Patrones de vórtice a sotavento de una torre de aerogenerador multi-mw, en condiciones de viento extremo

Abstract

La provincia de Neuquén cuenta con una de las zonas de mayor potencial eólico de la Argentina. Se proyecta construir granjas eólicas en el norte de dicha región, y se prevé que las turbinas a instalar sean de gran potencia y estén soportadas por torres de acero tubulares troncocónicas. El objetivo que guió este trabajo fue estudiar los patrones de vórtices a sotavento de una de estas torres, sometida a los vientos extremos de la región mencionada. Durante la investigación se tomaron mediciones de viento en tres lugares del norte neuquino. Con estos registros se obtuvieron los perfiles de viento, la intensidad de turbulencia, y se pronosticaron los vientos extremos utilizando el método de las tormentas independientes. Los datos obtenidos fueron reproducidos en un túnel de viento de capa límite en el que se ensayó un modelo de torre en escala 1:75, suponiendo al aerogenerador detenido en bandera. Los números de Reynolds de los ensayos estuvieron comprendidos entre 1,45x104<Re<4,37x104. Se estudió la dinámica de la estela aplicando anemometría de hilo caliente para medir el campo de velocidades de flujo. Los patrones de vórtices y movimientos del flujo se visualizaron utilizando catavientos, partículas de humo y luz láser. Además se analizó el efecto de la posición del rotor sobre el coeficiente de presión de la torre, realizando mediciones de presión en su perímetro. Los resultados muestran concordancia con los obtenidos por otros autores para cilindros a bajo número de Reynolds o en agua. Se observó además una oscilación vertical de la estela no descripta en la literatura, de frecuencia cercana a la frecuencia natural del prototipo. Se encontró que las solicitaciones sobre la torre son más desfavorables si el rotor se detiene con una pala a barlovento, lo que sugiere la consideración de al menos dos casos de rotor en bandera en el análisis de cargas. Se espera que este trabajo contribuya a un diseño más eficiente de las torres de aerogeneradores que se instalen en el norte neuquino y en consecuencia a la optimización en el desarrollo de la energía eólica en la provincia.

The Neuquén province offers one of the zones with most eolic potential of Argentina. Many eolic farms with high-power turbines supported by steel tubular tapered cylinder-shaped towers are being planned and built in the north part of this region. The main objective of this work is to study the leeward vortex pattern of one of these towers subjected to the high winds in this particular region. Wind readings were taken in three places of the northern region of Neuquén during this research. These values were used to obtain a wind profile, calculate turbulence intensity and predict extreme wind values using the Method of Independent Storms (MIS). Data obtained was reproduced using a 1:75 scale tower model in a boundary layer wind tunnel in a stationary feathered pitch position mode. Reynolds numbers obtained were between 1.45x104<Re<4.37x104. The wake dynamic was analyzed through the flow velocities applying hot wire anemometry. Vortex patterns and flow motion were visualized using tufts, smoke particles and laser. Furthermore, the effect of the rotor position and the pressure tower coefficient were analyzed with pressure measurements in its perimeter. Results show correlation with those of other authors´ for cylinders with low Reynolds numbers or in water. A vertical oscillation of the wake with a frequency closer to the prototype´s natural frequency has been observed and not found in the bibliography. It was concluded that the solicitations on the tower are more unfavorable when the rotor stops with one blade windwards, which suggests to take into consideration two wind flag rotor positions when calculating the loads. This research aims to contribute to a more efficient design of the aerogenerator towers to be installed in the northern region of Neuquén and therefore, to the optimization in the development of eolic energy in this province.