Desarrollo numérico y experimental de una turbina hidrocinética de eje vertical tipo Gorlov

Abstract

RESUMEN : Actualmente a nivel mundial las energías alternativas han tomado gran importancia en las diversas aplicaciones relacionadas con el desarrollo del sector energético, entre las cuales se puede mencionar: La solar, la eólica, la hidráulica, la geotérmica y la mareomotriz. Una nueva tecnología que aprovecha la energía cinética de corriente de agua en canales naturales y/o artificiales e inclusive las corrientes marinas son las turbinas hidrocinéticas. En este documento se presenta el desarrollo numérico y experimental de una turbina hidrocinética vertical tipo Gorlov, de acuerdo con el estado del arte y la literatura disponible al respecto; el desarrollo de la turbina hidrocinética vertical tipo Gorlov fue llevado a cabo mediante la metodología de superficie de respuesta con el diseño de experimento (DOE) central compuesto centrado en las caras, para evaluar la influencia de tres factores tales como el número de álabes (entre 2 álabes y 6 álabes), el ángulo de la hélice (entre 30° y 84.8°) y la relación de aspecto (entre 0.5 y 1.5) sobre el coeficiente de potencia de la turbina que ha sido definido como la variable respuesta. Se definió de acuerdo con información oficial, una velocidad de flujo de 1.5 m/s, de acuerdo con el valor de la relación de aspecto, se tuvieron tres diferentes geometrías a evaluar cuyas dimensiones eran para una relación de aspecto igual a 0.5, el diámetro era 1.407 m y la altura 0.704 m, para una relación de aspecto igual a 1, el diámetro era 0.995 m y la altura 0.995 m y para una relación de aspecto igual a 1.5, el diámetro era 0.813 m y la altura era 1.22 m. Los factores fueron evaluados en tres niveles. Adicionalmente, a la turbina resultante de la configuración óptima la cual estaba conformada por 5 álabes, un ángulo de inclinación igual a 78° y una relación de aspecto igual a 0.6 (diámetro igual a 1.28 m y altura igual a 0.768 m) de estos tres factores se le realizó un análisis de seis grados de libertad (6 DOF) acoplado al análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para conocer una mayor aproximación al fenómeno real, mediante el cual se obtuvo un valor para el coeficiente de potencia igual a 0.31455268 a una TSR igual a 1.509499947 para la configuración óptima; por otra parte, fue evaluado un análisis de interacción fluido estructura (FSI) con la finalidad de garantizar la integridad de la turbina respecto a los gradientes de presión y campos de velocidad presentes. Se desarrolló un modelo a escala reducida (1:7.53) de la turbina estudiada con el mismo ángulo de inclinación y el mismo número de álabes y con diámetro igual a 0.17 m y altura igual a 0.102m, el cual también fue analizado numéricamente por medio de un acople 6 DOF y CFD, los resultados numéricos obtenidos por medio de este estudio fueron constatados con un análisis experimental de la operación del modelo a escala de la turbina desarrollada, en un canal de pruebas cuyas condiciones fueron las mismas utilizadas en el análisis numérico. Para las simulaciones se obtuvo un coeficiente de potencia máximo de 0.223371802 para una TSR igual a 0.904990251, mientras que, para los estudios experimentales, se obtuvo un coeficiente de potencia de 0.214159142 a una TSR igual a 0.51628393. Se pudo observar que el error relativo obtenido entre el coeficiente de potencia máximo para el modelo a escala mediante los análisis numéricos y los experimentos en sitio fue de 4.302 %, indicando una buena aproximación entre los resultados numéricos y los resultados experimentales, cómo se describió anteriormente, también pudo observarse que la metodología de optimización de superficie de respuesta fue útil para hallar una configuración óptima para la turbina hidrocinética.