TAZ-TFM-2013-196


Development of a model for computing tip loss corrections in wind turbines

Matiz Chicacausa, Andrea
Schepers, Gerard (dir.)

Cortés Gracia, Cristóbal (ponente)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2013
Ingeniería Mecánica department, Máquinas y Motores Térmicos area

Máster Universitario en Energías Renovables y Eficiencia Energética

Abstract: A la fecha, la comprensión de la relación entre el comportamiento de la curva de potencia en una turbina eólica y su número de álabes parece ser insatisfactoria. Esto se debe en parte a que la teoría Blade Element Momentum (BEM), que es la herramienta más usada para modelar el comportamiento aerodinámico de las turbinas, asume un rotor con infinito número de álabes. Esta suposición simplifica el análisis en la medida en que el rotor, a diferencia de las turbinas eólicas reales, es descrito como un disco continuo que gira con una velocidad de rotación determinada. A su vez, hay diferentes fénomenos físicos que suceden en el álabe y que no pueden ser captados por esta teoría. Por ejemplo, la pérdida de potencia en la punta se explica en parte por la no-uniformidad de flujo causada por la presencia de un número finito de álabes en el rotor. Algunas correcciones realizadas para modelar la pérdida de potencia en las puntas tratan de incluir como parámetros importantes un número finito de álabes y la relación de velocidad en la punta. Los resultados de estas correcciones no son del todo satisfactorios y generan incertidumbres a la hora de calcular la distribución de cargas sobre el álabe. Es razonable suponer que también hay una relación entre la geometría del álabe y la pérdida de potencia en la punta del mismo; para incluir dicho efecto creemos que el párametro que es necesario considerar es la estructura de la cuerda del álabe en la punta. La primera corrección para incorporar un número finito de alabes fue presentada de forma analítica por Prandtl hacia la década de 1920. El mostró que la pérdida de potencia decae de manera exponencial en la cercanía de la punta del álabe. Esta corrección tiene en cuenta no sólo un número finito de álabes en el rotor sino también la posición radial en el alabe, y corrige la predicción de las fuerzas aerodinamicas calculadas con BEM. En 2005, Wen Z. Shen y sus colegas desarrollaron una corrección que mejora los resultados obtenidos por el modelo de Prandtl. Su propuesta, basada en el análisis empírico de los datos de un proyecto, consiste en agregar un factor de corrección al modelo desarrollado por Prandtl, de manera que aparece el efecto de la velocidad de rotación sobre las cargas en la punta. La función exponencial introducida por Shen (g) depende de la relacion de velocidad en la punta (TSR por su sigla en ingles)y fue hallada empíricamente (si g = 1 se obtiene el factor de corrección de Prandtl). A pesar de mejorar notablemente la precisión en el cálculo de las cargas, el modelo de Shen presenta algunas diferencias respecto a los casos de bajas TSR. Con el objetivo de mejorar los resultados obtenidos por Prandtl y Shen este trabajo presenta un nuevo factor de corrección que incluye parámetros que no han sido incluidos en los modelos existentes; por ejemplo, como ya se ha mencionado, la cuerda del álabe obteniendo así dos coefcientes empiricos y una nueva expresion para calcular las perdidas en la punta. Finalmente, vale la pena añadir que, más allá de estudiar y corregir los modelos de Prandtl y Shen, este trabajo pretende ser un aporte a la mejor comprensión de los fenómenos que ocurren en las puntas de los álabes eólicos.


Free keyword(s): tip loss ; aerodynamics ; bem ; wind turbines
Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Master

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