12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA
MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
DEPENDENCIA ENTRE EL NUMERO DE ALABES Y PARÁMETROS DE DESEMPEÑO PARA UNA TURBINA HIDROCINETICA DE EJE VERTICAL CON EL USO DE ANSYS FLUENT
Perez Rangel. N.V.*, Santos Luque R.°, Bermudez Santaella J.R.1, Molina Valle R.2
*2CTM-UFMG, Avenida Presidente Antônio Carlos, 6627, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, *°1Edificio del Rectorado de la ULA, Av. 3 Independencia entre calles 23 y 24, Mérida 5101, Venezuela, ¹Avenida Gran
* [email protected], °[email protected], ¹[email protected], 2[email protected] Palabras claves: Turbomáquinas, Dinámica computacional de fluidos (CFD)
RESUMEN
La necesidad de usar energías ambientalmente sustentables ha dirigido la atención hacia el uso y optimización de las turbinas hidrocinéticas, debido a su capacidad de producir energía limpia, fácil instalación, diseño sencillo, y bajo impacto en el paisaje por mencionar solo algunas de sus ventajas.
En este trabajo es estudiada la dependencia del número de álabes de una turbina hidrocinética de tipo Darrieus perfil NACA 0018 con ángulo fijo y su relación con los parámetros de funcionamiento como torque, coeficiente de torque, coeficiente de potencia, entre otros. Fue desarrollado un estudio del transitorio en el sistema usando la dinámica computacional de fluidos (CFD) en 2D considerando un modelo de turbulencia Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) y el uso de paquetes computacionales Ansys Fluent y ICEM-CFD para el mayado. En el estudio se demuestra que para un mayor número la aspas, el torque adquirido presenta un comportamiento mas uniforme.
INTRODUCCIÓN
La generación hidrocinética consiste en el aprovechamiento de la energía dada por la velocidad de una corriente de agua para producir electricidad. A diferencia de las tradicionales plantas hidroeléctricas en donde se aprovecha la energía potencial del agua almacenada y donde es requerida la construcción de una represa, la energía hidrocinética no necesita infraestructuras ni obras civiles grandes, implicando bajos costos de inversión, operación y mantenimiento. [1]
Dependiendo de la dirección del fluido respecto del eje, existen principalmente dos tipos de turbinas hidrocinéticas, las turbinas axial y de flujo transversal. Las turbinas de flujo transversal, tienen algunas ventajas claves sobre las turbinas de flujo axial, pues las turbinas trasversales son insensibles a las variaciones en la dirección del flujo y también, por lo general, no requieren de un mecanismo de hoja de “cabeceo”. En las turbinas eólicas de eje vertical los generadores y cajas de cambios se pueden colocar en la parte inferior del conjunto logrando un aumento en la estabilidad. Turbinas transversales tienen algunas desventajas en comparación con las turbinas de flujo axial, entre estas son posible destacar, menor eficiencia de conversión de energía e inestabilidad en las cargas soportadas por las aspas, rotor y tren de potencia debido a su principio de funcionamiento. [2]
En las turbinas de eje vertical se puede realizar una distinción entre las que operan utilizando la fuerza de arrastre del flujo en su rotor y aquellas que emplean fuerzas de elevación para generar torque. Los dispositivos de tipo Arrastre, utilizan una forma de aspas que tiene un coeficiente de resistencia más alto en un lado que en el otro. De esta manera la fuerza de arrastre aguas abajo en el aspa es mayor que la fuerza de avance o en el otro lado del rotor, de esta forma es generada una potencia neta. Una limitación de las turbinas de tipo arrastre es que la eficiencia máxima depende de la velocidad del rotor, la cual está limitada a la velocidad máxima de la corriente, además se requieren cantidades relativamente grandes de material para un área de barrido dada, sin embargo la construcción es simple y típicamente barata en comparación con otros tipos de turbina.
Uno delos tipos más comunes de turbinas transversales son las turbinas Darrieus, su diseño fue propuesto en 1925 por el ingeniero francés Darrieus, este diseño en particular, ha sido considerado como un concepto prometedor para ser empleado en las turbinas hidrocinéticas modernas. Las ventajas básicamente residen en un diseño simple y que no necesita un sistema de yaw. Pero también presenta desventajas como baja razón de velocidad de punta, incapacidad de auto-arranque y no poder controlar la salida de potencia [3]. Turbinas tipo Lift, como la turbina Darrieus, emplean de sección de perfil fluidodinamico de las aspas para generar el impulso del rotor. [4] Una de las desventajas de la turbina de agua Darrieus es la inestabilidad, de hecho las turbinas de paso fijo tipo Darrieus tienden a vibrar, debido a la variación cíclica del ángulo de ataque, con cada giro las aspas experimentan picos tanto en fuerza radial como en la tangencial. La variación en la fuerza tangencial afecta a la transmisión mientras que la variación en la fuerza radial afecta a la estructura de soporte, si esta frecuencia coincide con la frecuencia natural de la estructura de soporte, esta fuerza puede ser destructiva. [5] Gracias a la mayor densidad de agua, la turbina Darrieus puede tener una velocidad mucho más baja que en el aire para producir la misma cantidad de energía. De hecho, ya que la densidad del agua es 800 veces mayor de la densidad del aire y la potencia del flujo es proporcional al cubo de la velocidad del fluido [7].
El perfil utilizado en este trabajo es el NACA 0018, perteneciente a la serie de cuatro dígitos, el cual ha sido ampliamente estudiado, encontrando ventajas respecto a los otros utilizados en el diseño de turbinas hidrocinéticas, F. Kanyako, and I. Janajreh [5] observaron que el NACA 0015 y NACA 0018 son similares en su desempeño fluidodinamico, pero el NACA 0018 posee mejor auto inició debido a que tiene un área de barrido mayor. Del mismo modo S. Li, and Y. Li [6], observaron una diferencia evidente al comparar el rendimiento de los modelos de perfiles NACA0018 y NACA0012. El perfil fluidodinámico es mucho mejor en el NACA0018, y concluyen que con el uso de este perfil es posible obtener una mejor eficiencia del torque estático.
La intención en este estudio es evaluar las parámetros de las turbinas hidrocinéticas, para diferentes números de aspas, para un valor fijo de solidez, modificando la longitud de cuerda, de esta manera simular e comparar su desempeño. Son estudiados tres configuraciones de perfil NACA 0018 para un valor de velocidad de corriente de agua, y se busca reducir los cambios bruscos de los cuales se deriva las pérdidas hidrodinámicas variando la cantidad de aspas.
METODOLOGIA Y PROCEDIMIENTO
consideró una misma solidez, y conociendo el radio de la sección transversal se calcularon los valores utilizado para la turbina de cuatro y cinco aspas mediante la ecuación (1).
Con el empleando la La solidez (σ) es un parámetro geométrico importante y se puede interpretar como la relación que existe entre el área total de las paletas y el área transversal barrida por la turbina, como es presentado en la Ec. (1)
= ∗ (1)
Donde N es el número de aspas [-], C es la longitud de la cuerda del perfil [m] y R representa el radio de la turbina [m].
Con el fin de mantener una relación proporcional la“razón de velocidad de punta”se consideró lineal (TSP) de acuerdo al numero de aspas, se tomó el valor óptimo de esta obtenida según los estudios de Roa et al [1] para tres aspas, y conociendo una velocidad de flujo constante como la reportada en la tabla (1) se procede a calcular los valores de las velocidades angulares para cada TSP de cuatro y cinco aspas.
Los valores de cuerda, TSR, velocidad angular y demás utilizados se encuentran en la tabla (1) organizados según la cantidad de aspas.
Tabla 1: Características dimensionales
ASPAS CUERDA
(m)
VEL ANGULAR
ω
(rad/s)
TSR SOLIDEZ RADIO
(m)
VELOCIDAD DE FLUIDO
(m/s)
3 0,032 34,96 1,33 1,09714286 0,0875 2,3
4 0,024 46,61 1,77 1,09714286 0,0875 2,3
5 0,0192 58,27 2,217 1,09714286 0,0875 2,3
La relación de velocidad de punta,λ, o TSRpor sus siglas en ingles es la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una aspa y la velocidad real del fluido, la cual está relacionada con la eficiencia. Las velocidades más altas de punta dan lugar a niveles de ruido más altos y requieren cuchillas más fuertes debido a las grandes fuerzas centrífugas, en las turbinas hidrocinéticas, altos valores puede ocasionar cavitación.
En todos los casos se usó una mallaestructurada hecha con la herramienta computacional ICEM CFD
15.0 donde se establecieron dos dominios, uno circular adyacente a las aspas, que cuenta con mayor cantidad de elementos, para facilitar su convergencia, y un segundo dominio con tamaños de elementos más grandes, entre estas dos mallas se crea una interface que permite el movimiento relativo entre ellas, para la velocidad constante
ω.En la figura (1) se puede observar la malla final, ya unida para la configuración de tres aspas.
En las adyacencias de cada uno de los perfiles se aplicó un refinamiento como se puede apreciar en la figura (2). Se establecieron movimientos relativos de velocidad cero de los perfiles respecto de la malla circular que gira a velocidad constante, y le realizó un refinamiento de malla en sus adyacencias, siendo sus condiciones de contorno fueron definidas como pared.
Fig. 2: Detalle refinamiento de perfl.
Para su cálculo se utilizó un modelo de turbulencia K-ω SST ya que de acuerdo a S. Wang[9] este modelo presenta una mejora sobre el modelo k estándar y puede predecir los datos experimentales con una precisión razonable.
Para la solución se utilizó el software Ansys FLUENT 15.0, tomando las siguientes consideraciones: para métodos de solución se seleccionó un esquema acoplado dentro de los métodos de presión-velocidad, con métodos de desratización de segundo orden. Los datos fueron recolectados después durante el sexto guido completo, en el cual se percibió un comportamiento cíclico. El fluido utilizado fue agua, y los valores de viscosidad y densidad establecidos por defecto en la biblioteca de Fluent.
El modulo CFD-Postprocesing de Ansys fue utilizado para la obtención de datos.
RESULTADOS
En la Figura 3. se observan los valores de torque obtenidos durante un giro, para las la turbina con tres, cuatro y cinco aspas respectivamente, se aprecia una relación entre la cantidad de lóbulos y el número de aspas, siendo más evidente esta relación para tres aspas, y donde la configuración de cinco y cuatro aspas muestra un torque más uniforme durante los 360 grados.
Figura (3) Torque (N*m) experimentado en función del ángulo de giro. -2,00E-01
0,00E+00 2,00E-01 4,00E-01 6,00E-01 8,00E-01
1,00E+00 0 10 20 30
40 50
60 70
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290
300 310
320330
340350 360
Se calcularon las fuerzas normales ejercidas sobre el perfil uno, durante un giro completo para las tres configuraciones de turbinas, de la Figura (4) se puede ver que son mayores las fuerzas experimentadas sobre el primer perfil para la configuración de tres aspas. También se observa en esta figura, la caída drástica de los valores, una vez que se alcanza un máximo, siendo este de 70 grados 100 grados para configuraciones de 3 y 4 aspas respectivamente, la configuración de cinco aspas presenta un comportamiento relativamente más uniforme una vez alcanza su máximo, y sostiene este valor durante una abertura de giro mayor.
Figura (4) Fuerzas normales experimentadas por el primer perfil durante una vuelta.
CONCLUSIONES
Se hizó el estudio utilizando el paquete computacional Ansys Fluent de la turbina de hidrocinética de eje vertical tipo Darrieus, para configuraciones de tres, cuatro y cinco aspas, de los valores obtenidos se ha demostrado que para un mayor número de aspas el torque máximo decrece y por lo tanto la eficiencia también es menor. Por otra parte para un mayor número de aspas las fuerzas a las cuales se encuentra sometida se distribuyen más equitativamente para un barrido mayor, se ha demostrado que para un mayor número de aspas el torque obtenido es más constante.
UNIDADES Y NOMENCLATURA
R radio de la turbina (m) T torque (N*m)
C longitud de cuerda de perfil (m)
σ solidez (adimensional)
N Numero de aspas (adimensional)
ω velocidad angular (rad/s)
λ razón de velocidad de punta TSR (adimensional)
1. M. Daviana, “CÁLCULO DE UN RODETE DE FLUJO CRUZADO TIPO DARRIEUS CON
TRES PALETAS RECTAS Y PERFILES CURVOS ASIMÉTRICOS,” Ingeniería Mecánica, Universidad
Central de Venezuela, Caracas Venezuela, 2013.
2. P. Bachant, and M. Wosnik, “Reynolds number dependence of cross-flow turbine performance and near-wake characteristics,” 2014.
3. M. Mohamed, “Performance investigation of H-rotor Darrieus turbine with new airfoil shapes,”
Energy, vol. 47, no. 1, pp. 522-530, 2012.
4. R. Hantoro et al., “An experimental investigation of passive variable-pitch vertical-axis ocean
current turbine,”Journal of Engineering and Technological Sciences, vol. 43, no. 1, pp. 27-40, 2011. 0,00E+00
5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03
2,00E+03 0 10 2030 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270280 290300 310320 330340350360
5. F. Kanyako, and I. Janajreh, “Vertical Axis Wind Turbine Performance Prediction, High and Low Fidelity Analysis.”
6. S. Li, and Y. Li, "Numerical study on the performance effect of solidity on the straight-bladed vertical axis wind turbine." pp. 1-4.
7. M. R. Castelli, S. De Betta, and E. Benini, “Proposal of a means for reducing the torque variation on a verticalaxiswater turbine by increasing the blade number,” International Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 6, pp. 221-227, 2012.
8. A. M. Roa et al., "Numerical and experimental analysis of a Darrieus-type cross flow water turbine in bare and shrouded configurations." p. 012113.
9. S. Wang et al., “Numerical investigations on dynamic stall of low Reynolds number flow around
