Diseño mecánico de un molino manchego adaptado a generación eléctrica.

Las energías renovables como fuente de autoconsumo es un campo en auge. La finca en la que se encuentra el elemento analizado en este proyecto es un perfecto ejemplo de esto incluyendo tecnologías de aprovechamiento solar fotovoltaico, geotérmico y eólico. Esta última tecnología es de la que parte este trabajo. Se trata de una instalación que emula un molino manchego clásico cuyo movimiento rotatorio se utiliza para generar electricidad. La frecuente aparición de problemas es la razón por la cual ha motivado que se recurriese a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) en busca de soluciones. En este proyecto se tratan los problemas mecánicos encontrados en el molino mediante el cálculo y análisis de la estructura ante las diferentes acciones que sufre para poder ofrecer soluciones con el fin último de conseguir poner en funcionamiento la instalación. Para lograr el objetivo final dentro de la ETSII se dividió el proyecto en tres partes diferenciadas según el campo de acción para tratar los problemas específicamente y realizar un análisis más exhaustivo. Una parte se ha encargado de la aerodinámica y la extracción de energía del viento en el Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica (DIEF), el Departamento de Máquinas Eléctricas se ha encargado del estudio del alternador existente para la transformación de potencia y en el Departamento de Ingeniería de Máquinas (DIM) se ha realizado el análisis de la estructura, fuente principal de fallos, y otros problemas mecánicos. Este documento se ocupa de este último campo, centrándose principalmente en el cálculo estructural. El principal fallo sufrido por el molino es la rotura de los apoyos utilizados para soportar la cubierta. Se han utilizado distintos tipos de rodamientos ya que toda la parte superior del molino debe ser capaz de girar para orientar las aspas de frente al viento. Todas las soluciones anteriores han terminado por fallar desequilibrando la cubierta e imposibilitando su orientación lo que impide por completo su control. Existen además otros problemas que aunque no bloquean el funcionamiento sí lo dificultan. Estos son las imperfecciones en el montaje, la mala ubicación de la multiplicadora y el uso de topes inadecuados. A pesar de que para estas irregularidades se han propuesto soluciones este proyecto se centra especialmente en el que impide que la instalación opere, la rotura de los apoyos. Para poder aportar una solución se procede a realizar el cálculo de la estructura y determinar la carga correspondiente en los apoyos. Para ello se impone que únicamente se utilizarán tres apoyos y asegurar así el contacto permanente. Se estima que los fallos anteriores se debían a haber utilizado un número mayor de rodamientos y haber pensado que la carga se repartiría por igual entre ellos. A la hora de abordar este problema se decide que se debe operar con una estructura simplificada, es necesario transformar los elementos tridimensionales en otros de carácter lineal. Para ello se utiliza un programa del DIM ya utilizado para otros proyectos en el departamento. Esta herramienta se basa en el cálculo matricial para realizar los cálculos estructurales, lo que requiere un conocimiento de las matrices de rigidez y de los procedimientos requeridos para utilizar este método. Uno de los primeros pasos del estudio consiste en determinar qué cargas deben estar presentes para aproximarse lo máximo posible a la situación real y que tengan una influencia significativa en el resultado. La resolución final incluye la acción de la gravedad traduciéndose en el peso del eje transmitido a través de los puntos de apoyo en la estructura, el peso de la propia estructura y el del cerramiento de la cubierta, por último se incluye como única acción dinámica la del viento. Las cargas estáticas que aplican necesitan de cálculos previos pero no tienen mayor dificultad técnica, sin embargo para delimitar la acción creada por el viento sobre una estructura se acude al EUROCÓDIGO 1. No existe ningún caso que aparece en dicha norma que se aplique a la estructura aquí analizada, sin embargo se puede realizar una combinación de casos existentes, una cúpula y una cubierta a cuatro aguas, atendiendo a los parecidos entre estructuras para llegar a una solución de la distribución de coeficientes lo más acorde posible a la forma de la cubierta estudiada. Debido a su planta circular se ha utilizado la evolución del coeficiente de presión de la cúpula en el plano base, la base del cono, pero dado que las vigas son rectas las presiones no deberían variar casi a lo largo de su longitud, que es lo que sucede con los valores de la cubierta a cuatro aguas con vigas rectas y mismo ángulo. Por tanto la presión se mantiene constante a lo largo de la viga pero es distinta para cada una de ellas. Una vez se conocen las cargas se deben introducir todos los datos en el programa de la forma adecuada para poder realizar simulaciones en diferentes situaciones. Una característica esencial a tener en cuenta del cálculo matricial es que no puede operar con cargas en las vigas, únicamente en los nudos. La solución a esto consiste en descomponer el problema en dos, uno con la barra aislada y cargas en la viga del que se obtienen las reacciones en los apoyos, y otro en el que estas reacciones previamente halladas se colocan en los nudos. Este último es en el que se utiliza el cálculo matricial y del que se obtienen los resultados utilizados. Para la distribución correcta de los esfuerzos en las barras habría que incluir los que aparecían en el problema de la barra aislada pero dado que en el caso estudiado los esfuerzos en las barras no generan problemas por lo que no suponen un dato relevante a calcular. Para todos los casos en los que ha sido necesario descomponer el problema se ha recurrido al formulario de vigas simples aportado por la ETSII para la asignatura del Máster Universitario en Ingeniería Industrial. Cuando se tienen todos los datos en la forma correcta se introducen en los nudos correspondientes, habiendo definido previamente la estructura en Matlab. Una vez introducidas las cargas se eligen los apoyos y se calcula. Se han probado diferentes distribuciones de los puntos de apoyo hasta encontrar la idónea. Del mismo modo para cada una se han simulado tres escenarios distintos para probar todas las posibles situaciones de carga o trabajo. Se ha realizado un cálculo sin acción dinámica, otro con viento frontal en situación de trabajo y otro con viento por encima de la velocidad límite incidente lateralmente para no dañar el molino. Se han incluido en las cargas el peso correspondiente a la multiplicadora propuesta por el estudio de la parte eléctrica y la aerodinámica atendiendo a los diferentes pares y velocidades presentes a cada lado. Una vez conocidas las cargas se han buscado y propuesto soluciones para los diferentes problemas. • Para los apoyos: El modelo de roldana NUTR 45100 que soporta 80 kN del proveedor SKF • Para los topes laterales: Rueda de poliamida de capaz de soportar 1500 kg del proveedor Gayner. • Para soporte de la multiplicadora se ha diseñado una chapa que aprovecha la disposición de los elementos de la estructura. Está ubicada en la parte frontal evitando desequilibrios y aprovechando el espacio existente. A parte de esto se han actualizado los planos que no habían sido modificados tras diferentes cambios en la estructura. Con todo esto y atendiendo también al trabajo realizado en los otros dos departamentos se espera lograr el correcto funcionamiento del molino para generar electricidad y servir de herramienta lectiva para los jóvenes que acudan al albergue en el que se encuentra