Modelado numérico de una turbina francis de 95 MW de la Central Hidroeléctrica Salvajina mediante dinámica de fluidos computacional
Este trabajo de grado documenta el análisis de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) aplicado a la turbina de una de las unidades de la central hidroeléctrica Salvajina, localizada en Colombia en el norte del departamento del Cauca, en el municipio de Suárez. La función principal de esta instal...
- Autores:
-
Guachetá Álvarez, Cristofher
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2024
- Institución:
- Universidad Autónoma de Occidente
- Repositorio:
- RED: Repositorio Educativo Digital UAO
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- OAI Identifier:
- oai:red.uao.edu.co:10614/15574
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/10614/15574
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- Palabra clave:
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Este trabajo de grado documenta el análisis de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) aplicado a la turbina de una de las unidades de la central hidroeléctrica Salvajina, localizada en Colombia en el norte del departamento del Cauca, en el municipio de Suárez. La función principal de esta instalación es la regulación del caudal del río Cauca, siendo fundamental para el suministro hídrico de la región. Desde su puesta en marcha en 1985, la central dispone de un embalse con capacidad de 900 millones de m³ y una generación total de 315 MW, distribuida en tres turbinas, una de 125 MW y dos de 95 MW cada una, con una altura de caída de hasta 120 metros y equipadas con turbinas tipo Francis. Dada la antigüedad de la central, existen oportunidades para mejoras en eficiencia y rendimiento. Es por esto por lo que Celsia Colombia S.A. E.S.P., empresa administradora de la central, tiene como objetivo el planteamiento continuo de iniciativas para la optimización del aprovechamiento del recurso hídrico. El proyecto se apoya en herramientas avanzadas de software para Dibujo Asistido por Computador (CAD) y CFD, facilitando la representación tridimensional y el análisis detallado del flujo del agua a través de la turbina. Este enfoque permite simular diferentes rangos operacionales e identificar las variables y condiciones críticas que afectan la eficiencia de la turbina. |
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[1] R. Eisinger y A. Ruprecht, “Automatic shape optimization of hydro turbine components based on CFD”, TASK Quarterly : scientific bulletin of Academic Computer Centre in Gdansk, vol. Vol. 6, No 1, pp. 101–111, 2002. [ [2] R. P. Saini, A. Kumar, y S. Jain, “CFD approach for prediction of efficiency of Francis turbine”, IGHEM-2010, 2010. [3] H. J. Choi, M. A. Zullah, H. W. Roh, P. S. Ha, S. Y. Oh, y Y. H. Lee, “CFD validation of performance improvement of a 500 kW Francis turbine”, Renew Energy, vol. 54, pp. 111– 123, jun. 2013. [4] R. Khare, “CFD approach for flow characteristics of hydraulic Francis turbine”, International Journal of Engineering Science and Technology, vol. 2, núm. 8, pp. 3824–3831, 2010. [5] P. P. Gohil y R. P. Saini, “CFD: Numerical analysis and performance prediction in Francis turbine”, Proceedings of 2014 1st International Conference on Non Conventional Energy: Search for Clean and Safe Energy, ICONCE 2014, pp. 94–97, 2014. [6] G. Okyay, “Utilization of CFD tools in the design process of a Francis turbine”, 2010. [7] R. D. Aponte et al., “Minimizing erosive wear through a CFD multi-objective optimization methodology for different operating points of a Francis turbine”, Renew Energy, vol. 145, pp. 2217–2232, ene. 2020. [8] R. D. Aponte, “Falla en el rodete de la Unidad 1 (U1) de la CH Salvajina”, Celsia Colombia S.A. E.S.P., 2021. [9] Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG), “Regulación de Embalses en Condición Crítica”, CREG, 2015. [10] Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG), “Resolución 044 de 2020”, CREG, 2020. [11] Y. A. Çengel y J. M. Cimbala, “Fluids Mechanics - Fundaments and Applications”, J Chem Inf Model, vol. 53, núm. 9, p. 1024/1051, 2017. [12] Kinenergy, “CFD: una herramienta para la simulación y modelado en ingeniería”, Kinenergy, 2024. [13] H. K. Versteeg y W. Malalasekera, “An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method”, Pearson Education Limited, vol. M, pp. 9–38, 2007. [14] J. H. Ferziger y M. Perić, “Computational Methods for Fluid Dynamics”, Computational Methods for Fluid Dynamics, 2002. [15] C. Trivedi y M. J. Cervantes, “Fluid-structure interactions in Francis turbines: A perspective review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 68, pp. 87–101, feb. 2017. [16] ANSYS, ANSYS CFX-Solver Theory Guide. 2013. [17] S. Laín, M. García, B. Quintero, y S. Orrego, “CFD Numerical simulations of Francis turbines Simulación numérica (CFD) de turbinas Francis”, Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia N.°, vol. 51, pp. 24–33, 2010. [18] L. A. Teran et al., “Analysis of economic impact from erosive wear by hard particles in a run-of-the-river hydroelectric plant”, Energy, vol. 113, pp. 1188–1201, 2016. [19] ANSYS, ANSYS CFX-Solver Modeling Guide. 2013. [20] K. Celebioglu, S. Aradag, E. Ayli, y B. Altintas, “Rehabilitation of Francis Turbines of Power Plants with Computational Methods”, Hittite Journal of Science & Engineering, vol. 5, núm. 1, pp. 37–48, 2018. |
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La función principal de esta instalación es la regulación del caudal del río Cauca, siendo fundamental para el suministro hídrico de la región. Desde su puesta en marcha en 1985, la central dispone de un embalse con capacidad de 900 millones de m³ y una generación total de 315 MW, distribuida en tres turbinas, una de 125 MW y dos de 95 MW cada una, con una altura de caída de hasta 120 metros y equipadas con turbinas tipo Francis. Dada la antigüedad de la central, existen oportunidades para mejoras en eficiencia y rendimiento. Es por esto por lo que Celsia Colombia S.A. E.S.P., empresa administradora de la central, tiene como objetivo el planteamiento continuo de iniciativas para la optimización del aprovechamiento del recurso hídrico. El proyecto se apoya en herramientas avanzadas de software para Dibujo Asistido por Computador (CAD) y CFD, facilitando la representación tridimensional y el análisis detallado del flujo del agua a través de la turbina. Este enfoque permite simular diferentes rangos operacionales e identificar las variables y condiciones críticas que afectan la eficiencia de la turbina.This thesis documents the analysis of Computational Fluid Dynamics (CFD) applied to the turbine of one from the units of the Salvajina Hydroelectric Power Plant, located in Colombia in the north of the department of Cauca, in the municipality of Suárez. The main function of this facility is to regulate the flow of the Cauca River, which is essential for the region's water supply. Since its commissioning in 1985, the plant has had a reservoir with a capacity of 900 million m³ and a total generation of 315 MW, distributed in three turbines, one of 125 MW and two of 95 MW each, with a net head of up to 120 meters and equipped with Francis-type turbines. Given the age of the plant, there are opportunities for efficiency and performance improvements. That is why Celsia Colombia S.A. E.S.P., the management company of the plant, aims to continuously implement initiatives to optimize the use of water resources. The project is supported by advanced software tools for Computer Aided Drawing (CAD) and CFD, facilitating the three-dimensional representation and detailed analysis of the flow of water through the turbine. This approach makes it possible to simulate different operational ranges and identify the critical variables and conditions that affect turbine efficiencyPasantía organizacional (Ingeniero Mecánico)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2024PregradoIngeniero(a) Mecánico(a)77 páginasapplication/pdfspaUniversidad Autónoma de OccidenteIngeniería MecánicaFacultad de IngenieríaCaliDerechos reservados - Universidad Autónoma de Occidente, 2024https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Modelado numérico de una turbina francis de 95 MW de la Central Hidroeléctrica Salvajina mediante dinámica de fluidos computacionalTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttp://purl.org/redcol/resource_type/TPinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85[1] R. Eisinger y A. Ruprecht, “Automatic shape optimization of hydro turbine components based on CFD”, TASK Quarterly : scientific bulletin of Academic Computer Centre in Gdansk, vol. Vol. 6, No 1, pp. 101–111, 2002. [[2] R. P. Saini, A. Kumar, y S. Jain, “CFD approach for prediction of efficiency of Francis turbine”, IGHEM-2010, 2010.[3] H. J. Choi, M. A. Zullah, H. W. Roh, P. S. Ha, S. Y. Oh, y Y. H. Lee, “CFD validation of performance improvement of a 500 kW Francis turbine”, Renew Energy, vol. 54, pp. 111– 123, jun. 2013.[4] R. Khare, “CFD approach for flow characteristics of hydraulic Francis turbine”, International Journal of Engineering Science and Technology, vol. 2, núm. 8, pp. 3824–3831, 2010.[5] P. P. Gohil y R. P. Saini, “CFD: Numerical analysis and performance prediction in Francis turbine”, Proceedings of 2014 1st International Conference on Non Conventional Energy: Search for Clean and Safe Energy, ICONCE 2014, pp. 94–97, 2014.[6] G. Okyay, “Utilization of CFD tools in the design process of a Francis turbine”, 2010.[7] R. D. Aponte et al., “Minimizing erosive wear through a CFD multi-objective optimization methodology for different operating points of a Francis turbine”, Renew Energy, vol. 145, pp. 2217–2232, ene. 2020.[8] R. D. Aponte, “Falla en el rodete de la Unidad 1 (U1) de la CH Salvajina”, Celsia Colombia S.A. E.S.P., 2021.[9] Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG), “Regulación de Embalses en Condición Crítica”, CREG, 2015.[10] Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG), “Resolución 044 de 2020”, CREG, 2020.[11] Y. A. Çengel y J. M. Cimbala, “Fluids Mechanics - Fundaments and Applications”, J Chem Inf Model, vol. 53, núm. 9, p. 1024/1051, 2017.[12] Kinenergy, “CFD: una herramienta para la simulación y modelado en ingeniería”, Kinenergy, 2024.[13] H. K. Versteeg y W. Malalasekera, “An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method”, Pearson Education Limited, vol. 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