Desarrollo de una turbina hidrocinética tipo propela para generación eléctrica

Abstract

RESUMEN : En el presente trabajo se hace uso de la dinámica de fluidos computacional en conjunto con la metodología de optimización por superficie de respuesta, para desarrollar un modelo de turbina hidrocinética tipo propela. El modelo computacional utilizado en las simulaciones hace uso de la técnica de malla deslizante, la cual permite describir correctamente el comportamiento transitorio de flujos en rotación. El objetivo principal de este trabajo consiste en el desarrollo y caracterización experimental del modelo de turbina hidrocinética óptimo desarrollado. El documento se encuentra compuesto por 4 capítulos. El primero de ellos presenta el resultado de la revisión del estado del arte; en el cual se identifican los métodos y técnicas utilizadas por diversos autores hasta la fecha, para el diseño y optimización de los álabes de las propelas. El segundo capítulo tiene como eje temático el diseño de los álabes de la turbina hidrocinética tipo propela en función de las condiciones del cuerpo hídrico objeto de aprovechamiento. En este capítulo se presenta de manera detallada las formulaciones y aproximaciones matemáticas utilizadas para la obtención de la distribución de cuerdas y del ángulo de torsión, de acuerdo a 2 metodologías de diseño: la teoría de momento sobre el elemento de álabe y el diseño por series sistemáticas, el cual es utilizado comúnmente para el diseño de propelas. Los modelos de turbina obtenidos, fueron posteriormente comparados mediante simulación numérica. El objetivo principal de este capítulo es presentar el diseño paramétrico de los álabes de la turbina hidrocinética tipo propela. El tercer capítulo muestra el proceso de optimización del modelo de turbina hidrocinética tipo propela que alcanzó el valor más alto de coeficiente de potencia en las comparaciones establecidas en el capítulo anterior. En el proceso de optimización se analizó la incidencia de losángulos de sesgo e inclinación, factores característicos en las propelas y objetivo principal del capítulo, en el coeficiente de potencia de la turbina hidrocinética diseñada. La primera sección, muestra las consideraciones tenidas en cuenta para la selección del diseño de experimentos más adecuado; así como la definición de los niveles de los factores objeto de análisis. En la segunda sección se presenta ampliamente el proceso estadístico de construcción y validación de supuestos del modelo de regresión elaborado. En la sección final del capítulo se realiza la comparación del funcionamiento del modelo de turbina optimizado, con el modelo originalmente diseñado; a partir de lo cual se concluye que el diseño optimizado presenta un aumento del 3.88 % en el coeficiente de potencia en comparación con el modelo original. En el cuarto capítulo se realiza la descripción del proceso de fabricación y caracterización del modelo a escala de turbina hidrocinética tipo propela. En la primera parte de capítulo, se presenta detenidamente el procedimiento de selección del proceso de fabricación así como del material utilizado para fabricar los componentes del modelo de turbina a escala. En la segunda parte, se describen los instrumentos, sistemas, programas y demás equipos utilizados para el proceso de caracterización experimental del modelo; en especial se hace énfasis el montaje experimental utilizado para este fin. Al finalizar el capítulo, se presenta la comparación de los resultados obtenidos experimentalmente con los resultados numéricos para el modelo a escala.