DISEO Y CARACTERIZACION DE UNA TURBINA WELLS DE …
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DISEÑO Y CARACTERIZACION DE UNA TURBINA WELLS DE ASPAS INTERCAMBIABLES, DESTINADA A UN SISTEMA DE EXTRACCION DE ENERGIA DE LAS OLAS DEL MAR PABLO ANDRES JIMENEZ TAMARA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA D.C. 2004
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DISEÑO Y CARACTERIZACION DE UNA TURBINA WELLS DE ASPAS INTERCAMBIABLES, DESTINADA A UN SISTEMA DE EXTRACCION
DE ENERGIA DE LAS OLAS DEL MAR
PABLO ANDRES JIMENEZ TAMARA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA D.C.
2004
DISEÑO Y CARACTERIZACION DE UNA TURBINA WELLS DE ASPAS INTERCAMBIABLES, DESTINADA A UN SISTEMA DE ESXTRACCION
DE ENERGIA DE LAS OLAS DEL MAR
PABLO ANDRES JIMENEZ TAMARA
Proyecto de Grado para optar al titulo de Ingeniero Mecánico
Asesor
ALVARO PINILLA Ingeniero Mecánico, M.Sc., Ph.D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTA D.C. 2004
Declaro que soy el único autor de la presente tesis
Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a
otras instituciones o personas para propósitos de investigación solamente.
Firma
También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento
sea fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o
personas con fines de investigación solamente.
Firma.
Bogotá D.C, 11 de Enero de 2005
Doctor:
ALVARO PINILLA
Director
Departamento de Ingeniería Mecánica
Ciudad
Apreciado Doctor
Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto
de grado titulado: ”DISEÑO Y CARACTERIZACION DE UNA TURBINA
WELLS DE ASPAS INTERCAMBIABLES, DESTINADA A UN SISTEMA
DE EXTRACCION DE ENERGIA DE LAS OLAS DEL MAR” como
requisito parcial de grado del programa de Pregrado en Ingeniería
Mecánica.
Atentamente,
_________________________________
PABLO ANDRES JIMENEZ TAMARA
C.C 80.086.722
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCION 2
1. OBJETIVOS 4
1.1 Objetivos Específicos 4
2. MARCO TEORICO 6 2.1 Columnas de Agua Oscilante 6
2.2 Turbinas Wells 7
2.3 Diseño Aerodinámico 9
2.4 Análisis Dimensional 12
3. CARACTERIZACION DEL TUNEL DE VIENTO SEMI-ABIERTO 15
3.1 Características y generalidades del túnel 15
3.2 Procedimiento de calibración 16
3.3 Resultados Caracterización 19
4. DISEÑO Y COSTRUCCION DE LA TURBINA 22 4.1 Diseño de las aspas 22
4.2 Diseño del cubo de turbina 25
4.3 Diseño del elemento direcciónador de flujo 27
4.4 Diseño del encerramiento de flujo 28
5. PROCESO DE MANUFACTURA TURBINA WELLS 30 6. CARACTERIZACION TURBINA WELLS BAJO FLUJO SEMI-ABIERTO 33 6.1 MONTAJE EXPERIMENTAL 33
6.1.1 Momento de inercia turbina 38
6.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES 39
6.2.1 Arranque en desboque 39
6.2.2 Eficiencia 42
6.2.3 Numero de Reynolds 46
7. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS 49 8. REFERENCIAS BIBLOGRAFICAS 51 9. ANEXOS 53
LISTA DE TABLAS
Pág.
TABLA 1. Distancias Diametrales
(Airflow Developments Limited) 17
TABLA 2. Resultados cuerda a diferentes distancias
radiales (6 Aspas) 24
TABLA 3. Resultados cuerda a diferentes distancias
radiales (3 Aspas) 24
TABLA 4. Eficiencia Teórica 25
TABLA 5. Resumen de comportamiento en desboque a
diferentes velocidades 42
TABLA 6. Determinación Momento de Inercia 43
TABLA 7. Resultados experimentales 44
LISTA DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1. Diagrama esquemático Sistema de Columna de
Agua Oscilante. 7
FIGURA 2. Giro de la Turbina 8
FIGURA 3. Turbina Wells. (Kelly J. Kimball, 2003) 9
FIGURA 4. Velocidades y fuerzas aerodinámicas sobre perfil
(Pinilla, 1985) 10
FIGURA 5. Esquema Túnel de Viento (mm). (Santa, 2002) 16
FIGURA 6. Eficiencia Túnel de Viento 19
FIGURA 7. Relación P vs. Q, túnel de viento, 50 Hz. 20
FIGURA 8. Relación P vs. Q, túnel de viento, 60 Hz. 21
FIGURA 9. Relación CL/CD perfil NACA 0021 Re=40.000
(Sandia National Laboratories, 1981) 23
FIGURA 10. Perfil NACA 0021 24
FIGURA 11. Cubo de Turbina Φ 100mm 26
FIGURA 12. Aspa Tipo 1 (Utilizada con turbina de 6 aspas) 26
FIGURA 13. Aspa Tipo 2 (Utilizada con turbina de 3 aspas) 27
FIGURA 14. Diseño del elemento direcciónador de flujo 28
FIGURA 15. Grafico Velocidad vs. Voltaje Motor DC 36
FIGURA 16. Desboque turbina Wells, 50 Hz, 3 Aspas 40
FIGURA 17. Desboque turbina Wells, 60 Hz, 3 Aspas 41
FIGURA 18. Desboque turbina Wells, 50 Hz, 6 Aspas 41
FIGURA 19. Desboque turbina Wells, 60 Hz, 6 Aspas 42
FIGURA 20. Eficiencia turbina Wells, 50 Hz, 6 Aspas 44
FIGURA 21. Eficiencia turbina Wells, 60 Hz, 6 Aspas 45
FIGURA 22. Eficiencia turbina Wells, 50Hz, 3 Aspas 45
FIGURA 23. Eficiencia turbina Wells, 60Hz, 3 Aspas 46 FIGURA 24. Comportamiento número de Reynolds,
60 Hz, 6 Aspas 47
FIGURA 25. Punto de Operación Turbina, respecto
al comportamiento del túnel. (50Hz) 48
FIGURA 26. Punto de Operación Turbina, respecto
al comportamiento del túnel. (60Hz) 48
LISTA DE FOTOS
Pág.
FOTO 1. Túnel de Viento Semi-Abierto
(Universidad de los Andes) 18
FOTO 2. Medición de Velocidad Tubo Pitot 18
FOTO 3. Prototipeadora Dimension 3D 31
FOTO 4. Aspa prototipeada 32
FOTO 5. Montaje turbina Wells. 34
FOTO 6. Turbina Wells girando 35
FOTO 7. Montaje motor DC – turbina Wells 36
FOTO 8. Montaje para determinar el momento de inercia
de la turbina Wells. 39
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NOMENCLATURA B: Numero de Aspas T*: Coeficiente de Torque
c: Longitud de Cuerda U*: Coeficiente de Flujo
CL: Coeficiente de Sustentación Ut: Velocidad Inducida
CD: Coeficiente de Arrastre U: Velocidad del Aire
D: Fuerza de Arrastre Vefec: Velocidad Efectiva
F: Fuerza Centrifuga sobre Vgeom: Velocidad Geométrica
Aspas WR: Peso Sistema Rotación
FX: Componente de Fuerza Axial ∆Po: Caída de Presión a través
FT: Componente de Fuerza de la Turbina
Tangencial α: Angulo de Ataque
h: Relación Diámetros del Cubo φo: Angulo de Velocidad
y del Disco Efectiva
I: Momento de Inercia η: Eficiencia
L: Fuerza de Sustentación ρ: Densidad del Aire Bajo
m: Peso de las Aspas Condiciones Actuales
p: Presión Estática σ: Solidez de la Turbina
P: Potencia Ω: Velocidad Angular
Q: Flujo de Aire λ: Velocidad Especifica de
Re: Numero de Reynolds Rotación
R: Radio de la Turbina ν: Viscosidad Cinemática del
r: radio, elemento variable Aire
τ: Periodo de Oscilación T: Torque
1
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INTRODUCCION
Todo lo que hace el ser humano hoy en día depende necesariamente de
la energía, cosas tan simples como alimentarnos, transportarnos,
informarnos, educarnos, entre otras.
Hoy en día la mayor parte de esa energía que utilizamos a diario proviene
de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural. Es
importante recalcar que mientras que los combustibles fósiles todavía se
están creando en las profundidades de nuestro planeta, gracias a millones
de años de degradación de plantas, dinosaurios y otros animales, además
de altas temperaturas y presiones, el ser humano los esta consumiendo a
una tasa mucho mayor de lo que se podrían generar. Es por esto y por
problemas de contaminación, que necesitamos hallar e implantar fuentes
de energía que perduren por un tiempo indefinido y que sean de carácter
renovable.
Dentro de estas fuentes de energía renovable encontramos la energía
Solar, Eólica, Geotérmica, Bioenergía (Biomasa), Hidrogeno, Oceánica
entre otras.
El interés para el desarrollo de este proyecto es trabajar con la energía
Oceánica, mas específicamente con la energía extraída de las olas del
mar (Wave Energy).
2
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La energía otorgada por el mar proviene directamente del viento que
genera un movimiento del agua contenida en los océanos, a su vez el
viento se genera a partir del delta de temperaturas a nivel atmosférico
causado por la radiación solar. Es decir la fuente primordial de este ciclo
es el sol y este se considera una fuente casi inagotable.
3
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1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Determinar los parámetros de importancia en el diseño de una
turbina Wells.
- Establecer condiciones físicas necesarias para un diseño
adecuado.
- Implementar en el diseño de la turbina la posibilidad de tener aspas
intercambiables, para de esta forma poder probar varios perfiles y
diferente cantidad de aspas.
- Llevar a cabo la elaboración de un modelo físico de turbina,
posterior a su correspondiente diseño teórico. Para este fin se
elaborara un diagrama tridimensional en un programa CAD y
posteriormente se imprimirá en tres dimensiones con la ayuda de la
maquina de prototipeo rápido.
- Caracterizar, verificar y analizar el desempeño del túnel de viento
semi-abierto que se encuentra en el laboratorio de Ingeniería
Mecánica de la Universidad de los Andes. Esto para determinar el
punto de mejor operación del túnel y la posterior caracterización de
la turbina Wells.
4
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- Montar y probar la turbina Wells diseñada, llegar a conclusiones
sobre su desempeño.
5
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2. MARCO TEORICO 2.1 COLUMNA DE AGUA OSCILANTE De este sistema hace parte una estructura metálica o en concreto
(‘colector’) parcialmente sumergida en el océano, esta estructura esta
abierta debajo de la superficie del agua oceánica conteniendo una
columna de agua. El aire es atrapado sobre la superficie de la columna de
agua. Como las olas entran y salen del colector debido a su movimiento
natural ocasionado por el viento, la columna de agua se mueve hacia
arriba y hacia debajo de modo oscilatorio, actuando así como un pistón
que mueve el aire adelante y atrás. Este aire es entonces acanalado hacia
una turbina Wells que es forzada a girar. Esta turbina esta a su vez
acoplada a un generador para de esta forma generar energía eléctrica.
[Figura No. 1].
Existen ciertas consideraciones importantes para la implantación de un
sistema basado en el OWC (Oscillating Water Column) por sus siglas en
ingles.
- Comportamiento de las olas en el lugar escogido (Clima de oleaje).
- Viabilidad de conexión a la red local.
- Facilidad de acceso para el equipo de trabajo (montaje, operación y
mantenimiento).
- Respuesta positiva de la comunidad hacia el proyecto.
- Rango de marea (Tidal Range).
6
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Elementos principales del sistema:
- Colector
- Unidad Turbina-Generador (Turbina Wells-Generador de Inducción)
- Sistema de Control y Monitoreo
Figura No. 1 Diagrama esquemático Sistema de Columna de Agua
Oscilante.
2.2 TURBINA WELLS Uno de los problemas más grandes relacionados con la generación de
energía eléctrica partir de las olas del mar, era el simple hecho de que el
agua salada marina es una sustancia altamente corrosiva, especialmente
cuando entra en contacto con partes mecánicas por periodos de tiempo
prolongados. Este inconveniente se resolvió utilizando el sistema OWC
antes mencionado, que utiliza aire comprimido en vez de agua marina
para poner a rotar la unidad turbina-generador.
7
IM-2004-II-24
El siguiente obstáculo a partir de este punto fue como utilizar este flujo en
dos direcciones suministrado por el sistema.
La turbina Wells fue diseñada por Alan Wells en la última parte de los
años ochenta en conjunto con un proyecto de investigación llevado a cavo
por la Universidad de Queens.
Su principal objetivo fue desarrollar una turbina que pudiera aceptar flujo
en dos direcciones mientras esta giraba en una sola dirección sin importar
la dirección del flujo de aire o agua.
Como se puede ver en la [Figura No. 3], el diseño de las aspas fue la
innovación de la turbina. Las aspas son similares a cualquier perfil
aerodinámico excepto por que estas son simétricas con respecto al eje
horizontal. Otros perfiles típicamente poseen formas elípticas y no son
simétricas con respecto al eje-x. Por otro lado la turbina Wells utiliza la
sustentación y el arrastre para obtener su propia rectificación en la
rotación del generador (unidireccional). Cuando el aire se mueve positiva
o negativamente, la dirección de giro de las aspas es siempre en el mismo
sentido. [Figura No. 2]
Figura No. 2 Giro de la Turbina.
8
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Figura No. 3 Turbina Wells. (Kelly J. Kimball, 2003)
2.3 DISEÑO AERODINAMICO
La extracción de energía en el rotor de la turbina implica un cambio en el
momento angular de la corriente de aire; este cambio ocurre por la
interacción existente entre el flujo de aire y los alabes de la turbina. El
adecuado diseño de una turbina Wells, consiste en producir una
componente de energía cinética rotacional después de la turbina lo mas
reducida posible. Esta reducción se ve reflejada en la obtención de un
flujo de aire lo mas axial posible y en una caída de presión
9
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aproximadamente lineal respecto al flujo de aire. La componente de
energía cinética rotacional queda entonces representada por la velocidad
inducida (Ut) al flujo de aire. (Pinila, 1985) Para el diseño aerodinámico de la turbina se recurre a la teoría de
conservación del momentum angular en combinación con el análisis
individual de un elemento de aspas. En la Figura No. 4 se representa las
velocidades y las componentes de las fuerzas que actúan sobre un
elemento de aspa de la turbina.
Figura No. 4 Velocidades y fuerzas aerodinámicas sobre perfil.
(Pinilla, 1985)
Las fuerzas aerodinámicas se pueden descomponer de la siguiente forma:
00
00
sincoscossin
ϕϕϕϕ
DLFDLF
X
T
−=−=
(2.1)
10
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Considerando la definición de las fuerzas de sustentación y arrastre
tenemos que:
CDcVD
CLcVL
EFEC
optimoEFEC
⋅⋅⋅=
⋅⋅⋅=
2
2
2121
ρ
ρ (2.2)
Despreciando el efecto producido por el arrastre sobre el perfil;
representado por las perdidas viscosas, se obtiene la ecuación de
conservación de la energía expresada así:
0cot)21( ϕρ ⋅⋅⋅=− tUUpp (2.3)
El ángulo de la velocidad efectiva (φ0) respecto al plano de rotación, se
define de la siguiente forma:
tUrU+⋅Ω
=0tanϕ (2.4)
El diseño óptimo de la turbina considera que la caída de presión a través
de la turbina sea constante para cada elemento de aspa. Condición que
es asegurada cumpliendo una relación aproximadamente lineal entre la
caída de presión (∆p0) y el flujo de aire (Q). (Raghunathan y Beatie, 1996) Cumpliendo la anterior condición se obtiene la expresión para a velocidad
inducida (Ut).
11
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rppUt ⋅Ω⋅⋅
−=
ρ221 (2.5)
Con estas relaciones antes mencionadas se puede obtener una expresión
para la eficiencia.
rU t
⋅+
=
ω
η1
1 (2.6)
Por ultimo llegamos a la ecuación final de diseño que nos proporciona
información acerca de la longitud y la distribución radial de la cuerda, para
el aspa diseñada.
))(1)(2
21(
1)(1
14
2
20
20
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++
⋅∆
+
⋅+
⋅∆=⋅⋅
⋅⋅
∗
∗∗∗
∗
UUpU
pr
CLcB optimo
π (2.7)
2.4 ANÁLISIS DIMENSIONAL
La caracterización y la determinación del desempeño de la turbina Wells
la podemos expresar en términos de números adimensionales.
Uno de los factores mas importantes a la hora de determinar la geometría
de una turbina de estas características es la solidez (σ), relación entre el
área ocupada por las y el área total descrita. Este factor lo podemos
expresar de la siguiente forma:
)1( hRcB+⋅⋅
⋅=π
σ (2.8)
12
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La solidez determina en primera medida el comportamiento de arranque
de la turbina. Para valores bajos de solidez, la turbina es incapaz de
acelerar a la velocidad final de operación cuando parte desde el reposo.
Ese fenómeno es conocido como arrastre (crawling) y es evitado
garantizando un valor mínimo de solidez de 0.60 (Raghunathan y Tan, 1981). Realizando el respectivo análisis dimensional podemos encontrar otros
grupos adimensionales de importancia en el funcionamiento de la turbina
Wells. Estos dependen principalmente de los siguientes parámetros:
- Densidad del Fluido (ρ)
- Velocidad del Aire (U)
- Radio de la turbina (R)
- Caída de Presión (∆P0)
- Velocidad Angular (Ω)
- Torque (T)
Las siguientes expresiones determinan los números adimensionales:
52 RTT⋅Ω⋅
=∗
ρ Coeficiente de Torque (2.9)
220
0 RP
P⋅Ω⋅
∆=∆ ∗
ρ Coeficiente de Presión (2.10)
λ1
=⋅Ω
=∗
RUU Coeficiente de Flujo (2.11)
13
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El otro número adimensional de gran importancia para nuestros
propósitos de diseño es la eficiencia de la turbina definida como la
relación entre la potencia mecánica y la energía neumática disponible; la
eficiencia esta determinada por la siguiente ecuación:
0PQT∆⋅Ω⋅
=η Eficiencia (2.12)
El último grupo adimensional es el número de Reynolds, el cual relaciona
fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas de la corriente de aire. Lo
definimos así:
( )νν
cURcV
tU
EFEC ⋅+⋅Ω=
⋅=
→
22
0
)(Re Numero Reynolds (2.13)
14
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3. CARACTERIZACION DEL TUNEL DE VIENTO SEMI-ABIERTO
3.1 CARACTERISTICAS Y GENERALIDADES DEL TUNEL
Para hacer una correcta caracterización de la turbina Wells, es necesario
contar con un sistema controlado que simule aproximadamente las
condiciones (flujo de aire axial) en las cuales la turbina va ha estar
operando. Para este fin se cuenta con un túnel de viento semi-abierto
construido por la Universidad de los Andes.
Lo importante en este caso, en lo que tiene que ver con la operación del
túnel de viento, es conocer el comportamiento de todas sus variables en
diferentes instantes de tiempo.
El flujo de aire axial es suministrado al túnel por un ventilador trifásico
SIEMENS de 3600 rpm, el cual es controlado por un variador ALTIVAR
66, que se encarga de modificar la velocidad de giro del ventilador
cambiando la frecuencia entregada. El rango de operación que maneja el
ventilador va de 1740 a 3600 rpm. Es importante hacer énfasis en que la
frecuencia enviada por el variador, no coincide exactamente con la
velocidad esperada del ventilador, lo cual nos indica un error promedio
aproximado del 1 % por debajo de la velocidad esperada. Lo anterior se
debe a las características físicas del ventilador.
15
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El túnel de viento se encuentra fabricado en lámina galvanizada y por
secciones. Su diámetro es de 300 mm, el ventilador se encuentra ubicado
en la parte inferior de la configuración y antes de la salida tiene sus
respectivos rectificadores de flujo. Ver [Figura No. 5].
Figura No. 5 Esquema Túnel de Viento (mm). (Santa, 2002)
4.2 PROCEDIMIENTO DE CALIBRACION
El túnel de viento semi-abierto es calibrado midiendo presiones estáticas y
de velocidad en dos diferentes puntos mostrados en la [Figura No. 5] (P1
y P2). Estas mediciones antes mencionadas se hicieron a cinco diferentes
velocidades de ventilador (1500, 2000, 2500, 3000 y 3600 rpm). Para
cada una de estas velocidades, se midió además corriente y voltaje en la
16
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entrada del ventilador para de esta forma calcular la potencia consumida
en cada instante.
Como elemento de simulación de carga, se opto por construir un cono de
400 mm de diámetro por 250 mm de alto. Este cono se iba introduciendo
paulatinamente ciertas distancias especificadas hasta lograr tapar
totalmente la salida del túnel. Ver [Figura No. 5].
Las presiones de velocidad y estáticas son medidas a través de un tubo
Pitot estándar conectado a un manómetro inclinado DWYER de 0 a 3
pulgadas de agua con una resolución de 0.02.
Para diámetros mayores de 150 mm en la sección donde se desea medir
velocidad, se debe realizar un recorrido diametral de mínimo 10
mediciones con el tubo Pitot, con el fin de determinar la velocidad
promedio de la sección. En la [Tabla No. 1] se establecen las distancias
diametrales para introducir el Pitot en túnel de viento de 300 mm de
diámetro. Esta medición de velocidades se efectúa en el punto P1, a
diferentes velocidades de giro del ventilador y diferentes profundidades de
carga, como se menciono anteriormente. Ver [Foto No. 1 y Foto No.2]
Tabla No. 1 Distancias Diametrales (Airflow Developments Limited) Factor Distancia (mm) 0.019D 5.7 0.077D 23.1 0.153D 45.9 0.217D 65.1 0.361D 108.3 0.639D 191.7 0.783D 243.9 0.847D 254.1 0.923D 276.9 0.981D 294.3
17
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Túnel de viento semi-abierto
Foto No. 1 Túnel de Viento Semi-Abierto (Universidad de los Andes)
Cono
Manómetro Inclinado
Tubo Pitot
Foto No. 2 Medición de Velocidad Tubo Pitot
18
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4.3 RESULTADOS CARACTERIZACION Después de realizar el procedimiento de calibración del túnel se procedió
a organizar los datos obtenidos, de tal forma que se pudiera saber el
comportamiento real del túnel a diferentes condiciones.
Para esto se tuvo en cuenta parámetros como presión total en los
diferentes puntos, caudal a diferentes velocidades y cargas, potencia
consumida a diferentes condiciones.
La [Figura No. 6] representa la relación entre la energía neumática
disponible y la energía consumida por el ventilador, es decir la eficiencia.
La tabulación de estos valores es útil para encontrar el punto de mejor
operación del túnel, que es el que se utilizara posteriormente para el
diseño de la turbina Wells.
Eficiencia Tunel
0.0000.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.400
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
Q/n*D3
Pres
s.*Q
/Pot
. Efe
ctiv
a
3000 rpm2500 rpm2000 rpm1500 rpm3600 rpm
Punto de mejor operación
Figura No. 6 Eficiencia Túnel de Viento
Condiciones en el punto de mejor operación:
- Velocidad de giro del ventilador (Ωventilador) = 3600 RPM
- Eficiencia máxima (ηmax) = 37.59 %
19
IM-2004-II-24
- Presión total [1] (Pt1) = 98.17 Pa
- Velocidad Promedio = 5.95 m/sg
- Potencia consumida ventilador = 110.4 Watts
- Distancia introducida cono = -150 mm
- Caudal = 0.42 m3/sg
- Área Túnel = 0.071 m2
- Potencia Neumática = 41.23 Watts
Otra información de suma importancia es la relación que existe entre la
presión estimada y el caudal obtenido, ya que nos sirve para más
adelante darse cuenta en donde específicamente esta operando la turbina
con respecto al túnel. Ver Figuras No. 7 y 8.
PESTATICA vs. Q (50Hz)
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
Q (m3/sg)
P (Pa)
Figura No. 7 Relación P vs. Q, túnel de viento, 50 Hz.
20
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PESTATICA vs. Q (60Hz)
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80
Q (m3/sg)
P (Pa)
Figura No. 8 Relación P vs. Q, túnel de viento, 60 Hz.
21
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4. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE LA TURBINA
4.1 DISEÑO DE LAS ASPAS
Uno de los componentes más importantes en el óptimo diseño de una
turbina Wells son las aspas, como ya mencionamos anteriormente las
aspas tienen un perfil totalmente simétrico y con un ángulo de calaje
totalmente nulo.
La consideración más importante en el momento de hacer la selección de
un perfil determinado, es la relación existente entre su coeficiente de
arrastre y su coeficiente de sustentación para un número de Reynolds
determinado. Entre más delgado sea el perfil su relación de sustentación-
arrastre se va a incrementar significativamente para un número de
Reynolds específico. En las relaciones teóricas tratadas en el capitulo
anterior incluíamos un coeficiente de sustentación optimo (CLoptimo), para
este diseño el coeficiente se extrajo del punto de mayor relación entre CL
y CD para un ángulo de ataque especifico.
Para el diseño se elige un perfil simétrico NACA 0021 con una relacion
CL/CD de 12,12 a un ángulo de ataque (α) de 6˚. Ver [Figura No. 9].
La eficiencia de la turbina es afectada por el espesor del perfil,
especialmente a números de Reynolds menores de 105. (Raghunathan y Tan, 1981).
22
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-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0 50 100 150 200
Angulo de ataque
CL, CD
-15.0
-10.0
-5.0
0.0
5.0
10.0
15.0
CL/CDCLCDCL/CD
Figura No. 9 Relación CL/CD perfil NACA 0021 Re=40.000 (Sandia
National Laboratories, 1981)
Una de las características destacables en el diseño de esta turbina Wells,
es la posibilidad de intercambiar las aspas, siendo así posible utilizar 3 o 6
aspas y además pudiendo implementar diferentes perfiles de prueba si se
desea.
Para cada uno de los dos tipos de turbina se calculo la solidez (σ)
basados en la longitud de cuerda de mayor longitud para cada uno. Se
obtuvo valores de 0.5918 y 0.5919, para 6 y 3 aspas respectivamente.
Utilizando la teoría y los coeficientes experimentales de Sandia logramos
un perfil simétrico de geometría sectorial, con las siguientes
características: Ver Tabla No. 2 y 3 3 Aspas 6 AspasLongitud de Cuerda Menor = 29.39 mm Longitud de Cuerda Menor = 14.69 mm
Longitud de Cuerda Mayor = 88.33 mm Longitud de Cuerda Mayor = 44.16 mm
23
IM-2004-II-24
Tabla No. 2 Resultados cuerda a diferentes distancias radiales (6 Aspas)
r[mm] VT[m/s] Ut[m/s] φo[grados] Vefec[m/s] U* c[mm] 50.00 7.85 8.08 45.66 22.79 2.08 14.69 54.25 8.52 7.44 45.60 22.82 1.91 16.94 58.50 9.19 6.90 45.37 22.91 1.77 19.35 62.75 9.86 6.44 45.02 23.05 1.65 21.91 67.00 10.52 6.03 44.56 23.23 1.55 24.63 71.25 11.19 5.67 44.04 23.45 1.46 27.51 75.50 11.86 5.35 43.45 23.70 1.37 30.54 79.75 12.53 5.06 42.82 23.98 1.30 33.72 84.00 13.19 4.81 42.16 24.29 1.24 37.05 88.25 13.86 4.58 41.48 24.61 1.18 40.53 92.50 14.53 4.37 40.78 24.96 1.12 44.16
Tabla No. 3 Resultados cuerda a diferentes distancias radiales (3 Aspas)
r[mm] VT[m/s] Ut[m/s] φo[grados] Vefec[m/s] U* c[mm] 50.00 7.85 8.08 45.66 22.79 2.08 29.39 54.25 8.52 7.44 45.60 22.82 1.91 33.88 58.50 9.19 6.90 45.37 22.91 1.77 38.69 62.75 9.86 6.44 45.02 23.05 1.65 43.82 67.00 10.52 6.03 44.56 23.23 1.55 49.26 71.25 11.19 5.67 44.04 23.45 1.46 55.01 75.50 11.86 5.35 43.45 23.70 1.37 61.07 79.75 12.53 5.06 42.82 23.98 1.30 67.43 84.00 13.19 4.81 42.16 24.29 1.24 74.10 88.25 13.86 4.58 41.48 24.61 1.18 81.06 92.50 14.53 4.37 40.78 24.96 1.12 88.33
NACA 0021
-15
-10
-5
0
5
10
15
0 20 40 60 80 100 120
X/C
Y/C
Figura No. 10 Perfil NACA 0021
24
IM-2004-II-24
Para este diseño planteado teóricamente y utilizando la ecuación (2.6) del
capitulo 2, se calculan las siguientes eficiencias teóricas. Ver Tabla No. 4
Estas se utilizaran posteriormente para hacer una comparación con las
obtenidas de la experimentación.
VT[m/s] ω x r Ut[m/s] η[%] 7.85 8.08 49.30 8.52 7.44 53.38 9.19 6.90 57.10 9.86 6.44 60.50 10.52 6.03 63.59 11.19 5.67 66.38 11.86 5.35 68.92 12.53 5.06 71.21 13.19 4.81 73.30 13.86 4.58 75.18 14.53 4.37 76.90 Tabla No. 4 Eficiencia Teórica
4.2 DISEÑO DEL CUBO DE TURBINA
El cubo de turbina es el elemento donde irán sujetas las aspas y además
donde se hará el ensamble con el correspondiente eje y el spinner. Se
diseño un cubo de 100mm de diámetro y 10mm de espesor, con una pera
central para sujeción de 30mm de diámetro y 30mm de espesor. La pera
central proporciona una superficie de contacto y agarre mayor entre el eje
de acero 1020 y el cubo, lo cual disminuye la posibilidad de un posible
movimiento relativo entre eje y cubo.
Como se menciono en el numeral anterior la turbina posee la gran ventaja
de tener sus aspas removibles, esto hizo necesario la implantación de un
sistema de acople novedoso y practico. Para tal fin se ideo un mecanismo
de ajuste que no incluye ningún elemento de sujeción externo, si no que
25
IM-2004-II-24
trabaja con las mismas piezas y material con el que se esta operando. El
disco tiene la opción de ensamblar 3 o 6 Aspas. Ver Figura No. 11.
Figura No. 11 Cubo de Turbina Φ 100mm
Figura No. 12 Aspa Tipo 1 (Utilizada con turbina de 6 aspas)
26
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Figura No. 13 Aspa Tipo 2 (Utilizada con turbina de 3 aspas)
El eje de acero se asegurara al cubo utilizando un prisionero a lado y lado
del mismo. Tres perforaciones situadas en la superficie del cubo se
utilizaran para la sujeción del spinner a cada lado.
4.3 DISEÑO DEL ELEMENTO DIRECCIONADOR DE FLUJO (SPINNER) Como su nombre lo indica el direcciónador de flujo es el encargado de
obligar al flujo a incidir directamente sobre las aspas. Esto se hace ya que
el cubo ocupa un área bastante grande respecto al área inscrita por las
aspas, esto genera que esta zona del cubo se convierta en zona muerta
en la cual incide el flujo de aire ocasionando una fuerte caída de presión y
perdidas aerodinámicas en las aspas.
El spinner se ensambla directamente al cubo de la turbina y es enfrentado
directamente al flujo de aire. El diseño propone que el eje en acero
atraviese los spinners ubicados a lado y lado. Ver Figura No. 14
27
IM-2004-II-24
Figura No. 14 Diseño del elemento direcciónador de flujo
4.4 DISEÑO DEL ENCERRAMIENTO DE FLUJO Las turbinas de tipo Wells trabajan con un flujo de aire bi-direccional,
proporcionado por un movimiento de agua oscilante. Para garantizar que
este flujo incida de forma correcta (axial) sobre la turbina, es necesario
crear un encerramiento donde se instalara la turbina.
Este encerramiento fue construido en forma de cilindro abierto en los dos
extremos, con un diámetro interior de 205mm y un largo de 500mm. Para
esto se utilizo lámina de acrílico de 4mm de espesor, posteriormente
termo formada y prensada.
Este encerramiento o carcaza cumple también con la función de sujetar la
turbina en una posición fija y garantizar su correcta ubicación y
enfrentamiento con el flujo. Esta sujeción se hace por medio de soportes
28
IM-2004-II-24
en ABS, que tienen la forma de tres patas conectadas a un aro central
donde se encuentran ubicados los correspondientes rodamientos (SKF
6000 2Z).
En algunos sistemas (OWC) el encerramiento de flujo es construido en
forma de Venturi; el cual en su sección convergente, es ensamblada la
turbina Wells para obtener valores mas elevados de velocidad respecto a
una sección recta.
29
IM-2004-II-24
5. PROCESO DE MANUFACTURA TURBINA WELLS
El proceso de manufactura del cubo, las aspas y los soportes de sujeción
fue realizado utilizando la maquina de prototipeo rápido DIMESION 3D,
203*203*305mm (Ver Foto No. 3). Esta impresora en tres dimensiones
esculpe de forma impecable y precisa, piezas con geometrías altamente
complejas. Esto lo hace utilizando como material de trabajo el polímero
conocido como ABS (Acrilonitrilo - Butadieno – Estireno). Varias cosas se
pueden decir sobre los componentes del ABS, el acrilonitrilo proporciona
resistencia química, fuerza extensible y durabilidad. El butadieno
contribuye a la resistencia de impacto, ductilidad de baja temperatura y
dureza total. El estireno imparte la facilidad del proceso, dureza de la
superficie y lustre. No hay que dejar de lado el material de soporte que es
de gran importancia, este es el material que ayuda con el alojamiento y
soporte del modelo que se esta imprimiendo.
Es de implacable importancia hacer énfasis en la relevancia que tiene la
utilización de esta tecnología de avanzada para este proyecto. Ya que las
piezas terminadas son de tan alta calidad y dimensiones tan precisas, se
garantizan de inmediato resultados experimentales de excelente calidad.
Se manejan modelos de tan alta precisión, que seria casi imposible
realizarlos con otro proceso y o tecnología de manufactura. Las
30
IM-2004-II-24
aspas de tipo sectorial que se planteo construir, es indispensable
construirlas con este tipo de tecnología.
Foto No. 3 Prototipeadora Dimension 3D
La obtención del modelo deseado parte del dibujo en tres dimensiones en
un programa CAD (en este caso Solid Edge) de la pieza o piezas que se
desea crear. Este archivo se guarda en formato .STL, especificando la
tolerancia de conversión, la unidad de tolerancia, el ángulo del plano de la
superficie y el tipo de archivo. Para este caso se tomaron los siguientes
valores:
- Tolerancia de conversión = 0.01
- Unidad de tolerancia = mm
- Angulo del plano de la superficie = 5 grados
- Tipo de archivo = Binario
31
IM-2004-II-24
Luego utilizando el paquete computacional “Catalyst”, se importa el
archivo .STL, se orienta la pieza, se insertan piezas adicionales si caben y
por ultimo el software calcula el tiempo requerido para la impresión y la
cantidad de material a utilizar. Luego el programa es el encargado de
enviar la orden y la información a la prototipeadora para la
correspondiente impresión.
A continuación se muestra una de las aspas impresas por la
prototipeadora, se nota su complejidad y acabado superficial. Ver Foto
No. 4
Foto No. 4 Aspa prototipeada
32
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6. CARACTERIZACION TURBINA WELLS BAJO FLUJO SEMI-ABIERTO
6.1 MONTAJE EXPERIMENTAL El flujo axial que es necesario para el giro de la turbina es proporcionado
por el túnel de aire semi-abierto que se encuentra en la Universidad de los
Andes. El encerramiento donde esta montada la turbina es acoplado al
túnel, este acople se hace por medio de un desarrollo en forma de cono
truncado, ya que el diámetro seccional del túnel es mucho mayor que el
de la carcaza. La turbina Wells es enfrentada a la sección de descarga del
túnel, soportada por un banco rígido de madera que equilibra
estáticamente el sistema. Esto sostiene el sistema de forma que se
disminuya cualquier tipo de vibración y así mejorar el comportamiento
dinámico. Ver [Foto No. 5]
Para desarrollar el montaje anteriormente propuesto se dejo una luz de
aproximadamente 2mm entre la punta del ala y el interior de la carcaza.
Esto garantiza una libertad de giro absoluta para la turbina y también un
aprovechamiento máximo del flujo que incide sobre la misma.
33
IM-2004-II-24
Carcaza
Foto No. 5 Montaje turbina Wells.
Desarrollo
Turbina Wells
Soportes
Banco
Para una caracterización completa de la turbina Wells hay que medir
varios factores de importancia, como lo son la velocidad de giro a
determinado flujo, como varía esta velocidad a través del tiempo, el torque
generado, la caída de presión, la velocidad de incidencia del viento y
otros.
Para determinar la velocidad ultima de giro se utilizo una lámpara
estroboscopica con una resolución de 0.1 RPM. Esta lámpara es
enfrentada a la turbina en movimiento, para de esta forma detectar por
medio de un haz de luz, la velocidad de giro en revoluciones por minuto.
Es importante recalcar la importancia de marcar una de las aspas de un
color oscuro, para de esta forma evitar la lectura de cualquier armónico de
frecuencia. Después de las mediciones pudimos notar mediciones un
poco variables por pequeños márgenes, esto debido a las vibraciones
propias del sistema. En la Foto No. 6 podemos observar la turbina en
34
IM-2004-II-24
movimiento en el momento de la medición con la lámpara, para encontrar
la velocidad que se quiere medir se busca el punto donde se observen
solamente la cantidad real de aspas, en nuestro caso particular 3 ó 6.
Foto No. 6 Turbina Wells girando
Es también de suma importancia hacer referencia a que con el
procedimiento y el instrumento de medición antes descrito solo podemos
obtener resultados de tipo instantáneo, es decir que si queremos obtener
información del comportamiento de la velocidad de giro de la turbina en el
tiempo tendremos que recurrir a procedimientos y equipos distintos.
Por esta razón se acoplo al eje de la turbina un motor DC de 3 voltios (Ver
Foto No. 7), que es el encargado de otorgarnos la información de la
velocidad en el tiempo. Esto se hace gracias al comportamiento lineal que
tienen la velocidad de giro y el voltaje generado en motores de este tipo.
Ver Figura No.15
35
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Foto No. 7 Montaje motor DC – turbina Wells
Velocidad vs. Voltaje
y = 2151.5x - 7.2176
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Voltaje [Voltios]
Velocidad [RPM]
Figura No. 15 Grafico Velocidad vs. Voltaje Motor DC
Así, midiendo el voltaje generado por el motor DC acoplado al eje
logramos saber que velocidad de giro lleva la turbina. La recolección de
esta información se hizo a través de una tarjeta de adquisición de datos
Labjack, la cual registraba datos con una tasa de muestreo de 100 datos
36
IM-2004-II-24
por segundo. La tarjeta por medio de un computador portátil almacenaba
toda esta información en un archivo (.xls), para su posterior análisis.
Otro de los parámetros medidos con la turbina en operación fue la presión
(estática y dinámica). Utilizando el tubo Pitot y el manómetro inclinado
(resolución de 0.05in de H2O) correspondiente calculamos la presión
exactamente antes de la turbina y exactamente después, para de esta
forma conocer la caída de presión generada por la turbina.
Esta caída de presión también la medimos utilizando un transductor de
presión con resolución de 10KPa, esto lo hicimos para tener una idea
clara de cómo se comporta esta caída a través del tiempo y a medida que
la turbina va adquiriendo velocidad. Para hacer la conexión con el
computador portátil tuvimos que diseñar un circuito eléctrico de
amplificación, ya que la señal que obteníamos era imperceptible para la
tarjeta de adquisición de datos. El montaje eléctrico contaba con un
amplificador operacional de instrumentación.
Encontramos que esta variación en el tiempo no es significativa y
entonces se procedió a trabajar con los resultados promedio
suministrados por el manómetro inclinado.
Así mismo con la ayuda del tuvo Pitot y el manómetro se midió la presión
dinámica antes de la turbina, para de esta forma poder hallar la velocidad
y de este modo conocer el caudal del flujo incidente. La ecuación utilizada
que convierte la presión de velocidad en velocidad del aire fue la
siguiente:
VS
PP
TB
V ×+
××=100000
100000289
1000291.1 (5.1)
37
IM-2004-II-24
Donde:
V = Velocidad [m/sg]
B = Presión Barométrica [mbar]
T = Temperatura Absoluta [˚K]
PS = Presión Estática [Pa]
PV = Presión Dinámica [Pa]
6.1.1 MOMENTO DE INERCIA TURBINA WELLS
El cálculo del momento de inercia es fundamental para conocer el
comportamiento dinámico del elemento mecánico en cuestión, este
determina la fuerza requerida para que el cuerpo gire alrededor de su eje
de rotación. Formulas y ecuaciones para hallar el momento de inercia de
cuerpos con geometrías sencillas como cilindros, discos, tubos y tuberías
con diferentes secciones están disponibles en libros de texto y
handbooks. Pero cuando las características del elemento a analizar son
mas complejas como en el caso de la turbina Wells, se hace necesario
hallar el momento de inercia de forma experimental.
Uno de los métodos experimentales más útiles es el de montar el cuerpo
a analizar de tal forma que este oscile como un péndulo trifilar y observar
su periodo de oscilación que es función del momento de inercia que se
quiere hallar. Ver Foto No. 8
La expresión que representa lo antes mencionado es la siguiente: (Mabie y Ocvirk, 1957)
lRWI R
⋅⋅⋅⋅
= 2
22
4 πτ (5.2)
38
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Donde:
WR = Peso total del sistema
(Eje, turbina, rodamientos)
R = Radio turbina
l = Longitud de los cables fijados a 120˚ en los extremos de las aspas.
I = Momento de Inercia
τ = Periodo de oscilación
Foto No. 8 Montaje para determinar el momento de inercia de la turbina
Wells.
6.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES
6.2.1 ARRANQUE EN DESBOQUE
Uno de los objetivos de este proyecto es aparte de construir la turbina
Wells, lograr que el comportamiento de la misma sea óptimo a
39
IM-2004-II-24
condiciones conocidas. Para esto es necesario evaluar factores de
importancia.
El comportamiento en desboque nos proporciona información acerca de la
velocidad máxima alcanzada por la turbina cuando esta no está sometida
a cargas externas. Esta velocidad tope es conocida como la velocidad de
desboque, otro factor de importancia es en cuanto tiempo logra la turbina
llegar a este limite.
Los resultados obtenidos correspondientes al comportamiento en
desboque se mostraran a continuación para dos velocidades de operación
del ventilador (50 y 60 Hz) y para dos cantidades de aspas distintas (3 y
6). Cave resaltar que estos resultados experimentales fueron sometidos a
un proceso de filtrado por medio de un procedimiento estadístico conocido
como “Promedios Móviles”. Esta corrección estadística se realizo para
disminuir los efectos por vibración. Ver Figuras No. 16, 17, 18, 19.
Velocidad vs. Tiempo, 50 Hz, 3 Aspas
020406080
100120140160180200
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00
Tiempo [sg]
Velc
idad
[rad
/s
Figura No. 16 Desboque turbina Wells, 50 Hz, 3 Aspas
40
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Velocidad vs. Tiempo, 60 Hz, 3 Aspas
0
50
100
150
200
250
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00
Tiempo [sg]
Velo
cida
d [ra
d/s
Figura No. 17 Desboque turbina Wells, 60 Hz, 3 Aspas.
Velocidad vs. Tiempo, 50Hz, 6 Aspas
050
100150200250300350400450
0 2 4 6 8 10 12
Tiempo [sg]
Velo
cida
d [ra
d/
14
s
Figura No. 18 Desboque turbina Wells, 50 Hz, 6 Aspas
41
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Velocidad vs. Tiempo, 60 Hz, 6 Aspas
0100200300
400500600
0 2 4 6 8 10Tiempo [sg]
Velo
cida
d [ra
d/
12
s
Figura No. 19 Desboque turbina Wells, 60 Hz, 6 Aspas
Como podemos darnos cuenta cuando la turbina contaba con 6 aspas
encontramos que alcanzo velocidades mucho mayores, y llego a ellas en
un tiempo mucho menor. En la Tabla No. 5 se tiene tabulado este
comportamiento.
3 Aspas 6 Aspas 50 Hz 60 Hz 50 Hz 60 Hz Velocidad Máxima 1796 rpm 3809 rpm 2337 rpm 4938 rpm Tiempo empleado
para llegar a la velocidad máxima
23 sg 16 sg 12 sg 11 sg
Tabla No. 5 Resumen de comportamiento en desboque a diferentes
velocidades.
6.2.2 EFICIENCIA
La eficiencia es uno de los parámetros más importantes en la
caracterización de la turbina Wells. Para hallar esta eficiencia es
necesario conocer elementos como la aceleración angular, el momento de
42
IM-2004-II-24
inercia, el torque, la caída de presión y el caudal. Se encuentra definida
como la relación entre la energía mecánica suministrada por la turbina y la
energía neumática disponible del flujo de aire.
0PQT∆⋅Ω⋅
=η Eficiencia (5.3)
La aceleración angular si se recuerda de la física, es la derivada de la
velocidad respecto al tiempo. Como se tienen las curvas de desboque
mostradas anteriormente, podemos encontrar estos valores fácilmente. Se
procede a calcular la pendiente instantánea en cada punto de la curva en
el intervalo que va desde el tiempo cero hasta el tiempo cuando llega a la
velocidad máxima.
T∆∆Ω
=Ω (5.4)
Luego calculando el momento de inercia podemos encontrar el torque
producido por medio de la siguiente expresión: (Stacey y Musgrove, 1983)
IT ⋅Ω⋅Ω= ˆ (5.5)
Para determinar el momento de inercia aplicamos el procedimiento
descrito en el numeral 5.1.1, obteniendo así la siguiente información. Ver
Tabla No 6.
3 ASPAS 6 ASPAS
Peso Sistema [Kg] (WR) 0.52 Peso Sistema [Kg] (WR) 0.491Longitud Cables [m] (L) 0.244 Longitud Cables [m] (L) 0.222Radio [m] ( R) 0.0925 Radio [m] ( R) 0.0925Frecuencia Oscilación [Hz] 2.63 Frecuencia Oscilación [Hz] 3.23Periodo [seg/ciclo] (τ) 0.38 Periodo [seg/ciclo] (τ) 0.31Momento de Inercia [kg*m2] (I) 0.00066696 Momento de Inercia [kg*m2] (I) 0.00046065
Tabla No. 6 Determinación Momento de Inercia
43
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La curva de eficiencia es construida utilizando todos los parámetros
tomados experimentalmente y explicados en numerales anteriores. Estos
parámetros se tabularan a continuación para las dos velocidades de
ventilador utilizadas 50 y 60 Hz. Ver Tabla No. 7
3 Aspas 6 Aspas
Ωventilador(rpm) 3000 3600 3000 3600
Ωturbina(rpm) 1796 3809 2337 4938 ∆Po (Pa) 139.35 199.07 166.72 246.35 U(m/sg) 4.40 5.26 4.70 5.26 ∆P * Q(W) 43.51 74.30 55.66 91.95 Q(m3/sg) 0.3122 0.3732 0.3338 0.3732
Tabla No. 7 Resultados experimentales
Las curvas en las que se observo un mejor comportamiento, fueron en las
cuales la turbina tenia 6 Aspas. Ver Figuras No. 20 y 21
Eficiencia, 50 Hz, 6 Aspas
0
10
20
30
40
50
60
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
1/U*
η(%)
∆Po(Pa)=166.72Pot. Efec.(W)=27.83
Figura No. 20 Eficiencia turbina Wells, 50 Hz, 6 Aspas
44
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Eficiencia, 60 Hz, 6 Aspas
05
101520253035404550
0 1 2 3 4 5
1/U*
η(%)
6
∆Po(Pa)=246.35Pot. Efec.(W)=38.7
Figura No. 21 Eficiencia turbina Wells, 60 Hz, 6 Aspas
Con las pruebas realizadas logramos obtener eficiencias entre los 40 y
50% trabajando con seis aspas, al trabajar con tres la eficiencia alcanzo
un valor máximo de solo un 22%. Ver Figura No. 22 y 23. Se espera que
corrigiendo algunos problemas de vibración, se logren eficiencias del
orden de 60 ó 70%.
Eficiencia, 50 Hz, 3 Aspas
-5
0
5
10
15
20
25
0 0.5 1 1.5 2 2
1/U*
η(%)
.5
∆Po(Pa)=139.35Pot. Efec.(W)=9.572
Figura No. 22 Eficiencia turbina Wells, 50Hz, 3 Aspas
45
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Eficiencia, 60 Hz, 3 Aspas
02468
101214161820
0 0.5 1 1.5 2 2
1/U*
η(%)
.5
∆Po(Pa)=199.07Pot. Efec.(W)=12.63
Figura No. 23 Eficiencia turbina Wells, 60Hz, 3 Aspas
Estos resultados que se entregan son realmente satisfactorios teniendo
en cuenta las velocidades máximas que alcanzo la turbina y también el
tiempo que tardo en llegar a las mismas.
6.2.3 NUMERO DE REYNOLDS
El número de Reynolds juega un papel fundamental en el comportamiento
de la eficiencia, ya que la capa limite es determinante en este tipo de
casos. Existe un valor critico donde se da una transición de capa limite
laminar a turbulenta. Lo que se busca en el caso de la turbina Wells es
que esa capa limite sea de tipo turbulenta, para que de este modo sea
mas difícil el desprendimiento del perfil.
Este valor crítico de número de Reynolds es de 2.50E5. Para nuestro
caso y como se ve en la Figura No. 24 (análisis que se realizo con la que
corresponde a la mayor eficiencia), el valor del numero Reynolds es
aproximadamente de 6.0E4. Lo que nos indica que tenemos que jugar con
46
IM-2004-II-24
otros factores como lo son el borde de ataque de las aspas o la rugosidad
del perfil para de esta forma retardar el desprendimiento.
También es claro que aumentando la velocidad de rotación se puede
lograr un incremento en la eficiencia de la turbina y así mismo en la
extracción de potencia.
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
0 1 2 3 4 5
1/U*
R
6
e
Figura No. 24 Comportamiento número de Reynolds, 60 Hz, 6 Aspas
Luego de conocer el desempeño de la turbina Wells a determinadas
condiciones se puede hacer una relación del punto de operación de la
turbina con respecto al comportamiento del túnel de viento semi-abierto.
Lo que se hace es tomar la curva de Pestática vs. Caudal correspondiente al
túnel y se ubica el punto de operación de la turbina a 50 y 60Hz
respectivamente (Ver Figura No. 7 y 8). Se puede ver que este punto se
acomoda bastante bien a la curva del túnel. Este punto es de suma
importancia, porque con el y la eficiencia podemos saber cuanta energía
estamos extrayendo, respecto a la energía suministrada por el túnel.
47
IM-2004-II-24
PESTATICA vs. Q (50Hz)
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
Q (m3/sg)
P (Pa)P vs. Q3 Aspas6 Aspas
Punto de Operación Turbina Wells
Figura No. 25 Punto de Operación Turbina, respecto al comportamiento
del túnel. (50Hz)
PESTATICA vs. Q (60Hz)
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80
Q (m3/sg)
P (Pa)
P vs. Q
3 Aspas
6 Aspas
Punto de Operación Turbina Wells
Figura No. 26 Punto de Operación Turbina, respecto al comportamiento
del túnel. (60Hz)
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7. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
Después del desarrollo de la turbina Wells de ala sectorial, se logro llegar
a resultados bastante satisfactorios. Se partió principalmente del trabajo
previo realizado por Pinilla, Santa y Castañeda, intentando optimizar de
alguna forma sus avances.
Se planteo una turbina de pruebas con la capacidad del intercambio de
aspas, aspecto que deja la posibilidad abierta para futuras
experimentaciones con distintos perfiles, numero de aspas y acabados
superficiales. Se propuso esta opción pensando en las experiencias y el
trabajo realizado anteriormente al respecto. Llegamos a un muy buen
diseño, pero se tiene la total certeza que se puede mejorar.
Los valores teóricos y los experimentales muestran una interesante
correlación, esta correspondencia se hace notoria en el desempeño de la
turbina. Sin embargo se cree que mejorando entornos de simulación y
medición. Como lo son el túnel de viento semi-abierto que adaptándole un
ventilador que compatibilice mas con sus condiciones de diseño, mejorara
su eficiencia y correspondientemente la eficiencia de los dispositivos que
se esperan probar ahí. Por otro lado a nivel instrumental se esperaría que
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los aparatos de medición utilizados para caracterizar los diseños tuvieran
un nivel de precisión y exactitud mucho mayor, se habla específicamente
de los encargados de medir presiones y velocidades.
Con los resultados obtenidos podemos corroborar que modificaciones en
las aspas, a nivel de rugosidad y geometría, lograrían también un
incremento en la eficiencia.
Por otro lado es de destacar que se lograron velocidades de deboque
superiores a los trabajos anteriores, se cree que esto se debió gracias a
un correcto conocimiento del flujo con el que se iba a trabajar, de esta
forma los parámetros de diseño seleccionados fueron óptimos. La
caracterización del túnel de viento se hace importante en este tipo de
proyectos.
Se logro ver así mismo aspectos que impidieron un mejor funcionamiento
de la turbina. Se hace referencia a las vibraciones en el sistema causadas
fundamentalmente por desbalance dinámico y falta de soporte para el
motor DC. Se recomienda a investigaciones futuras fijar el motor a la
carcaza de encerramiento.
Como paso siguiente a este proyecto se espera se profundice en el
acople de un generador optimo, que ensamblado al eje de turbina logre
una extracción eficiente de energía eléctrica. Lo anterior encaminado a la
implantación futura de un sistema de este estilo para lograr suplir
necesidades en diferentes regiones de Colombia. Esto, antes haciendo un
estudio detallado de las condiciones climáticas y de oleaje de las
diferentes zonas del país.
50
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8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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turbine designs. Proc. Instn. Mech. Engrs, Part A, 1997, 211, 133-145.
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Mabie, H., Ocvirk, F. Dynamics of machinery. Jhon Wiley & Sons, inc.,
1957, 268-271; 318-322
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University of Belfast, Ireland.
Peatfield, A.M., Duckers, L. J. Energy from low head water sources.
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Journal of energy Vol. 6 (6), 1982, 430-431, ISSN 0146-0412
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Santa, A., Lozano, M., Pinilla, A. Generación de Energía Eléctrica con
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Colombia No. 7, Mayo de 2002, ISSN 0121-4993
Schaffarczyk, P. On the Aerodynamics Design of a Wells-Turbine’s
Blade. University of Applied Sciences Kiel Grenzstr.3, Kiel-Alemania, 2003
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8. ANEXOS
8.1 Plano fabricación para el disco de turbina Wells
8.2 Plano fabricación direcciónador de flujo
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