Hidraulica

8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007


MODELAMIENTO DE LOS PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA HIDRÁULICA DE FLUJO CRUZADO APLICANDO EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS[1]

Gonzáles Chávez, S.º, Cotacallapa Vera, R. B.*

º Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima – Perú, * VyP ICE S. A. C.salome@uni.edu.pe, rcotacallapa@vpice.com





RESUMEN

Se presenta una aplicación de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) empleando el Método de Elementos Finitos (FEM) para el modelamiento del comportamiento de una Turbina Hidráulica de Flujo Cruzado (Cross Flow Turbine) de 50 kW (Q = 120 l/s, H = 50 m y ω = 124.61 rad/s), en el objetivo de explicar de forma metodológica numérica, los principios ysupuestos clásicos de diseño, así como la búsqueda de su optimización. Como resultados se obtienen campos de presión y velocidad para diferentes condiciones (Q = 0 – 203.61 l/s, H = 9.40 – 580.71 m y ω = 25, 50, 100 y 125 rad/s) y regímenes (laminares, de transición y turbulentos) de operación, a partir de los cuales se cuantifican algunos indicadores del funcionamiento de la turbina(distribución de los vectores velocidad en el tramo de admisión, eficiencia y coeficiente del inyector directriz, curvas características de la turbina de 50 kW y de la turbina unidad). Finalmente se proyectan parámetros de operación de la turbina para las condiciones de diseño bajo una perspectiva teórica utilizando el modelamiento de flujos.

PALABRAS CLAVE: Turbina hidráulica, Flujo Cruzado, Michell –Banki, modelamiento del flujo, inyector directriz, rodete, CFD, FEM,


INTRODUCCIÓN

La Turbina Hidráulica de Flujo Cruzado (ver Fig. 1) es un motor hidráulico clasificado generalmente como una turbina de acción, que dependiendo del modelo, presenta ciertas características de una turbina de reacción (modelos donde el inyector se encuentra muy próximo al rodete), por ello se clasifica comoturbina límite, recomendada para el aprovechamiento de pequeños saltos hidráulicos y caudales moderados (P < 1000 kW), por su bajo costo de manufactura ligado a su sencillez constructiva y su buen desempeño a cargas parciales, en comparación con las alternativas tecnológico – comerciales convencionales.
Desde su difusión en nuestro medio en 1961 [1], la turbina no ha sufrido modificacionessensibles con respecto a su diseño original; tampoco se han revisado, reformulado y replanteado principios, supuestos y relaciones en los que se basa. En general la mayoría de los trabajos desarrollados se orientan al mejoramiento del diseño y operación [2], [3] y en menor grado a la formulación de modelos teóricos para el diseño y la optimización del comportamiento.
En este contexto, se plantea lanecesidad de efectuar un análisis teórico a partir de un conjunto de ecuaciones que rigen al diseño de la turbina, resueltos bajo un enfoque alternativo, en cierto modo diferente al originalmente asumido en su concepción y difusión. Ello se aborda desde una perspectiva teórica en el análisis del efecto de espesor de álabe y la contracción de la vena al interior de la turbina, obteniéndose comoresultado innovaciones en su diseño, específicamente en relación al diseño del rodete (ángulo relativo del flujo al abandonar el rodete, β1, relación de diámetros interno – externo, D1/D2, entre otros). Asimismo se hace una comparación entre los modelos teóricos propuestos y los modelos teóricos convencionales. [4]
Se presenta entonces la necesidad de establecer una metodología alternativa a finde determinar el desempeño y ventajas de las innovaciones de la Turbina Hidráulica de Flujo Cruzado de Diseño Modificado, como resultado del análisis del efecto del espesor de álabe y la contracción de la vena al interior de la turbina; para ello se adopta el empleo de la Dinámica de Fluidos Computacional, comparativo al enfoque experimental, teniendo como ventaja de ello tanto la amplitud de...