Diseño de una turbina hidrocinética de eje horizontal para ríos
El presente documento trata del diseño de una turbina hidrocinética de eje horizontal para ríos, con una potencia nominal de 4kW. El dimensionamiento de la turbina se basó en el comportamiento de los ríos de la cuenca del Pacífico, los cuales poseen velocidades aproximadas de 2.5 m/s. Para calcular...
- Autores:
-
Micolta Aragón, Gilberto Andrés
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad Tecnológica de Pereira
- Repositorio:
- Repositorio Institucional UTP
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.utp.edu.co:11059/14555
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/11059/14555
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- Palabra clave:
- 620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingeniería
Generadores hidroelectricos
Mecanica de fluidos
Ingenieria hidraulica
Energía renovable
CFD
Turbina hidrocinética
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- openAccess
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- Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
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El presente documento trata del diseño de una turbina hidrocinética de eje horizontal para ríos, con una potencia nominal de 4kW. El dimensionamiento de la turbina se basó en el comportamiento de los ríos de la cuenca del Pacífico, los cuales poseen velocidades aproximadas de 2.5 m/s. Para calcular lo diferentes parámetros aerodinámicos de los álabes se utilizó la teoría, elemento de momento de álabe. Además, de verificar su comportamiento por medio de dinámica de fluidos computacional (CFD) y cálculos analíticos. Los materiales usados en el diseño de los componentes de la turbina, fueron seleccionados por medio del software Ces Edupack para garantizar su adecuado funcionamiento. Para resolver las fluctuaciones en las velocidades del agua se diseñó una caja multiplicadora que garantiza velocidades de funcionamiento adecuadas y el control de sobre-velocidades está dado por principios hidrodinámicos, siendo este (control de velocidad por entrada en pérdida). La finalidad de este trabajo es resolver los problemas eléctricos que tienen las comunidades ribereñas de la cuenca del Pacífico, que no estén interconectadas a la red nacional, mediante el uso de turbinas hidrocinéticas. Para cumplir este propósito se obtuvieron: los parámetros aerodinámicos que caracterizan una geometría sustentadora, una caja multiplicadora para mantener la velocidad de giro en valores cercanos a 400 rpm, carcasa protectora de todo el sistema. Además, de un esquema de protección contra la corrosión para proteger la integridad de la turbina. |
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Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 dehttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessLópez Restrepo, Juan CamiloMicolta Aragón, Gilberto Andrés2023-02-20T13:47:07Z2023-02-20T13:47:07Z2021https://hdl.handle.net/11059/14555Universidad Tecnológica de Pereirahttps://repositorio.utp.edu.co/homeEl presente documento trata del diseño de una turbina hidrocinética de eje horizontal para ríos, con una potencia nominal de 4kW. El dimensionamiento de la turbina se basó en el comportamiento de los ríos de la cuenca del Pacífico, los cuales poseen velocidades aproximadas de 2.5 m/s. Para calcular lo diferentes parámetros aerodinámicos de los álabes se utilizó la teoría, elemento de momento de álabe. Además, de verificar su comportamiento por medio de dinámica de fluidos computacional (CFD) y cálculos analíticos. Los materiales usados en el diseño de los componentes de la turbina, fueron seleccionados por medio del software Ces Edupack para garantizar su adecuado funcionamiento. Para resolver las fluctuaciones en las velocidades del agua se diseñó una caja multiplicadora que garantiza velocidades de funcionamiento adecuadas y el control de sobre-velocidades está dado por principios hidrodinámicos, siendo este (control de velocidad por entrada en pérdida). La finalidad de este trabajo es resolver los problemas eléctricos que tienen las comunidades ribereñas de la cuenca del Pacífico, que no estén interconectadas a la red nacional, mediante el uso de turbinas hidrocinéticas. Para cumplir este propósito se obtuvieron: los parámetros aerodinámicos que caracterizan una geometría sustentadora, una caja multiplicadora para mantener la velocidad de giro en valores cercanos a 400 rpm, carcasa protectora de todo el sistema. Además, de un esquema de protección contra la corrosión para proteger la integridad de la turbina.This document deals with the design of a horizontal axis hydrokinetic turbine for rivers, with a nominal power of 4kW. The sizing of the turbine was based on the behavior of the rivers of the Pacific cuenca, which have speeds of approximately 2.5 m/s. To calculate the different aerodynamic parameters of the blade, the theory, blade moment element, was used. In addition, to verify its behavior was used computational fluid dynamics (CFD) and analytical calculations. The materials used in the design of the turbine components were selected by means of the Ces Edupack software to assure their correct operation. To solve fluctuations in water speeds, a multiplier box was designed that guarantees adequate operating speeds and over-speed control is given by hydrodynamic principles, this being (speed control by stalling). The purpose of this work is to solve the electrical problems faced by the riparian communities of the Pacific basin, which are not interconnected to the national grid, through the use of hydrokinetic turbines. To fulfill this purpose, the following were obtained: the aerodynamic parameters that characterize a supporting geometry, a gearbox to maintain the turning speed at values close to 400 rpm, and a protective casing for the entire system. In addition, a corrosion protection scheme to protect the integrity of the turbine.TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................XI OBJETIVO GENERAL............................................................................................................ XII OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................... XII 1. CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO .....................................................................................1 1.1 ANTECEDENTES.........................................................................................................1 1.2 ENERGÍA HIDRAÚLICA. ...........................................................................................2 1.3 TURBINA HIDROCINÉTICA......................................................................................2 1.4 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS HIDROCINÉTICAS...................................3 1.4.1 Turbinas de eje horizontal.......................................................................................3 1.4.2 Turbinas de eje vertical...........................................................................................4 1.4.3 Turbina de flujo cruzado.........................................................................................5 1.5 POTENCIAL HIDROENERGÉTICO DE COLOMBIA ..............................................5 1.6 PERFILES TÍPICOS PARA TURBINAS HIDROCINÉTICAS ..................................7 1.6.1 Perfiles alares. .........................................................................................................7 1.6.2 Fuerzas en un perfil.................................................................................................8 1.6.3 Nomenclatura NACA..............................................................................................9 2. CAPÍTULO II: GEOMETRÍA SUSTENTADORA...........................................................10 2.1 CARACTERÍSTICAS DE UN PERFIL AERODINÁMICO......................................10 2.2 ANÁLISIS DE PERFILES MEDIANTE (QBLADE).................................................11 2.2.1 Análisis de perfiles aerodinámicos con QBlade. ..................................................12 2.2.2 Selección del perfil aerodinámico.........................................................................13 2.3 DIMENSIONADO DE LA TURBINA .......................................................................14 2.3.1 Potencia y diámetro...............................................................................................14 2.3.2 Diseño del álabe....................................................................................................16 IX 2.3.3 Dimensionado del cubo.........................................................................................20 2.3.4 Selección de materiales para los álabes y cubo. ...................................................21 3. CAPÍTULO III: ÁLABES, DISEÑO ESTRUCTURAL Y TREN DE POTENCIA. ........23 3.1 ANÁLISIS MEDIANTE CFD.....................................................................................23 3.1.1 Pre-procesamiento.................................................................................................23 3.1.2 Solución ................................................................................................................26 3.1.3 Post procesamiento ...............................................................................................28 3.1.4 Resultados.............................................................................................................29 3.2 DISEÑO DE LA CAJA MULTIPLICADORA...........................................................30 3.2.1 Árboles de transmisión .........................................................................................34 3.3 CONTROL DE POTENCIA........................................................................................35 3.4 DISEÑO DE LA CARCASA.......................................................................................37 4. CAPÍTULO IV: CONSOLIDACIÓN DEL DISEÑO ........................................................39 4.1 REVISIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS..................................................39 4.1.1 Geometría sustentadora.........................................................................................39 4.1.2 Coeficientes aerodinámicos..................................................................................39 4.1.3 Parámetros del álabe .............................................................................................41 4.1.4 Dimensionado del cubo.........................................................................................41 4.1.5 Análisis mediante CFD.........................................................................................42 4.2 OPERACIÓN DE LA TURBINA................................................................................42 4.3 PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN.............................................................42 4.3.1 Caracterización del medio y durabilidad ..............................................................43 4.3.2 Selección del esquema ..........................................................................................44 4.3.3 Preparación superficial..........................................................................................44 4.3.4 Ensayos destructivos y no destructivos.................................................................44 X 4.3.5 Formulación final del esquema.............................................................................44 4.4 MODELO FINAL........................................................................................................46 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................48 6. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................50 7. ANEXOS ............................................................................................................................55 7.1 PLANOS ......................................................................................................................55 7.1.1 Álabes, cubo y punta.............................................................................................55 7.1.2 Plano de detalle de los engranes y árboles............................................................56 7.2 MOTOR GENERADOR..............................................................................................57PregradoIngeniero(a) Mecánico(a)72 Páginasapplication/pdfspaUniversidad Tecnológica de PereiraIngeniería MecánicaFacultad de Ingeniería MecánicaPereira620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingenieríaGeneradores hidroelectricosMecanica de fluidosIngenieria hidraulicaEnergía renovableCFDTurbina hidrocinéticaDiseño de una turbina hidrocinética de eje horizontal para ríosTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis[1] Y. 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La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 deopen.accesshttps://dspace7-utp.metabuscador.orgRepositorio de la Universidad Tecnológica de Pereirabdigital@metabiblioteca.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