UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO FACULTAD DE … · 2020. 9. 11. · xix CERTIFICACIÓN DE...

UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA

Proyecto de Investigación previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico.

Título del proyecto de Investigación:

“Diseño y Construcción de un banco de ensayos de turbinas hidrocinéticas, para el laboratorio

de Ing. Mecánica, de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo.”

Autores:

Steven Efraín Olivo Vidal

Luis Alfredo Ponce Vélez

Director del Proyecto de Investigación:

Ing. Luis Gabriel Pico Saltos, Msc.

Quevedo – Los Ríos – Ecuador.

2018-2019

xviii

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE

DERECHOS

Nosotros, Olivo Vidal Steven Efraín y Ponce Vélez Luis Alfredo, declaramos que el trabajo

aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o

calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se influyen

en este documento.

La Universidad Técnica Estatal de Quevedo; puede hacer uso de los derechos correspondientes

a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y

por la normatividad institucional vigente.

_______________________________ _______________________________

OLIVO VIDAL STEVEN EFRAIN PONCE VELEZ LUIS ALFREDO

C.I.: 120556593-8 C.I.: 094050586-0

AUTOR AUTOR

xix

CERTIFICACIÓN DE CULMINACIÓN DEL PROYECTO DE

INVESTIGACIÓN

El suscrito, ING. PICO SALTOS LUIS GABRIEL. MSc, docente de la Universidad Técnica

Estatal Quevedo, certifica que los Sres. OLIVO VIDAL STEVEN EFRAIN y PONCE

VELEZ LUIS ALFREDO, realizaron el Proyecto de Investigación de grado titulado

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS DE TURBINAS

HIDROCINÉTICAS, PARA EL LABORATORIO DE ING. MECÁNICA, DE LA

UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO”, previo a la obtención del título de

Ingeniero Mecánico, bajo mi dirección, habiendo cumplido con las disposiciones

reglamentarias establecidas para el efecto.

____________________________________

Ing. Pico Saltos Luis Gabriel. MSc.

DIRECTOR DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

xx

CERTIFICADO DEL REPORTE DE LA HERRAMIENTA DE

PREVENCIÓN DE COINCIDENCIA Y/O PLAGIO

ACADÉMICO

ING. PICO SALTOS LUIS GABRIEL. MSc. en calidad de director de proyecto de

Investigación titulada “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS DE

TURBINAS HIDROCINÉTICAS, PARA EL LABORATORIO DE ING. MECÁNICA,

DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO”, me permito manifestar a

usted y por intermedio al Consejo Académico de Facultad lo siguiente:

Que, los estudiantes OLIVO VIDAL STEVEN EFRAIN y PONCE VELEZ LUIS ALFREDO,

egresados de la Facultad Ciencias de la Ingeniería, han cumplido con las correcciones

pertinentes, e ingresado su Proyecto de Investigación al sistema URKUND, tengo a bien

certificar la siguiente información sobre el informe del sistema anti plagio con un porcentaje de

5%.

_____________________________ DIRECTOR DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

ING. PICO SALTOS LUIS GABRIEL. MSc.

xxi

CERTIFICACIÓN DE APROBACIÓN DEL PROYECTO DE

INVESTIGACIÓN

UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO

FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

TÍTULO:

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS DE TURBINAS

HIDROCINÉTICAS, PARA EL LABORATORIO DE ING. MECÁNICA, DE LA

UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO.

Presentado al Consejo Académico como requisito previo a la obtención de título de Ingeniero Mecánico.

Aprobado por:

__________________________________

Ing. Patricio Alcocer Quinteros

PRESIDENTE DEL TRIBUNAL DE TESIS

__________________________________ __________________________________

Ing. Angel LLumiquinga Chingay Ing. Jorge Guadalupe Almeida

MIEMBRO DEL TRIBUNAL DE TESIS MIEMBRO DEL TRIBUNAL DE TESIS

QUEVEDO – LOS RÍOS - ECUADOR

2019

xxii

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios por la vida y salud y la oportunidad que me brinda de culminar una etapa muy

importante en mi vida llegar a ser un Ingeniero Mecánico, a mi padre Efraín Olivo, a mi madre

Lina Vidal, a mis hermanos Dixon y Sebastián, a mis abuelitas Clara y Emma, y a mi enamorada

Melina por ser apoyo fundamental en mi vida, por mantenerme siempre dentro del margen del

camino del bien. Inculcando en mis valores para ser día a día una persona de bien que agrade a

Dios y a la sociedad.

Agradezco a la Universidad Técnica Estatal de Quevedo por concederme cursar mis estudios,

al Ing. Gabriel Pico Saltos por su asistencia en la realización de este trabajo, a mis docentes en

compartir sus ideas y conocimientos en especial aquellos que en mi persona inspiraron a tener

una visión diferente de las cosas entre ellos los Ingenieros Jorge Guadalupe, Ruth Torres y Luis

Espinosa, Patricio Alcocer, proporcionándome una superación día a día en no rendirme hasta

llegar a la meta fijada, para llegar hacer un profesional debidamente capacitado para el

desarrollo de nuestro país y a mis compañeros de clase por compartir sus conocimientos y

amistad.


xxiii

AGRADECIMIENTO

Agradezco infinitamente y de manera primordial a Dios por darme la vida y brindarme la salud

necesaria para llegar a cumplir este objetivo. De igual manera a mis padres, por el apoyo para

subir cada escalón de la vida y cumplir cada objetivo que me propongo.

A mis hermanos, por ser esos buenos amigos con sus infaltables consejos de superación,

enseñándome que en la vida uno nunca termina de aprender. Agradezco a mis familiares y

amigos, en especial a mi esposa con la cual forme una preciosa niña que son mi superación para

alcanzar mis metas propuestas.

A cada uno de los docentes tanto de primaria, secundaria y Universidad, que han colaborado

con su enseñanza y aprendizaje para mi desarrollo y preparación en la vida educativa y

profesional. A mi director de proyecto de investigación, el Ing. Gabriel Pico Saltos, por ser el

guía principal en el desarrollo de este trabajo, quien, con sus conocimientos, su experiencia y su

motivación ha logrado en mí que pueda culminarlo con éxito.

A la Universidad Técnica Estatal de Quevedo, por darme la oportunidad de estudiar y lograr

este título de Ingeniero Mecánico.


xxiv

DEDICATORIA

Este Proyecto de Investigación y finalización

de carrera se lo dedico primeramente a Dios

porque todo se lo debo a él, a mis padres

Efraín Olivo y Lina Vidal quienes me

trajeron a la vida por brindarme la

oportunidad, ayuda y las herramientas

necesarias para cumplir con la meta de ser un

Ingeniero Mecánico. A mis hermanos y mis

abuelitas por sus consejos y su apoyo moral.

Por estar siempre en los momentos que como

familia los necesite y por saber comprender

la ausencia por motivos del estudio.


xxv

DEDICATORIA

El presente trabajo de investigación se lo

dedico a:

A mi esposa e hija, Cecilia y por su gran

amor y apoyo incondicional, por ser el pilar

fundamental en todo lo que soy, en toda mi

educación, tanto académica, como de la vida.

A mis padres por los consejos y el apoyo

brindado, proporcionándome una visión

optimista ayudándome a superar cada

obstáculo que se me plantea.


xxvi

RESUMEN EJECUTIVO

Este proyecto de investigación está enfocado al diseño y construcción de un banco de ensayos

de turbinas hidrocinéticas con el fin de aprovechar que vivimos en una provincia rodeada de

ríos aprovechar este recurso energético para obtener energía. Las turbinas hidrocinéticas tiene

un perfil aerodinámico y en el banco de ensayos queremos ver la eficiencia en turbinas de 3 y 4

palas. Previo al diseño se indagan los métodos manuales y tradicionales ejecutado para tener un

banco de ensayos capaz de probar las condiciones de frecuencia y velocidad por medio de un

variador de multifunciones conectado a una bomba para regular la salida del flujo. Esta máquina

se diseñó con la ayuda del software SOLIDWORKS. Se construyó con materiales para la

construcción comunes un vidrio reforzado que pueda soportar la presión del agua también la

parte de los instrumentos como son la bomba el variador y las diferentes instalaciones para

adaptar a la turbina en el banco de ensayos.

Palabras claves: banco de ensayos, turbinas hidrocinética, perfil aerodinámico.

xxvii

EXECUTIVE SUMMARY

This research project is focused on the design and construction of a hydrokinetic turbine test

bench in order to take advantage of our live in a province surrounded by rivers to take advantage

of this energy resource to obtain energy. Hydrokinetic turbines have an aerodynamic profile and

in the test bench we want to see the efficiency in 3 and 4 blade turbines. Prior to the design, the

manual and traditional methods implemented to have a test bench capable of testing the

frequency and speed conditions by means of a multifunction variator connected to a pump to

regulate the flow output are investigated. This machine was designed with the help of the

SOLIDWORKS software. It was constructed with common construction materials a reinforced

glass that can withstand the pressure of the water also the part of the instruments such as the

pump the variator and the different installations to adapt to the turbine in the test bench.

Key words: Test bench, hydrokinetic turbines, aerodynamic profile.

xxviii

ÍNDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 1

CAPÍTULO I ............................................................................................................................................ 2

CONTEXTUALIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................................... 2

Problema de investigación. ............................................................................................................... 3

Planteamiento del problema. ....................................................................................................... 3

Formulación del problema. .......................................................................................................... 4

Sistematización del problema. ..................................................................................................... 4

OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 5

Objetivo General ......................................................................................................................... 5

Objetivos Específicos .................................................................................................................. 5

JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................. 6

CAPÍTULO II .......................................................................................................................................... 7

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................. 7

Marco conceptual. ............................................................................................................................ 9

Energía hidrocinética. .................................................................................................................. 9

Hidrología fluvial. ....................................................................................................................... 9

Caudal de rio.............................................................................................................................. 10

Máquina hidráulica. ................................................................................................................... 10

Clasificación de máquinas hidráulicas. ..................................................................................... 10

Turbinas Hidrocinéticas. ............................................................................................................ 11

Banco de Ensayos. ..................................................................................................................... 11

Régimen laminar y turbulento. .................................................................................................. 12

Inamhi. ....................................................................................................................................... 13

Sistemas de Control Automático. .............................................................................................. 15

SolidWorks. ............................................................................................................................... 16

Programa o Aplicación Informática. ......................................................................................... 17

Maro Referencial ............................................................................................................................ 18

Teoría hidrocinética. .................................................................................................................. 18

Potencia asociada a un caudal de agua. ..................................................................................... 18

Consideraciones de diseño para un canal hidráulico abierto. .................................................... 20

Tipos de turbinas hidrocinéticas ................................................................................................ 22

Tipos de turbinas hidrocinéticas ................................................................................................ 22

Aerodinámica básica de las turbinas hidrocinéticas .................................................................. 26

xxix

Aerodinámica de un perfil alar .................................................................................................. 29

Proceso de transformación de energía en turbinas hidrocinéticas ............................................. 35

Influencia de parámetros dimensionales de turbinas helicoidales ............................................. 36

CAPÍTULO III ....................................................................................................................................... 41

METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ...................................................................................... 41

Localización.................................................................................................................................... 44

Tipo de Investigación ..................................................................................................................... 44

Investigación Aplicada .............................................................................................................. 44

Investigación Bibliográfica........................................................................................................ 45

Métodos de la Investigación ........................................................................................................... 45

Metodología del arte .................................................................................................................. 45

Método analítico ........................................................................................................................ 45

Método científico ....................................................................................................................... 46

Fuentes de recopilación de información ......................................................................................... 46

Diseño de la investigación .............................................................................................................. 46

CAPÍTULO IV ....................................................................................................................................... 47

RESULTADOS Y DISCUSIONES ....................................................................................................... 47

RESULTADOS .............................................................................................................................. 48

Recopilación de datos ................................................................................................................ 48

ESTUDIO ENERGÉTICO DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYAS ........................................ 48

Rio Guayas ................................................................................................................................ 50

Promedios generales tomados del Inamhi de las cuencas del Rio Guayas ..................................... 52

Provincia de los Ríos ...................................................................................................................... 54

Construcción del Banco de Ensayos ............................................................................................... 55

Cálculos del Banco de pruebas .................................................................................................. 59

Diseño de SolidWorks del banco de ensayos ............................................................................ 62

Costos de Fabricación ..................................................................................................................... 63

Herramientas y materiales para la estructura. ............................................................................ 63

PRESUPUESTO DE CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO .................................................. 63

COSTOS DE FABICACION Y OPERACION ........................................................................ 64

Presupuesto total de fabricación del proyecto ........................................................................... 65

Variador de Frecuencia en una bomba trifásica ............................................................................. 65

Función del Variador de Frecuencia .......................................................................................... 66

Módulo de operación de la bomba trifásica con el variador de frecuencia ......................... 71

xxx

Descripción del Proceso ............................................................................................................ 71

Interface y programación en Simulink ...................................................................................... 72

Conexión de Variador de Frecuencia ........................................................................................ 73

El Valor de la velocidad del fluido ............................................................................................ 74

Diagrama de Bloques de Simulink ............................................................................................ 74

Graficas...................................................................................................................................... 75

Pruebas de Funcionamiento del Banco de ensayos de Turbinas Hidrocinéticas. ........................... 76

Protocolo de Funcionamiento .................................................................................................... 76

4.6.1.3. Resultados Obtenidos en la prueba de la turbina Naca 0020 de 4 palas sumergida 120 mm. ... 77

4.6.1.4. Resultados Obtenidos en la prueba de la turbina Naca 0020 de 4 palas sumergida 60 mm. ..... 77

Ensayos con la Turbina Naca 0020 de 3 palas .......................................................................... 79



Ensayos con la Turbina Naca 0018 de 4 palas .......................................................................... 81



Resultados Obtenidos en la prueba de la turbina Naca 0018 de 3 palas completamente

sumergida ............................................................................................................................................... 83

4.6.4.1 Resultados Obtenidos en la prueba de la turbina Naca 0018 de 3 palas sumergida 120 mm. .... 83


CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACION ................................................................. 86

CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 87

RECOMENDACIONES ................................................................................................................ 88

CAPÍTULO VI BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 89

CAPÍTULO VII ANEXO ...................................................................................................................... 92

xxxi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Ventajas y Desventajas de las diferentes series de NACA. ....................................... 31

Tabla 2. Promedios generales mensuales de los últimos 10 años de las cuencas del rio Guayas

................................................................................................................................................... 52

Tabla 3. Caudales de los últimos 10 años de ríos que destacan en la provincia de Los Ríos .. 54

Tabla 4. Elementos utilizados en la etapa de construcción del prototipo. ................................ 63

Tabla 5. Elementos eléctricos de conforman el prototipo ........................................................ 63

Tabla 6. Costos de fabricación y operaciones con máquinas ................................................... 64

Tabla 7. Presupuesto total de fabricación del proyecto ............................................................ 65

xxxii

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Curva de caudales clasificados (izquierda) y características de un hidrogramas

(derecha) ...................................................................................................................................... 9

Ilustración 2. Clasificación de las máquinas de fluido ............................................................ 11

Ilustración 3. flujo laminar ...................................................................................................... 12

Ilustración 4. Flujo turbulento ................................................................................................. 12

Ilustración 5. Datos de las Estaciones Hidrológicas Automáticas (EHA) monitoreadas en

línea. .......................................................................................................................................... 14

Ilustración 6. Mapa de localización de Estaciones Hidrológicas Automáticas ....................... 15

Ilustración 7. Interacción del sistema, entrada y salida del proceso ........................................ 16

Ilustración 8. Túnel de agua ..................................................................................................... 18

Ilustración 9. Canal rectangular ............................................................................................... 20

Ilustración 10. Rotor Savonius. ............................................................................................... 24

Ilustración 11. Esquema de una turbina Savonius. .................................................................. 24

Ilustración 12. Rotor Darrieus. ................................................................................................ 25

Ilustración 13. Turbina Gorlov de eje vertical. ........................................................................ 25

Ilustración 14. Flujo laminar a través de un álabe. .................................................................. 27

Ilustración 15. Álabe en pérdida. ............................................................................................. 28

Ilustración 16. Fuerzas que interactúan en un álabe. ............................................................... 28

Ilustración 17. Características de un perfil alar. ...................................................................... 30

Ilustración 18. Fuerzas presentes en un álabe de una turbina. ................................................ 32

Ilustración 19. Variación de ángulo de ataque α con respecto al ángulo azimutal θ. .............. 34

Ilustración 20. Esquema del proceso de trasformación de energía. ......................................... 35

Ilustración 21. Áreas de barrido para a) Rotor vertical recto y helicoidal, b) Rotor horizontal.

................................................................................................................................................... 36

Ilustración 22. Aspectos dimensionales de altura H y diámetro D. ......................................... 39

Ilustración 23. Ángulo de paso helicoidal δ de la turbina helicoidal. ...................................... 40

Ilustración 24. Configuración del dominio computacional de la turbina hidrocinética. ......... 41

Ilustración 25. Ubicación Geográfica ...................................................................................... 44

Ilustración 26. Demarcación del guayas estaciones hidrológicas ............................................ 49

file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327475file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327475file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327476file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327477file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327478file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327479file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327479file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327480file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327481file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327483file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327499

xxxiii

Ilustración 27. Gráfico de los Caudales comparación del Rio Guayas con sus cuencas

principales como son Babahoyo y Daule .................................................................................. 53

Ilustración 28. Diseño del banco de ensayos en solid Works. ................................................. 62

Ilustración 29. Simulación de cargas estáticas del banco de ensayos ...................................... 62

Ilustración 30. Proporcionalidad según dependencia de caudal, presión y consumo de una

bomba centrifuga cuando se implementa un variador de frecuencia. ....................................... 66

Ilustración 31. Configuración básica de un variador de frecuencia ......................................... 67

Ilustración 32. Dominio del tiempo en x (t) ............................................................................ 69

Ilustración 33. Dominio del tiempo en y (t) ............................................................................ 69

Ilustración 34. Grafica representa el dominio de la frecuencia en el x(t). ............................... 70

Ilustración 35. Grafica representa el dominio de la frecuencia y(t). ....................................... 71

Ilustración 36. Interface de las características del motor según placa de datos. ...................... 72

Ilustración 37. Variación de los parámetros del motor. ........................................................... 73

Ilustración 38. Conexión del variador de frecuencia. .............................................................. 73

Ilustración 39. Valor de la velocidad del fluido ...................................................................... 74

Ilustración 40. Diagrama de bloques en Simulink ................................................................... 74

Ilustración 41. Graficas obtenidas del PID del banco de ensayo ............................................. 75

Ilustración 42. Graficas obtenidas de la potencia de la turbina Naca 0020 (4 palas) .............. 78




file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327504file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327504file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327505file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11327512

xxxiv

ÍNDICE DE ECUACIONES

(Ec. 1) Energia cinetica ............................................................................................................. 19

(Ec. 2) Potencia asociada al caudal de agua .............................................................................. 19

(Ec. 3) Radio hidraulico ............................................................................................................ 20

(Ec. 4) Numero de reynolds ...................................................................................................... 21

(Ec. 5) Numero de Froude ......................................................................................................... 21

(Ec. 6) Profudidad hidraulica .................................................................................................... 21

(Ec. 7) Ley de Continuidad ....................................................................................................... 26

(Ec. 8) Continuidad de un fluido ............................................................................................... 26

(Ec. 9) Principio de Bernoulli ................................................................................................... 26

(Ec. 10) Fuerza de sustentacion ................................................................................................ 28

(Ec. 11) Fuerza de arrastre ........................................................................................................ 28

(Ec. 12) Fuerza de arrastre en funcion de solidez ..................................................................... 29

(Ec. 13) Coeficiente de sustentacion ......................................................................................... 32

(Ec. 14) Coeficiente d arrastre .................................................................................................. 32

(Ec. 15) Coeficiente de torque .................................................................................................. 33

(Ec. 16) Coeficiente de potencia ............................................................................................... 33

(Ec. 17) Razon de velocidad ..................................................................................................... 33

(Ec. 18) Solidez del alabe ......................................................................................................... 33

(Ec. 19) Angulo de ataque ......................................................................................................... 34

(Ec. 20) Magnitud de velocidad efectiva .................................................................................. 34

(Ec. 21) Angulo de inclinacion ................................................................................................. 34

(Ec. 22) Relacion de aspecto de la turbina ................................................................................ 35

(Ec. 23) Area en rotores de eje horizontal ................................................................................ 36

(Ec. 24) Area en rotores de eje vertical helicoidal y palas rectas ............................................. 36

(Ec. 25) Relacion de velocidad respecto al alabe ...................................................................... 38

(Ec. 26) Coeficiente de potencia con respecto a la velocidad ................................................... 38

(Ec. 27) Coeficiente de torque respecto al potencial cinetico ................................................... 38

(Ec. 28) Relacion de solidez ..................................................................................................... 39

(Ec. 29) Angulo de paso helicoidal ........................................................................................... 39

(Ec. 30) Porcentaje de error de malla ........................................................................................ 41

xxxv

INDICE DE ANEXOS

Anexo 1. Caudales medios diarios en el año 2007. .................................................................. 93


Anexo 3. Caudales medios diarios para el año 2009. ............................................................... 95





Anexo 8. Caudales medios diarios en el año 2014. ................................................................ 100

Anexo 9. Caudales medios diarios en el año 2015. ................................................................ 101

Anexo 10. Caudales medios diarios en el año 2016. .............................................................. 102

Anexo 11. Caudales medios diarios en el año 2017. .............................................................. 103

Anexo 12. Construcción Del Banco ........................................................................................ 104

Anexo 13. Almacenamiento de datos de la turbina naca 0020 de 4 y 3 palas ........................ 109

Anexo 14. Almacenamiento de datos de la turbina naca 0018 de 4 y 3 palas ........................ 110

Anexo 15. Lenguaje de programación en Matlab para el dominio de la frecuencia. .............. 111

Anexo 16. Selección de los materiales del banco de pruebas ................................................. 113

Anexo 17. Datos técnicos ........................................................................................................ 114

Anexo 18. Selección de materiales para la tina ...................................................................... 114

Anexo 19. Datos técnicos ........................................................................................................ 115

Anexo 20. Pruebas obtenidas a velocidad de 0,5 m/sg, turbina Naca 0020 ............................ 116

Anexo 21. Pruebas obtenidas a velocidad de 0,5 m/sg turbina Naca 0018 ............................. 117





file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11326706file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11326707file:///C:/Users/USER/Desktop/TESIS%20ENTREGAR/TESIS%20-%20DISEÑO%20Y%20CONSTRUCCION%20DE%20UN%20BANCO%20DE%20PRUEBAS%20PARA%20TURBINAS%20HIDROCINETICAS.docx%23_Toc11326708

xxxvi

GLOSARIO

SÍMBOLO DEFINICION UNIDADES 𝑬

Energía cinética

[J]

𝒎

Masa [kg]

𝑸

Caudal

[m3/s]

𝝆 Densidad

[kg/m3]

A

Área

[m2]

𝑴

Momento o torque

[N.m]

𝑪𝒑

Coeficiente de potencia

Adimensional

𝑷𝒐𝒕𝒕𝒖𝒓𝒃𝒊𝒏𝒂 Potencia turbina

[W]

𝑷𝒐𝒕𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒐

Potencia del fluido

[W]

𝝎

Velocidad angular

[rad/s]

Vol.

Volumen

[m3]

𝑲𝒂

Factor de superficie

Adimensional

𝑲𝒃 Factor de tamaño

Adimensional

𝑲𝒇 Factor efectos varios Adimensional

𝑲𝒆

Factor de confiabilidad

Adimensional

𝑺𝒖𝒕

Esfuerzo ultimo tensión

[Pa]

𝑴𝒂

Momento alternante

[N.m]

𝑻𝒂

Torque alternante

[N.m]

xxxvii

CÓDIGO DUBLÍN

Título: “Diseño y Construcción de un banco de ensayos de turbinas hidrocinéticas, para el laboratorio de Ing. Mecánica, de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo.”

Autores: Steven Efraín Olivo Vidal – Luis Alfredo Ponce Vélez

Palabras clave: Banco de ensayos

Turbinas Hidrocinéticas

Perfil aerodinámico Coeficiente de

potencia

Fecha de publicación:

Editorial: Quevedo, UTEQ, 2019

Resumen: Resumen. - Este proyecto de investigación está enfocado al diseño y

construcción de un banco de ensayos de turbinas hidrocinéticas con el fin

de aprovechar que vivimos en una provincia rodeada de ríos aprovechar

este recurso energético para obtener energía. Las turbinas hidrocinéticas

tiene un perfil aerodinámico y en el banco de ensayos queremos ver la

eficiencia en turbinas de 3 y 4 palas. Previo al diseño se indagan los

métodos manuales y tradicionales ejecutado para tener un banco de ensayos

capaz de probar las condiciones de frecuencia y velocidad por medio de un

variador de multifunciones conectado a una bomba para regular la salida

del flujo. Esta máquina se diseñó con la ayuda del software

SOLIDWORKS. Se construyó con materiales para la construcción

comunes un vidrio reforzado que pueda soportar la presión del agua

también la parte de los instrumentos como son la bomba el variador y las

diferentes instalaciones para adaptar a la turbina en el banco de ensayos.

Abstract. This research project is focused on the design and construction of

a hydrokinetic turbine test bench in order to take advantage of our live in a

province surrounded by rivers to take advantage of this energy resource to

obtain energy. Hydrokinetic turbines have an aerodynamic profile and in

the test bench we want to see the efficiency in 3 and 4 blade turbines. Prior

to the design, the manual and traditional methods implemented to have a

test bench capable of testing the frequency and speed conditions by means

of a multifunction variator connected to a pump to regulate the flow output

are investigated. This machine was designed with the help of the

xxxviii

SOLIDWORKS software. It was constructed with common construction

materials a reinforced glass that can withstand the pressure of the water also

the part of the instruments such as the pump the variator and the different

installations to adapt to the turbine in the test bench.

Descripción: 141 hojas: Dimensiones 290 x 210 mm: CD-ROM

URI:

1

INTRODUCCIÓN

El recurso energético de ríos, esteros, y canales para producción de energía eléctrica en baja

potencia es todavía inexplotable en la provincia de los ríos y zonas aledañas. Surge entonces la

necesidad del aprovechamiento del recurso disponible en gran magnitud en nuestra provincia, a

través de tecnología renovable como turbinas de tipo hidrocinéticas con rotor de eje vertical.

Investigaciones apuntan a estudiar la aplicación de este tipo de turbinas, especialmente la

conocida como GORLOV, que por su desempeño es la que mejor rendimiento tiene, inclusive

para el estudio del aprovechamiento en la generación de energía eléctrica.

Simulaciones y experimentaciones ayudarán a estudiar de mejor manera el comportamiento de

los fluidos y el abordaje de los mismos sobre esta tecnología para la generación de energía

eléctrica, para su funcionamiento estas turbinas precisan de un mínimo de velocidad y

profundidad de agua, siendo la energía que generan predecible, y por tanto de elevada fiabilidad.

Se propone la construcción de un banco de ensayos en el Laboratorio de ingeniería mecánica,

ante la incertidumbre de variables hidrodinámicas que determinan el desempeño de turbinas

hidrocinéticas experimentadas, de manera que puedan brindar ideas e información para la

implementación de dichas tecnologías en lugares potencialmente viables en cuanto a la

disponibilidad hidráulica en baja potencia para la explotación de energías limpias.

La elaboración de una base de datos a partir de los datos técnicos obtenidos mediante pruebas

experimentales, permite obtener acceso a información del rendimiento de las diferentes turbinas

experimentadas.

CAPÍTULO I

CONTEXTUALIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

3

Problema de investigación.

Planteamiento del problema.

La carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo actualmente

carece de módulos didácticos en el laboratorio de máquinas hidráulicas, que permitan la

simulación en el campo de generación de energía.

Es pertinente adquirir equipos de laboratorios que permitan interactuar a los estudiantes con los

principios y fenómenos involucrados, brindando la posibilidad de comprender y evaluar los

aspectos básicos y conceptos teóricos adquiridos durante el proceso de aprendizaje de cada una

de las asignaturas afianzadas con el problema a investigar como lo son: dinámica de fluidos,

turbomaquinarias, diseño de sistemas energéticos, y a su vez experimentar con energías

alternativas y renovables.

La propuesta que se investiga es la de diseño y construcción de un banco de ensayos para

turbinas hidrocinéticas, generar las gráficas de desempeño con el fin de analizar el

comportamiento de los diferentes parámetros que intervienen, (caudal, eficiencia, potencia,

entre otros), mediante los resultados obtenidos se prepararán las pruebas de laboratorio que los

estudiantes podrán desarrollar.

Diagnóstico.

En la actualidad el laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad Técnica Estatal de

Quevedo cuenta con una infraestructura en desarrollo científico, por lo que es indispensable

dotarlos de instrumentos y máquinas acorde a la carrera, con el fin de mejorar el perfil

profesional del estudiante.

Pronóstico.

Con la construcción del banco de ensayos la comunidad de la Universidad Técnica Estatal de

Quevedo, principalmente los estudiantes de facultad de ingeniería serian beneficiados debido al

potencial tecnológico y a su vez académico que brinda la energía hidrocinética con la producción

4

de ensayos de curvas características de ciertos condiciones analizados de manera crítica, en otras

palabras el comportamiento de un fluido en contacto con los alabes de la turbina para determinar

la aptitud energética en cualquier condición dada.

Formulación del problema.

¿Cómo opera la construcción de un banco de pruebas de turbinas hidrocinéticas para el

laboratorio de ingeniería mecánica de la UTEQ?

Sistematización del problema.

¿Cuál es el proceso de diseño de un banco de ensayos?

¿Qué diseño es el más adecuado para el banco de ensayos?

¿Cuáles son las condiciones de escala para la fabricación del banco de ensayos?

¿Cuál es el proceso de fabricación y manufactura para la correcta fabricación del prototipo de

banco de ensayos?

¿Cuáles es el rango de tiempo para las mediciones de los caudales del rio Quevedo y sus

cuencas para sus respectivas simulaciones en el prototipo de banco de ensayos?

¿Qué parámetros prevalecen en la toma de datos para una turbina hidrocinética?

¿Qué datos prevalecen en la toma de muestra para el desarrollo de una base de datos?

5

OBJETIVOS

Objetivo General

Fabricar un banco de ensayos de turbinas hidrocinéticas, para el laboratorio de Ing.

Mecánica, de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo.

Objetivos Específicos

Recabar información sobre las mediciones obtenidas por el INAMHI del caudal de las

cuencas del rio Guayas en los últimos 10 años para evaluar el recurso energético del que

se dispone.

Construir el prototipo del banco de ensayos hidrocinético.

Implementar un variador Multifunción de Altas Prestaciones para manipular las

condiciones de velocidad y frecuencia en una bomba centrifuga trifásica de 1 Hp.

Desarrollar pruebas de funcionamiento y un almacenamiento de Datos tomando los datos

obtenidos en las pruebas realizadas en el bando de ensayo para turbina de eje vertical.

6

JUSTIFICACIÓN

Con la construcción del banco de ensayos los estudiantes de ingeniería serian beneficiados

debido al potencial tecnológico, y a su vez académico, que brinda la energía hidrocinética con

la producción de ensayos de curvas características siendo el flujo, torque, rpm, y demás variables

hidrodinámicas, que constituyen los parámetros energéticos que se pretende analizar de manera

crítica, en las condiciones hidrológicas de Quevedo y su entorno. En procura de procesos de

optimización, se tiene previsto la posibilidad de permitir el intercambio con diferentes modelos

construidos para sus posteriores mediciones siempre y cuando cumpla con las condiciones de

escala.

Es necesario el desarrollo de energías alternativas como herramienta fundamental para la

conservación de los ecosistemas, que sean sostenibles y sustentables con el medio ambiente, por

tal motivo la energía limpia vendría a ser la más idónea actualmente.

Al mismo tiempo las simulaciones requieren de ingeniería básica para la configuración de

condiciones de borde en los experimentos computacionales: velocidades de ríos, caudal,

profundidades representativas, entre otros. Por tanto, un banco de ensayos donde se obtengan

mediciones confiables de la energía generada por este tipo de turbinas contribuiría a futuros

proyectos con miras a desarrollo del conocimiento en el área.

Este proyecto de investigación concentra sus esfuerzos para implementar un banco de ensayo

hidrocinéticas con sistema de control, generando una base de datos que nos permita información

actualizada y precisa, para la elaboración de pruebas de investigación y de laboratorio.

La recopilación de datos de las cuencas del rio guayas es para conocer el potencial energético

que dispone nuestra provincia ya que 4 de las cuencas del rio guayas atraviesan la provincia de

los ríos , este estudio es con la finalidad de conocer si las turbinas hidrocinéticas ensayadas en

el banco de pruebas realizado puede servir para los ríos de nuestra zona, con respecto a los

recursos hídricos, aquellos que pueden ser aprovechados como proyectos de energía renovable,

INECEL (Instituto Ecuatoriano de Electrificación) realizó un inventario de pequeñas centrales

hidroeléctricas que determina una cantidad significativa de proyectos en varios sectores de

las cuencas hidrográficas.

CAPÍTULO II

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA

INVESTIGACIÓN

9

Marco conceptual.

Energía hidrocinética.

La energía hidrocinética, o energía de baja cabeza, consiste en la estima del potencial energético

de volúmenes de agua circulando a superficie libre (presión manométrica despreciable) pero con

cabezas de velocidad estimable. La tecnología hidrocinética describe la capacidad de originar

energía renovable de cero emisiones, mediante el movimiento de agua. Cumplen con estas

características corrientes de agua superficial en diferentes cursos y utilizaciones: ríos,

quebradas, canales de dotación de aguas, canales de disposición de aguas, aguas oceánicas, etc.

[1]

Hidrología fluvial.

Podemos comprender por hidrología fluvial el estudio de la frecuencia en que se presentan los

caudales (Q) de un rio y del régimen hidrológico para referirnos a explicaciones causales de las

regularidades, que se pueden estudiar en el término temporal del año. Así con los datos

hidrológicos de un año se caracteriza el régimen hidrológico de un rio más o menos permanente,

mientras años de agua abundantes o escasas son irregularidades en una secuencia interanual.

Ordenado de mayor a menor los caudales medios diarios anuales se forma la curva de caudales

clasificados o de frecuencia de caudales, cuya área es la contribución anual. Esta curva contiene

los primeros datos fundamentales para definir un rio. [2]

Fuente: (Martín V; 2002. Fig.2.1. Ingeniería de ríos)

Ilustración 1. Curva de caudales clasificados (izquierda) y características de un hidrogramas (derecha)

10

Caudal de rio.

Cantidad de agua que circula en una cuenca de drenaje o río. Los caudales se expresan en

volúmenes por unidad de tiempo, generalmente en metros cúbicos por segundo,

y son variables en tiempo y en el espacio. Este progreso se puede personificar en hidrogramas

de crecidas. [2]

Máquina hidráulica.

Es aquella en que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en

su paso a través de la maquina por la cual en el diseño y estudio de la misma se hace la

deducción de que 𝝆 = 𝟎. [3]

Clasificación de máquinas hidráulicas.

Para clasificar las máquinas hidráulicas se atiende al órgano principal de la máquina, o sea al

órgano en que se intercambia la energía mecánica en energía de fluido o viceversa. Este órgano,

según los casos, se llama rodete, embolo, etc.

Las máquinas hidráulicas se clasifican en turbomáquinas y máquinas de desplazamiento

positivo. [3]

Máquinas de desplazamiento positivo.

También llamadas maquinas volumétricas, el órgano intercambiador de energía cede energía al

fluido o el fluido en forma de energía de presión creado por la variación del volumen. Los

cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan un papel esencial.

[3]

Turbomáquinas.

Denominadas también máquinas de corriente, los cambios en la dirección y valor absoluto de la

velocidad del fluido juegan un papel esencial. [3]

11

Fuente: (Mataix; 1986, tabla 18.1. Máquinas Hidráulicas)

Turbinas Hidrocinéticas.

La turbina hidrocinética, es una turbina diseñada para producir electricidad, utilizando

exclusivamente la energía cinética de la corriente de agua en los ríos. El empleo de la energía

cinética de los ríos puede ser calificado una de las principales formas inventadas por el hombre

para transformar las fuerzas naturales en trabajo mecánico. [1]

El uso de la energía cinética es calificado como una alternativa o forma no convencional para

generar electricidad, que emplea una fuente renovable de energía. La mayoría de los principios de

esta clase de turbinas son derivados de las turbinas de viento porque su operación es similar. [1]

Banco de Ensayos.

Un banco de ensayos es un sistema formado por una serie de elementos que permiten la simulación

del comportamiento de una máquina y sus características operativas en unas condiciones

controladas, utilizando para ello una serie de instrumentos de control y otros de medida. [4]

Las principales aplicaciones de un banco de ensayos son:

Producción: se utilizan para verificar las maquinas después del proceso de fabricación.

Ilustración 2. Clasificación de las máquinas de fluido

12

Investigación y desarrollo de la máquina o de sus componentes: en este caso, se realizan

modificaciones con la finalidad de comprobar experimentalmente las mejoras desarrolladas de

manera teórica.

Ensayos de aceptación y homologación: cada máquina nueva ha de ser homologado antes de su

comercialización, para verificar que las características técnicas corresponden realmente con su

comportamiento.

Fines docentes: es habitual que los centros de educación dispongan de bancos de ensayos para

realizar experimentos y contrastar los conocimientos teóricos con los resultados prácticos. [4]

Régimen laminar y turbulento.

Flujo laminar.

Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado,

estratificado y suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin

entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente.

El número de Reynolds es un parámetro adimensional importante en las ecuaciones que

describen en qué condiciones el flujo será laminar o turbulento. [5]

Flujo Turbulento

Se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma

caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se

encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, (no coordinados) como por ejemplo el agua

en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta

Ilustración 3. flujo laminar

Ilustración 4. Flujo turbulento

13

una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente

caótica. [5]

Inamhi.

Es el Servicio Meteorológico e Hidrológico Nacional del Ecuador creado por Ley, como una

necesidad y un derecho esencial de la comunidad, con capacidad y la obligación de proveer

información vital sobre el tiempo, el clima y los recursos hídricos del pasado, presente y futuro,

que necesita saber el país para la protección de la vida humana y los bienes materiales. Es un

Instituto con representación nacional e internacional, miembro de la Organización Meteorológica

Mundial, OMM, organización intergubernamental especializada de las Naciones Unidas para la

Meteorología (el tiempo y el clima), la Hidrología Operativa y las ciencias conexas. Es un

organismo técnico que en el contexto nacional está adscrito a la Secretaria de Gestión de Riesgos;

con personal técnico y profesional caracterizado en Meteorología e Hidrología, que contribuye al

desarrollo económico y social del país. [6]

Red de Estaciones Hidrológicas Automáticas GOES INAMHI.

El INAMHI cuenta con 35 estaciones hidrológicas automáticas (EHA), El sistema de transmisión

de datos se realiza a través del satélite GOES con periodicidad de una hora en la muestra del dato.

Los datos brutos recopilados se guardan en la plataforma de datos institucional, conjuntamente se

han generado dos bases de datos en Hydraccess: una para datos brutos fuera de correcciones y otra

base con correcciones estadísticas, de tendencia e histórica del seguimiento diario. [7]

14

Fuente: (Inamhi)

Ilustración 5. Datos de las Estaciones Hidrológicas Automáticas (EHA) monitoreadas en

línea.

15

Fuente: (Inamhi)

Sistemas de Control Automático.

Un sistema de control automático es una interconexión de elementos que forman una distribución

denominada sistema, de tal modo que el arreglo resultante es apto de controlarse por sí mismo. Un

Ilustración 6. Mapa de localización de Estaciones Hidrológicas Automáticas

16

sistema o componente del sistema susceptible de ser controlado, al cual se le aplica una señal r (t)

a manera de entrada para obtener una respuesta o salida y (t), puede representarse mediante

bloques.

El vínculo entrada-salida es una relación de causa y efecto con el sistema, por lo que el proceso

por controlar (también denominado planta) relaciona la salida con la entrada. [5]

Fuente: (Ricardo H; 2010; Fig. 1.1; Introducción a los sistemas de control)

SolidWorks.

SolidWorks es un software CAD (diseño asistido por computadora) para modelado mecánico en

2D y 3D, desarrollado actualmente por SolidWorks Corp. Su primera versión fue proyectada al

mercado en 1995 con el objeto de hacer la tecnología CAD más accesible. El programa permite

crear piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto planos técnicos como otro tipo de información

necesaria para la producción. Es un programa que funciona con base en las nuevas técnicas de

modelado con sistemas CAD. El proceso consiste en transferir la idea mental del diseñador al

sistema CAD, "construyendo virtualmente" la pieza o conjunto. Seguidamente todas las

extracciones (planos y ficheros de intercambio) se realizan de manera bastante automatizada. [6]

Ilustración 7. Interacción del sistema, entrada y salida del proceso

17

Programa o Aplicación Informática.

Es un tipo de software que funciona como un conjunto de herramientas diseñado para ejecutar

tareas y trabajos específicos en tu computador. Mientras los sistemas operativos se encargan de

hacer funcionar tu computador o teléfono celular, Los programas se presentan como

herramientas para acrecentar tu desempeño. Algunos ejemplos de estos programas o

aplicaciones son los procesadores de texto, como Microsoft Word; las hojas de cálculo, como

Excel; y la base de datos, como Microsoft Access. [7]

18

Maro Referencial

Teoría hidrocinética.

Una masa de agua tiene dos tipos diferentes de energía que pueden ser aprovechadas para

producir electricidad: hidrostática y hidrocinética. La energía hidrostática, es la energía

potencial de una masa de agua debido a su altura con relación a un sitio de referencia. Las

centrales hidroeléctricas convencionales utilizan presas y embalses para acumular agua con una

gran cantidad de energía hidrostática, con el fin de aprovecharla de manera controlable para

producir electricidad. La energía hidrocinética no es más que la energía de una masa de agua

debido a su movimiento, entre más velocidad lleve el agua, mayor será la energía que contenga.

Existen dos formas de producir energía a partir de movimientos de agua: La primera se le conoce

como energía hidrocinética basada en corrientes y la podemos percibir en los cursos artificiales

de agua, las corrientes de los Ríos y canales de riego; La segunda forma se conoce como energía

hidrocinética basada en olas y se encuentra en las mareas y corrientes oceánicas. [8]

Ilustración 8. Túnel de agua

FUENTE: (JIMÉNEZ. M; 2015)

Potencia asociada a un caudal de agua.

En la ilustración 8, se muestra una sección transversal (A) que representa el rotor de la turbina

hidrocinética, y por la cual fluye una masa de agua (m)a una velocidad (v).

19

En este caso podemos definir La energía cinética como:

Teniendo en cuenta a que es igual el caudal y la densidad, se puede expresar el flujo de masa en

función de la velocidad como se muestra a continuación.

𝑄 =𝑑𝑉𝑜𝑙

𝑑𝑡 , 𝜌 =

𝑑𝑚

𝑑𝑉𝑜𝑙

𝑄 =𝑑𝑉𝑜𝑙𝑑𝑡

=𝑑𝑚

𝑑𝑉𝑜𝑙∙

𝑑𝑉𝑜𝑙𝑑𝑡

= 𝜌 ∙ 𝑄 = 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣

Finalmente derivando la energía en función del tiempo se obtiene la potencia.

𝑑𝐸

𝑑𝑡= 𝑃 =

1

2∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣3

(Ec. 2)

Donde:

A= área en metros cuadrados (m/s2)

𝜌 = densidad del agua (1000 Kg/m3)

v = velocidad el agua (m/s)

Como se observa en la ecuación, la potencia es proporcional al cuadrado de la velocidad con la

que fluye el agua, esto quiere decir que entre mayor caudal se disponga, mayor será la potencia

extraída del agua. También se puede sacar más provecho de la energía del agua en lugares donde

hay baja temperatura, ya que la densidad del agua aumenta. [8]

E = 1 2⁄ ∙ m ∙ v2

(Ec. 1)

20

Consideraciones de diseño para un canal hidráulico abierto.

Radio hidráulico.

La dimensión representativa de los canales abiertos es el radio hidráulico, definido como la

relación del área transversal neta de una corriente al perímetro mojado de la sección.

Es decir:

RH=𝑨

𝑷𝒎 =

𝑨𝒓𝒆𝒂

𝑷𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 𝒎𝒐𝒋𝒂𝒅𝒐

(Ec. 3)

La unidad de R es el metro, en el SI, y el pie en el Sistema Inglés.

En el cálculo del radio hidráulico, el área de la sección transversal debe ser evidente a partir de

la geometría de la sección. Al perímetro mojado se le define como la suma de la longitud de las

fronteras sólidas de la sección que entran en contacto con el fluido (es decir, éste las moja). En

la ilustración 5 se da las expresiones para el área A, el perímetro mojado PM, Se observa una

línea punteada adyacente a las fronteras que forman el perímetro mojado. Observe que la

longitud de la superficie libre de un canal abierto no está incluida en el PM. [9]

FUENTE: (R. L. Mott. 2006; Fig.14.1; Flujo en canales abiertos)

Ilustración 9. Canal rectangular

21

Numero de Reynolds para canales abiertos.

Hechos experimentales, demuestran que, en canales abiertos, el flujo laminar ocurre cuando N

r < 500. La región de transición está en el rango de 500 a 2000. El flujo turbulento ocurre cuando

N r > 2000, donde W (velocidad del fluido), RH (radio hidráulico) y 𝜈 (viscosidad cinemática)

𝑵𝑹 =𝑾 ∙ 𝑹𝑯

𝒗 (Ec. 4)

Numero de froude.

El número de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas

las clases de flujo en los canales abiertos.

El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por

ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal

que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude,

puede expresarse de forma adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico. [9]

𝑁𝑓 =𝑣

√𝑔𝑌ℎ (Ec. 5)

Yh = profundidad hidráulica (m)

v= parámetro de velocidad (m/s)

g = parámetro de gravedad (m/s2)

Donde 𝑦ℎ, se denomina profundidad hidráulica, está dada por:

𝒀𝒉 =𝑨𝑵𝒇

𝑻

(Ec. 6)

22

y (T) es el ancho de la superficie libre del fluido en la parte superior del canal. Cuando el número

de Froude es igual a 1.0, es decir cuando𝐹 = √𝑔 ∙ 𝑌ℎ, el flujo se llama flujo crítico. Cuando es

menor a 1.0, el flujo es subcrítico y cuando es mayor a 1.0, el flujo es supercrítico, existe la

posibilidad que haya flujos de clase subcrítico-laminar, subcrítico-turbulento, supercrítico-

laminar, supercrítico turbulento. [9]

Tipos de turbinas hidrocinéticas

Generalmente las turbinas hidrocinéticas están basadas en modelos de turbinas eólicas,

las cuales se diferencian de acuerdo a la posición en la que se encuentre el eje del rotor [9].

Las turbinas de eje horizontal, son el tipo más común de turbina que se puede encontrar

en la industria; se utilizan desde un álabe, aunque frecuentemente traen 3 álabes. Tienen una

mayor eficiencia energética y alcanzan mayores velocidades de rotación por lo que necesitan

una caja de engranajes con menor relación de multiplicación de giro [9].

Las turbinas de eje vertical, tienen la característica de que el eje de rotación se encuentra

perpendicular al suelo y tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección del viento o agua.

Estas turbinas trabajan de dos formas diferentes: La primera se basa en la diferencia de

coeficiente de arrastre que existe entre las dos mitades de la sección expuesta al agua, y la

segunda trabaja por medio de la fuerza de sustentación que experimentan los perfiles

aerodinámicos al interactuar con el agua. El rotor es el encargado de convertir la energía cinética

del agua en energía mecánica rotacional y existen diversas adaptaciones, pero los diseños más

conocidos son: Savonius, Darrieus y Gorlov [17].

Tipos de turbinas hidrocinéticas

Generalmente las turbinas hidrocinéticas están basadas en modelos de turbinas eólicas,

las cuales se diferencian de acuerdo a la posición en la que se encuentre el eje del rotor [9].

23

Las turbinas de eje horizontal, son el tipo más común de turbina que se puede encontrar

en la industria; se utilizan desde un álabe, aunque frecuentemente traen 3 álabes. Tienen una

mayor eficiencia energética y alcanzan mayores velocidades de rotación por lo que necesitan

una caja de engranajes con menor relación de multiplicación de giro [9].

Las turbinas de eje vertical, tienen la característica de que el eje de rotación se encuentra

perpendicular al suelo y tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección del viento o agua.

Estas turbinas trabajan de dos formas diferentes: La primera se basa en la diferencia de

coeficiente de arrastre que existe entre las dos mitades de la sección expuesta al agua, y la

segunda trabaja por medio de la fuerza de sustentación que experimentan los perfiles

aerodinámicos al interactuar con el agua. El rotor es el encargado de convertir la energía cinética

del agua en energía mecánica rotacional y existen diversas adaptaciones, pero los diseños más

conocidos son: Savonius, Darrieus y Gorlov [17].

Turbina Savonius

Esta turbina es de eje vertical fue diseñada por el ingeniero finlandés S.J Savonius en 1922.

Consiste básicamente en diseñar dos semicilindros sobre un eje vertical de fácil construcción

y con la capacidad de girar sin importar la dirección en la que llegue el agua; sin embargo es

menos eficiente que su contra parte de eje horizontal. La razón de la poca eficiencia tiene que

ver con la aerodinámica; las turbinas de eje horizontal tienen álabes que producen una fuerza de

sustentación para hacer girar el rotor, mientras que este diseño de eje vertical se basa en la

diferencia de la fuerza de arrastre de los dos semicilindros en contacto con el agua como aparece

en la ilustración 4, [9] [18].

24

Ilustración 10. Rotor Savonius.


El rotor convencional Savonius tiene dos pares de hojas cilíndricas que se parecen a una letra S

que no están conectadas a la mitad o con aberturas (superpuestas) en ambos fines de la hoja, que

sirve de la entrada del flujo que sale de la primera hoja (el empuje) para la segunda hoja (el

retorno). Como se muestra en la ilustración 5, la primera hoja (hoja que avanza) causa una fuerza

de arrastre del flujo principal (flujo libre) mientras la segunda hoja (hoja que regresa) desarrolla

una fuerza de retorno desde la salida del flujo en la dirección opuesta a través de la abertura

(superposición) resultando en un par de fuerza acoplada que es capaz de generar torque y

potencia [18].

Ilustración 11. Esquema de una turbina Savonius.

FUENTE: (WAHYUDI, BAGUS; 2015)

Turbinas Darrieus

Las turbinas tipo Darrieus se patentaron en 1931 por el ingeniero francés Georges Jean

Marie Darrieus. Este tipo de turbinas funcionan por medio de la sustentación (lift) que genera

25

el perfil aerodinámico de los álabes en contacto con el fluido como muestra la ilustración 6.

Estos álabes se conectan a un eje vertical. Los álabes pueden ser rectos, o curvos [19] [20].

Ilustración 12. Rotor Darrieus.


Turbina Gorlov

Las turbinas llamadas Gorlov, fueron desarrolladas en la época de los 90 por el profesor

Alexander M. Gorlov en Northeastern University. Su característica más llamativa es su rotor

helicoidal, que fue originalmente diseñado para usarse en riadas. Su ventaja con respecto a la

tradicional turbina Darrieus, es que reduce la ondulación que se produce en los álabes y que su

forma es más amigable con la vida marina que el resto de turbinas verticales [21].

Ilustración 13. Turbina Gorlov de eje vertical.


26

Aerodinámica básica de las turbinas hidrocinéticas

La aerodinámica es el estudio de la dinámica de los cuerpos que se mueven a través de un

fluido. Toda región en el espacio limitada por líneas de corriente es llamada tubo de corriente.

Según la ecuación de continuidad que establece que la masa que entra en el tubo es igual a la

que sale, lo cual supone que la masa no se acumula siempre que el fluido sea incomprensible y

por lo tanto su densidad constante. Esta condición la satisface los líquidos, particularmente el

agua [9].

𝜌1 ∗ 𝐴1 ∗ 𝑊1 = 𝜌2 ∗ 𝐴2 ∗ 𝑊2

(Ec. 7)

Donde:

A: es el área trasversal del tubo.

W: la velocidad del fluido.

Ρ: la densidad del fluido.

En este caso la densidad es igual aguas abajo y aguas arriba se anula de la ecuación [9].

𝐴1 ∗ 𝑊1 = 𝐴2 ∗ 𝑊2 (Ec. 8)

La ecuación de Bernoulli es otra relación fundamental de la dinámica de los fluidos, que

se deriva del teorema de la conservación de la energía. Establece que a lo largo de un tubo

de flujo se satisface [9].

ℎ +𝑊2

2𝑔+

𝑃1𝜌 ∗ 𝑔

= 𝑐𝑡𝑒

(Ec. 9)

Donde:

h: es la altura.

W: la velocidad del fluido.

g: la aceleración de la gravedad

27

ρ: densidad del fluido.

P1: presión [9].

Fuerza de sustentación

El ángulo con el que el fluido incide sobre el álabe, se le conoce como ángulo de ataque α, el

cual produce una desviación del flujo de aire o agua hacia abajo. Por encima del alerón, las

líneas de corriente se concentran, mientras que por debajo se separan como muestra la

ilustración 8. Por la ley de continuidad en la (EC. 7), la velocidad aumenta por encima del alerón

y disminuye por debajo. Luego, por el principio de Bernoulli de la (EC. 9), se produce una

diferencia de presión entre ambas caras del alerón, dando lugar a una fuerza ascendente llamada

fuerza de sustentación FL. Este análisis es consistente con la tercera ley de Newton [22].

Ilustración 14. Flujo laminar a través de un álabe.

FUENTE: (BATTISTA. H; 2013)

Fuerza de arrastre

Todo cuerpo que se mueve a través de un fluido viscoso es sometido a una fuerza en la

dirección del flujo llamada fuerza de arrastre (FD). Sin embargo, cuando el ángulo de ataque

supera cierto valor, el flujo deja de ser laminar, es decir, las líneas de corriente se separan de la

cara superior del alerón como se muestra la Ilustración 9. Cuando el alerón trabaja en estas

condiciones, la fuerza de arrastre aumenta considerablemente [9] [22].

28

Fuerzas en turbina con rotor de eje vertical

En la ilustración 10, se muestran las fuerzas que actúan sobre un álabe que gira en un plano

transversal con una velocidad de rotación (𝜔). La velocidad tangencial del álabe es 𝑊𝑇 = 𝑅 ·

𝜔 y es perpendicular a la velocidad del agua (W), como resultado la velocidad relativa (Wrel)

forma un ángulo α con respecto al plano de rotación [22].

Ilustración 15. Álabe en pérdida.


Ilustración 16. Fuerzas que interactúan en un álabe.


Las fuerzas de sustentación y de arrastre suelen expresarse en función de dos coeficientes

CL y CD [22].

𝐹𝐿 =1

2∗ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑊

2 ∗ 𝐶𝐿 (Ec. 10)

𝐹𝐷 =1

2∗ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑊

2 ∗ 𝐶𝐷 (Ec. 11)

𝑊𝑇 = 𝑅. 𝜔

29

Donde:

C: es la cuerda del alerón.

𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎: densidad del agua.

W: velocidad del agua.

CL: coeficiente de sustentación.

CD: coeficiente de arrastre.

Los coeficientes están en función del ángulo de ataque α. CL crece aproximadamente de manera

lineal con el ángulo de ataque, mientras que CD se mantiene en un bajo valor. Para ángulos de

ataque mayores a 13°, CL disminuye mientras que CD crece rápidamente, es decir, los álabes

entran en pérdida [9] [22].

La fuerza de arrastre, la que produce un fluido a un objeto es una combinación de la fuerza de

inercia y de la de rozamiento. En el caso de la turbina esta se produce en el perfil

aerodinámico de los álabes, la cual se calcula con la siguiente ecuación [23].

𝐹𝐷 = 0.5 ∗ 𝐶𝐷 ∗ 𝜎 ∗ 𝜌 ∗ 𝑊2 ∗ 𝐷 ∗ 𝐻 (Ec. 12)

La fuerza de arrastre que se encuentra en la ecuación se basa en una turbina estacionaria en

el flujo de fluido. Con el fin de dar cuenta del movimiento de la hoja, la fuerza de arrastre

calculada se incrementa en un 30% sobre la base de los resultados experimentales llevados a

cabo por el profesor Gorlov. Además, el efecto dinámico (turbulencia), debe tenerse en

cuenta. Esto se logra mediante la adición de 25% de la fuerza de arrastre [23].

Aerodinámica de un perfil alar

Los álabes que se modelarán constarán con un cierto diseño, el cual le otorgará aerodinámica a

la turbina, por lo que es esencial poder conocer las componentes del diseño de perfiles alares

para su posible estudio. Los perfiles alares son también usados en la industria aeronáutica en el

diseño de alas de aviones, por lo que su estudio tiene bastante antecedentes. En la ilustración

11, se presenta un diseño alar con sus principales componentes [24].

30

Ilustración 17. Características de un perfil alar.

FUENTE: (THOMAZ JUNIOR, CELSO RANGEL; 2012)

Borde de ataque: es el borde del perfil por el cual el flujo entra en contacto.

Borde de salida: o borde de fuga es el borde por el cual el flujo sale del perfil.

Cuerda: línea recta que conecta el borde de ataque con el borde de fuga del perfil. Por

lo general esta se denomina como la distancia “C”.

Extradós: es la curva del perfil sobre la cuerda; Intradós es la curva bajo la cuerda.

Línea de curvatura media: es la línea definida como el punto medio entre el extradós y

el intradós.

Comba: es la distancia entre la línea de curvatura media y la cuerda del perfil.

Espesor: es la distancia perpendicular a la cuerda entre el intradós y el extradós.

Espesor máximo: máximo valor del espesor.

Dentro de los diseños de álabes se encuentran los diseños NACA los cuales presentan diferentes

series de familias según los años de creación como a su vez los usos que se le den. A

continuación, se presenta una tabla resumen con sus principales ventajas y desventajas de cada

familia [25].

31

Tabla 1. Ventajas y Desventajas de las diferentes series de NACA.

Familia Ventajas Desventajas

4-Digitos 1. Buenas características de

pérdidas.

2. Pequeño centro de

movimiento de presión para un

alto rango de velocidades.

3. Rugosidad genera pocos

efectos.

1. Bajo coeficiente de sustentación

máximo.

2. Relativo alto arrastre.

3. Alto momento de pitcheo.

5-Digitos 1. Superior coeficiente de

sustentación

2. Bajo momento de pitcheo.

3. Rugosidad genera pocos

efectos.

1. Mal comportamiento de pérdidas.

2. Relativo alto arrastre.

16-Series 1. Evade puntos de baja

presión.

2. Poco arrastre apara bajas

presiones.

1. Relativa baja sustentación.

6-Series 1. Superior coeficiente de

sustentación.

2. Bajo arrastre para un rango

pequeño en condiciones

operacionales.

3. Optimizado para altas

velocidades.

1. Alto arrastre para un rango fuera

del operacional.

2. Alto momento de pitcheo.

3. Mal comportamiento de pérdidas

4. Muy susceptible a la rugosidad.

7-Series 1. Bajo arrastre para un rango

pequeño en condiciones

operacionales.

2. Bajo momento de pitcheo.

1. Reducido coeficiente de

sustentación máxima.

2. Alto arrastre para un rango fuera

del operacional.

3. Mal comportamiento de pérdidas.

FUENTE: (NACA AIRFOIL SERIES; 2012)

32

Coeficientes aerodinámicos

Como bien se señaló en ecuaciones anteriores (EC. 10 y 11), las fuerzas que actúan

principalmente en los distintos tipos de turbinas son las fuerzas de arrastre y sustentación, las

cuales surgen luego de que un viento o fluido impacte sobre los álabes de la turbina. Dichas

fuerzas se pueden apreciar en la siguiente ilustración [26].

Ilustración 18. Fuerzas presentes en un álabe de una turbina.

FUENTE: (MARTIN O. L. HANSEN; 2012)

De las fuerzas aerodinámicas previamente mencionadas se pueden obtener los coeficientes de

arrastre (CD) y sustentación (CL), según las siguientes fórmulas [27].

𝐶𝐿 =𝐹𝐿

12 ∗ 𝜌𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 ∗ 𝑊

2 ∗ 𝐶

(Ec. 13)

𝐶𝐷 =𝐹𝐷


2 ∗ 𝐶 (Ec. 14)

Ambos coeficientes representan la efectividad del diseño de un perfil alar para producir

sustentación o arrastre según sea el caso. Por último, están los coeficientes de Torque (CM) y

Potencia (CP), ambos relacionados con el rendimiento de la turbina ya que se son el cociente

entre potencia o torque útil respecto a la proveniente del fluido [27].

𝑊𝑟𝑒𝑙

𝐹𝐷

𝐹𝐿

33

𝐶𝑀 =𝑀


2 ∗ 𝐴 ∗ 𝑅 (Ec. 15)

𝐶𝑃 =𝑃𝑜𝑡𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎


3 ∗ 𝐴 (Ec. 16)

Siendo (A) el área de barrido (Diámetro por altura) y (R) el radio de la turbina. Finalmente, se

poseen 2 parámetros adicionales que permite un buen análisis respecto al rendimiento de un

perfil son: la razón de velocidad de punta de álabe (o conocido como tip-speed ratio en inglés)

y la solidez [28]:

𝑇𝑆𝑅 = 𝜆 =𝜔 ∗ 𝑅

𝑊 (Ec. 17)

𝜎 =𝑛 ∗ 𝐶

𝜋 ∗ 𝐷

(Ec. 18)

La variable (𝜔) es la velocidad de giro y (n) el número de álabes. Ambos parámetros son muy

utilizados en el diseño de turbinas dado que mediante estos se puede caracterizar el uso de una

turbina en distintos puntos de operación [28].

2.2.6.2. Variación del ángulo de ataque

El valor del ángulo de ataque de un perfil alar incide directamente en la generación de la

sustentación y el arrastre según las velocidades de giro que se impongan a la turbina [24].

Resulta lógico pensar que, si el álabe efectúa una revolución completa, el perfil se verá

enfrentado a todos los ángulos de ataque posibles, es decir, de 0° a 180°. Sin embargo, esto es

sólo correcto para velocidades de rotación muy bajas con respecto a la velocidad del viento.

Contrario a lo que se podría pensar, a velocidades de rotación más altas, el álabe percibe una

velocidad de viento relativa en adición a la velocidad del flujo incidente. Lo más correcto

entonces sería tomar en cuenta la velocidad de rotación de la turbina, y a partir de esto

determinar la velocidad efectiva del viento sobre el álabe, y el ángulo de ataque resultante [24].

34

Para enseñar este efecto, sea la ilustración 13, donde el álabe está en una posición azimutal 𝜃

arbitraria. Tomando 𝜔. 𝑅 como velocidad de rotación y 𝑊 como velocidad del flujo incidente,

se puede calcular geométricamente el ángulo de ataque de la velocidad relativa 𝑊𝑟𝑒𝑙 como se

muestra en la (EC. 19), y la magnitud de dicha velocidad efectiva con la (EC. 20) [24].

𝛼 = 𝑎𝑟𝑡𝑎𝑛 (𝑊. 𝑠𝑒𝑛(𝜃)

𝑊. cos(𝜃) + 𝜔. 𝑅) (Ec. 19)

𝑊𝑟𝑒𝑙. 𝑠𝑒𝑛(𝛼) = 𝑊. 𝑠𝑒𝑛(𝜃) (Ec. 20)

Ilustración 19. Variación de ángulo de ataque α con respecto al ángulo azimutal θ.

FUENTE: (THOMAZ JUNIOR, CELSO RANGEL; 2012)

1.1.1.3. Ángulo helicoidal

Con los parámetros de: altura, diámetro y número de álabes, se tiene el ángulo de inclinación o

ángulo helicoidal que se calcula con la ecuación.

𝛿 = 𝑡𝑎𝑛−1 (𝑛 ∗ 𝐻

𝜋 ∗ 𝐷)

(Ec. 21)

Además, se puede definir la relación de aspecto que obtiene la turbina hidrocinética de eje

vertical al realizar la relación entre la altura con respecto al diámetro, como se muestra a

continuación.

35

𝑅𝐴 =𝐻

𝐷 (Ec.

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