TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS - Ernesto... · PDF fileCocientes de las ordenadas...

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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