Uso de geometrías variables en las secciones de pala de futuros aerogeneradores

Adaptfoil2D: diseño de perfiles de aerogeneador incluyendo geometrías variables

A. González y X. Munduate (Cener), R. Palacios (Imperial College of London) y J.M.R. Graham (Imperial College of London)25/09/2013
Las expectativas de cambio en los futuros diseños de las palas están motivando nuevas investigaciones en el campo de la energía eólica, El incremento del tamaño del rotor, sobre todo en lo que a tecnologías offshore se refiere, implica nuevos retos técnicos en términos de cargas aerodinámicas y funcionamiento aeroelástico. Las estrategias de control basadas en el cambio de pitch y velocidad de rotación no son escalables para las futuras palas. Así, el concepto de rotor inteligente promueve soluciones técnicas a estos retos, introduciendo la idea del control distribuido [1]. Entre las soluciones que han sido propuestas, las secciones de pala con alguna posibilidad de modificar la geometría, se consideran como potencialmente eficientes para control de cargas [2]. Además, algunas de las posibles opciones tienen ya un notable grado de madurez debido al trabajo llevado a cabo en sectores como la aviación, sirva como ejemplo la integración de flaps en las palas. En este contexto, el estudio de la modelización aeroelástica de perfiles con geometría variable cobra una nueva importancia para el sector.
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Existen diferentes aproximaciones para la modelización de perfiles de geometría variable. El primer nivel está relacionado con el desarrollo de soluciones basadas en la teoría clásica de perfiles finos. En la referencia [3] se puede encontrar una excelente revisión de esta teoría para aplicaciones prácticas. Un ejemplo es el código AdaptFoil1D [4] desarrollado y validado por Cener (Centro Nacional de Energías Renovables). El segundo nivel de modelización corresponde a los códigos de paneles, que pueden mostrar un buen equilibrio entre coste computacional y exactitud. El libro de Katz [5] es una de las recopilaciones más completas y didácticas sobre los métodos de paneles. Finalmente, el nivel más alto de modelización se alcanza mediante uso de códigos CFD, con una representación detallada del flujo y el perfil, pero con costes computacionales mucho mayores. La referencia [6] de Fletcher es una buena base para este tipo de técnicas.

Detalles de la investigación en curso

El objetivo principal del trabajo llevado a cabo en Cener es el desarrollo de un código de paneles llamado AdaptFoil2D. Se trata de una herramienta aeroelástica para modelar perfiles de aerogenerador, incluyendo geometrías variables que se adapten a las condiciones existentes en diferentes situaciones. Las aplicaciones principales serán el diseño en los perfiles de elementos para control aerodinámico de las cargas y el comportamiento aeroelástico. El desarrollo del código propuesto viene a responder a una falta de herramientas adecuadas y fiables en la fase de diseño. El objetivo último será una disminución del coste de la energía a través de mejoras en la eficiencia aerodinámica o una disminución en el coste de la pala. Actualmente, existe una versión del código validada para flujo pegado, y una versión para flujo separado y pérdida dinámica en desarrollo.

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Las aplicaciones principales de la herramienta AdaptFoil2D serán el diseño en los perfiles de elementos para control aerodinámico de las cargas y el comportamiento aeroelástico.

Descripción del código AdaptFoil2D

Desde un punto de vista aerodinámico, el código está basado en el método de paneles, que básicamente es una aproximación numérica para representar el comportamiento de un cuerpo en unas determinadas condiciones de flujo. La geometría del cuerpo, en este caso un perfil aerodinámico, se divide en un número finito de paneles con una distribución de elementos singulares asociados (fuentes, vórtices o dobletes). El conjunto de singularidades debe hacer cumplir la condición de no penetración del flujo a través de la superficie del perfil en un conjunto de puntos discretos.

Actualmente, existe una versión de AdaptFoil2D para flujo pegado, totalmente validada para perfiles aerodinámicos con las siguientes características:

  • Las singularidades usadas en los paneles son dobletes y fuentes de intensidad constante.
  • Las condición de no penetración es una combinación de la de Neumann y la de Dirichlet.
  • Para la condición de Kutta, existe un punto de remanso en el punto de separación del flujo.
  • La estela viene conformada por vórtices discretos.

Además de la versión para flujo pegado, está actualmente en desarrollo una versión para flujo separado. La motivación es estimar la influencia del comportamiento de los elementos de control en condiciones de flujo separado e incluso pérdida dinámica, presentes frecuentemente durante el funcionamiento de los aerogeneradores. Esta versión incluye un punto de separación adicional para tener en cuenta las dos posiciones en que el flujo se despega de la superficie. Este punto viene prescrito en función del perfil, número de Mach y de Reynolds, aunque su comportamiento no estacionario es calculado por el código.

Por último, la contribución estructural del perfil o sección de pala es incluida de forma muy simplificada basada por un lado en un movimiento de sólido rígido. La masa y momento de inercia son asumidos en un único punto de la línea media, donde se acopla un sistema de muelles y amortiguadores simulando las propiedades estructurales de la sección de pala. Este movimiento se combina con una aproximación para deformaciones en las regiones hacia el borde de ataque y hacia el borde de salida, basado en el modelo de viga estática de Euler-Bernoulli, con la posibilidad de seleccionar los valores de la rigidez a flexión.

Aplicación de la herramienta

AdaptFoil2D, junto con el código AdaptFoil1D para cálculos preliminares, ofrece una metodología eficiente para la evaluación en fase de diseño del comportamiento aeroelástico de perfiles 2D, incluyendo casos de geometría variable. Desde un punto de vista práctico, ambas herramientas pueden ser integradas en los procesos de diseño de palas o aerogeneradores, con la posibilidad de tener en cuenta sistemas de control distribuido más adecuados y eficientes que los sistemas actuales.

La versión de flujo pegado ha sido validada con una extensa lista de casos estacionarios y no estacionarios, y puede ser utilizada ya en procesos de diseño. Para tener además en cuenta todas las condiciones reales en los aerogeneradores, incluyendo situaciones de flujo separado en las secciones de pala, o pérdida dinámica, está en desarrollo una versión del código que incluye la posibilidad de modelar separación de flujo en el perfil.

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Distribución de presión y geometría con un flap activado en el borde de salida.

Bibliografía

[1] Barlas, T.K., and Van Kuik, G.A.M., Review of state of the art in smart rotor control research for wind turbines, Progress in Aerospace Sciences, 46, pp. 1–27, 2010.

[2] Buhl, T., Gaunaa, M., and Bak, C., Load reduction potential using aerofoils with variable trailing edge geometry, In Proceedings of the 43rd AIAA/ASME, Reno, NV, USA, 2005.

[3] Bisplinghoff, R.L., Ashley, H., and Halfman, R.L., Aeroelasticity. Dover Publications, Inc., 1955.

[4] González, A., Aeroelastic modelling of wind turbine deformable aerofoils, PhD transfer report, Department of Aeronautics, Imperial College London, 2011.

[5] Katz, J., and Plotkin, A., Low-speed aerodynamics. Cambridge Aerospace Series, 2001.

[6] Fletcher, C.A.J., Computational techniques for fluid dynamics. Springer Series.

Distribución de presión y geometría con un flap activado en el borde de salida

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