Diseño de turbinas hidráulicas: el papel del diseño 3D en el proceso de creación

Una turbina hidráulica es una máquina que convierte la presión y energía cinética del agua, llamada energía hidráulica, en energía mecánica. Éstas también se llaman turbinas de agua.

La energía mecánica de la turbina se convierte además en energía eléctrica mediante un generador eléctrico que se acopla directamente al eje de la turbina hidráulica. La energía eléctrica generada se conoce como energía hidroeléctrica.

Turbina hidráulica. Fuente de la imagen: Directindustry

Las turbinas hidráulicas son eficientes. Tienen un bajo desgaste y facilidad de mantenimiento. Sin embargo, su coste de capital es elevado con un largo período de gestación porque requiere la construcción de una presa a través del río y la colocación de las largas tuberías.

Clasificación de las turbinas:

Las turbinas se clasifican según el tipo de energía disponible en la entrada del cabezal de la turbina, la dirección del flujo a través de las palas y la velocidad específica de las turbinas.

La clasificación importante de las turbinas es la siguiente:

(a) Según el tipo de energía en la entrada:

Turbina de impulso: la energía disponible en la entrada es sólo energía cinética (KE), por ejemplo, la turbina Pelton.

Turbina de reacción: la energía en la entrada es energía cinética (KE), por ejemplo, la turbina Francis.

(b) Según la cabecera en la entrada de la turbina:

Turbina de baja cabecera: si la cabecera disponible es inferior a 60 metros, por ejemplo, la turbina Kaplan.

Turbina de cabezal medio: si la cabecera disponible se encuentra entre 60 y 250 metros, por ejemplo, la turbina Francis.

Turbina de cabecera alta: si la cabecera disponible es superior a 250 metros, por ejemplo, la turbina Pelton.

(c) Basado en la dirección del flujo a través del corredor.

Turbina de flujo tangencial: cuando el agua fluye por la tangente de la rueda del pasillo.

Turbina de flujo radial: cuando el agua fluye en sentido radial por el pasillo.

Turbina de flujo axial: cuando el agua fluye por el pasillo siguiendo la dirección paralela al eje de rotación del pasillo.

(d) Según la velocidad específica de la turbina:

La velocidad específica de la turbina es similar a la de una turbina geométrica, puesto que la turbina desarrolla una unidad de potencia bajo una unidad de cabeza.

Según una velocidad específica, las turbinas se clasifican en:

1. Turbinas de baja velocidad específica: que tienen una velocidad específica inferior a 60, por ejemplo, turbina de ruedas Pelton.
2. Turbinas de velocidad específica media: Tienen una velocidad específica entre 60 y 400, por ejemplo, la turbina Francis.
3. Turbina de alta velocidad específica: Tiene una velocidad específica superior a 400, por ejemplo, la turbina Kaplan.

Selección de la turbina:

Fuente de la imagen de la turbina

Las diferentes consideraciones a la hora de elegir el tipo de turbina son las siguientes:

1. Estado del sitio
2. Velocidad específica
3. Ninguno
4. Jefe y velocidad específica
5. Carga de eficiencia
6. Carga
7. Cavitación
8. Aumento de presión y aumento de velocidad
9. Es necesaria excavación de montaje de la turbina
10. Coste
11. Mantenimiento

La selección de turbinas para varias descargas es la siguiente:

1. Alta velocidad y descarga mínima
2. Descarga mínima y cabecera alta
3. Descarga moderada y ninguna
4. Descarga máxima y cabecera baja

Rueda Pelton o Turbina Pelton:

Fuente de la imagen de Peloton Turbine: The Constructor

La rueda Pelton es una turbina de flujo tangencial. En 1880, LA Pelton diseñó esta rueda Pelton, un tipo de turbina de impulso que es apta para la copa alta (más de 150 m) y bajas descargas. Consiste en una rueda montada sobre un eje que se apoya sobre superficies rígidas.

Una rueda está formada por una serie de cubos de forma especial montados sobre ella, con una cresta central y copas a ambos lados. El ángulo de la punta de salida se encuentra entre 10° y 20° y el número varía entre 6 y 50. La velocidad de entrada varía entre 5 y 40 m/s, y la velocidad de trabajo de la turbina varía entre 60 y 1000 RPM.

1. Boquilla con sistema de control de caudal:

Una boquilla se utiliza para transformar la energía de presión del agua en energía cinética, por tanto se fija en el extremo de la canalización.

Para una unidad pequeña, se acciona manualmente mediante una rueda giratoria instalada en el extremo de una barra de lanza roscada. La aguja cónica se utiliza para aumentar o disminuir el área de la sección transversal de la boquilla disponible para el flujo de agua.

2. Corredor y cubos:

El corredor de rueda Pelton se refiere a un disco circular dentro del cual las matrices de cubos se colocan uniformemente en la periferia. Los cubos están disponibles en forma semiesférica doble. Cada cubo se divide en dos partes simétricas por una pared divisoría que está conectada al pasillo y se conoce como divisor o cresta. Un chorro de agua que sale de la boquilla golpea el divisor y divide el chorro en dos partes iguales sin golpes, y fluye por las dos partes del cubo.

El cubo está hecho de acero colado, hierro colado, bronce u otros tipos de acero. La superficie del cubo es muy lisa. La principal ventaja de un cubo con forma de copa doble es que el empuje axial se neutraliza.

En el extremo más bajo del cubo, se corta una muesca que evita que el chorro impacte contra el cubo que preside, que sería interceptado por el siguiente cubo muy pronto.

3. Carcasa:

Una carcasa no tiene ninguna función hidráulica para realizar, por tanto no es necesaria en el caso de las turbinas de impulso porque el corredor funciona bajo presión atmosférica. Se utiliza una carcasa para evitar las salpicaduras de agua y proteger a las personas de accidentes. También evita que el plomo del agua llegue a la carrera de cola. La carcasa está formada por hierro fundido dividido en dos mitades.

4. Chorro de frenado:

Siempre que la turbina se pone en reposo, la boquilla se cierra completamente empujando la lanza hacia adelante. Sin embargo, el corredor sigue girando debido a su inercia durante un período considerable debido a su inercia hasta que se detiene. Para detener el pasillo en el menor tiempo posible, se dispone de una pequeña boquilla que libera el chorro de agua y cae en la parte posterior de los cubos. Actúa como freno hidráulico para reducir la velocidad del pasillo.

Turbinas de reacción:

Fuente de la imagen de la turbina de reacción: Baker Hughes

En la turbina de reacción, una parte de la cabecera total de agua se transforma en una cabecera de velocidad antes de que llegue al corredor. No requiere una boquilla en el extremo de la canalización, pero ésta está conectada directamente a la carcasa y el agua llena todos los pasos del corredor. Las dos principales turbinas de reacción son la turbina Francis, la turbina de reacción de flujo radial, la turbina Kaplan y la turbina de reacción de flujo axial.

Turbina Francis (Turbina de reacción - Cabo 30-60 m):

Consiste en carcasa de desplazamiento, paletas de guía, pasillo y tubo de aire. Tiene hojas fijas, es decir, un corredor por el que entra agua a presión. La pala del pasillo convierte la energía hidráulica en energía mecánica de giro mediante un eje de reacción hecho de acero y conecta la turbina al generador. El agua en el punto de salida tiene cierta velocidad y es recuperada por el tubo de tirada más allá de la salida del corredor. La eficiencia hidráulica varía entre el 85-90%.

Partes principales de la turbina de reacción (turbina Francis) (de 30 a 60 m de cabezal)

Una turbina de reacción tiene las siguientes partes principales:

• Carcasa de desplazamiento
• Guía Vanes
• Corredor y
• Tubo de borrador

1. Carcasa de desplazamiento:

La carcasa de desplazamiento facilita el suave flujo de agua sobre las palas de guía y también asegura que todas las palas de guía reciban una cantidad completa de agua. El diseño de la carcasa depende del área de la sección transversal. El área de la sección transversal disminuye continuamente en torno a la circunferencia. El área de la sección transversal aumenta en la entrada y disminuye en la punta. La carcasa será espiral, por eso se llama carcasa de desplazamiento o carcasa espiral.

Para cabezales pequeños, la carcasa es de hormigón, pero para cabezales altos, normalmente está formada por placas de acero o aceros fundidos.

2. Mecanismo de guía:

La función del mecanismo de guía es dirigir el agua al ángulo correcto hacia las palas del pasillo. Este mecanismo de guía consiste en dos anillos en los que se pivotan varias hojas de guía en torno a la periferia de este anillo. Cada hoja guía puede moverse por su centro de pívot que cambia el área de flujo. Las hojas de guía son para que la sección aerodinámica tenga un flujo suave y sin bordes. Por lo general, las hojas de guía están hechas de acero fundido.

3. Corredor:

El corredor es una rueda circular en la que se montan una serie de furgonetas curvadas radialmente. La forma de las palas curvas radiales es de tal modo que el agua entra y sale del pasillo sin choque.

En el caso de la turbina Francis, el número de palas está entre 16 y 24 y son fijas, mientras que en el caso de la turbina Kaplan, el número de palas es de 3 a 6 y puede girar a lo largo de su eje.

4. Tubo de borrador:

En una turbina de reacción, la presión en el extremo del corredor es generalmente menor que la presión atmosférica. Por tanto, el agua al final no se descarga directamente en el canal de cola. Un tubo de aire es un tubo o tubo de un área que aumenta paulatinamente. Se utiliza para verter el agua desde la salida de la turbina en el canal de cola. En la turbina Francis, el agua se dirige a la rueda a través de un paso de guía externo. El agua, después de fluir radialmente en el interior de la rueda, la deja en una dirección paralela al eje.

Consiste en un pasillo montado en el eje y está rodeado por un anillo de palas guía que son de forma aerodinámica. El flujo de agua está controlado por palas guía accionadas por un mecanismo de servomotor para mantener constante la velocidad de la turbina. El anillo de la paleta guía está rodeado por una carcasa de acero que está conectada a la tubería de la canalización.

Ventajas y desventajas de Francis Turbine

A continuación se muestran las ventajas de la turbina Francis:

1. La variación de la cabeza se controla fácilmente
2. Cuando existe una gran variación en el nivel del agua de cola en comparación con la cabecera total, se puede utilizar el cabezal operativo.
3. Económico, ya que el tamaño del generador y de la central eléctrica requerida es pequeño.
4. La eficiencia mecánica por desgaste no disminuye como en el caso de la rueda Pelton.
5. El número máximo y mínimo de cabezales operativos puede ser dos.

Las siguientes son las desventajas de la turbina Francis:

1. Los sedimentos pueden desgastar turbinas de cabecera alta rápidamente.
2. La inspección y la reparación son tediosos.
3. Más susceptible a efectos del golpe de ariete.
4. El problema de cavitación es más probable.
5. La eficiencia se reduce si se ejecuta por debajo del 50% de la carga.

Para la expresión de la ley física en la generación de energía eléctrica mediante centrales hidroeléctricas, se utiliza un modelo de central hidroeléctrica impreso en 3D con turbina Pelton. Al cambiar la altura y el caudal de agua, el usuario puede afectar instantáneamente a la producción de electricidad. Por tanto, el motor BLDC se utiliza como generador y la tira LED como indicador de la potencia producida. Un sistema de investigación es una buena herramienta para mostrar los conceptos básicos de la conversión de energía de energía potencial a energía cinética a energía mecánica y energía eléctrica.

En una central hidroeléctrica, la energía cinética del agua que fluye se convierte en electricidad. La potencia actual de la central eléctrica y la cantidad de energía que produce depende de la caída y caudal de agua. El flujo y caída varían en un modelo experimental. En el modelo se instala una turbina Pelton apta para la central hidroeléctrica para bajo caudal y gran caída.

Simulación y ensayo de turbinas hidráulicas

Antes de la producción, muchas industrias hacen un buen uso de la simulación y el modelado. La simulación y el modelado son importantes para entender el rendimiento del sistema.

La simulación es también importante cuando se trata de proporcionar datos de conocimiento de la funcionalidad, así como de cualquier defecto en el diseño propuesto. Por tanto, es importante que se tome en serio los datos generados mediante la simulación.

Existen varias herramientas disponibles. Los más populares incluyen Solidworks, Navisworks, Teamcenter y otros muchos.

Después de haber mirado las distintas clasificaciones de las turbinas y la simulación y las pruebas, ahora nos gustaría aprender a utilizar el modelado 3D para preparar prototipos de las turbinas.

Cómo utilizar el modelado 3D para preparar prototipos de turbina hidráulica

Prototipo de avión diseñado en SelfCAD

Puede diseñar la rueda Pelton, la turbina Pelton y la turbina Francis mediante un software de modelado 3D. Hay varios programas de diseño 3D disponibles que puede utilizar para preparar prototipos de las turbinas hidráulicas, pero le recomendamos utilizar SelfCAD ya que es más fácil de aprender y no es necesario tener experiencia previa para poder crear prototipos impresionantes.

Con SelfCAD, puede dibujar y desarrollar los planos, e incluir todas las funcionalidades de la turbina hidráulica para facilitarlo más adelante durante el proceso de desarrollo.

SelfCAD es un software todo en uno. Esto significa que no necesita ningún otro software cuando tiene SelfCAD. Puede moldear, esculpir e incluso imprimir en 3D en un solo paquete de software. Así, después de haber terminado el proceso de diseño, puede utilizar el cortador integrado de SelfCAD para prepararlo para la impresión 3D sin tener que cambiar a otro software ni instalar ninguna extensión.

Importancia de utilizar el modelado 3D para crear prototipos de turbina hidráulica

• Hacer cambios en el diseño es mucho más fácil, ya que hacer ajustes en el software de diseño 3D es fácil
• Es una forma más rápida de crear prototipos a diferencia de cuando se hace manualmente.
• No se requiere experiencia técnica. Puede autoaprender el modelado 3D con mucha facilidad, sobre todo ahora que hay software de modelado 3D fácil de aprender como SelfCAD.
• El diseño 3D y la impresión 3D facilitan la comprensión del funcionamiento de la turbina hidráulica y la presentación al cliente o partes interesadas es más fácil.
• Es económico. No existen residuos en la etapa de producción, ya que los errores se pueden detectar antes de la producción.

Le agradecemos que se haya tomado el tiempo de leer el artículo y esperamos que haya encontrado la información que estaba buscando. Le animamos a comentar cualquier duda o sugerencia, ¡gracias!€