Investigación numérica sobre la integración de chorros coaxiales para mejorar la eficiencia aerodinámica de perfiles usados en aplicaciones de aerogeneradores

Por qué esto importa para la energía limpia

Los aerogeneradores modernos deben aprovechar al máximo cada ráfaga de viento, pero sus palas pueden perder rendimiento cuando el flujo de aire se «separa» y se despega de la superficie. Este estudio explora una vía prometedora para mantener el aire adherido a la pala mediante un chorro recirculante integrado, lo que podría permitir que los aerogeneradores futuros generen más electricidad, operen de forma segura en un rango más amplio de velocidades de viento y aprovechen mejor los recursos renovables.

Mantener el aire pegado a la pala

Las palas de los aerogeneradores funcionan como las alas de un avión: dependen de un flujo suave y rápido sobre la superficie superior para generar sustentación. A altas velocidades de viento o en ángulos de pala pronunciados, este flujo puede separarse, formando vórtices que reducen drásticamente la sustentación y aumentan la resistencia en un colapso conocido como pérdida (stall). Las soluciones tradicionales incluyen rediseñar la pala o añadir apéndices pasivos que guían el flujo, pero estos cambios son limitados y no se adaptan a vientos variables. Los enfoques activos, que usan una fuente externa de energía para empujar o extraer aire, pueden ofrecer ganancias mayores pero son más complejos. Una de estas técnicas, el chorro coaxial, toma aire desde la parte trasera de la pala y lo expulsa nuevamente cerca del borde delantero, reenergizando la delgada capa de aire que influye más en la sustentación.

Una pala con un circuito de respiración integrado

Los investigadores se centraron en una sección de pala muy utilizada conocida como perfil S809 y la equiparon con un sistema de chorro coaxial. En su diseño, una ranura estrecha cerca del borde delantero inyecta aire sobre la superficie superior, mientras que una ranura más larga, situada hacia la parte trasera, succiona el aire de vuelta. En el interior de la pala, un conducto interno y un pequeño compresor completan el circuito. Mediante simulaciones por ordenador con un modelo de flujo validado, variaron tres decisiones de diseño clave: el ángulo de inyección del aire en la zona delantera, la posición exacta de la ranura de succión en la parte trasera y la cantidad de aire recirculado por el sistema. Compararon estas palas modificadas con el perfil original sin tratamiento a lo largo de una amplia gama de direcciones de viento representadas por el ángulo de ataque.

Encontrar el punto óptimo para el chorro

El equipo descubrió que los detalles geométricos importan mucho. Cuando la ranura de succión está demasiado adelantada o retrasada, o cuando el chorro emerge con un ángulo poco pronunciado, el control del flujo es mucho menos efectivo. Su búsqueda sistemática mostró que la mejor disposición coloca la ranura de succión en torno al 80 por ciento del cuerda de la pala (medida desde el borde de ataque) y dirige el aire inyectado con un ángulo pronunciado de aproximadamente 78 grados con respecto a la superficie. Con esta combinación, las simulaciones revelaron que el flujo, antes inestable, permanecía adherido incluso en ángulos donde la pala sin modificar ya había entrado en pérdida. Crucialmente, también hallaron que solo es necesaria una recirculación modesta—alrededor del 2,5 por ciento del viento que atraviesa el disco del rotor—para obtener la mayor parte del beneficio; impulsar más aire por el sistema aportaba poca mejora adicional pero exigiría más potencia del compresor.

¿Cuánto puede mejorar el rendimiento de una pala?

Con los ajustes óptimos del chorro coaxial, la pala simulada mostró ganancias dramáticas. A un exigente ángulo de ataque de 20 grados, la sustentación—la fuerza útil que ayuda al aerogenerador a extraer energía del viento—aumentó aproximadamente un 170 por ciento respecto a la pala de referencia, mientras que la resistencia se redujo alrededor de un 53 por ciento. En conjunto, estos cambios mejoraron notablemente la relación sustentación‑resistencia, una medida clave de la eficiencia aerodinámica. El inicio de la pérdida se retrasó de unos 15 grados a 20 grados, aumentando el margen de pérdida en aproximadamente un tercio. En términos prácticos, esto significa que un aerogenerador con estas palas podría operar de forma segura con cargas mayores o en vientos más turbulentos antes de que colapse su rendimiento.

Límites y consideraciones de seguridad

El estudio también examinó qué ocurre si el sistema de chorro coaxial deja de funcionar de forma súbita pero las ranuras permanecen abiertas. En este escenario de «apagado», la pala rindió peor que el perfil sólido original: la sustentación cayó en torno al 42 por ciento y la pérdida llegó antes, alrededor de 16 grados. Los conductos y aberturas vacíos perturbaron el flujo en lugar de ayudarlo. Este resultado subraya un importante compromiso de ingeniería: aunque los chorros coaxiales pueden aumentar mucho el rendimiento cuando están alimentados, los diseñadores deben considerar el comportamiento en fallo y posiblemente incluir formas de cerrar o derivar las ranuras cuando el sistema esté inactivo.

Qué implica esto para los aerogeneradores futuros

En conjunto, el trabajo muestra que un sistema de chorro coaxial cuidadosamente afinado puede hacer que una sección estándar de pala de aerogenerador sea mucho más eficaz, especialmente en condiciones de viento difíciles. Al mantener el aire adherido por más tiempo y retrasar la pérdida, dichas palas podrían capturar más energía y funcionar con mayor estabilidad sin cambios importantes en el diseño global del aerogenerador. Los autores proporcionan directrices geométricas específicas—como dónde colocar las ranuras y cuánta masa de aire recircular—que pueden informar futuras pruebas experimentales y diseños comerciales de palas. Si estas ideas resultan prácticas a escala real, podrían ayudar a los parques eólicos a generar más energía limpia con los mismos vientos, acercándonos a una mezcla energética más sostenible.

Cita: Farghaly, M.B., El Kader, O.M.A., Alsharif, A.M. et al. Numerical investigation of co-flow jet integration to enhance the aerodynamic efficiency of airfoils used in wind turbine applications. Sci Rep 16, 9343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38769-0

Palabras clave: palas de aerogenerador, control aerodinámico del flujo, chorro coaxial, retraso de pérdida, eficiencia de energías renovables