Aerodinamica de aerogeneradores

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“Fundamentos aerodinámicos de las máquinas eólicas”

Ecuaciones fundamentales para el cálculo y diseño de máquinas eólicas para la generación eléctrica y el bombeo de agua

Jim Jony Urteaga Pereyra

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E- mail: jim_urteaga@yahoo.com
Tlf: 7970043 - 991862096

Introducción

El viento está compuesto por partículas de aire en movimiento; cuando la masa de aire esté conformada porfiletes yuxtapuestos, perfectamente individualizados, se dice que el movimiento del mismo es laminar, mientras que si los filetes de aire se entrecruzan y no conservan su individualidad, se dice que el movimiento es turbulento; éste es el caso más general que acontece en el viento. Si en cada punto de una masa de aire en movimiento turbulento se miden las velocidades instantáneas, se observa queestas varían en magnitud y en dirección sin ninguna regularidad, pero no suelen apartarse mucho de un valor medio.

Los movimientos desordenados del aire a nivel macroscópico se llaman turbulencias, que pueden influir en masas de aire importantes. Cuando el viento se encuentra con un obstáculo, su movimiento empieza a ser perturbado y a hacerse irregular a una cierta distancia del mismo.

Estos yotros fenómenos involucran a la ciencia de la aerodinámica que permite el estudio de la interacción de los fluidos a través de una superficie, que en esta ocasión ha sido aplicada al desarrollo teórico de las ecuaciones que describen el fenómeno de rotación de una pala alrededor de un eje, más específicamente el rotor de una máquina eólica, aquí encontraremos casi toda la teoría con ecuacionesdesarrolladas de lo más mínimo que permita al lector especializado el entender el fenómeno en lo más mínimo de los detalles, ayudándolo a formarse una percepción única sobre el diseño aerodinámico y estructural de una pala.

Fundamentos aerodinámicos de las máquinas eólicas.

1. Fuerzas sobre un perfil aerodinámico.

Un objeto situado en el seno de una corriente de aire presenta unaresistencia al avance deformando los filetes fluidos; esto depende de la forma del objeto y de su posición con relación a la dirección del viento, tal y como se aprecia en la siguiente figura:

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Ilustración 1: Perfil situado en el seno de una corriente fluida.

Al estudiar los efectos de la resistencia del aire sobre una placa plana, se observa que la resultante R de las fuerzas aplicadas a laplaca es un vector cuyo punto de aplicación es su centro aerodinámico o centro de empuje, siendo su dirección perpendicular a la placa, su sentido el del viento, y su intensidad proporcional a la superficie S expuesta y al cuadrado de la velocidad del viento v, en la forma:

[pic] (1)

En la que k esun coeficiente que depende del ángulo [pic] de incidencia, de las unidades elegidas y de la turbulencia del movimiento; CW (CD) es el coeficiente de resistencia (penetración), [pic]es la densidad del aire y S la sección frontal del perfil.

Si el ángulo [pic] que forma el plano de la placa con la dirección del viento es grande, existe una sobrepresión en la parte delantera de la placa y unadepresión en su parte posterior de carácter turbillonario.
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Ilustración 2: Zonas de sobrepresión y depresión sobre una superficie inclinada a una mayor pendiente.

Si el ángulo de incidencia (α) es pequeño, la sobrepresión aparece en la parte inferior de la placa y la depresión por encima, por lo que aparece una fuerza que tiende a elevarla, conocida como fuerza de sustentación o deelevación.

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Ilustración 3: Zonas de sobrepresión y depresión sobre una superficie inclina una pendiente menor.

En la siguiente ilustración se representa un perfil placa plana con dos tipos de inclinación; se indican los valores de R, observándose que, contra más pequeño sea el ángulo a de inclinación, la resultante R será mayor.
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Ilustración 4: Fuerzas de arrastre sobre placas plana...
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