Estudio comparativo de perfiles aerodinámicos de álabes para una turbina eólica de 3 KW mediante método analítico y simulación numérica

Abstract

El presente trabajo de tesis consiste en el análisis aerodinámico de perfiles de sustentación para un aerogenerador de tres álabes de eje horizontal con una potencia de 3kW. El principal objetivo reside en la determinación y comparación de la eficiencia aerodinámica de 4 perfiles de sustentación mediante método analítico para finalmente evaluar el perfil de mayor eficiencia a través de simulación numérica por medio de software CFD. A través de la combinación de las teorías de cantidad de movimiento y del elemento del álabe se logra desarrollar el método analítico que consiste en un proceso de cálculo iterativo con el cual se analiza 4 perfiles aerodinámicos, en cada condición de operación y en cada sección del álabe en las que se dividió. Esto lleva a obtener los parámetros que definen el rendimiento aerodinámico para luego comparar los perfiles mediante las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad especifica de la punta del álabe obteniéndose que el perfil de mayor eficiencia es el WORTMANN FX 60-126. Luego de seleccionar el perfil más eficiente se procede a evaluar sus características mediante simulación numérica a través del análisis de volúmenes finitos para flujo externo en software CFD. Se presenta la metodología de trabajo para elaborar el modelado, el mallado, las condiciones de contorno y el análisis de convergencia en el modelo de turbulencia SST. Al obtener los resultados de potencia por simulación numérica se comparan las curvas de rendimiento entre ambos métodos desarrollados, concluyendo principalmente que el método analítico es un proceso de cálculo confiable ya que la curva de eficiencia presenta la forma característica de campana para aerogeneradores de eje horizontal. Como resultado se tiene que mediante la comparación de las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad específica en el perfil seleccionado la variación del coeficiente de potencia es de aproximadamente 15% para la mayor parte de las condiciones de operación. Finalmente, se muestra la resolución de los fenómenos aerodinámicos donde se observa el cambio de presión y velocidad del viento al atravesar el rotor, la resolución del perfil de velocidad en la capa límite, las líneas de flujo y la turbulencia generada por el paso de viento sobre el rotor, la diferencia de velocidades y presiones alrededor del perfil aerodinámico que generan la fuerza de sustentación y finalmente la potencia. Concluyéndose que el procedimiento desarrollado para la simulación numérica es confiable ya que describe los fenómenos aerodinámicos esperados teóricamente.