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Análisis estructural y modal de la hélice de un aerogenerador de 3kW de potencia mediante simulación numérica computacional

机译:3kW风机螺旋桨结构与模态分析的数值模拟。

摘要

En la presente tesis se hizo un estudio del comportamiento estructural y modal de la hélice de un aerogenerador de eje horizontal de 3kW en condiciones extremas de operación. Primero se realizó un análisis aerodinámico para determinar las cargas del viento sobre la hélice. En este estudio se utilizó el software ANSYS CFX para obtener el patrón de flujo, el campo de presiones, el campo de velocidades y el torque resistente. Los resultados de la simulación aerodinámica se verificaron en forma cualitativa mediante el patrón de flujo teórico y en forma cuantitativa por medio del cálculo de la potencia generada. En ambos casos se obtuvo una adecuada correspondencia.Posteriormente se realizó el estudio del comportamiento estructural de la hélice usando el software ANSYS MECHANICAL, con la finalidad de obtener el estado de esfuerzos, los desplazamientos y el factor de seguridad de la hélice. Los resultados de la simulación estructural se verificaron indirectamente mediante cálculos analíticos usando la teoría clásica del laminado.Se puede afirmar que la hélice opera en forma segura con un factor de seguridad de 1.86, considerando el material ortotrópico del cual está fabricada. Asimismo, se hizo un estudio modal para obtener las frecuencias naturales y sus respectivos modos de vibración, con la finalidad de determinar las velocidades críticas de funcionamiento de la hélice. El análisis modal fue verificado utilizando un modelo matemático de un grado de libertad, correspondiente a una viga en voladizo. Con el análisis modal se comprobó que la hélice no entraría en resonancia en el régimen de trabajo extremo (400 r.p.m.), ni por debajo de este, ya que las velocidades críticas están por encimas de 450 r.p.m.
机译:本文对3kW水平轴风力发电机的螺旋桨在极端工况下的结构和模态行为进行了研究。首先进行了空气动力学分析,以确定螺旋桨上的风荷载。在这项研究中,ANSYS CFX软件用于获得流型,压力场,速度场和抗转矩。空气动力学模拟结果使用理论流量模式进行了定性验证,并通过计算产生的功率进行了定量分析。在这两种情况下,都获得了适当的对应关系,随后,使用ANSYS MECHANICAL软件对螺旋桨的结构行为进行了研究,以获得螺旋桨的应力,位移和安全系数的状态。使用层压板的经典理论通过分析计算间接验证了结构仿真的结果,可以确定,考虑到使用正交异性材料制成的螺旋桨,其安全运行的安全系数为1.86。同样,为了确定螺旋桨的临界运行速度,还进行了模态研究以获得固有频率及其各自的振动模式。使用自由度的数学模型(对应于悬臂梁)验证了模态分析。通过模态分析,验证了螺旋桨在极限工作状态(400 r.p.m.)或以下均不会产生共振,因为临界转速高于450r.p.m。

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