Este documento describe el diseño de un modelo de micro turbina hidráulica portátil, el cual incluyó varias etapas como la investigación sobre micro turbinas, el diseño matemático y mecánico de la turbina, la construcción de un canal y la turbina, y pruebas para analizar el rendimiento. El diseño se basó en cálculos hidráulicos y de elementos finitos para determinar la geometría óptima de los álabes. Las pruebas mostraron que las turbinas con perfiles asimétricos

1. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
UNIDAD DE NIVELACIÓN
CICLO DE NIVELACIÓN: SEPTIEMBRE 2012 / FEBRERO 2013
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO CIENTÍFICO
1.- DATOS INFORMATIVOS
- NOMBRES Y APELLIDOS:
Carlos Xavier Guerrero Berrones
- DIRECCIÓN DOMICILIARIA:
Ciudadela Juan Montalvo
- TELÉFONO:
062839-799
- EMAIL:
- FECHA:
CELULAR: 0982456838
barcegb@hotmail.com
31 de octubre
Riobamba – Ecuador
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2. PROYECTO DE AULA INTRODUCCIÓN A LA COMUNICACIÓN CIENTÍFICA
DISEÑO DE UN MODELO DE MICRO TURBINA HIDRÁULICA PORTÁTIL
OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL:
Conocer el diseño de un modelo de micro turbina hidráulica portátil.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Investigar acerca de las micro turbinas, sus aplicaciones y el costo de estas.
Conocer los procesos o etapas que son tomados en cuenta para el diseño de este micro turbina.
INTRODUCCIÓN
Este tipo de investigación permite ampliar el conocimiento sobre este tipo de energía verde ya que su impacto ambiental es
mínimo, usa la fuerza hídrica y es una forma de obtener energía renovable, a través de micro turbinas hidráulicas portátiles para
generar energía eléctrica.
Permite conocer las diferentes etapas que fueron tomadas en cuenta para el diseño de las micro turbina, estas son de tamaños
muy pequeños ideales para haciendas o casas que son cruzadas por ríos o quebradas, son de muy bajo costo y además de eso
son amigables con la naturaleza.
JUSTIFICACIÓN:
Las micro turbinas hidráulicas portátiles pueden acoplarse a un generador asincrónico, pueden adaptarse a canales de riego
existentes a través de elementos de fijación a los canales de agua, los costos de fabricación de este están entre 1500 $ y 5000 $,
la ventaja de estos es que pueden ser empleados en bajas caídas de agua. Para la realización de este proyecto fue necesario
realizar varias etapas de diseño, construcción y evaluación. Se quiere saber sobre aplicaciones y transferencias de estos en el
sector privado para su implementación masiva.
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3. SÍNTESIS:
Este proyecto comprende diferentes etapas de diseño, que son muy importantes para la construcción
de esta micro turbina
hidráulica portátil ya que requiere de exactitud y complejidad al ser acoplada a un generador y adaptada a redes de riego por
medio de elementos de fijación en los bordes de un canal.
Se tomó en cuenta la evaluación delproceder de sus distintas configuraciones, con el fin de transferir resultados y conocimientos a
las personas que necesitan de este tipo de máquinas y así despertar un mejor interés de ellos hacia este proyecto para así seguir
implementándolo masivamente. Los rotores Hidrodarrieus fueron el centro de la investigación, estas son turbinas con ejes
verticales. Las complicaciones que se presentaron durante el desarrollo de este proyecto se debió a que los alavés de la turbina
reciben cargas durante en el monto de su rotación, ya que este influye en el rendimiento de la turbina, para realizar el diseño de la
micro turbina fue necesario la aplicación de las leyes de semejanza hidráulica parcial como: semejanza geométrica, semejanza
cinemática, semejanza dinámica, y estas se consideran como un ensayo en el que se cumplen las condiciones de semejanza
absoluta, además este proyecto incluyo el diseño y construcción de un canal vidriado para realizar el ensayo de la micro turbina.
La realización de este proyecto incluyo etapas de búsqueda bibliográfica, exploración de la red de riego, diseño matemático,
mecánico, diseño de canal, construcción e instalación, ensayos del modelo hidráulico, análisis diseño de la micro turbina
y
desarrollo económico.
Su diseño matemático de la geometría de los alabes de esta micro turbina fue basado en calcular de las presiones y succiones,
para calcular el valor de las presiones se utilizó técnicas matemáticas de elementos finitos de para el análisis de fluidos. Este
proceso consiste en varias etapas como son: calcular la velocidad relativa de la entrada del alabe para cada posición y régimen de
funcionamiento, descomponer el medio continuo en un numero finito de elementos, establecer las condiciones de flujo y de
contorno, aplicar una solución aproximada del fenómeno al interior de cada elemento, ensamblar los elementos introduciendo las
condiciones de borde en una matriz global, seleccionar los parámetro de integración e intervalo de tiempo, resolver el campo de
velocidades en cada modo del campo estudiado y sus contornos, transformar valores de la velocidad alrededor del perfil a valores
de presión, calcular un valor de potencia para los alabes y cada posición en su trayectoria de rotación alrededor del eje, analizar las
curvas de potencia entregadas por cada perfil a lo largo de su trayectoria. Estos perfiles seleccionados fueron utilizados para la
construcción de los alabes del modelo hidráulico.
En el diseño del modelo hidráulico se procedió al diseño y a la construcción del modelo hidráulico de la micro turbina portátil ,
también se construyó el modelo físico de la micro turbina y consta de varios componentes como: el sistema de soporte, sistemas
auxiliares que son diseñados especialmente para para guiar el flujo del agua hacia el rotor y tres rodetes de distinto diámetro
desmontables, el rodete es un tipo de rotor situado dentro de una tubería o un conducto y encargado de impulsar un fluido y von
posibilidad de posibilidad de variar la posición de los alabes, girando sobre su propio eje, armar rodetes con 2,3,4,6,8 y 10 alabes y
variar la posición de los elementos orientados del flujo.
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4. Los alabes fueron construidos dos series con resinas epoxi es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un
agente catalizador o endurecedor y una tercera en bronce.
Los ensayos del modelo hidráulico fueron realizados en laboratorios de hidráulica , e incluyeron las siguientes etapas: Dis eño de
un canal variado de fondo inclinable y sistemas de ingreso de caudales al canal y restricción del sistema el cual se alimenta de
agua por gravedad proveniente del sistema de riego, los cuales después ingresan a una cámara de nivel constante, una válvula de
derivación y la regulación del caudal ; construcción e instalación del canal vidriado en el laboratorio de la Universidad Nacional de
San Juan; diseño e instalación de un sistema de adquisición de datos a tiempo real integrado por un juego de paquetes ADQ12-B y
conversor analógico digital de 12 bits con oscilador de 4 MHz conectado a un PC. En el ensayo del modelo hidráulico se incluyeron
etapas de: Calibración instrumental de medición y comprobación del sistema de adquisición de datos; obtención de las curvas
caracterizadas de funcionamiento, en la cual comprendió la obtención de la velocidad de escape máxima, la obtención de la
potencia máxima instantánea y la obtención de las características curva de la potencia de los distintos caudales y la última etapa
fue el análisis del sistema de regulación de velocidad.
Para el diseño de esta micro turbinase construyeron las curvas de potencia contra el numero de revoluciones del motor en cada
geometría de rodetes ensayados y cada estado de flujo del canal. Esta micro turbina es lenta por lo que se incluyó un multiplicador
de velocidad antes de acoplarla a generadores asincrónicos estándar, al momento de la introducción de esta micro turbina se
produce un resalto cuya geometría depende de las condiciones del flujo y el tamaño del rotor sumergido, los perfiles asimétricos a
pesar de ser muy lentos entregan una mayor potencia y mantiene dicha potencia máxima para un rango de velocidades mayor que
los simétricos. La respuesta de los rotores hidrodarrieus, dependen muy fuertemente del tipo de perfil hidrodinámico, número y
posición de los perfiles, ángulo y magnitud de la velocidad de ataque en cada posición, el análisis de semejanza permitió realizar
una estimación de costos de función unitaria de la micro turbina de mejor comportamiento del orden de los $1500/KW
Estas micro turbinas tienen una deficiencia de velocidad, son muy lentas y esto requiere más inversión en la implantación de
multiplicadores de velocidad estos aumenta lavelocidad de giro de latoma de fuerza y así contribuyen dándole mejor rendimiento al
equipo. Son muy ventajosas ya que pueden ser empleados en bajas caídas de agua, y permiten así producir energía aprovechando
la fuerza de los caudales de agua pero sin la fuerza del agua estas micro turbinas no funcionarían para nada, estas son pequeñas
y pueden abastecer a una casa o una haciendas que son cruzadas por ríos y arroyos, estas no requieren de mantenimiento sus
costos de adquisición son realmente bajos.
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5. CONCLUSIONES:
Este tipo de turbinas hidráulicas son para uso privado y pueden ser aplicadas sobre canales de ríos, arroyos o quebradas
y los costos de adquisición de estas son realmente bajos.
Los procesos y etapas que se utilizaron para la construcción de la micro turbina comprende: el diseño mecánico e
hidráulico, construcción e instalación del canal, ensayos hidráulicos, análisis de resultados y diseño definitivo.
Para el diseño de la micro turbina se requiere de mucha consistencia y exactitud en el cálculo de la geometría de los
alabes y también se requiere incluirun multiplicador de velocidades antes de ser acopladas al generador ya que este tipo
de micro turbina es lenta.
REFERENCIA ELECTRÓNICA:
Raul, D. I. (1993). Diseño de un modelo de micro turbina hidráulica portálil. Recuperado el 18 de Octubre de 2013, de
http://www.fi.unsj.edu.ar/departamentos/DptoCivil/gcuencas/pdf/papers/paper%20turbina.pdf
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