Diseño y construcción de un prototipo del sistema de distribución de flujo para la turbina Kaplan didáctica de un banco de pruebas

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

The growing world demand for electric power has led to the need to develop multiple technologies to meet energy requirements in multiple conditions and contexts. In Colombia, a country with large water sources, it is essential to implement turbines to take advantage of the energy coming from waterfalls. In this context, Kaplan turbines become one of the most versatile and efficient alternatives in different conditions of flow, pressure and energy demand because their blades are adjustable, which allows them to operate in conditions of low head and variable flow. The mechanism that makes it possible to regulate the guide vanes corresponds to the flow distributor and its operation provides the possibility of modifying the flow rate, pressure, fluid inlet angle to the runner and, consequently, the efficiency of the turbine. This paper deals with the redesign of the flow distributor of a didactic Kaplan turbine located at the Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, which presents a reduced opening range of the guide vanes and problems in their synchronization. A prototype developed by means of polymer additive manufacturing technologies, specifically PLA (poly lactic acid) 3D printing, is proposed. The designed device has a greater amplitude of the guide vanes and optimizes the cost of materials and manufacturing processes according to the hydraulic and structural requirements of the turbine, where the feasibility of implementing the development of parts in turbo machines using this process will be evaluated. A bibliographic analysis of different researches, models and prototypes of hydraulic turbines manufactured by means of additive manufacturing technologies is developed within the document. In relation to the development of the device, the analysis of the properties of the 3D printer used and the parameters configured in the development of the parts, which modifies the mechanical and physical properties of the material, are discussed. Taking into account the above, tensile, bending and expansion tests of the material are implemented to specimens developed under the same conditions of the parts to be manufactured, in order to evaluate the feasibility of the designed prototype and apply the necessary parameters and adjustments to meet the initial geometric conditions of the rest of the turbine. Additionally, the behavior and efficiency of the turbine in question is evaluated for five opening angles of the guide vanes of the flow distributor, using analytical methods and the simulation of the turbine in ANSYS software. Finally, the manufacturing and validation of the prototype mechanism designed in relation to the opening and closing of the guide vanes in a range equal to or greater than 45° is carried out.

Descripción

La creciente demanda mundial de energía eléctrica ha provocado la necesidad de desarrollar múltiples tecnologías que logren satisfacer los requerimientos energéticos en múltiples condiciones y contextos. En Colombia, un país con grandes fuentes hídricas resulta fundamental la implementación de turbinas que permitan aprovechar la energía proveniente de las caídas de agua. En este contexto, las turbinas Kaplan se convierten en una de las alternativas más polivalentes y eficientes dentro de diferentes condiciones de caudal, presión y demanda energética gracias a que sus álabes son regulables, lo que le permite funcionar en condiciones de bajas alturas y caudal variable. El mecanismo que posibilita regular los álabes guía corresponde al distribuidor de flujo y su accionamiento brinda la posibilidad de modificar el caudal, presión, ángulo de entrada del fluido al rodete y por consiguiente la eficiencia de la turbina. Por medio del presente escrito se aborda el rediseño del distribuidor de flujo de una turbina Kaplan didáctica ubicada en la Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, la cual presenta un rango reducido de apertura de los álabes guía y problemas en la sincronización de los mismos. Se plantea un prototipo desarrollado por medio de tecnologías de manufactura aditiva de polímeros, específicamente impresión 3D de PLA (ácido poli láctico). El dispositivo diseñado cuenta con una mayor amplitud de los álabes guía y optimiza el costo de materiales y procesos de fabricación en función de los requerimientos hidráulicos y estructurales de la turbina, donde se evaluará la viabilidad de implementar el desarrollo de piezas en turbo maquinas utilizando este proceso. Se desarrolla dentro del documento un análisis bibliográfico de diferentes investigaciones, modelos y prototipos de turbinas hidráulicas fabricadas mediante tecnologías de manufactura aditiva. En relación al desarrollo del dispositivo, se aborda el análisis realizado a las propiedades de la impresora 3D utilizada y los parámetros configurados en el desarrollo de las piezas, lo cual modifica las propiedades mecánicas y físicas del material. Teniendo en cuenta lo anterior, se implementan ensayos de tracción, flexión y expansión del material a probetas desarrolladas bajo las mismas condiciones de las piezas a fabricar, con el fin de evaluar la viabilidad del prototipo diseñado y aplicar los parámetros y ajustes necesarios para cumplir con las condiciones geométricas iniciales del resto de la turbina. Adicionalmente, se evalúa el comportamiento y eficiencia de la turbina en cuestión para cinco ángulos de apertura de los álabes guía del distribuidor de flujo, utilizando métodos analíticos y la simulación de la turbina en el software ANSYS. Para finalmente llevar a cabo la fabricación y validación del mecanismo del prototipo diseñado en relación a la apertura y cierre de los álabes guía en un rango igual o superior a los 45°.

Palabras clave

Turbina Kaplan, Distribuidor, Diseño, Prototipo

Materias

Ingeniería Mecánica -- Tesis y disertaciones académicas , Turbinas Kaplan - Modelos , Sistemas de distribución de flujo , Bancos de pruebas - Construcción y aplicaciones

Citación