Desarrollo de un mecanismo de giro para el izaje controlado en la operación de turbinas hidrocinéticas acopladas sobre estructuras flotantes

Abstract

El presente trabajo de grado tiene como objetivo diseñar un mecanismo de control de orientación para turbinas hidrocinéticas montadas sobre estructuras flotantes, con el propósito de optimizar su desempeño estructural y funcional en ambientes fluviales. La investigación se desarrolló mediante una metodología secuencial de cinco fases que integraron revisión sistemática de la literatura, evaluación multicriterio, validación computacional y diseño de detalle.

En la primera fase se realizó una revisión sistemática de fuentes técnicas y académicas con el fin de identificar y caracterizar los mecanismos de control existentes en variadas aplicaciones, estableciendo un marco referencial de diseños implementados en diferentes contextos operacionales. Posteriormente, se desarrolló una matriz de selección multicriterio que evaluó las alternativas identificadas mediante el examen de factores técnicos, operativos y económicos, permitiendo seleccionar el diseño más adecuado para las condiciones específicas del proyecto.

El diseño seleccionado fue sometido a un proceso de validación mediante simulaciones numéricas que permitieron evaluar su respuesta estructural ante cargas hidrodinámicas típicas y verificar su funcionalidad operativa. El análisis incluyó el estudio del equilibrio estático del sistema tipo balancín articulado, la determinación de reacciones en apoyos y tensiones en elementos estructurales, estableciendo los criterios fundamentales para la selección de los componentes mecánicos.

Finalmente, se elaboró el diseño de detalle del mecanismo, especificando geometrías, materiales, sistemas de transmisión de potencia y protocolos de fabricación, además de realizar estimaciones económicas para su implementación. Los resultados obtenidos demuestran su viabilidad técnica y económica del sistema propuesto, evidenciando su potencial para mejorar la eficiencia operativa de turbinas hidrocinéticas en estructuras flotantes. Igualmente, se proponen futuras líneas de investigación orientadas hacia la experimentación con prototipos físicos y la adaptación del diseño a otras aplicaciones con condiciones variables.

The present thesis aims to design an orientation control mechanism for hydrokinetic turbines mounted on floating structures, with the purpose of optimizing their structural and functional performance in fluvial environments. The research was developed through a sequential methodology consisting of five phases that integrated a systematic literature review, multicriteria evaluation, computational validation, and detailed design.

In the first phase, a systematic review of technical and academic sources was conducted to identify and characterize existing control mechanisms across various applications, establishing a referential framework of designs implemented in different operational contexts. Subsequently, a multicriteria selection matrix was developed to evaluate the identified alternatives by examining technical, operational, and economic factors, allowing the selection of the most suitable design for the specific conditions of the project.

The selected design was subjected to a validation process through numerical simulations that allowed the assessment of its structural response to typical hydrodynamic loads and the verification of its operational functionality. The analysis included the study of the static equilibrium of the articulated rocker-type system, the determination of support reactions, and stresses on structural elements, establishing the fundamental criteria for the selection of mechanical components.

Finally, a detailed design of the mechanism was developed, specifying geometries, materials, power transmission systems, and manufacturing protocols, in addition to carrying out economic estimations for its implementation. The results obtained demonstrate the technical and economic feasibility of the proposed system, highlighting its potential to improve the operational efficiency of hydrokinetic turbines on floating structures. Likewise, future research lines are proposed, oriented toward experimentation with physical prototypes and the adaptation of the design to other applications with variable conditions.