Sobre el diseño de las aspas del aeromotor bipala

 

Sobre los materiales del aeromotor bipala adaptado a la rueda de la bicicleta

 

Materiales en la construcción del Ciclo Rotor Eólico, ¿plástico o carbono?.

Gabriel Saitua. 2021

En 2021 iniciamos la construcción de un prototipo de Aeromotor Bipala en carbono, utilizando como composites: dos capas de tela de fibra de carbono, con resina epoxi y endurecedor; valoramos los resultados dinámicos de las primeras pruebas comparando los materiales en fibra de carbono y plástico polipropileno.

Polipropileno. Bisel  de 2´5mm.

Carbono. Bisel de 1mm.

Prototipo de Aeromotor Bipala. Polipropileno 2020

 Rueda Mavic Ksyrium

Prototipo de Aeromotor Bipala en Fibra de Carbono 2021

Rueda Mavic Aksium

La energía de un cuerpo rígido que gira alrededor de un eje fijo, adquiere una especial importancia cuando analizamos estructuras en movimiento circular, como en el caso de turbinas, ruedas, ejes o hélices.

La energía del cuerpo en rotación (Ec), o energía mecánica del movimiento, resulta de una composición entre el movimiento de traslación del centro de la masa y el movimiento de rotación alrededor del eje que pasa por el centro de masas.

Ec (energía cinética) = m (masa) x velocidad al cuadrado/2

Resultado Ec en julios/m cuadrado/segundos cuadrado. 1W/watio = 1 julio/segundo

En nuestro caso, la masa total de las palas en el ciclo rotor eólico construido en polipropileno es de 145gr., por lo que su energía rotacional a una velocidad de 10m/sg. (1km/h.:3,6m/sg.), es decir 36Km/h., es de 7´25 julios(7´25watios/sg); por otra parte, la masa del aeromotor en carbono, alcanza un peso de 200gr., lo que a la misma velocidad, equivalente a una energía rotacional de 10julios (10watios/sg).

Las diferencias cinéticas obtenidas en las ruedas se pueden igualar modificando las aspas del aeromotor de polipropileno, incorporando dos masas circulares planas de 50gr., situadas entre las dos caras que forman cada aspa.

Siguiendo el análisis, debemos considerar el perfil de ataque del borde de las palas; las láminas de polipropileno tienen un grosor de 2´5mm., mientras que la placa de carbono es de tan sólo 1mm.; los resultados dinámicos de ambos modelos se aproximan si realizamos un pulido de los bordes expuestos al viento en el perfil del polipropileno, dotándole de una morfología de ataque en forma de V.

2.- Energía mecánica en el aeromotor bipala adaptado a la rueda de bicicleta

La cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento, expresado en metros/segundo y relacionado con el diámetro del rotor; en nuestro caso se trata de un mini rotor limitado por el diámetro interno de la llanta de 0´6m.; la energía producida por ambos tipos de rotores será tanto la misma, con independencia de los materiales utilizados en su construcción.

La potencia mecánica que la turbina eólica entregada al buje viene determinada por la fórmula:

Potencia mecánica de una turbina eólica

P es la  densidad del aire a 15ºC. A nivel del mar: 1´225

https://www.slideshare.net/EdisonOrbea/tema-i-introduccin-a-las-turbinas-elicas-y-sus-orgenes

La producción de energía mecánica en un aeromotor bipala comienza a manifestarse con una velocidad próxima a 6´9m/sg., es decir que cuando la velocidad aparente es de 25Km/h., comienza la transición del flujo de aire laminar hacia un flujo turbulento; en éste momento,  la energía disponible en el aeromotor es de 31w/sg., lo que corresponde a un aprovechamiento real, en torno a 15w/sg.

Para conocer ésta circunstancia realizamos un estudio comparativo de dos tipos de aeromotores, construidos en fibra de carbono y polipropileno; para ello utilizamos un tramo controlado de carretera de 5Km.,(Subida al monte Umbe. Bizkaia), con una pendiente media del 2´5% y un desarrollo fijado en 34/14, con una bicicleta Cannondale Synapse; las pruebas fueron realizadas por el mismo ciclista y en las mismas condiciones climáticas, con viento suave y un precalentamiento de 10Km.

3.- Estudio comparado de materiales. Subida al Monte Umbe

A.- Mavic Aksium con Aeromotor de Carbono. Peso 200gr.

 

Aeromotor en Carbono. Detalle del helicoide 

Resultados

157 ppm

Frecuencia cardiaca media

25,2 km/h

Velocidad media en movimiento

187 W

Potencia media

216 W

Normalized Power® (NP®)

1,078

153 kJ

Trabajo

B.- Mavic Krysium con Aeromotor de Polipropileno. Peso 145gr.

Resultados

162 ppm

Frecuencia cardiaca media

24,7 km/h

Velocidad media en movimiento

180 W

Potencia media

185 W

Normalized Power® (NP®)

0,923

129 kJ

Trabajo

En el estudio se compararon dos ruedas Mavic, en aluminio y gama media incorporando  Aeromotor y la rueda Campagnolo Eurus en aluminio de alta gama sin adaptaciones:

·  Rueda Mavic Ksyrium S: precio de mercado www.deporvillage.com 209 euros.
·   Rueda Mavic Aksium: precio de mercado www.deporvillage.com 99´95 euros.
·   Rueda Campagnolo Eurus: precio de mercado 400/500 euros.

·   Rueda Mavic Ksyrium con Aeromotor Bipala de Polipropileno, y un peso del aeromotor, 145gr.: velocidad media, 24´7Km/h.
·  Rueda Mavic Aksium con Aeromotor Bipala de Carbono, y un peso del aeromotor, 200gr.: velocidad media, 25´2Km/h.
·   Rueda Campagnolo Eurus sin adaptaciones: mejor velocidad media en dos series comparadas, 24´4Km/h.

 

Rueda Campagnolo Eurus. Bicicleta Cannondale Synapse

En las mismas condiciones de viento y clima, con la misma bicicleta y desarrollo 34/14, en un tramo de carretera de 5Km., con un porcentaje del 2´5%, en los ensayos realizados por el mismo ciclista, se encontraron que la velocidad media más eficiente se obtuvo con la rueda Mavic Aksium, de menor precio, y con Aeromotor Bipala en Fibra en Carbono. Sus resultados superan en 0´5Km/h. a la rueda Mavic Ksyrium y en 0´8Km/h. a los registros obtenidos con una rueda convencional de aluminio alta gama, Campagnolo Eurus.

·   La eficiencia del aeromotor bipala adaptado a la rueda de la bicicleta comienza a expresarse cuando la velocidad media se aproxima a 25Km/h.

·   Para velocidades medias velocidades medias de 25km/h., una rueda de gama media con aeromotor de carbono supera en 0´8Km/h. a la rueda de alta gama y en 0´5Km/h. a una rueda con aeromotor de polipropileno.

·   El aeromotor de mayor eficiencia es el construido en Fibra de Carbono.

A medida que aumentamos la velocidad >25Km/h., la potencia que NOS ofrece el aeromotor aumenta con el cubo de la velocidad, optimizando  los resultados publicados.

Cuando la velocidad del viento aparente alcanza los 10m/sg. (1km/h: 3,6msg.), equivalente a 36Km/h., la energía mecánica máxima teórica que entrega el rotor alcanza los 94w/sg.; sin embargo, dada la posición del aerogenerador respecto a la dirección del viento, la potencia útil desciende,  entre 1/3 a 1/2 de su potencia máxima, es decir con una oferta entre 31w/sg. y 47w/sg.; las variaciones en los rangos de potencia instantánea están determinados esencialmente por el ángulo de incidencia del viento y por la persistencia del mismo. Cuando persiste el ángulo del viento incidente, la potencia instantánea recibida será óptima.

En la práctica del ciclismo en ruta, ésta pequeña mejora en la potencia, entre 31 y 47watios, tiene efectos significativos, si la usamos adecuadamente con paso de los kilómetros; la ayuda eólica recibida en  fases de aceleración y en el mantenimiento de la velocidad lanzada, permite finalizar la salida en bicicleta con una menor fatiga muscular, con una mayor eficiencia dinámica.

Desde un punto de vista aerodinámico, las primeras pruebas disponibles, tanto el aeromotor, construidos  en polipropileno y en carbono han mostrado resultados similares en carretera; tanto su capacidad de aceleración como la aeroelasticidad, tolerancia aeroelástica y seguridad ante vientos cruzados variables han sido similares.

4.- Conclusiones

El análisis comparado de las estructuras en polipropileno y carbono nos indica que la diferencia es esencialmente de carácter estético, por lo que resulta razonable optar por el polipropileno como primer material básico para su construcción y uso rutinario en carretera, reservando el carbono para competición.

Entre las ventajas del polipropileno se encuentran, su accesibilidad y facilidad para la manipulación de sus planchas, junto con un menor coste de los materiales necesarios para su construcción.

 

Gabriel Saitua, Getxo 2021