Desarrollo de tecnologías para micro-aprovechamientos hidroeléctricos con bajo salto.

Abstract

En esta tesis realizo un análisis del estado del arte sobre algunos dispositivos de aprovechamiento hidroeléctrico para sitios con bajo salto y escala de pequeñas, mini y micro potencias. Luego se propuso la evaluación de dos de los dispositivos mencionados, para lo cual se utilizaron dos técnicas diferentes, como son la resolución numérica de las ecuaciones que gobiernan el flujo a través de una turbina (Mecánica de los Fluidos Computacional - CFD) y los ensayos en modelo físico. Por un lado, se planteó el análisis y validación del funcionamiento de una Máquina de Presión Hidrostática (HPM) mediante simulaciones numéricas realizadas con el código de libre acceso caffa3d, previo a lo cual se llevó a cabo un proceso de validación de dos métodos implementados en dicho código para resolver la rotación de la HPM y la presencia de la superficie libre del agua en el canal. Por otro lado, se presentó una metodología de diseño de una turbina axial tipo hélice (de álabes fijos en rotor y distribuidor) tubular, para luego llevar a cabo un ensayo en un banco de pruebas de un modelo a escala reducida de la turbina diseñada. Para contemplar la rotación de una turbina en caffa3d, se trabaja con bloques de malla estáticos y bloques de malla rotatorios, y se implementa el método de Mallas Deslizantes para resolver la comunicación entre bloques adyacentes en movimiento relativo. Este método se validó analizando el flujo cruzado a través de un cilindro rotando a distintas velocidades, que genera el efecto Magnus el cual ha sido extensamente estudiado, arrojando muy buena correlación con resultados de simulaciones de otros investigadores en condiciones similares. Los flujos de agua en canales a superficie libre, se resuelven en caffa3d mediante el método de Volumen de Fluido, en el cual se asigna a cada celda del dominio, un valor de un escalar en función de la fracción de volumen ocupada por agua. Este método se validó analizando el flujo de agua en un canal sobre un vertedero semicircular, arrojando una buena correlación con resultados de simulaciones y experimentos de otros investigadores. Ambos métodos fueron implementados para simular el funcionamiento de una HPM simple de palas rectas de tamaño mediano, la cual había sido previamente ensayada experimentalmente en el marco de un proyecto de investigación. Se obtuvieron valores instantáneos de potencia absorbida durante varias vueltas completas de la rueda para distintos puntos de funcionamiento, así como los campos instantáneos de velocidad, presión y fracción de volumen cada 0.25 s durante una vuelta completa para dos puntos de funcionamiento característicos (uno a potencia máxima y otro a caudal elevado). Las curvas de potencia y rendimiento en función del caudal obtenidas de las simulaciones resultaron muy cercanas a las curvas obtenidas de los ensayos experimentales, para caudales entre el mínimo y el correspondiente a la máxima potencia (en dicho intervalo se incluye también el caudal de máximo rendimiento). Para caudales mayores los valores de potencia y rendimiento obtenidos de la simulaciones resultaron mucho más bajos. A partir de la visualización de los campos de interés en el agua entorno a la HPM, fue posible identificar fenómenos relacionados con el descenso en potencia y rendimiento a caudales elevados, los cuales coinciden con los observados en los ensayos experimentales. Se diseñó una turbina axial de hélice pensada para instalar en la descarga de una obra de toma de un embalse de riego, antes de la cámara derivadora hacia los canales. El diseño se basó en los criterios de flujo tipo vórtice libre y de coeficiente mínimo de presión, tomando en consideración algunas ecuaciones teóricas junto con otras empíricas. Se obtuvieron las dimensiones geométricas de los álabes del rotor y del distribuidor, y se realizó una evaluación del funcionamiento a partir del modelo analítico. Se construyó un modelo a escala reducida de la turbina diseñada, y se instaló en el banco de ensayos de turbinas hidráulicas de bajo salto de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República (Uruguay). Se obtuvieron las curvas características del funcionamiento de la turbina, como son la curva Salto-Caudal, Potencia-Caudal y Rendimiento-Caudal. El máximo rendimiento del ensayo resultó próximo a valores obtenidos por otros investigadores para turbinas de características similares.