Generadores eólicos (cuarta parte)

Descripción el aeromotor

Las palas del aeromotor

Las palas son una parte muy importante del aeromotor. De su naturaleza dependen el buen funcionamiento y la duración de la vida de la máquina, así como su rendimiento.

Hay muchos elementos que caracterizan estas palas:

• Longitud
• Anchura
• Perfil
• Materiales
• Número

Entre estos elementos, algunos se determinan por la hipótesis de cálculo: potencia y par. Por orden de importancia son: longitud, perfil y anchura.

Los otros se eligen en función de criterios tales como: coste, resistencia a las condiciones climáticas de trabajo, etcétera.

El organigrama muestra el esquema para la determinación de los elementos del aeromotor.

La longitud de las palas

El diámetro de las palas está en función de la potencia deseada. La determinación de éste, fija también la frecuencia de rotación máxima, que la hélice no deberá pasar para evitar las tensiones en la punta de las palas, debidas a la fuerza centrífuga. Es esencial tener en cuenta la fatiga de las palas y los riesgos de vibraciones, sobre todo para las palas muy largas.

Organigrama para la determinación de los elementos de aeromotor.

Las velocidades de giro que se dan en la tabla definen la envolvente representada en el siguiente gráfico.

Velocidad máxima de un aeromotor en función de su diámetro.

Además de estas velocidades máximas, la que se elija tener en cuenta la relación entre la velocidad en la punto de la pala U y la velocidad del viento natural o real V.

Esta relación determina, en efecto, el rendimiento de la hélice en relación al límite de Betz, según el tipo de máquina.

Rendimientos de diversos tipos de aeromotores.

El perfil

Se elige función del par deseado, cada perfil proporciona, para el ángulo de ataque óptimo un par función de C_z y de Cₓ, (Despreciable ante C_z para el ángulo de ataque óptimo).

Cuando ya se ha elegido el perfil y la velocidad de giro para la velocidad nominal del viento, se determina el calaje.

Para la mayoría de aeromotores de mediana y pequeña potencia las palas no están alabeadas, es decir, el ángulo de ataque sólo es óptimo para una sección de la pala, situada entre la mitad y los dos tercios.

Sin embargo, la mayoría de los aeromotores de más de 100 kW tienen las palas alabeadas.

Las características de los perfiles se determinan en el túnel aerodinámico. Estos datos son constantes estudiadas en especial para la aviación militar y comercial. A Cada perfil se le asocia generalmente el nombre del laboratorio y un número de referencia.

Perfil de la pala proyectada

Anchura. (longitud de la cuerda del perfil)

La anchura de las palas no interviene en la potencia del aeromotor, que esta en función de la superficie barrida. La anchura interviene en el par de arranque (que son dos fuerzas de igual magnitud y sentido opuesto, cuyas líneas de acción son paralelas pero no coinciden. Estas no producen traslación, el único efecto del par es la rotación) que será mayor cuanto más ancha sea la pala, pero para obtener velocidades de rotación elevadas se prefieren las palas finas y ligeras. Entonces el resultado será un compromiso entre estos dos factores.

Materiales

Contrariamente a lo que se cree frecuentemente, no es la propia aerodinámica en donde está la dificultad, sino en la construcción y la resistencia de los materiales de la pala.

En todos los aeromotores actuales, se está estudiando el método de construcción de las palas que se deben hacer para aumentar la seguridad del funcionamiento, manteniendo los precios, sin que las máquinas se transformen en prototipos eternos que no puedan comercializarse.

Los materiales utilizados en las palas son esenciales tanto como el sistema de regulación, opinamos que son los dos elementos básicos que definen la calidad del aeromotor.

El material utilizado para las palas debe responder en los aeromotores modernos a frecuentes elevaciones de rotación y a otras exigencias, a veces contradictorias:

• Ligero
• Perfectamente homogéneo para facilitar la producción en serie
• Indeformable
• Resistente a la fatiga mecánica (en particular a las tensiones alternas debidas al funcionamiento de los rotores y las vibraciones)
• Resistente a la erosión y a la corrosión
• De uso y producción sencillos
• Coste bastante bajo para que el aeromotor se pueda construir y vender

Actualmente se encuentran cuatro tipos de materiales para hacer las palas de la hélice.

Madera

Presenta ciertas ventajas: Es sencilla, ligera, fácil de trabajar y resiste bien la fatiga.

La falta de homogeneidad obliga a los constructores a elegir las palas en función de su masa, la cual puede variar a lo largo del tiempo de diferente manera para dos palas iguales cuando están en servicio.

Estas variaciones de masa y estas deformaciones son el origen de vibraciones destructoras para los aeromotores.

El nogal y la haya son las dos maderas más utilizadas en la fabricación de las palas, pero el nogal es una madera escasa, por lo tanto, cara, sobre todo si se quieren hacer palas de una longitud superior a 2 metros.

Para conservar las ventajas de la madera y reducir los inconvenientes, se puede recurrir a tratamientos o protecciones de la madera antes o después de hacer la pala:

• Chapas encoladas o chapas con baquelita;
• Protección contra la humedad por tratamiento hidrófugo;
• Protección del borde de ataque por un perfil pegado (o clavado);
• Protección total por un recubrimiento ligero;
• Por revestimiento sintético duro (resinas de poliéster);
• Por revestimiento de neopreno

Metal

Por lo general en las palas se emplea una aleación ligera con silicio o con magnesio, ya que con estos materiales se pueden obtener costes muy bajos si se producen grandes series (aluminio moldeado, hilado o repujado).

Sin embargo, hay que destacar que el aluminio resiste bastante mal la fatiga, lo cual limita su empleo. También existen materiales ligeros con características mecánicas superiores, pero su coste hace su empleo difícil.

Materiales sintéticos, resinas, fibras y otros.

Algunos aeromotores funcionan con palas de materiales plásticos (10 kW bipala, fabricado en Alemania Federal, bajo la dirección de M.U. Hutter, Lübing), pero estos materiales, siendo muy interesantes en ciertos aspectos, como:

• Poco peso;
• Insensibilidad a la corrosión;
• Buena resistencia a la fatiga,

Presentan ciertos inconvenientes que podrían reducirse:

• Coste elevado;
• Falta de homogeneidad en la construcción; las características dimensionales pueden variar de una pala a otra

Los aeromotores realizados por ERDA en colaboración con la NASA, están equipados con palas de fibra de carbono, según la tecnología utilizada en los helicópteros.

Palas compuestas

Las palas con diferentes materiales son una buena solución, en particular para los aeromotores de pequeña y mediana potencia. Ejemplos:

Aleación ligera + espuma de poliuretano;

Aleación ligera + poliéster y fibra de vidrio;

Madera + poliéster;

Madera + metal.

Las palas son la parte del aeromotor que sin duda tienen que evolucionar más.

Número de palas.

Aeromotor con par de arranque elevado. Son las hélices multipalas conocidas por todo el mundo para el bombeo de agua y cuyo para de arranque es proporcional al número de palas y al diámetro. Su rendimiento respecto al límite de Betz es pequeño, puesto que la velocidad de la punta de la pala está limitada, su diámetro máximo es de 8 metros.

Aeromotores denominados "rápidos". Generalmente son bipalas o tripalas; el número de palas no tiene influencia en la potencia proporcionada, sino que es función de la superficie barrida por el rotor.

Las máquinas que se construían antes eran generalmente tripalas, pero en la actualidad suelen ser bipalas, aunque sean de pequeña o gran potencia.

Bipala

• Nota: La hélices monopalas con contrapeso permiten mejorar el rendimiento, pero los problemas de vibraciones son muy difíciles de evitar.

Sistemas de protección

Cualquiera que sea el tipo de aeromotor es necesario, para evitar su destrucción cuando los vientos son demasiados fuertes, que esté provisto de un sistema que permita disminuir las tensiones mecánicas en la hélice.

Sistemas de frenado.

Sistemas de frenado manual.

Es el método más simple para proteger la hélice de la destrucción. Cuando el viento alcanza una cierta fuerza un operador detiene el rotor con ayuda de un freno, poniéndolo paralelo al viento (en bandera) o modificando el ángulo de calaje de las palas para obtener un par motor nulo (este es el sistema más eficaz).

En nuestro caso aplicaremos un sistema de frenado utilizado en el tren trasero de los automóviles volkswagen, este sistema conocido trabaja por medios mecánicos, como será de conocimiento este sistema es de freno es de tambor aplicado sobre balatas.

Sistemas de frenado automático.

Los medios citados pueden automatizarse mediante la acción del viento sobre un "pala" de mando.

La pala anexa está paralela y es solidaria al plano de rotación de la hélice.

Cuando la presión del viento sobre la pala alcanza un cierto valor, acciona mecánicamente una leva para poner en bandera al rotor o frenar el eje de giro (la presión del viento es proporcional al cuadrado de la velocidad V y a la superficie de las palas S; P = K·S·V?; K ~ 0,9).

El dispositivo precedente puede asociarse a un resorte que ponga en funcionamiento (posición inicial), al aeromotor cuando la velocidad del viento esté por debajo de la velocidad máxima que puede aguantar el aeromotor.

Incluso la acción en este caso puede ser progresiva. En efecto, el ángulo que forma el plano de la hélice con el viento, depende de la presión sobre la pala y la velocidad de rotación disminuiría hasta cero cuando el ángulo pase de 90° a 0°

Estos sistemas no pueden utilizarse más que con los aeromotores cuya velocidad de giro no debe ser constante. Por otra parte, presentan el gran inconveniente de interrumpir el funcionamiento del aeromotor más allá de una cierta velocidad del viento.

Estos son los sistemas de regulación más utilizados en los aeromotores de bombeo, en los cuales la constancia de la velocidad de giro así como el rendimiento no son importantes, ya que el agua puede almacenarse fácilmente.

Sistemas de regulación.

Se revisará rápidamente algunos tipos de regulación. Al ser estos altamente costosos no se realizarán en la práctica de instalación en zonas rurales.

Sistemas de regulación por freno aerodinámico centrífugo (perfil y calaje constantes).

• Regulador patentado, utilizado por el aeromotor Wincharger
• Las palas principales están fijas (calaje constante)
• La regulación dispone de dos paletas, P₁ y P₂, articuladas en O₁ y O₂, sobre un soporte perpendicular al eje de las palas principales. Estas paletas tienen la parte delantera un poco más larga y pesada que el posterior. Se mantienen en la posición inicial mediante los tensores t₁ y t₂ y los muelles ajustados x₁ y x₂

Hasta una velocidad de giro determinada f₀ (es decir, la velocidad del viento correspondiente a V₀), las paletas están en posición concéntrica. Actuando como un volante de inercia, tienden a mantener estable la velocidad de giro cuando la velocidad del viento varía durante breves momentos (pequeñas ráfagas).

Las palas que tienen un calaje fijo aumentan su velocidad de giro con la del viento; cuando esta velocidad sobrepasa V₀ la velocidad de giro sobrepasa f₀ y la fuerza centrífuga y la presión del aire sobre las paletas son preponderantes. Las paletas P₁ y P₂ giran alrededor de O₁ y O₂ y toman la posición correspondiente al frenado.

Sistema de "regulación" por disminución de la sección de la hélice, ya sea total o parcial, mediante una pala auxiliar.

Entonces la velocidad de giro disminuye y la fuerza de los muelles x₁ y x₂ vuelve a ser preponderante, volviendo las paletas a la posición inicial. Si el viento es siempre superior a V₀ el proceso vuelve a comenzar, aceleración, abertura, frenado, vuelta a la posición inicial, etcétera.

De hecho el movimiento real no comporta más que pequeñas oscilaciones alrededor del punto de equilibrio. Las paletas en funcionamiento parecen conservar una posición de equilibrio fijo, pero la velocidad de giro no es muy estable para toda la gama real de vientos.

Además de este sistema de regulación, debe instalarse un freno para poder inmovilizar al aeromotor en caso de temporal, de parada de urgencia o de no utilización.

Utilización de la torre abatible como freno.

Sistema de frenado aprovechando la torre abatible.

Se tratará de hacer una innovación más práctica para frenar o desactivar el giro del aeromotor.

Aprovechando el movimiento de la torre de tipo basculante, se desactivará el aeromotor por causas de viento fuerte, clima desfavorable, cese de actividad o parada de urgencia.

Este sistema es una variante del frenado automático visto anteriormente. Con una aplicación menos complicada.

Dispositivo de orientación

Los aeromotores de eje horizontal necesitan una orientación permanente de la máquina en una dirección paralela a la del viento para disminuir los esfuerzos y las pérdidas de potencia.

Características del aerogenerador proyectado.

Existen muchos dispositivos de orientación, elegidos generalmente de acuerdo con la potencia del aeromotor. Son parte importante del buen rendimiento de la instalación eólica.

Los aeromotores de eje horizontal están sometidos a fuertes esfuerzos durante los cambios bruscos de orientación, originados por los cambios de velocidad y dirección del viento. Estos esfuerzos son mayores cuanto mayores sean las aceleraciones que se producen en un cambio de dirección.

La componente perpendicular al eje de rotación de la hélice es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro alrededor del eje principal (en rad/s).

Los cambios de dirección y las variaciones de frecuencia de rotación provocados por las ráfagas son el origen de vibraciones nefastas para el buen funcionamiento del aeromotor.

El sistema de orientación deberá cumplir con la condición necesaria de mantener el rotor cara al viento sin provocar grandes cambios de dirección del rotor cuando se produzcan cambios rápidos de la dirección del viento.

Para los aeromotores de pequeña y mediana potencia, cuya hélice está situada cara al viento, el dispositivo de orientación es una cola, constituida generalmente por una superficie plana (placa metálica o de madera) situada en el extremo de un soporte unido al cuerpo del aeromotor.

La condición antes descrita se obtiene por la determinación de la superficie de la cola sobre la cual se ejerce el par de giro.

Esta superficie se determina experimentalmente situando la máquina prototipo en un lugar donde la corriente de aire está perturbada y buscando la superficie óptima de la cola.

Cuando la cola se sitúa en el eje aeromotor, la longitud de soporte juega una función importante, puesto que cuanto más largo sea menos se situará en la zona de turbulencias del aeromotor, originadas por el giro de la hélice.

Para evitar que la cola este situada en la zona de turbulencias debidas a la rotación de la hélice (una distancia igual a 6 o 10 veces el diámetro), algunos constructores (Aerowatt), después de haberlo ensayado en túneles aerodinámicos, han equipado a sus aeromotores con colas cuya parte útil está situada fuera de las perturbaciones.

Dispositivo de orientación para aeromotores de cara al viento.

Para adaptar esta cola a lugares perturbados, el mismo constructor ha hecho una cola cuya superficie varía en función de las solicitudes originadas por los cambios de orientación del viento. La parte útil de la cola está constituida por una parte fija y una parte móvil articulada a la anterior mediante un material elástico.

En el caso de que se produzcan cambios de dirección del viento, la parte móvil gira, disminuyendo así el para de giro y por consiguiente la velocidad angular de orientación es menor así como los esfuerzos.

Las colas, que son muy eficaces, son muy difíciles de poner en práctica por causa de su peso y sus dimensiones en los aerogeneradores cuya hélice tenga un diámetro superior a 20 m (dimensión que corresponde a un potencia cercana a los 100 kW para una máquina con una velocidad nominal de 11 m/s y un rendimiento del 65 % con relación al de Betz).

La mayoría de los aeromotores destinado a instalaciones de pequeña potencia (P < 10 kW) funcionan con la hélice situada contra al viento y están equipados con la cola orientadora.

Los aeromotores cuyo diámetro es superior a los 20 metros funcionan generalmente con la hélice a favor del viento, es decir, con ésta detrás de la torre de sustentación. Desgraciadamente, éste sistema de orientación implica un funcionamiento de la hélice que crea esfuerzos periódicos destructivos.

Autor: Aldo Barbera Saal, Erich Rude Cuzmar, David Mercado Mendoza. Bolivia.

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).

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Las palas del aeromotor. Rendimientos de diversos tipos de aeromotores. Sistemas de protección. Dispositivo de orientación.