Estudio del flujo en un grupo turbinado de dos turbinas axiales unidireccionales para centrales owc

Abstract

RESUMEN Considerando que el éxito de las economías industrializadas pasa por garantizar la generación y distribución de energía, y que la matriz energética tiene una dependencia importante de combustibles fósiles; las energías renovables asoman como alternativas para modificar la situación. Muchas son las alternativas que se estudian para el aprovechamiento de la energía oceánica. Esta memoria se ocupa del método denominado de columna de agua oscilante (OWC), en el cual convierte la energía de las olas en energía neumática para ser convertida en mecánica a través de una turbina reversible. Aún, la eficiencia de una única turbina en centrales OWC no alcanza a ser competitiva con otros sistemas de energías alternativas y es por eso que esta memoria estudia un sistema de dos turbinas axiales unidireccionales que brinda para el grupo turbinado mayores rendimientos. La aplicación de la teoría unidimensional en la geometría de la turbina ha permitido identificar el comportamiento ideal del coeficiente de par de una turbina axial y conocer los ángulos del álabe óptimos para obtener las mayores prestaciones; conjuntamente se presenta una metodología de cálculo del rendimiento medio total del grupo turbinado de dos turbinas axiales unidireccionales. Además se plantea una metodología que ha permitido el dimensionamiento de la turbina para que esta proporcione el acoplamiento óptimo cámara-turbina de forma que la transformación de energía undimotriz en energía neumática sea máxima. Asimismo se analizó el comportamiento del grupo turbinado para el ciclo sinusoidal que describen las olas, desarrollando el modelo físico y numérico de la turbina; el cual ha sido modelizado mediante condiciones de contorno estacionarias y posteriormente validado experimentalmente con la bibliografía. Finalmente, se modelaron y simularon otros siete diseños de geometrías de turbina basados en la utilizada como patrón (Takao, 2011) que han permitido establecer criterios de diseño. Esta tesis es parte del proyecto de EADIC LOT 16, programa de movilidad de la Unión Europea 2009-1655/001 ECW, Universidad de Bologna-Italia. JUSTIFICACIÓN Dentro de un sistema OWC, la turbina es un elemento principal encargado de transformar el recurso neumático en potencia mecánica y posteriormente en eléctrica a través de un generador. En esta tesis se desarrollará el estudio para un grupo de turbinado compuesto por dos turbinas de impulso axiales. Aquí es importante que el grupo en su conjunto brinde un rendimiento medio superior respecto a otros sistemas OWC existentes. De esta manera se hará hincapié en estudiar en detalle el rendimiento volumétrico que el sistema posee y también en optimizar la geometría para que el funcionamiento complementario entre ambas turbinas otorgue un rendimiento mayor. OBJETIVOS Y METODOLOGÍA Esta tesis estudia diferentes características de diseño y funcionamiento de la turbina axial unidireccional que permitan optimizar las condiciones de operación del grupo turbinado formado por dos de ellas. También describir una metodología de cálculo de rendimiento del grupo turbinado de dos turbinas axiales, indicando las consideraciones contempladas y el sustento teórico de la elección, que permite obtener resultados del grupo en su conjunto y no sólo de la turbina en forma individual; esto permitirá extraer conclusiones más próximas a la realidad de funcionamiento de este tipo de sistemas. Se desarrollará un estudio del acoplamiento entre cámara y turbina para la selección de turbina en aplicaciones OWC. Mediante la simulación numérica y su validación con mediciones experimentales, (López, 2012), se ha establecido el comportamiento de la cámara bajo diferentes condiciones de las olas, cuyo desenlace es identificar el punto de funcionamiento óptimo de la cámara que maximice el aprovechamiento de la energía del oleaje y su transformación a energía neumática. Este estudio permitirá establecer las características de la turbina óptima; para unas características de oleaje y geometría de la cámara predeterminadas. Finalmente, la parte central de esta tesis es el proceso de validación del modelo numérico de funcionamiento de la turbina, que será realizado a través de resultados experimentales existentes en la bibliografía. Este modelo permitirá realizar un análisis de flujo para esbozar propuestas de optimización geométrica de la turbina para aumentar las prestaciones de rendimiento a partir del diseño original (Takao, 2011). ESTRUCTURA DE LA MEMORIA Esta memoria se estructura en los siguientes capítulos: Introducción: este capítulo presenta el contexto de este trabajo y explica los objetivos que se van a llevar a cabo. Tecnología OWC: capítulo descriptivo que explica el funcionamiento de una central OWC y sus elementos. Metodología de cálculo de rendimiento: se describe la teoría unidimensional, los coeficientes característicos adimensionales de funcionamiento de turbinas y la metodologías para estimar el rendimiento medio de un grupo turbinado de dos turbinas axiales. Selección de turbina OWC: se utilizan como datos de partida características del oleaje y la geometría de una cámara para obtener los parámetros característicos de una turbina que optimice su acoplamiento con la cámara. Modelo numérico: se describe la geometría de la turbina de impulso axial y se incluye el desarrollo del modelo numérico empleado para realizar las simulaciones en dinámica de fluidos computacional (CFD). Validación experimental: en este apartado se recurre a resultados experimentales disponibles en la bibliografía para evaluar si el modelo computacional generado es adecuado para predecir el funcionamiento de una turbina. Análisis del comportamiento del flujo: se estudian los resultados obtenidos de las simulaciones y se identifica el patrón de flujo en el interior de la turbina. En especial la interacción entre el flujo con las aletas directrices y los álabes que componen la turbina; así es posible bosquejar propuestas de mejora de diseño que luego son verificadas. Optimización geométrica: en este capítulo se comparan y analizan los resultados de las 7 geometrías propuestas, basados en criterios de diseño, respecto a la geometría original. Conclusiones: resumen de los puntos relevantes obtenidos en esta tesis y también se indican propuestas de actuaciones futuras para continuar la línea de investigación. CONCLUSIONES Al inicio de la memoria se ha descrito en forma sintética los elementos de un sistema OWC, indicando el funcionamiento de estas centrales. Seguidamente se identificaron las ventajas de las turbinas de impulso axial frente a las turbina Wells, analizando en particular el sistema de turbinas gemelas axiales unidireccionales elegido para desarrollar la presente tesis. Se han presentado los coeficientes adimensionales de par (CT) y de potencia consumida (CA) de las turbinas axiales y aplicando la teoría unidimensional se ha identificado los ángulos de diseño óptimos de las aletas directrices y álabes que permiten maximizar las prestaciones. Se ha desarrollado una metodología para el cálculo del rendimiento medio del grupo turbinado; expresando dos posibles alternativas, rendimiento_(GT_D+I) y rendimiento_(GT_D) (esta última asume nulo el par generado por la turbina trabajando en sentido inverso). Presentando los resultados obtenidos al aplicar esta a la geometría en estudio (Takao, 2011), que concluye que el rendimiento_(T_D+I)> rendimiento_(T_D). Se presenta una metodología para la selección de la turbina de una central OWC con una geometría de cámara y unas características del oleaje determinadas; se obtiene que los parámetros de diseño (diámetro y velocidad angular) de la turbina dependen linealmente de la relación de tamaño de la cámara, y que también existe una correspondencia de los parámetros de amortiguamiento de la cámara y de la turbina que permite que el sistema OWC funcione en condiciones óptimas. Los resultados de la metodología indican que para obtener el mismo amortiguamiento que una turbina axial se requiere una turbina radial de mayor tamaño. Para simular el comportamiento de la turbina se ha desarrollado un modelo numérico. El mismo ha sido construido con mallas de elementos hexaédricos y tetraédricos, y se ha escogido el modelo k-epsilon Realizable para modelar la turbulencia. En lo referente a la validación, los resultados numéricos han sido satisfactorios con los resultados experimentales de la bibliografía (Maeda, 2001 y Mala, 2011), siendo la tendencia de los resultados muy buenas para el coeficiente de par (CT) y aceptables para el coeficiente de potencia consumida (CA), donde existen diferencias en caudales elevados. Completan la validación los resultados experimentales de Takao, 2011; en estos se ha detectado un error sistemático en los valores presentados, ya que superan las valores máximos ideales que se obtienen al aplicar la teoría unidimensional. Para su utilización, pues los autores antes citados carecen de resultados en sentido inverso de flujo, se ha propuesto una posible corrección para ambos sentidos de flujo y así se obtiene que las diferencias halladas entre estos resultados y los del modelo numérico son despreciables. Se han presentado las gráficas en ambos sentidos de flujo de los coeficientes que caracterizan el funcionamiento de la turbina, CA, CT y el rendimiento; para poder analizar el comportamiento del flujo de la geometría patrón simulada, correspondiente al grupo turbinado (Takao, 2011) y denominada 20x30 (20 aletas directrices y 30 álabes). Las simulaciones evidencian que para el sentido directo de funcionamiento el rendimiento presentan valores de conjunto superiores a los obtenidos en turbinas de tipo Wells, que tienen un valor de rendimiento pico superior pero en un rango muy estrecho de funcionamiento. Complementariamente en sentido inverso se logra obtener elevadas pérdidas, que era lo deseado en la configuración de diseño para así dificultar el paso de caudal en ese sentido. Para analizar el guiado, los ángulos geométricos de diseño de las aletas directrices y los álabes, fueron comparados con los del flujo resultante de las simulaciones. Las simulaciones en el rotor demuestran que los resultados obtenidos al comparar el ángulo de entrada, ß1*=149º, son adecuados a partir de phi mayores o iguales a 1; y los correspondientes a la salida, ß2*=32º, tienen sólo ligeras diferencias para todo el rango de caudales analizado. Adicionalmente para el sentido inverso el efecto buscado se logra, existiendo pérdidas por choque muy elevadas cuando el flujo atraviesa el rotor y el estator. En el análisis correspondiente al intercambio de energía que se produce en el elemento móvil, el rotor, se observa que en sentido directo que es extraído un porcentaje elevado de energía útil en éste elemento. Por el contrario cuando el flujo circula en sentido inverso se logra el objetivo de grandes pérdidas en el rotor y en el estator. Finalmente se han comparado la geometría de (Takao, 2011) con otras siete geometrías derivadas de esta, de mallados equivalentes, para interpretar la influencia que producen en el rendimiento, modificaciones específicas en diferentes zonas de la turbina, obteniendo los siguientes resultados: El incremento de superficie en las aletas directrices produce un guiado de mayor calidad en el estator, pero en contrapartida incrementan las pérdidas haciéndola una elección no válida. En el análisis de las pérdidas del flujo ha puesto de manifiesto que la principal fuente de pérdidas en el sentido directo es el rotor; sin embargo al estudiar el sentido inverso es el estator el que genera las pérdidas mayores en todas las configuraciones. También los campos de vectores de velocidad y los contornos de presión fueron útiles para interpretar que los rotores de menores solideces benefician al rendimiento volumétrico del grupo turbinado; en contrapartida repercute negativamente en la generación de energía útil. Asimismo a solideces mayores en el rotor se obtiene un coeficiente de par más grande. En referencia al guiado en sentido directo se ha verificado que 18 aletas directrices en el estator son suficientes para un correcto guiado; aunque en sentido inverso una cantidad mayor de estas ayuda a incrementar las pérdidas buscadas para disminuir el caudal en ese sentido. Los resultados del rendimiento volumétrico han evidenciado que en las ocho geometrías el sistema desaprovecha entre un 30-35% del caudal para la generación de energía. Al comparar las geometrías con distintas solideces de estator y rotor se ha visto que existen turbinas que aunque con menor rendimiento en sentido directo, pueden compensar este inconveniente por medio de la reducción del caudal que circula por la turbina en el sentido inverso. Esto es un beneficio para el grupo turbinado porque se dispone de mayor caudal para la generación de par. El mayor rendimiento medio de las turbinas para el rango de coeficientes de caudales analizados fue para la geometría 24x30; esta presenta un rendimiento volumétrico inferior a las otras, pero que aún así le permite obtener valores levemente mayores en el rendimiento medio del sistema, resultando la geometría más beneficiosa. BIBLIOGRAFIA Bibliografía expresada por orden alfabético Anand S., Jayashankar V., Nagata S., Toyota K., Takao M., Setoguchi T (2007a). Turbines for wave energy plants. 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