"DISEÑO Y ENSAYO DE UNA TURBINA GORLOV PARA EXTRACCIÓN DE ENERGÍA EN CANALES DE REGADÍO"

Abstract

Esta investigación tiene como principal objetivo diseñar una turbina hidrocinética para obtener energía a partir de canales de regadío. Es escogido un rodete Gorlov debido a su buena eficiencia y funcionamiento. El diseño apunta a canales de regadío con velocidades de flujo alrededor de 2 m/s y con un caudal entre 1m3/s y 3m3/s. Cabe destacar que en esta investigación se evalúa solamente la operación del rodete y no del sistema de generación y transmisión eléctrica. Para incrementar la eficiencia del rodete se buscan posibles mejoras, como el flujo es unidireccional se escoge implementar un deflector.Para llevar el diseño a cabo primero se hace un levantamiento de información referente a las tecnologías hidrocinéticas existentes y de las principales características de estas. Esto es de vital importancia para el estudio pues uno de los objetivos es generar un diseño alternativo de rodete Gorlov. Luego de la investigación sobre las tecnologías se tomó la decisión de desarrollar un rodete híbrido Gorlov-Savonius, que consta de un rodete Gorlov con uno Savonius en su interior. Posteriormente se estudian los parámetros más relevantes para el funcionamiento y evaluación de una turbina: parámetros adimensionales como el número de Reynolds, de Froude; y parámetros geométricos del rodete.Con el fin de evaluar el funcionamiento del rodete sin necesidad de manufactura se llevan a cabo dos estudios: simulaciones computacionales en ANSYS y un ensayo a escala, en ambos se evalúan ambos rodetes.La simulación se lleva a cabo con una velocidad de 2 m/s y divide en 2 partes. Primero se realiza el cálculo para comparar ambos rodetes, con un TSR de 1,6 el rodete Gorlov presenta una eficiencia de 36%, superior a la del diseño alternativo que tiene un 22%. En la segunda parte se evalúa el efecto del TSR en el rodete Gorlov, los resultados muestran que el TSR tiene un rango óptimo entre 1 y 1,6.El ensayo es llevado a cabo con rodetes en una escala 1:0,125 en el canal hidráulico del Laboratorio de Termofluidos. Con esta experiencia se busca comparar el funcionamiento de ambos rodetes y estudiar los parámetros geométricos de los deflectores y su influencia en la eficiencia, para esto se realizaron 18 casos de deflectores con distintas geometrías. Debido a limitantes de velocidad el ensayo se realiza con un número de Reynolds aproximadamente 10 veces menor al de la escala real. El rodete Gorlov no logró funcionar durante la experiencia y se estima que esto se debe al bajo número de Reynolds, pues éste es de vital importancia para las turbinas de Lift. Mientras que el rodete híbrido tuvo una eficiencia del 16% sin deflectores, ésta logra llegar a un valor de 49% con el deflector que obtuvo mejores resultados. Se estima que el gran incremento en la eficiencia, tres veces mayor, se debe al gran porcentaje de bloqueo de la configuración turbina-deflector.Tras evaluar los resultados se concluyó que el rodete Gorlov tiene una mejor eficiencia que el rodete alternativo, pero este último posee una menor sensibilidad a la velocidad y sería más apto para flujos variables. Además de esto ambos rodetes se ven positivamente influenciados por el efecto que genera un deflector.In this research the main objective is to design a hydrokinetic turbine to generate electricity from irrigation canals. A Gorlov rotor is chosen due to its great efficiency and operation. The design aims for canals with flow speed around 2 m/s and flow from 1 m3/s to 3 m3/s. It should be noted that in this investigation only the operation of the impeller and not the electric generation and transmission system is asessed. In order to increase the impeller’s power coefficient, possible improvements are looked for. Since the flow is unidirectional it’s chosen to use a deflector.To properly realize the design is needed to gather information regarding existent hydrokinetic technologies and their main characteristics. This is of vital importance for the study because one of the main objectives is to generate an alternative to the Gorlov rotor. After researching hydrokinetic technologies, the decision was to develop a hybrid Gorlov-Savonius, which consist of a Gorlov rotor with a Savonius one inside. Afterward the most relevant parameters for operation and evaluation of a turbine are studied: dimensionless quantities like Reynolds number and Froude Number; and geometrical parameters of the rotor.In order to evaluate the performance of the impeller without need for manufacturing, two studies are carried out: computational simulations in ANSYS, and a scale test, in both of them the two impellers are evaluated.Simulation is carried out with a flow speed of 2 m/s and it’s divided in two main parts. First, calculations are made to compare both rotors, with a TSR of 1,6 the Gorlov rotor has a power coefficient of 36%, higher than the alternate design which has 22%. In the second part the effect of TSR is evaluated, results show that optimal TSR range is between 1 and 1,6.The test is done with impellers on a scale of 1:0,125 in the hydraulic channel of the “Laboratorio de Termofluidos”. With this experience it is sought to compare the performance of both impellers, and study geometric parameters of deflectors and their influence on the rotor efficiency, to achieve this 18 cases with different geometries were tested. Due to speed limitations the test is performed with a Reynolds number approximately 10 times lower than the real scale. The Gorlov impeller did not work during the test, it is estimated that this is due to the low Reynolds number, as this is vital for a Lift turbine performance. On the other hand, the hybrid rotor had an efficiency of 16% without deflector, it reaches a value of 49% with the deflector that obtained better results. It is estimated that the great increase in efficiency, three times higher, is due to the great blockage percentage of the turbine-deflector configuration.After analyzing the results, it was concluded that the Gorlov rotor had a better efficiency than the alternative rotor, but the latter has a lower speed sensibility and would be more suitable for variable flows. In addition to this both impellers are positively influenced by the deflector effect.