Juan Peña#1, Jorge Luis Jaramillo#2

#1Profesional en formación, Universidad Técnica Particular de Loja.#2 Docente de la EET, Universidad Técnica Particular de Loja.

Loja, Ecuador 2012.1jcpena1@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ec

Resumen — Se describe el proceso de diseño de cinco variantes para el módulo de turbinas que operará en el tanque de vórtice gravitacional instalado en el Departamento de Geología, Minas, e, Ingeniería Civil de la UTPL. El módulo permitirá capturar la energía del vórtice gravitacional, y, registrar información relevante como el significado del torque y de la velocidad angular en las turbinas.

Palabras claves — vórtice gravitacional, turbinas para hidrogeneración basada en vórtice gravitacional

I. INTRODUCCIÓN

En las instalaciones hidroeléctricas habituales, las turbinas hidráulicas aprovechan la energía potencial y cinética del agua. En estas instalaciones, en uso extensivo se encuentran turbinas tipo Pelton, Kaplan, o, Francis, “especializadas” para determinadas combinaciones de salto y caudal [1].

En los sistemas de hidrogeneración basada en vórtice gravitacional, la turbina hidráulica aprovecha la energía cinética de un vórtice inducido artificialmente, y, en una pequeña fracción, la energía potencial del desnivel entre la toma y el desfogue de agua.

En este trabajo, tomando como referencia las turbinas diseñadas para sistemas de generación por vórtice gravitacional en Alemania, Austria, Francia, Indonesia y Suecia [2]; se describe el diseño de cinco modelos de turbinas, cuya perfomance será determinada a través de la experimentación en el tanque de vórtice gravitacional instalado en el Departamento de Geología, Minas, e, Ingeniería Civil de la UTPL.

II. DISEÑO DEL SOPORTE MECÁNICO DEL SISTEMA DE TURBINAS.

La Fig. 1 muestra una vista general del módulo de turbinas utilizado en distintos proyectos de hidrogeneración, basada en vórtice gravitacional. A más de la diversidad en la geometría de las turbinas, se observa variedad en los soportes mecánicos que apoyan y aseguran a las turbinas.

En el marco de este proyecto, para proveer de soporte mecánico a las turbinas, se decidió implementar una solución compacta y sencilla, concebida para acoplarse al tanque de vórtice gravitacional. La solución propuesta consta de una estructura base (ver Fig. 2), que se instala en la parte superior del tanque de vórtice.

En la parte central de la estructura base, se dispone una caja de rodamientos, cuya función principal es asegurar la rotabilidad del enlace entre el árbol de la turbina y el rotor del generador eléctrico, bajo carga. La caja contiene 2 rodamientos, dentro de los cuales gira un árbol circular de 0,035 m de diámetro y 0,55 m de largo, diseñado de acuerdo a la norma INEN 1130 [3]. La energía será transmitida desde las turbinas hacia el eje del generador, vía el árbol, a través de un acople circular dispuesto en la parte inferior del árbol. La Fig. 3 muestra la estructura propuesta para la caja de rodamientos.

Diseño de turbinas para el sistema experimental de hidrogeneración basado en vórtice gravitacional, instalado en la UTPL

a. Central eléctrica de vórtice gravitacional Dr.Bertrand Piccard, instalada en Austria [4]

b. Central eléctrica de vórtice gravitacional Schöftland, instalada en Suecia [5]

c. Central eléctrica de vórtice gravitacional Zotloterer, instalada en Austria [2].

Fig. 1. Módulo de turbinas en algunas de las centrales eléctricas de vórtice gravitacional.

Fig. 2. Vista general de la estructura base del soporte mecánico para las turbinas del tanque de vórtice gravitacional.

a. Disposición de los rodamientos en la caja.

b. Panorámica general de la caja de rodamientos montada con el árbol y el acople circular.

Fig. 3. Estructura propuesta para la caja de rodamientos.

III. DISEÑO DE LAS TURBINAS

Por cuanto las estaciones de hidrogeneración basada en vórtice gravitacional no son de uso extendido, el diseño de turbinas no está normalizado. La mayoría de diseños corresponde a iniciativas privadas en la búsqueda de aprovechar fuentes de energía renovable. La falta de información formal y sistematizada, también obedece al carácter empírico de muchos de los proyectos, basados

generalmente en el principio del ensayo y error, por lo que no se dispone de registros adecuados para verificar los modelos analíticos planteados.

Ante esta situación, en el marco de este proyecto, se decidió experimentar con diferentes modelos de turbina, adaptando aquellos en operación, y, redimensionándolos para las condiciones del tanque de vórtice gravitacional instalado en el Departamento de Geología, Minas, e, Ingeniería Civil de la UTPL.

Para un adecuado redimensionamiento de los modelos, se formalizó la configuración del tanque de vórtice. Las pruebas mostraron que el diámetro de la sección del vórtice varía en función del diámetro del desagüe, tal como lo muestra la Tabla 1. Con esta información, se definió la configuración del tanque tal como lo muestra la Fig. 4.

Tabla 1.Variación del diámetro de la sección del vórtice en función del

diámetro del desagüeDiámetro del

desagüe[m]

Diámetro de la sección en la

parte superior del vórtice

[m]

Diámetro de la sección en la

parte media del vórtice

[m]

Diámetro de la sección en la parte inferior

del vórtice[m]

0,18 0,34 0,18 0,180,10 0,22 0,10 0,10

Ht

y

y

x

z

Dt

dv

hdv

Fig. 4. Configuración del tanque de vórtice gravitacional utilizada para el redimensionamiento de las turbinas [Diseño de los autores].

En dónde,

Ht, altura del tanque, mDt, diámetro del tanque, mh, altura del vórtice, mdv, diámetro del vórtice, m

A. Primer modelo para experimentación

Como primer modelo de turbina, se adoptó una turbina abierta de álabes curvos (ver Fig. 5), que giran a altas velocidades, sobre un eje montado centralmente en el tanque [6].

Fig. 5. Turbina de álabe curvos [6].

En este modelo, el rodete de la turbina se conecta con el árbol mediante pernos de sujeción, manteniéndose la independencia de la turbina respecto al árbol de la caja de rodamientos. La Tabla 2, resume las dimensiones más importantes, y, las Fig. 6 y 7, muestran la geometría de la turbina redimensionada, y, una vista general 3D de la misma.

Tabla 2 Dimensiones principales de la turbina redimensionada, adoptada como

primer modelo para experimentación

Longitud de turbina [lt] 0,315 m

Altura de turbina [ht] 0,10 m

Diámetro del rodete [dr] 0,035 m

Altura del rodete [lr] 0,10 m

Angulo de separación entre álabes [α álabes] 60 º

Longitud del álabe [la] 0,14 m

Altura del álabe [ha] 0,10 m

Grosor del álabe [wa] 0,002 m

La longitud total de la turbina es de 0,315 m, y, puede ser utilizada para aprovechar el vórtice creado con el diámetro mínimo y máximo de desagüe.

a. Vista en planta de la turbina redimensionada

b. Vista frontal de la turbina redimensionada

Fig. 6. Geometría de la turbina redimensionada, adoptada como primer modelo para experimentación

Fig. 7. Modelo 3D de la turbina redimensionada, adoptada como primer modelo para experimentación

B. Segundo modelo para experimentación

El segundo modelo de turbina para experimentación, fue el resultado de analizar la estructura de la turbina mostrada en la Fig. 8. Esta turbina está compuesta por un rodete con cuatro placas dispuestas a 90º entre sí. Las

placas se unen a álabes rectangulares a través de tornillos pasantes galvanizados.

Fig. 8. Turbina instalada en la central eléctrica de Schöftland, Suecia.

La Fig. 9 muestra la geometría de cada una de los álabes de la turbina. El ángulo formado por el álabe y el plano de giro, es relativamente pequeño al compararse con el de las turbinas de uso masivo como la Kaplan, o la Pelton.

Fig. 9. Geometría de los álabes utilizados en la turbina de la central eléctrica de Schöftland, Suecia.

La Tabla 3, resume las dimensiones más importantes, y, las Fig. 10 y 11, muestran la geometría de la turbina redimensionada, y, una vista general 3D de la misma. Esta turbina puede ser utilizada para aprovechar el diámetro mínimo y máximo del vórtice.

a. Vista en planta de la turbina redimensionada

b. Vista frontal de la turbina redimensionada

c. Vista frontal del álabe de la turbina redimensionada

Fig. 10. Geometría de la turbina redimensionada, adoptada como segundo modelo para experimentación

Tabla 3 Dimensiones principales de la turbina redimensionada, adoptada como

segundo modelo para experimentación

Longitud de turbina [lt] 0,335 m

Altura de turbina [ht] 0,35 m

Diámetro del rodete [dr] 0,035 m

Altura del rodete [lr] 0,35 m

Angulo de separación entre álabes [α álabes] 90 º

Longitud del álabe [la] 0,15 m

Altura del álabe [ha] 0,30 m

Grosor del álabe [wa] 0,002 m

Fig. 11. Modelo 3D de la turbina redimensionada, adoptada como segundo modelo para experimentación

C. Tercer modelo para experimentación

La propuesta para el tercer modelo de turbina para experimentación, se basó en la turbina Michell Banki dispuesta en forma vertical (ver Fig. 12). Esta turbina de acción, opera a presión atmosférica con flujo radial centrípeto-centrifugo. El flujo transversal en esta turbina es de doble paso, ya que el flujo de agua incide sobre los álabes, tanto a la entrada como a la salida. La admisión parcial, ya que el flujo de agua actúa sobre un sector de los álabes del rodete [7].

Fig. 12. Rodete de la turbina tipo Michell Banki [8]

El rodete de esta turbina, consta de dos o más discos paralelos, entre los que se montan, cerca del borde, unas láminas curvadas que hacen el papel de álabes (ver Fig. 13) [9]. Al igual que en las otras turbinas, para mantener la independencia entre le rodete y el árbol se utilizan dos tornillos de sujeción.

Fig. 13. Ranuras del rodete de la turbina tipo Michell Banki [8].

La Tabla 4, resume las dimensiones más importantes de la turbina redimensionada, y, la Fig. 14, muestra una vista general 3D de la misma. Esta turbina puede ser utilizada para el diámetro mínimo y máximo del vórtice.

Tabla 4 Dimensiones principales de la turbina redimensionada, adoptada como

tercer modelo para experimentación

Longitud de turbina [lt] 0,32 m

Altura de turbina [ht] 0,40 m

Diámetro del rodete [dr] 0,035 m

Altura del rodete [lr] 0,40 m

Angulo de separación entre álabes [α álabes] 22,5 º

Longitud del álabe [la] 0,10 m

Altura del álabe [ha] 0,30 m

Grosor del álabe [wa] 0,002 m

.

Fig. 14. Modelo 3D de la turbina redimensionada, adoptada como tercer modelo para experimentación

D. Cuarto modelo para experimentación

La propuesta para el cuarto modelo de turbina para experimentación, se basó en el prototipo de la turbina de la central hidroeléctrica de Winterberg, al norte de Alemania. Este prototipo tiene un rodete con seis placas rectangulares, que sirven de soporte a álabes curvos que aprovechan la velocidad radial del caudal, a diferencia de otras turbinas diseñadas para aprovechar el diámetro del vórtice.

La Tabla 5, resume las dimensiones más importantes de la turbina redimensionada, y, la Fig. 15, muestra una vista general 3D de la misma.

Tabla 5 Dimensiones principales de la turbina redimensionada, adoptada como

cuarto modelo para experimentación

Longitud de turbina [lt] 0,42 m

Altura de turbina [ht] 0,466 m

Diámetro del rodete [dr] 0,035 m

Altura del rodete [lr] 0,466 m

Angulo de separación entre álabes [α álabes] 60 º

Longitud del álabe [la] 0,20 m

Altura del álabe [ha] 0,30 m

Grosor del álabe [wa] 0,002 m

Fig. 15. Modelo 3D de la turbina redimensionada, adoptada como cuarto modelo para experimentación

E. Quinto modelo para experimentación

La propuesta para el quinto modelo de turbina para experimentación, se basó en la turbina instalada en una central austriaca (ver Fig. 1c). En esta turbina, los álabes se encuentran ubicados en la periferia del rodete, sostenidos por cordones de soldadura o mediante pernos. Los álabes tienen una forma semielipsoidal. La interacción entre el agua y el álabe, produce un empuje en el álabe; a su vez, el álabe desvía el agua, produciéndose una reacción igual y contraria, reacción cuya componente tangencial es la fuerza que mueve los álabes [10].

La Tabla 6, resume las dimensiones más importantes de la turbina redimensionada, y, la Fig. 16, muestra una vista general 3D de la misma.

Tabla 6Dimensiones principales de la turbina redimensionada, adoptada como

quinto modelo para experimentación

Longitud de turbina [lt] 0,335 m

Altura de turbina [ht] 0,25 m

Diámetro del rodete [dr] 0,035 m

Altura del rodete [lr] 0,25 m

Angulo de separación entre álabes [α álabes] 60 º

Longitud del álabe [la] 0,15 m

Altura del álabe [ha] 0,20 m

Grosor del álabe [wa] 0,002 m

Fig. 16. Modelo 3D de la turbina redimensionada, adoptada como quinto modelo para experimentación

IV. CONCLUSIONES

La central hidroeléctrica de vórtice gravitacional, utiliza turbinas que trabajan con saltos hidráulicos muy reducidos, debido a que el flujo de accionamiento contiene, en mayor medida, energía cinética.

El diseño de turbinas para centrales hidroeléctricas basadas en vórtice, no está normalizado, no sólo por no ser de uso extendido, sino también debido a la naturaleza empírica experimental de los proyectos.

Por esta razón se decidió experimentar con diferentes modelos de turbina, adaptando aquellos en operación, y, redimensionándolos para las condiciones del tanque de vórtice gravitacional instalado en el Departamento de Geología, Minas, e, Ingeniería Civil de la UTPL.

V. REFERENCIAS

[1] CONSTRUCCIÓN Y ENSAYO DE UNA RUEDA HIDRÁULICA DE CORRIENTE LIBRE DE 2M DE DIÁMETRO [Online]: Disponible en: ‹ http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/handle/123456789/390 › [Consultado el 28 de diciembre del 2012].

[2] REFERENCE PLANTS [Online]: Disponible  en: ‹ http://www.zotloeterer.com/welcome/gravitation-water-vortex-power-p5e95290545187f36f41dc60104091489/reference_plants.php › [Consultado el 01 de enero del 2013].

[3] Árboles para transmisiones. Requisitos Dimensionales [Online]: Disponible en: ‹http://www.inen.gob.ec/images/pdf/nte/1130.pdf>[Consultado el 28 de diciembre del 2012].

[4] Gravitation water vortex power plant as bioreactor (Lower Austria) [Online]: Disponible  en: ‹http://www.act-clean.eu/index.php?node_id=100.361› [Consultado el 28 de diciembre del 2012].

[5] Gravitation Water Vortex Power Plant [Online]: Disponible  en: ‹http://flolo.blogspot.com/2010/12/gravitation-water-vortex-power-plant.html› [Consultado el 01 de enero del 2013].

[6] Análisis Experimental para Determinar las curvas para el diseño y Selección de Mezcladores para Refinación de Azúcar en Ingenios [Online]: Disponible en: <http://www.cib.espol.edu.ec/Digipath/D_Tesis_PDF/D-27093.pdf> [Consulta 28 de diciembre del 2012].

[7] DISEÑO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA TURBINAS MICHEL BANKI PARA EL LABORATORIO DE ENERGÍA DE LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ [Online]: Disponible en: <http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/586/EG%c3%9aSQUIZA_GO%c3%91I_JULIO_C%c3%89SAR_TURBINAS_BANKI_LABORATORIO_ENERG%c3%8dA_PUCP.pdf?sequence=1> [Consulta 05 de enero del 2013].

[8] MICRO-HIDROELÉCTRICA TIPO MICHELL BANKI, FUNCIONAMIENTO, MANTENIMIENTO Y COMPONENTES [Online]: Disponible en: <http://www.biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0550_M.pdf> [Consulta 05 de enero del 2013].

[9] Diseño en Implementación de un Prototipo de una Picocentral hidráulica para uso Rural. [Online]: Disponible  en: ‹http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/3991/1/T-ESPEL-0099.pdf› [Consultado el 05 de enero del 2013].

[10] DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELECTRICA, CAPACIDAD 2kW [Online]: Disponible en: ‹ http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/794/3/CAPITULO%20N%201.pdf›[Consultado el 05 de enero del 2013].