Evaluación hidrodinámica y estructural de turbinas tipo propulsor con diferentes álabes para la instalación en tuberías

Abstract

En los sistemas de tuberías de suministro y distribución de agua se presentan problemáticas relacionadas con las sobrepresiones y pérdidas por fugas de agua. Adicionalmente, el exceso de energía almacenada al interior de tuberías (exceso de presión) no se aprovecha debido a que se disipa a través de válvulas reguladoras de presión. De esta manera, tecnologías como el uso de turbinas al interior de tuberías han sido utilizadas como dispositivos que generen una caída de presión actuando como válvulas reguladoras de presión, y a su vez, posibilitando el aprovechamiento de la energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Por su parte, una de las turbinas hidráulicas utilizadas al interior de tuberías más eficiente es la turbina de propulsor, hecho que la convierte en un candidato apropiado para el aprovechamiento la energía almacenada al interior de tuberías. Sin embargo, existen diferentes tipos de álabes que se diferencian por sus características geométricas como la curvatura y el espesor, lo cual genera que la extracción de energía del fluido sea mayor o menor. Por lo tanto, el objetivo general de la investigación es determinar la influencia de tres geometrías diferentes de álabe para una turbina de eje axial tipo propulsor instaladas al interior de una tubería sobre los costos de manufactura, el rendimiento hidráulico y estructural. Lo anterior se logra con el desarrollo de cuatro etapas metodológicas: la primera corresponde al diseño de los diferentes tipos de álabes usando el método convencional unidimensional y la condición de vorticidad libre, los cuales son validados y comúnmente usados por la comunidad científica. En la segunda etapa se llevan a cabo simulaciones paramétricas fluido-estructura de una vía usando los programas de ANSYS como BladeGen para la generación de las geometrías de los álabes, TurboGrid para discretizar los volúmenes de control, CFX para realizar las simulaciones fluidodinámicas, y los módulos Static-Structural, Modal, y Harmonic Response para realizar las simulaciones estructurales estáticas, y los análisis modal y harmónico, respectivamente. La tercera etapa se aplican matrices de selección morfológicas y de decisión para seleccionar el álabe más adecuado teniendo en cuenta costos de manufactura, el rendimiento hidráulico y el comportamiento estructural. En la cuarta etapa se construyó un prototipo de turbina con el álabe seleccionado con el fin de comprobar su funcionamiento al interior de una tubería, el cual se comprueba generando energía eléctrica acoplando mecánicamente un generador de corriente alterna al eje de la turbina. Por último, con el desarrollo de la investigación, se impacta a la comunidad científica con la publicación de un artículo científico en una revista internacional indexada