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

dc.contributor.advisorMuñoz Bello, Nicolás Gabriel
dc.contributor.authorArango Castillo, Johan Camilo
dc.contributor.authorVargas Palacios, Mario Alejandro
dc.date.accessioned2025-03-13T15:31:15Z
dc.date.available2025-03-13T15:31:15Z
dc.date.created2025-02-05
dc.descriptionLa 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°.
dc.description.abstractThe 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.
dc.description.sponsorshipEscuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito
dc.format.mimetypepdf
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11349/93644
dc.language.isospa
dc.publisherUniversidad Distrital Francisco José de Caldas
dc.relation.referencesAbeykoon, C. (2022). Modelling and optimisation of a Kaplan turbine: A comprehensive theoretical and CFD study. Cleaner Energy Systems, 2(1), Artículo 100017. https://doi.org/10.1016/j.cles.2022.100017
dc.relation.referencesASTM International. (2000). ASTM D790-00 [Norma]. ASTM International. https://doi.org/10.1520/D0790-00
dc.relation.referencesASTM International. (2014). ASTM D638-14 [Norma]. ASTM International. https://doi.org/10.1520/D0638-14
dc.relation.referencesASTM International. (2022). ASTM E228-22 [Norma]. ASTM International. https://doi.org/10.1520/E0228-22
dc.relation.referencesBasante Moreno, R. (2019). Diseño, fabricación y ensayo de un rodete axial de 6 álabes para una turbina Kaplan rápida del Laboratorio de Fluidos de la Universidad Pontificia Comillas [Trabajo de fin de grado, Universidad Pontificia Comillas]. Repositorio Comillas. https://repositorio.comillas.edu/xmlui/handle/11531/31399
dc.relation.referencesChavarro J. (2019). Modelación y simulación en CFD de una turbina Kaplan. [Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia]
dc.relation.referencesCorte y Plegado. (2024). Las propiedades del acero A36: todo lo que necesitas saber. Corte y Plegado. https://corteyplegado.cl/acero-a36/
dc.relation.referencesCruz N. y Martinez N. (2021). Diseño de un banco de laboratorio para pruebas del rodete francis fme-28. [Trabajo de grado, Universidad Distrital Francisco José de Caldas]
dc.relation.referencesEvans. (2024). Motobomba residencial con motor 2 HP Trifásica |4HME0200AA [Ficha técnica]. Bombas Evans. https://bombaservice.com/wp content/uploads/2024/05/bomba_centrifuga_evans_4HME0200A_ficha_tecnica.pdf
dc.relation.referencesEuropean Small Hydropower Association (ESHA). (2004). Guide on How to Develop a Small Hydropower Plant. TNSHP
dc.relation.referencesFused Form. (s.f.). Manual de la impresora 3D Fused Form [Manual de usuario]. Fused Form. https://fusedformcorp.com/soporte-tecnico/descargables/4
dc.relation.referencesGonzalez P. y Mejia R. (2023). Diseñar un banco de pruebas para turbinas de micro centrales hidroeléctricas constituido por una turbina Pelton de dos inyectores y una turbina Kaplan para la generación de 1 kW [Trabajo de suficiencia profesional, Universidad Peruana De Ciencias Aplicadas]
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (1988). NTC 1580 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (1988). NTC 1687 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (1988). NTC 1722 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (1988). NTC 1777 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (s.f.). NTC 1914 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (s.f.). NTC 1960 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (s.f.). NTC 2058 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesInstituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). (s.f.). NTC 2099 [Norma]. ICONTEC
dc.relation.referencesMataix, C. (1986). Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas (2.ª ed.). Ediciones del Castillo
dc.relation.referencesMarina M. (2022). Diseño de una turbina Kaplan y posterior simulación mediante el uso de la dinámica de fluidos computacional. [Trabajo de Grado, Universidad De Cantabria]
dc.relation.referencesMaterial Mundial. (2024). Propiedades y ficha técnica del acero ASTM A36. Material Mundial. https://www.materialmundial.com/acero-astm-a36-propiedades-ficha-tecnica estructural
dc.relation.referencesMejía Rómulo, E. (2020). Aplicación del principio de un Venturi en el proceso de aireación en un estanque acuícola de un sistema de recirculación, aplicando dinámica de fluidos computacional [Tesis de licenciatura, Universidad Autónoma del Estado de México]. Repositorio Institucional UAEMéx. https://ri.uaemex.mx/handle/20.500.11799/138552
dc.relation.referencesMenny, K. (2006). Strömungsmaschinen – Hydraulische und thermische Kraft- und Arbeitsmaschinen. Ronnenberg Verlag
dc.relation.referencesMolina A. (2018). Modelamiento de una turbina Francis en CFD e impresión 3D del prototipo. [Universidad de los Andes, Bogotá]
dc.relation.referencesPeón Herrera, S. (2021). Diseño y simulación de una turbina Kaplan mediante dinámica de fluidos computacional [Trabajo de grado, Universidad de Cantabria, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación]
dc.relation.referencesRojas Forero, D. A., & Ponguta Castellanos, K. (2021). Modelo de apoyo para la visualización del comportamiento de una turbina Francis en función de su eficiencia y ángulo de entrada mediante el software ANSYS [Trabajo de grado, Universidad Distrital Francisco José de Caldas]. Repositorio Institucional. https://repository.udistrital.edu.co/handle/11349/26717
dc.relation.referencesSabio Hidalgo, N. (2023). Diseño, fabricación y caracterización de una turbina Kaplan para uso docente [Tesis de grado, Universidad de Jaén]. CREA. https://hdl.handle.net/10953.1/20501
dc.relation.referencesShimadzu Corporation. (s.f.). Ficha técnica AGS-X 10kN [Ficha técnica]. Shimadzu Corporation. https://www.shimadzu-la.com/an/products/materials-testing/uni ttm/autograph-ags-x-series/spec.htm
dc.rights.accesoAbierto (Texto Completo)
dc.rights.accessrightsOpenAccess
dc.subjectTurbina Kaplan
dc.subjectDistribuidor
dc.subjectDiseño
dc.subjectPrototipo
dc.subject.keywordKaplan turbine
dc.subject.keywordDistributor
dc.subject.keywordDesign
dc.subject.keywordPrototype
dc.subject.lembIngeniería Mecánica -- Tesis y disertaciones académicas
dc.subject.lembTurbinas Kaplan - Modelosspa
dc.subject.lembSistemas de distribución de flujospa
dc.subject.lembBancos de pruebas - Construcción y aplicacionesspa
dc.titleDiseño y construcción de un prototipo del sistema de distribución de flujo para la turbina Kaplan didáctica de un banco de pruebas
dc.title.titleenglishDesign and construction of a prototype flow distribution system for a test bench didactic Kaplan turbine
dc.typebachelorThesis
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
dc.type.degreeMonografía
dc.type.driverinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis

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