Predicción de flexión en aspas

Usando el software Inventor y un modelo aproximado de la hélice y sus tres aspas hemos logrado ver cuanta será la deflexión en el extremo de cada una de éstas producto del viento.

Usando la formula de presión de viento

P = ½∙p∙v2∙F

Usando los siguientes datos,

- p: Densidad del aire 1.25 kg/m3, v: velocidad del viento (5-7 m/s) y F: factor de Forma
- Medidas de la hélice: Radio 20 cm, Espesor: 4 cm (ancho máximo)

Hicimos 3 simulaciones con diferentes parámetros y rango de presiones, siempre fijando nuestra hélice en el punto dónde iría el eje.

Presentamos a continuación las Zonas de Stress Máximo y de desplazamiento, representadas por escala de colores, Rojo = Zonas de valores Altos, Azul = Zonas de valores bajos.

Simulación 1

Material: Plástico ABS, Presión = 20 Pa

Simulación 2

Material: Plástico ABS, Presión = 2000 Pa

Simulación 3
Material: PVC tuberías, Presión = 2000 Pa

Resultados

Análisis

Luego vemos que por las cargas ejercidas, no existe deflexión observable en los extremos de las aspas para las cargas y materiales testeados, lo que revela que el viento ejerce muy baja presión como para lograr flexiones en el material. A mayores velocidades la presión aumenta de manera No lineal, por lo que para mayores escalas de tamaño la deflexión podría entrar a ser una variable a considerar dado la mayor distancia entre Apoyo – Extremo de la Pala y también mayores Presiones. Luego no existen deflexiones observables producto de la fuerza del viento.

Planos de Diseño

Se diseñaron planos en Inventor, las unidades se muestran en milímetros y son los más aproximados al diseño final deseado.

La Primera imagen muestra las vistas frontal y lateral mientras que la segunda nos muestra una vista 3d del modelo.

A continuación se muestra el detalle.

Selección de modelo

Para poder decidir qué dispositivo es más afín a las necesidades y requerimiento de la competencia el equipo propuso 6 criterios diferentes, medidos como alto, medio o bajo, que permiten apoyar la toma de decisiones.

Es posible observar que el modelo de aerogenerador clásico tiene mayor eficiencia y menos peso que el modelo vertical, además el primero es más simple y estético. Sin embargo tiene un costo de fabricación más alto y la manufactura se hace complicada por lo tanto surge la

necesidad de adquirir las aspas hechas.

Dado que se dispone de $10.000 y además existe la posibilidad de ocupar materiales de

desechos, para cualquiera de los modelos se está en condiciones de cumplir la restricción presupuestaria, la única diferencia en este sentido radica en la asignación de los recursos.

Luego procedimos a asignarle una ponderación a cada criterio y un valor de acuerdo a la tabla anterior, con lo que llegamos a un total, lo que nos permitió tomar una decisión objetiva.

Podemos ver que el puntaje más alto lo obtuvo el aerogenerador clásico, por lo que el equipo se decidió por éste modelo.

Foto esquemática del modelo elegido.

Consideraciones sobre el peso

Es importante remarcar que habiendo elegido el aerogenerador de eje horizontal (o clásico), el peso de la hélice, eje y rodamientos significan un peso relativamente bajo comparado con el peso de la estructura de soporte.

Además, ya que hemos adquirido la hélice y por cierto que debido a su tamaño los esfuerzos por reducir el peso en esta sección no implicarían una gran diferencia en el peso final.

Bajo este criterio, nos enfocamos especialmente en crear una estructura que soporte al dispositivo lo más liviana posible, sin comprometer la estabilidad de este último.

Fabricabilidad del aerogenerador

Sin importar el material escogido para el soporte del dispositivo, es relativamente fácil construirlo, pues se trata de una viga simple o un reticulado. Así, el criterio predominante para escoger un determinado diseño es fundamentalmente guiado por el peso de la estructura y por el precio de conseguir los materiales.

Ahora bien, fabricar las aspas de un material suficientemente

resistente y con la geometría adecuada para lograr una eficiencia aceptable es un proceso relativamente complejo y lento. Por lo tanto se ha optado por adquirir las aspas en el comercio, gastando cerca de un 70 % del presupuesto en la parte más importante del dispositivo.

Para hacer el eje y conseguir los rodamientos se buscarán materiales de desecho para abaratar costos, como por ejemplo ruedas de skates en deshuso.

Prototipo Virtual

De acorde con el modelo elegido (Wind Turbine), hemos diseñado en inventor un prototipo virtual esquemático de cómo será el modelo final.

En consideración de las piezas y partes con las que contará nuestro modelo se explicitan a continuación:

-Tapa frontal redondeada
-Rodamientos
-Eje Central
-Carcasa
-Soporte

El modelo virtual de las piezas se presenta en la siguiente imagen.

Un esquema de cómo se ensamblarían los diferentes componentes queda exhibido en la siguiente imagen.

Los materiales aún no están definidos, pero la prioridad serán que cumplan las especificaciones detalladas en la correspondiente entrada tanto en peso como en resistencia.

Soporte

Hemos descartado el diseño que contemplaba el cable en los extremos debido a que el poco peso que presenta la hélice adquirida. El diseño horizontal fue descartado por la mayor complejidad que presenta la manufactura de las piezas presentaría respecto a la hélice comprada.

Para garantizar el correcto funcionamiento del soporte, una de las mejores opciones en cuanto a resistencia, la presenta un perfil tipo I o L, por simplicidad de diseño, usaremos un perfil en forma de L, el cual tendrá perforaciones en la parte inferior para sujetar el soporte inferior, y en la parte superior lo uniremos con una placa, para sujetarlo al anclaje designado.

Si bien todavía no elegimos el material del soporte, este debe ser liviano y resistente, además de presentar la geometría en L, por lo tanto nuestras opciones se acotan y dentro de estas priorizaremos las que podamos obtener de la reutilización de ciertos elementos, por ejemplo, estructuras en desuso, marcos de ventanas, etc.