Chávez Romero,Raúl Alberto

371 Pages·2013·38.17 MB·Spanish

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA
ÁREA DE LA ENERGÍA, LAS INDUSTRIAS Y
LOS RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
METODOLOGÍA DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PALAS
DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE HORIZONTAL DE RADIO
MÁXIMO 80cm BASADOS EN PERFILES ALARES NACA,
APLICANDO TECNOLOGÍA CAD-CAM-CNC
TESIS DE GRADO PREVIO A OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO
ELECTROMECÁNICO
AUTOR: RAÚL ALBERTO CHÁVEZ ROMERO
DIRECTOR: Ing. JORGE LUIS MALDONADO CORREA Mg. Sc.
LOJA-ECUADOR
2013
I
II
III
PENSAMIENTO
A pesar de las opiniones de los demás acerca de ti, cuando las cosas no salgan como
esperas, trata de buscar el lado positivo, todo tiene una razón de ser, jamás te des por
vencido, lucha por aquello que deseas con el corazón, por tus sueños, aprovecha cada
oportunidad, la vida es muy corta, ¿por qué no arriesgarse?... Y por encima de todo, sé la
persona que quieres ser, no la que los demás esperan que seas…

IV
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a mis padres, quienes siempre me han guiado pacientemente y
que me han apoyado incondicionalmente pese a los problemas que les he causado a lo largo
de mi vida. A mis hermanas que con su cariño me animaron en momentos difíciles; a mis
familiares, amigos, y todos aquellos que me estiman y han creído en mí. Y finalmente a mi
novia Dianita quien cada día me da razones para ser una mejor persona y para seguir
luchando por mis sueños.
V
AGRADECIMIENTO
En primer lugar agradezco a Dios por todo lo que tengo, y por las personas que ha puesto
en mi camino.
A mi familia y a mi novia por su comprensión y amor incondicional.
A todos los maestros que aclararon mis dudas planteadas en clase.
Al Ing. Darwin Tapia por la orientación prestada para realizar este trabajo de investigación.
Al Ing. Numan León por sus acertados consejos y generosa ayuda.
Al Ing. Jorge Maldonado por la apreciable asesoría en el presente trabajo de tesis.

VI
ÍNDICE
PENSAMIENTO ____________________________________________________________ I
AUTORÍA _________________________________________ ¡Error! Marcador no definido.
PENSAMIENTO ___________________________________________________________ IV
DEDICATORIA ____________________________________________________________ V
AGRADECIMIENTO ________________________________________________________ VI
ÍNDICE _________________________________________________________________ VII
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES _________________________________________________ XI
ÍNDICE DE TABLAS ______________________________________________________ XXII
SIMBOLOGÍA _________________________________________________________ XXIII
a. TÍTULO _____________________________________________________________ 1
b. RESUMEN ___________________________________________________________ 2
Summary _______________________________________________________________ 3
c. INTRODUCCIÓN ______________________________________________________ 4
d. REVISIÓN DE LITERATURA ______________________________________________ 7
CAPÍTULO I ___________________________________________________________________ 7
d.1. ENERGÍA EÓLICA ___________________________________________________________ 7
d.1.1. Turbinas Eólicas ________________________________________________________________ 9
d.1.1.1. Turbinas Eólicas tipo horizontal ______________________________________________ 10
- Molino de viento _________________________________________________________ 10
- Multipala _______________________________________________________________ 10
- Aerogenerador ___________________________________________________________ 11
CAPÍTULO II _________________________________________________________________ 13
d.2. AEROGENERADORES ______________________________________________________ 13
d.2.1. Tipos de Turbinas eólicas ________________________________________________________ 14
d.2.1.1 Rotores de eje vertical ______________________________________________________ 14
VII
- Rotores Darrieus _________________________________________________________ 15
- Rotores Savonious ________________________________________________________ 15
d.2.1.2 Rotores de eje horizontal ____________________________________________________ 16
- Rotores multipala. Aeroturbinas lentas _______________________________________ 16
- Rotores tipo hélice. Aeroturbinas rápidas _____________________________________ 17
d.2.2. Componentes básicos de un aerogenerador ________________________________________ 19
d.2.2.1. Transformación de energía. Rendimiento _________________________________________ 23
d.2.3. Rotor eólico __________________________________________________________________ 27
d.2.3.1.Parámetros de diseño de rotores eólicos __________________________________________ 30
- Influencia del número de palas _________________________________________________ 32
- Diseño óptimo de la pala. Factor de actividad _____________________________________ 33
- Valores de cuerda ___________________________________________________________ 35
Coeficiente de Solidez Ω: ________________________________________________________ 35
- Distribución de torsión _______________________________________________________ 36
- Tipo de perfil aerodinámico ___________________________________________________ 37
NACA 4 dígitos ________________________________________________________________ 39
d.2.3.2 Tecnología de palas ___________________________________________________________ 42
- Geometría _________________________________________________________________ 42
- Materiales. Características estructurales _________________________________________ 45
- Comparación de palas en el diseño de rotores eólicos ______________________________ 47
CAPÍTULO III _________________________________________________________________ 48
d.3. AERODINÁMICA DE AEROTURBINAS __________________________________________ 48
d.3.1. Teoría de Cantidad de Movimiento y Límite de Betz __________________________________ 48
d.3.2. Teoría del Momento Cinético ____________________________________________________ 58
d.3.3. Teoría Turbillonaria ____________________________________________________________ 60
d.3.4. Teoría del Elemento de Pala _____________________________________________________ 61
d.3.5. Perfiles Aerodinámicos _________________________________________________________ 69
Principio de Funcionamiento: _______________________________________________________ 69
Diseño: _________________________________________________________________________ 70
d.3.6. Diseño de Perfiles Aerodinámicos _________________________________________________ 80
d.3.6.1. Métodos de diseño de perfiles aerodinámicos ___________________________________ 80
 Diseño Directo ___________________________________________________________ 81
 Diseño Inverso ___________________________________________________________ 82
d.3.6.2. Tipos de diseño de perfiles aerodinámicos ______________________________________ 84
VIII
 Diseño de perfiles con espesor máximo _______________________________________ 84
 Diseño de perfiles con sustentación máxima___________________________________ 84
 Diseño de perfiles Laminares _______________________________________________ 85
 Diseño de perfiles Transónicos ______________________________________________ 85
 Diseño de perfiles para bajos números de Reynolds ____________________________ 86
 Diseño de perfiles multipuntual _____________________________________________ 87
CAPÍTULO IV ________________________________________________________________ 88
d. 4. HERRAMIENTAS DE DISEÑO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN EN INGENIERÍA MECÁNICA ____ 88
d.4.1. DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA (CAD) _______________________________________ 88
d.4.2.FABRICACIÓNASISTIDA POR COMPUTADORA (CAM) __________________________________ 89
d.4.3.DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD) _____________________________________ 90
d.4.4.CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO (CNC) ______________________________________ 92
d.4.4.1.Máquinas CNC _____________________________________________________________ 94
d.4.4.1.1. Fresadora CNC ________________________________________________________ 95
d.4.4.2Códigos CNC _______________________________________________________________ 95
e. MATERIALES Y MÉTODOS _____________________________________________ 96
Materiales __________________________________________________________________ 96
Métodos ___________________________________________________________________ 96
f. RESULTADOS: _______________________________________________________ 98
1. DISEÑO DEL PERFIL (CURVAS DEL PERFIL-Microsoft Excel) ________________________ 98
2. DISEÑO DEL MODELO DE PALA (CAD-SolidWorks) _____________________________ 109
3. SIMULACIÓN DE LA INTERACCIÓN DEL MODELO CON EL AIRE (CFD-Flow Simulation) _ 139
4. ANÁLISIS ESTÁTICO Y DE FATIGA DEL MODELO (SolidWorks-Simulation) ___________ 161
4.1. Análisis Estático ____________________________________________________________ 161
4.2. Análisis de Fatiga ___________________________________________________________ 182
5. SIMULACIÓN DEL MECANIZADO DEL MODELO Y GENERACIÓN DEL PROGRAMA CNC
(CAM-SolidCAM) ____________________________________________________________ 192
6. CONSTRUCCIÓN DEL MODELO (Fresadora Travis M5 con CONTROL CNC FAGOR 8055M)
242
6.1. DESCRIPCIÓN BREVE DEL EQUIPO _____________________________________________ 242
IX