Estos resultados reducen notablemente el peso de las palay agiliza el tiempo de fabricación de las piezas. En este proceso, por el cual el poliéster es inyectado en un molde cerrado, se pueden enumerar por lo tanto las siguientes ventajas: • Dos caras aprovechables (lisas) • Espesores constantes • Mayor capacidad de producción, apto para series de hasta 10.000 piezas/ año • Eliminación de todo tipo de imperfecciones en la superficie de la pieza • Mejores propiedades mecánicas de la pieza acabada • Capacidad de incluir todo tipo de insertos con facilidad • Espesor deseado con una única tela de fibra • Piezas tipo sándwich, con poliuretano u otros componentes en el interior 6. CONCLUSIONES Se ha desarrollado el proceso completo de diseño de la pala de un aerogenerador. Durante este proceso se ha comprobado la utilidad de diferentes herramientas de cálculo computacional como lo son el WT-PERF 25 para el diseño aerodinámico, el NuMAD para la generación de geometría y el ANSYS para el cálculo estructural. Se ha comprobado como el NuMAD es un programa que agiliza el proceso de creación de un modelo para calculo en elementos finitos, permitiendo realizar fácilmente cambios en la definición y configuración de materiales compuestos y de perfiles aerodinámicos. El uso de ésta herramienta permite llegar de manera mas adecuada y correcta a un modelo en elementos finitos lo que conlleva consigo una mejora en la definición estructural, ya que al ser un proceso que conlleva un tiempo más corto se puede incidir la optimización del diseño. El calculo en ANSYS de la pala diseñada comprueba la resistencia del diseño estructural y por lo tanto permite continuar con la selección de un método de fabricación. Se determina que el RTM es un proceso que es adecuado para palas pequeñas con geometrías complejas y grandes series.