INTRODUCCION:En el presente trabajo, con un enfoque didctico, se desarrolla un procedimiento simplificado para la simulacin numrica del flujo de agua a travs de una turbina hidrulica de tipo axial (Kaplan), utilizando el software comercial Matlab como herramienta de traduccin de la geometra de la turbina al programa mallador Gambit, desde donde se explora la geometra y el mallado al cdigo CFD Ansys-Fluent, basado en un procedimiento de volmenes finitos. Mediante una metodologa acorde con las directrices generales. Adems, la herramienta desarrollada puede aplicarse incluso en el mbito de la investigacin en mquinas hidrulicas.

OBJETIVOS:CAPTULO 1

TURBINA DE FLUJO AXIAL.CONCEPTO:Las turbinas son mquinas que aprovechan la energa de un fluido en movimiento mediante un rotor para convertirla en energa mecnica. Es decir, las turbinas generan potencias a partir del fluido que se encuentra a altas presiones. Las turbinas poseen un elemento mvil rotativo que se denomina rodete (rueda giratoria que posee labes circundantes) y tendr la funcin de transferir la energa disponible del lquido hacia su eje.Como resultado se obtiene un momento de torsin al cual se le puede aplicar, por ejemplo a un generador elctrico para obtener energa elctrica, o usarlo directamente como energa mecnica accionando molinos, bombas hidrulicas, entre otras aplicaciones. Existen una variedad de turbinas entre ellas mencionaremos las siguientes:1) TIPOS DE TURBINAS AXIALES.

Estas turbinas son de reaccin, es decir realizan la conversin de energa gravitacional del fluido en energa cintica en un espacio encerrado a presiones mayores que la atmosfrica. Por lo tanto, aprovechan la energa del fluido para mover el rotor y producir un momento torsor. Luego a la salida del rodete el flujo sale hacia un difusor, tambin llamado tubo de succin, que convierte gran parte de la energa cintica remanente en el lquido en energa de flujo y recupera tambin la altura de suspensin de la turbina respecto al nivel del agua en el canal de fuga. Dependiendo del tipo de turbina axial el flujo puede estar contenido en una carcasa tipo caja espiral o del tipo tronco-cnica. En la actualidad se utilizan los siguientes tipos de turbinas axiales: (1) turbinas Kaplan(2) turbinas bulbo(3) turbina tubular(4) turbina de generador perifrico.

TURBINA TIPO KAPLANTurbina de flujo axial, de reaccin y de admisin total, su principal caracterstica es que cuenta con un rodete que contiene labes regulables, su funcin es controlar la componente tangencial de la velocidad a la entrada del rodete, en consecuencia el fluido sale de los alabes directores distribuidor) y entra en la rueda con un momentum angular adquirido.A medida que el fluido discurre a travs del rodete, su momentum angular se reduce e imparte un momento de torsin a la rueda, que a su vez impulsa el eje para producir energa.Adems posee un distribuidor radial tipo Fink de paletas regulables. Puede tener una cmara tipo espiral circular o del tipo rectangular y un tubo de succin de forma recta o acodada, segn sea el requerimiento de la altura de succin.Gracias a sus labes orientables tanto en el rodete como en el distribuidor, se puede operar con muy buena eficiencia dentro de un rango amplio de caudales debido a su doble regulacin. Tambin se puede encontrar turbinas Kaplan con labes fijos o llamadas tambin turbinas de hlice, con ellos se logra una reduccin significativa de costos pero se reduce la eficiencia, especialmente a cargas parciales [2].

1.4 Turbinas Axiales en el Per.1.5.1 Turbinas Kaplan.El Sindicato Energtico S.A. (Sinersa) es una empresa peruana que posee dos centrales hidroelctricas: Curumuy de 12.5 MW, puesta en operacin desde 1998 y ubicada a 20 km de la ciudad de Piura; y Poechos 1 de 15.4 MW, operativa desde el 2004 y ubicada al pie de la represa de Poechos en el departamento de Sullana, a 60 km de la ciudad de Piura. Ambas centrales poseen turbinas tipo Kaplan.

1.6 Velocidades especficas.En el diseo de las turbinas no slo basta con el clculo, sino que, en principio, es recomendable que se construya el modelo de la turbina. Con ste se puede comprobar los clculos realizando experimentos en un banco de pruebas para la verificacin y correccin de los parmetros. Para la construccin del modelo a escala se utiliza nmeros adimensionales, y una forma de incluir dichos nmeros adimensionales es a travs de la velocidad especfica, la cual nos servir para clasificar a las turbinas.

Captulo 2DISEO HIDRULICO DE LA TURBINAEn el presente trabajo, con un enfoque didctico, se desarrolla un procedimiento simplificado para la simulacin numrica del flujo de agua a travs de una turbina hidrulica de tipo axial (Kaplan), utilizando el software comercial Matlab como herramienta de traduccin de la geometra de la turbina al programa mallador Gambit, desde donde se exporta la geometra y el mallado al cdigo CFD Ansys-Fluent, basado en un procedimiento de volmenes finitos. Las decisiones de diseo se basan en la informacin obtenida en la

Fig.1: Simulacin numrica del flujo a travs de una turbina Kaplan. a) Mallas de los componentes de la turbina que se disean y simulan aisladamente. b) Aspecto del modelo ensamblado.

Escalones operativos docentesAdquisicin de elementos bibliogrficos (tanto propuestos como libres), determinando loselementos de clculo y los parmetros de simulacin.Elaboracin de programas en Matlab que proporcionan un croquis inicial, y las coordenadas que definen la geometra, a partir de los elementos de clculo tericos, y de los datos hidrulicos iniciales. Estos programas pueden contener tambin criterios de decisin.Exportacin de las coordenadas a Gambit en forma matricial para construir la geometra y generar la malla. Los criterios de mallado a aplicar son los obtenidos en la bsqueda bibliogrfica.Exportacin de la malla a Fluent para proceder a la simulacin CFD. Los parmetros de simulacin se obtienen de la bibliografa y del tutor facilitador.Ensamblaje, si se desea, de las mallas de los distintos componentes de la turbina, para efectuar una simulacin completa (vase la Fig. 1).Anlisis de los datos obtenidos y estudio de la sensibilidad de la simulacin con respecto a distintos parmetros.Elementos de apoyo de la tutoraa) Pool bibliogrfico. Para permitir diversas propuestas de clculo que puedan ser contrastadas ulteriormente se han seleccionado textos que ofrezcan opciones diversas. No obstante, esta bibliografa admite las aportaciones propias del alumno enriqueciendo la oferta terica. En lo referente a parmetros de simulacin, la bsqueda se centra en revistas de inters, disponiendo en la tutora de una cuarentena de trabajos pertinentes publicados en los ltimos aos. Como en el caso de los elementos de clculo, la bibliografa queda abierta a las aportaciones del alumno.b) Clculos con Matlab. Los programas de clculo en esta aplicacin se proporcionan al alumno segn sus requerimientos de clculo. Las rutinas ms predecibles e inmediatas estn disponibles de antemano. En todo caso, los programas vienen prolijamente documentados con lneas de comentarios. Se pretende que el alumno tome conciencia de las posibilidades que aporta esta herramienta de clculo para la resolucin de problemas, o el diseo y la investigacin. El output de estos programas consta de matrices de coordenadas de puntos que definen las geometras, croquis de estas geometras y comprobaciones de idoneidad (Fig. 2).

Fig. 2: Ejemplos de croquis previos en el output de los programas Matlab. a) Croquis del canal del rotor en el que se muestran los puntos significativos a exportar. b) Croquis de la cmara espiral de seccin t-shape generada en 3D.

En las lneas siguientes se muestra un ejemplo de las comprobaciones de idoneidad que se van efectuando en los programas Matlab. En concreto, en el que proporciona los parmetros hidrulicos y geomtricos del canal del rotor. Estas comprobaciones advierten de la idoneidad de la eleccin de la turbina Kaplan para la aplicacin en cuestin, as como de la compatibilidad de los valores calculados con los requerimientos ingenieriles y con la informacin emprica disponible, para cada variante de turbina tipo Kaplan.

c) Geometra y mallado con Gambit. Como primer paso, el alumno debe efectuar un croquis a mano alzada y una triple proyeccin de los componentes asignados. Seguidamente, se procede a la construccin de la geometra a partir de las matrices de coordenadas proporcionadas por Matlab. El alumno tiene acceso a los ficheros de instrucciones de generacin de malla tipo journal (.jou), obtenidos en Gambit, y proporcionados por el tutor a la demanda del alumno segn sus necesidades conceptuales de diseo. Los programas deben ser ledos secuencialmente por el alumno, que identifica su argumento y las operaciones que ejecuta. Igualmente modifica los parmetros pertinentes para ajustarlos al problema a resolver. Se pretende que el alumno perciba las potencialidades del programa, su versatilidad, y lo ejecute con sus propios parmetros, sin tener que invertir tiempo y recursos en su conocimiento especfico, como se ha indicado anteriormente. Se dispone adems de tutoriales propios, proporcionados por el tutor, que muestran de forma secuencial la construccin de las geometras y su mallado. Como ejemplo, se listan a continuacin unas lneas de un fichero .jou, correspondiente al diseo de la geometra de la corona de labes del distribuidor.EJEMPLO DE PROGRAMACIN GAMBIT/ Imponer la altura de los labes del distribuidorvertex cmove "vertex.24" multiple 1 offset 0 0 1.88edge create "altura vanes" straight "vertex.24" "vertex.33"volume create "vane" translate "perfil vane" onedge "altura vanes"/ Introducir el ngulo del labe con el radio del distribuidorvolume move "vane" dangle 45 vector 0 0 1 origin 0 0 0/ Desplazar centrifugamente el labe el radio del distribuidorvolume move "vane" offset -3.35 0 0/ Generar los labes para completar el distribuidorvolume cmove "vane" multiple 17 copyzone dangle 20 vector 0 0 1 origin 0 0 0

RESULTADOS. PROYECTOS PROPUESTOSPara la realizacin de los proyectos propuestos, los alumnos disponen finalmente (elaborados por los alumnos y/o complementados por el tutor facilitador) de un conjunto de archivos Matlab, y Gambit (.jou), perfectamente ajustables a distintas alternativas de diseo, correspondientes a la corona distribuidora, cmara espiral, labe, labe en tnel, hlice, hlice en conduccin, rotor, tubo difusor, combinaciones de algunos de ellos y la turbina ensamblada en su totalidad. Si fuera necesario, el tutor puede facilitar los archivos de simulacin Fluent (.cas y .dat) bsicos para permitir que los alumnos puedan llevar a cabo una simulacin inicial, a partir de la que se pueden desarrollar distintos proyectos. El postproceso puede orientarse tanto hacia la competencia especfica sobre turbinas hidrulicas, como a las competencias trasversales de tratamiento de datos o de diseo de experimentos. A continuacin, despus de apuntar algunas notas sobre la simulacin numrica, se exponen varios proyectos propuestos de forma muy resumida.

Aspectos de la simulacin numricaSe resuelven numricamente las ecuaciones promediadas de Reynolds,

Proyecto 1. Diseo de los alabes del distribuidor. Anlisis del flujo emergente frente a lasvariaciones del ngulo de ataque y del caudal del flujo incidente El distribuidor acta readaptando las componentes de la velocidad sobre el rotor. En clase, se explica cmo el distribuidor es el elemento clave de regulacin del caudal y del intercambio de altura de Euler en el rodete. Estas modificaciones presentan una dificultad cognitiva para el alumno, de modo que su simulacin y visualizacin ofrecen un evidente inters didctico. Los resultados numricos obtenidos se exportan a Matlab, para el tratamiento de los datos (Fig. 3). Se introduce al alumno en los procesos de representacin sistemtica de los datos, potenciando la idea de la superficie de respuesta como instrumento de comprensin de la influencia de las variables que intervienen en el problema (Fig. 3a).

Proyecto 2. Estudio de la potencia generada por la hlice en funcin del ngulo de ataque y del caudal del flujo incidente Se realizan diversas simulaciones con un sistema rotor-hlice-canal del rotor, modificando el caudal y el ngulo de incidencia sobre los labes para determinar la potencia absorbida por el rotor, determinada por la medida del momento cintico aplicado a la misma (Fig. 4). Proyecto 3. Estudio de la eficiencia de la cmara espiral en funcin del caudalLa cmara espiral debe conducir de forma hidrulicamente eficiente al fluido hacia el rodete, de modo que es un elemento fundamental para obtener valores aceptables del rendimiento global del sistema. La Fig. 5 es un ejemplo de salida grfica para llevar a cabo este proyecto. El grado de uniformidad de la distribucin de presin en distintos planos puede ser una buena medida de la eficiencia de la cmara espiral.a)

b)

Fig. 5: Visualizacin de la presin en diferentes planos definidos en la cmara espiral. a)Distribucin de presin relativa total en planos transversales (rango: 3,89 x 104 2,13 x 105 Pa). b) Distribucin de la presin en un plano meridional, perpendicular al eje de rotacin del rodete.Proyecto 4. Deteccin e identificacin de flujos secundarios. Determinacin de los planos geomtricos ms significativos En la Fig. 6 se muestra cmo puede analizarse el flujo tridimensional una vez ensamblados todos los componentes. Se observan los flujos secundarios en la salida del difusor. La complejidad de la geometra y la turbulencia del flujo restan coherencia a la suposicin de considerar en la simulacin un haz inicial de lneas de corriente en un pequeo sector del distribuidor, lo que indica que la axilsimetra empleada en algunas ocasiones en la bibliografa puede conducir a alguna simulacin no realista. Este proyecto puede considerarse quiz como el ms completo de los planteados, puesto que permite al alumno observar la totalidad del flujo en las distintas partes de la turbina, y vincular el patrn de flujo con la eficiencia global del sistema. La presencia de flujos secundarios y su influencia sobre el funcionamiento del sistema es un asunto complejo, que puede permitir al alumno emprender labores de investigacin en el campo de las mquinas hidrulicas.

Fig. 6: Caracterizacin del flujo sobre el sistema total ensamblado. Anlisis de flujos secundarios utilizando las opciones de visualizacin del cdigo CFD. Proyecto 4.

CONCLUSIONESPuede concluirse que se ha desarrollado una herramienta que permite un acercamiento amistoso a un contenido rido que habitualmente ofrece problemas de rendimiento acadmico. Los autores creen que la herramienta desarrollada mejorar el nivel de la docencia impartida al superar los obstculos epistemolgicos a menudo detectados en el proceso de enseanza-aprendizaje, tales como la concepcin espacial bidimensional, la ausencia de visualizacin previa o el ansia de solucin analtica de problemas geomtricamente complejos. Puede remarcarse adems que es una herramienta avanzada que es posible destinar a la investigacin por la extensin del conocimiento concreto a un mayor detalle al presentarlo de forma ms asequible, y por el progresivo aumento de las capacidades computacionales, que permiten estudiar la influencia demltiples parmetros en el funcionamiento del sistema. Por ltimo, es de prever la relevancia de la figura del tutor-facilitador en la consecucin de los objetivos propuestos, por lo que es preciso prestar una especial importancia a la preparacin y la predisposicin de esta figura particular.