Diseño óptimo de los álabes de una turbina de viento en función de su frecuencia natural

Abstract

The present research work consists of generating an optimization procedure for the design of a horizontal axis wind turbine, using the BEM theory, the Finite Element method, to the Spanish standard UNE-EN 61400-2: 2013 and, also, with the help of mathematical models. The general objective is to obtain a feasible design based on the natural frequency, the specific speed and the maximum efforts. The traditional design methodology was applied, under some design conditions, such as a wind speed of 12 m / s, a variation in the specific speed of 8, 9 and 10. An aerodynamic profile NREL S 818 was used that was chosen due to its characteristics, such as good performance in its lift coefficient and its insensitivity to roughness effects. The software with which the blades were modeled, their natural frequencies and principal stresses were simulated (Von Mises), using the finite element method was ANSYS R19.0. For the analysis, three different blade designs were proposed, each with three different conventionally selected materials; Dalbergia Granadillo Wood, Fiberglass / epoxy and Carbon Fiber), For the Fiberglass and Carbon Fiber materials the blade designs were hollow, this so that they were light enough and allowed the rotor to start as soon as possible possible, thus reducing the inertial forces. The forces considered for the simulation were calculated and submitted in accordance with the UNE-EN 61400-2: 2013 standard. The results of the simulations based on the finite element method were corroborated by convergence graphs in relation to the number of elements in the mesh and the principal stress (Von Mises). With these data, specific speed, blade mass and main forces, an objective function was obtained that will allow the optimization of the blades.

El presente trabajo de investigación consiste en generar un procedimiento de optimización del diseño de una turbina de viento de eje horizontal, utilizando la teoría BEM, el método del Elemento Finito, a la norma española UNE-EN 61400-2:2013 y, también, con la ayuda de modelos matemáticos. El objetivo general es obtener un diseño factible en función de la frecuencia natural, la velocidad específica y los esfuerzos máximos. Se aplicó la metodología de diseño tradicional, bajo algunas condiciones para el diseño, como una velocidad del viento de 12 m/s, una variación en la velocidad especifica de 8, 9 y 10. Se utilizó un perfil aerodinámico NREL S 818 que fue elegido por sus características, como un buen rendimiento en su coeficiente de sustentación y su insensibilidad a los efectos de rugosidad. El software con el que modelaron los álabes, se simularon sus frecuencias naturales y los esfuerzos principales (Von Mises), utilizando el método del elemento finito fue ANSYS R19.0. Para el análisis se propusieron tres diseños de álabes distintos, cada uno de ellos con tres materiales diferentes seleccionados convencionalmente; Madera Dalbergia Granadillo, Fibra de Vidrio/epoxy y Fibra de Carbono), Para los materiales de Fibra de Vidrio y Fibra de Carbono los diseños de las aspas fueron huecos, esto para que fueran lo suficientemente ligeros y permitieran que el rotor arrancará lo más pronto posible, reduciendo así, los esfuerzos inerciales. Las fuerzas consideradas para la simulación fueron calculadas y sometidas de acuerdo con la norma UNE-EN 61400-2:2013. Los resultados de las simulaciones en base al método del elemento finito fueron corroborados por gráficas de convergencia en relación del número de elementos de la malla y el esfuerzo principal (Von Mises). Con estos datos, velocidad específica, masa del álabe y esfuerzos principales, se obtuvo una función objetivo que permitirá la optimización de los álabes.