Cálculo y diseño de la hélice óptima para turbinas eólicas

CÁLCULO Y DISEÑO
DE LA HÉLICE ÓPTIMA
PARA TURBINAS EÓLICAS

por

Ricardo A. Bastianon
http://Ricardo.Bastianon.googlepages.com/
e-mail: bastianon2001@yahoo.com.ar

Marzo 2008

1

PRÓLOGO

Este volumen ha sido escrito con la finalidad de aportar una metodología accesible para el
cálculo y diseño de la hélice óptima de turbinas eólicas de eje horizontal. Con esta metodología
se responde a lasnecesidades de aquellos que se interesan por la energía del viento y desean
diseñar la hélice de sus equipos, comprender cómo ésta funciona y poder evaluar su desempeño.
La hélice que capta la energía disponible en el viento puede ser de características diversas. Una
de calidad mediocre con cuerda constante y sin alabeo puede captar alrededor del 10% mientras
que otra de buen diseño puede superar el40%. Esta diferencia está determinada principalmente
por la geometría de la hélice.
En esta presentación se muestran los aspectos más importantes del diseño y cómo influyen en su
rendimiento y luego se establece un procedimiento paso a paso para calcular la hélice óptima.
En forma adicional, se describe cómo calcular el rendimiento y las fuerzas y momentos, que se
generan sobre una hélice degeometría dada, cuando es sometida a un viento de cierta intensidad
girando a una velocidad determinada.
Como el aire es el que hace girar la hélice se ha incluido una introducción sobre los conceptos
básicos de los fluidos y también ciertos conocimientos sobre aerodinámica para comprender
cómo y porqué se eligen ciertos perfiles aerodinámicos. Con estos conceptos y algunos sobre
mecánica de los fluidosse desarrolla uno de los métodos existentes para el cálculo de la hélice.
Este análisis contiene variadas hipótesis que posibilitan su tratamiento teórico y si bien estas
suposiciones permiten un cálculo aproximado, resulta lo suficientemente preciso para una
correcta evaluación de la forma geométrica de la hélice.
Este método ha sido utilizado para el cálculo de la hélice de la Turbina EólicaArgentina de
10 KW y el aerogenerador INDAER de 1 KW. En ambos casos su buen funcionamiento, con
elevadas características, ha probado su bondad.

Ricardo A. Bastianon

2

ÍNDICE
Página
CAPÍTULO 1 - Principios básicos sobre fluidos
Viscosidad
Densidad
Viscosidad cinemática
Fuerzas dentro de un fluido, número de Reynolds
Flujo incompresible
Capa límite laminar y turbulenta
Capa límite laminar sobreuna placa plana
Capa Límite Turbulenta
Flujo alrededor de una esfera
Resistencia aerodinámica
REFERENCIAS DEL CAPITULO 1

5
5
7
7
7
8
9
10
10
10
13
14

CAPÍTULO 2 - Aerodinámica
Perfiles Aerodinámicos
Variación de la Sustentación y la Resistencia
Coeficiente de Momento
Influencia del Número de Reynolds
Elección del Perfil Aerodinámico
Datos Experimentales sobre Perfiles AerodinámicosCaracterísticas de Algunos Perfiles
REFERENCIAS DEL CAPITULO 2

15
15
19
20
21
21
21
22
23

CAPÍTULO 3 - Captación de la energía del viento
Energía del Viento
Potencia disponible y potencia captada
Tubo de Viento
Potencia captada por resistencia
Potencia captada por sustentación
REFERENCIAS DEL CAPITULO 3

24
24
24
25
27
28
29

CAPÍTULO 4 - La hélice
Coeficiente de Potencia y Relación de Velocidades
SolidezNúmero de Palas
Tamaño de la Hélice
Influencia de la Calidad Aerodinámica de los Perfiles
Velocidad de Rotación
REFERENCIAS DEL CAPITULO 4

30
30
31
31
32
33
35
36

3

CAPÍTULO 5 - Cálculo y diseño de la hélice óptima
Hélice Óptima
Teoría de la Cantidad de Movimiento Axial
Factor de Velocidad Angular
Factor de Pérdidas en las Puntas
Teoría del Elemento de Pala de Hélice
Relación de Ambas TeoríasCálculo de la Hélice Óptima
Procedimiento de Cálculo
Análisis de la Hélice Óptima
Dada la Geometría de la Hélice Calcular su Comportamiento
REFERENCIAS DEL CAPITULO 5

37
37
37
38
40
41
42
44
46
47
47
48

4

CAPÍTULO 1
PRINCIPIOS BÁSICOS SOBRE FLUIDOS

Fluido es una sustancia que se deforma fácilmente cuando se le aplica una fuerza tangencial por
pequeña que ésta sea y comprende a los líquidos y a...