Artículo de investigación Diseño e implementación de una turbina de flujo cruzado para la generación de electricidad de Pico hydropower

Este estudio abarcó el diseño, la implementación y la evaluación del rendimiento de una turbina de flujo cruzado en varias posiciones de toberas. El material de la cuchilla elegido se analizó utilizando ANSYS para determinar el grado de tensión y deformación bajo el impacto de chorros hidráulicos para determinar su idoneidad mientras estaba en funcionamiento. El eje se analizó en condiciones estáticas y dinámicas utilizando ANSYS para garantizar una deformación no plástica del eje en ambas condiciones. El resultado de este análisis se empleó en el análisis de respuesta armónica del eje del corredor. Se realizaron pruebas convergentes tanto para el análisis de la cuchilla como del eje de la corredera. Se diseñó un experimento para evaluar el rendimiento de la turbina de flujo cruzado utilizando una herramienta de diseño óptima (personalizada) de la metodología de superficie de respuesta y se obtuvieron 69 simulaciones/corridas. Los factores considerados en el diseño experimental son: distancia de la boquilla desde el eje, altura de la boquilla y ángulo de ataque. La turbina de flujo cruzado se construyó utilizando valores de diseño computarizados para todas las piezas de la máquina. Las cuchillas de la corredera se colocaron específicamente en un ángulo exterior de 28° y un ángulo interior de 90°. La turbina se probó con una altura de agua y un caudal de 6,4 m y 0,0042 m3/s, respectivamente. La potencia y la eficiencia del eje se evaluaron utilizando su fórmula respectiva. Las respuestas se optimizaron para obtener la posición óptima de la boquilla que daría el mejor rendimiento de las respuestas utilizando los modelos matemáticos de interacción de dos factores (2F1) en factores codificados, desarrollados para cada una de las respuestas. Los resultados obtenidos demostraron que el material de acero con bajo contenido de carbono era adecuado para el palado de la turbina y que el eje es seguro tanto en condiciones estáticas como dinámicas, ya que las tensiones y deformaciones inducidas nunca excedieron el rango permitido. Además, cada una de estas posiciones de boquilla consideradas tuvo un efecto significativo en las respuestas con la altura de la boquilla y el ángulo de ataque teniendo un efecto combinado en el rendimiento de la turbina. El mejor rendimiento de la turbina se obtuvo con un ángulo de ataque más bajo, una distancia de la boquilla muy cercana al eje de la corredera y una altura de la boquilla que actualizará una mayor entrega de energía a los perfiles de las palas superior e inferior. Los modelos matemáticos desarrollados para cada respuesta tienen mayor valor de correlación, lo que sugiere que los modelos son adecuados para predecir las respuestas a los niveles de factores considerados. Se obtuvo una distancia, altura y ángulo de ataque óptimos de la boquilla de 102 mm, 413 mm y 5°, respectivamente. En esta posición de boquilla, el alternador daba una salida de 35 vatios y 6 V. Cuando se empleaban dos transformadores de voltaje, daba 200 voltios de CA. La turbina se puede comercializar a gran escala para obtener una mayor potencia de salida utilizando las posiciones de boquilla óptimas determinadas.

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