¿Por qué giran las palas?

Los principios básicos que gobiernan las fuerzas que aparecen en las palas de los aerogeneradores y obligan al Hub, al que están conectados, a girar, son los mismos que permiten a los aviones ascender. El giro se debe a que el Hub tiene sólo un grado de libertad: rotar sobre su eje.

¿Cúales son estas fuerzas?

Supongamos que tenemos un ala de avión en un túnel de viento, como se muestra en la Fig 1. En un tunel de viento el flujo de aire es uniforme, de tal manera que no haya turbulencias (es decir, "flujo laminar"). Y podemos variar su intensidad a voluntad.

En el interior de este túnel de viento se coloca el ala (representada por su sección, delimitada por la línea roja), y la fijamos bien al exterior del túnel de viento, de forma que no se pueda desplazar. Esta fijación se realiza con una barra interna que atraviesa el ala a lo largo de su eje más largo, (el círculo se muestra en el centro), y nos permite girar. De esta forma podemos cambiar el angulo que la cuerda del ala presenta al viento.

Fig 1.

El efecto del viento, que viene desde la izquierda, sobre el ala es una compresión del flujo en el lado inferior de la pala, y un depresión en su lado superior. El resultado es un conjunto de fuerzas aplicadas a lo largo de la superficie de la pala: este conjunto de fuerzas se indica por las flechas pequeñas de puntos.

Como la pala es un cuerpo rígido, el efecto total de estas fuerzas puede asimilarse a una sola fuerza cuyo valor es la suma vectorial de todas ellas, y que está aplicada en el punto de fijación, la barra representada por el circulo: esta fuerza está indicada por el vector rojo. La magnitud y dirección de esta fuerza depende de:

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•del ángulo entre la cuerda de la pala (linea gris que une los dos extremos de la pala) y la dirección del viento (flecha a la izquierda).

Podemos descomponer este vector rojo a voluntad: en este caso particular, es conveniente pensar en este vector rojo como la suma de dos fuerzas: una para subir, llamada Flifting, y otra que va hacia la derecha, con nombre Fdragging.

Estas dos fuerzas explican por qué el avión se mantiene colgado en el aire (debido a Flifting), y por qué se debe empujar hacia la izquierda (para superar Fdragging), para que el avión se mantenga suspendido en el aire. Esta fuerza es la que debe superar los motores del avión.

Ahora cambiemos el ala de avión por la pala de un aerogenerador y coloquemosla en relación con el eje del mismo. La situación es similar, pero invertida. Véase la siguiente figura donde se presenta la visión que tendría un observador situado en el vértice de una de las palas y estuviera mirando al eje del Hub. El viento lo tendría de frente y las palas girarían hacia su izquierda en un plano perpendicular a la pantalla y que pasaría por el vector negro.

Fig 2.

En este caso, el viento que incide sobre el borde de la pala es el "Viento Total" (vector rojo), una composición del viento incidente (vector azul) y el viento de rotación (vector negro), que es el producido por la pala cuando gira, porque está a una cierta distancia del punto de giro (el eje del Hub). Estamos asumiendo que el giro se produce "a izquierdas" y debido a ese movimiento el borde más romo de la pala "corta en perpendicular" el viento incidente. La velocidad de ese corte no es uniforme a lo largo de ese borde: menor cuanto más cerca está la sección de la pala que estamos viendo, del centro del Hub (ver Palas ). Esta velocidad de corte del aire es equivalente a un viento que tuviera una dirección opuesta y la pala se mantuviera estática.

En esta breve explicación asumiremos que la velocidad de este viento que nos interesa es el "promedio" a lo largo de todo el borde.

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Este conjunto de fuerzas depende del angulo relativo de la pala respecto de su plano de giro: es decir, en la figura anterior, del angulo entre la línea roja de puntos y el eje horizontal.