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Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico
Departamento de Ingeniera Mecnica
TESIS DE MAESTRA EN CIENCIAS
Modelado de una Hlice y de una Estructura de Soporte de un Aerogenerador Tpico
presentada por
Ernesto Galindo Coronado Ing. Mecnico por La Universidad La Salle D.F.
como requisito para la obtencin del grado de: Maestra en Ciencias en Ingeniera Mecnica
Director de tesis: Dr. Alberto Lpez Lpez
Co-Director de tesis: Dr. Dariusz Slawomir Szwedowicz Wasik
Cuernavaca, Morelos, Mxico. 17 de Diciembre de 2012
Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico
Departamento de Ingeniera Mecnica
TESIS DE MAESTRA EN CIENCIAS
Modelado de una hlice y de una Estructura de Soporte de un Aerogenerador Tpico
presentada por
Ernesto Galindo Coronado Ing. Mecnico por la Universidad La Salle D.F.
como requisito para la obtencin del grado de:
Maestra en Ciencias en Ciencias en Ingeniera Mecnica
Director de tesis: Dr. Alberto Lpez Lpez
Co-Director de tesis:
Dr. Dariusz Slawomir Szwedowicz Wasik
Jurado: Dr. Jorge Coln Ocampo Presidente
Dr. Jos Mara Rodrguez Lelis Secretario M.C. Eladio Martnez Rayn Vocal
Dr. Alberto Lpez Lpez Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, Mxico. 17 de Diciembre de 2012
DEDICATORIAS
A MIS Queridos y amados
PADRES, ANA Y ERNESTO.
A GABRIELA.
A MIS HERMANAS, API Y SAVE.
A MI ALIZ.
AGRADECIMIENTOS A Gabriela Lecona Giles por toda su ayuda, comprensin, amor y cario en estos aos.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa (CONACYT) por el apoyo econmico brindado para la
realizacin de mis estudios de maestra.
Al Centro Nacional de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico (CENIDET) por ser una de las
instituciones del pas con gran prestigio y alto nivel acadmico a nivel posgrado.
A mi director de tesis, Dr. Alberto Lpez Lpez por su apoyo incondicional y excelente asesora para
la realizacin de este trabajo.
A mi Co-Director de tesis, Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik por sus valiosos consejos y
conocimientos transmitidos.
A los miembros del comit revisor, Dr. Jorge Coln Ocampo, Dr. Jos Mara Rodrguez Lelis y M.C.
Eladio Martnez Rayn por sus comentarios, sugerencias y valiosas aportaciones.
A mis colegas, que uno de ellos una vez me dijo palabras sabias los amigos son la familia que uno
escoge; gracias Alex por esa reflexin.
A Alejandro, Lucio, Marco y Enrique por su amistad, apoyo y vivencias que tuvimos, pero sobre
todo por los exmenes que me pasaron (broma) GRACIAS HERMANOS.
A Vanessa, Maribel, Rubicel, Maggy, Rodrigo, Miguel X. y con un especial agradecimiento a Nadia
Lpez, Dios los bendiga a todos y cada uno de ustedes, gracias por su amistad.
A mis amigos Vicente Torres Luna y Jos ngel Segura Vittorio, por compartirme sus conocimientos,
consejos, recomendaciones y sugerencias para la realizacin de esta tesis.
A mis compaeros de maestra: Jacobo, Gil, Carreo, Pedro, David y en especial a Miguel Chagolla,
que aunque no sea con letras de oro agradezco infinitamente tu ayuda y a los dems por la
fraternidad que establecimos en este tiempo.
MUCHAS GRACIAS!!!
RESUMEN
En este trabajo se presenta el modelado del soporte estructural y de la hlice de un
aerogenerador tpico, por medio de un programa de elementos finitos para analizar
su comportamiento estructural ante cargas por viento y sismo, as como para evaluar
su resistencia mecnica para las cargas mencionadas que pueden presentarse en la
Repblica Mexicana. El anlisis inicial consisti en modelar de forma separada el
soporte estructural y la hlice. Posteriormente, se evalu acoplando ambos modelos
con el fin de obtener una mejor aproximacin del comportamiento ante las cargas de
inters, y poder determinar si el diseo del aerogenerador analizado cumple con los
requerimientos necesarios para su instalacin en determinado sitio del territorio
mexicano.
ABSTRACT
In this work is presented the modeling of the structural support and the blade of a
horizontal axis wind turbine using a finites elements program to analyze its structural
performance by wind and earthquake loads, in such a way that allows assessing their
mechanical resistance before loads which can be presented in Mexico. The initial
analysis consisted of modeling separately the structural support and the blade.
Afterwards, it was assessed by engaging both models in order to obtain the best
approximation of its behavior before these loads and determine if the design of the
wind turbine analyzed complies with the requirements necessary for its installation in
a specific site of the Mexican territory.
I
PGINA
NDICE GENERAL I
NDICE DE FIGURAS IV
NDICE DE TABLAS VII
CAPITULO 1.- INTRODUCCIN 1
1.1. Planteamiento del problema 2
1.2. Objetivos 3
1.3. Alcance 4
1.4. Revisin bibliogrfica 5
1.4.1. Normas existentes 5
1.4.2. Manuales existentes para el anlisis por viento y sismo en Mxico
7
1.4.3. Estudios realizados sobre aerogeneradores
8
CAPITULO 2.- DETERMINACIN DE CARGAS POR VIENTO Y SISMO
22
2.1. Historia de los aerogeneradores 22
2.1.1 Clasificacin de los aerogeneradores 24
2.1.2. Componentes principales de un aerogenerador de eje horizontal
24
2.1.3. Materiales utilizados para la fabricacin de las hlices y del soporte
26
2.1.4. Perfiles comerciales de hlices 27
2.2. Peligros naturales por viento y sismo en Mxico 28
2.2.1. Mapas de isotacas de velocidades regionales con fines de diseo estructural
29
2.2.2. Mapas de aceleraciones mximas con fines de diseo estructural
30
2.3. Parques elicos en Mxico 31
2.3.1. Tipos de aerogeneradores instalados 32
II
2.3.2. Caractersticas del aerogenerador Tipo G52 33
2.4. Cargas actuantes en un aerogenerador 34
2.4.1. Anlisis por viento de un aerogenerador Tipo G52 36
2.4.1.1. Parmetros para el clculo de cargas por viento 37
2.4.1.2. Presin dinmica de base 39
2.4.1.3. Presiones y fuerzas de diseo 40
2.4.1.4. Fuerza dinmica equivalente 40
2.4.1.5. Fuerza del viento sobre la estructura de soporte 43
2.4.1.6. Fuerza del viento sobre las hlices 46
2.4.2. Anlisis por sismo de un aerogenerador Tipo G52 48
2.4.2.1. Cargas por sismo 52
2.4.2.2. Parmetros para el clculo de cargas por sismo (caso esttico)
53
2.5. Pandeo en soporte estructural 59
CAPITULO 3.- MODELADO Y ANLISIS DE RESULTADOS 63
3.1. Tipos de elementos para modelar soporte y hlice 63
3.2. Seleccin del tipo de elemento 64
3.3. Modelado del soporte estructural y hlice sometidos a cargas por viento
66
3.2.1. Modelo del soporte estructural 66
3.2.2. Modelo de la hlice 70
3.4. Modelo acoplado de soporte y hlices sometido a cargas por viento
76
3.5. Modelo de soporte sometido a cargas por sismo 79
3.5.1. Caso esttico 79
3.5.2. Caso dinmico 82
3.6. Comparacin de resultados 85
3.7. Anlisis de confiabilidad 92
III
CAPITULO 4.- CONCLUSIONES 99
4.1. Conclusiones 99
4.2. Recomendaciones 100
REFERENCIAS 101
IV
NDICE DE FIGURAS
PGINA
Figura 1.1. Mapa de zonas de aprovechamiento elico en Mxico 3
Figura 1.2. Rotacin de la hlice a travs de una corriente turbulenta
11
Figura 1.3. Espectro de frecuencia esttico y rotacional de un aerogenerador de dos hlices
12
Figura 1.4. Intervalos de frecuencia (flexible a rgido) para un aerogenerador OWECS
12
Figura 1.5. Configuracin estructural de los modelos del soporte por elemento finito, donde: a modelo con elemento tipo shell y b modelo con elemento tipo brick
13
Figura 1.6. Superficie de sustentacin de la hlice 14
Figura 1.7. Momento MXY en la base del soporte contra la velocidad del viento
19
Figura 1.8. Intensidad de turbulencia Iu contra la velocidad del viento
19
Figura 1.9. Factor de respuesta dinmica FR 19
Figura 1.10. Orientacin de las capas en el modelo fibroreforzado 21
Figura 2.1. Componentes principales de un aerogenerador tipo 25
Figura 2.2. Parmetros de perfil geomtrico series NACA 28
Figura 2.3. Mapa de isotacas para velocidades regionales con periodo de retorno de 200 aos
30
Figura 2.4. Aceleraciones mximas en terreno rocoso correspondientes a periodos de retorno de 500 aos para la zona del pacfico y 10,000 aos para zonas de baja sismicidad
31
Figura 2.5. Dimensiones de aerogenerador Tipo G52 33
V
Figura 2.6. Distribucin de fuerzas sobre el soporte estructural y las hlices
47
Figura 2.7. Espectros de peligro uniforme para el sitio de Acapulco
49
Figura 2.8. Cocientes de las ordenadas del espectro de diseo entre las del espectro de peligro uniforme con tasa de falla constante =0.001 en la Repblica Mexicana
50
Figura 2.9. Caractersticas del soporte estructural. 53
Figura 2.10. Espectros de diseo transparente en roca y corregido por FE
56
Figura 2.11. Distribucin de fuerzas resultantes en cada seccin y momento en el soporte estructura
