Cálculo y análisis númerico de una turbina hidráulica tipo kaplan utilizando técnicas CFD

Abstract

En el presente trabajo se va a diseñar y posteriormente simular una turbina hidráulica tipo Kaplan con los datos de partida de una central hidroeléctrica existente localizada en Aranda del Duero (Burgos). En primer lugar, hablaremos sobre los orígenes de la energía hidráulica, explicaremos el funcionamiento de una central hidroeléctrica y su clasificación. Y detallaremos la central hidroeléctrica de la que hemos cogido los datos para el diseño de la turbina Kaplan. En segundo lugar, nos introduciremos en una breve explicación de las máquinas de fluido e iremos clasificándolas hasta llegar a nuestro tipo de máquina a estudiar que en este caso es una turbina hidráulica. En tercer lugar, nos centraremos en las turbinas hidráulicas, detallando las clasificaciones que pueden recibir, los tipos que existen y acabaremos enfocándonos en la turbina tipo Kaplan, detallando las diferentes partes de la que se compone. Continuaremos explicando la base teórica de las turbomáquinas donde aparecerán los conceptos de triángulo de velocidades, ecuación fundamental de las turbomáquinas, regulación de los álabes, etc., centrándonos en las turbinas axiales. Seguiremos con una introducción a la dinámica de fluidos computacional que va a ser la base del funcionamiento de ANSYS CFX. Este software es el que usaremos para realizar la simulación del flujo a través de nuestra turbina una vez realizada la geometría con BladeGen y mallada con TurboGrid, programas que veremos cómo funcionan más adelante. Para finalizar se incluye un Anexo en el que viene recogido todos los cálculos de los parámetros obtenidos de forma teórica para el dimensionamiento de la turbina.

In this work we are going to design and then simulate a Kaplan type hydraulic turbine with the starting data of an existing hydroelectric power plant located in Aranda del Duero (Burgos). First of all, we will talk about the origins of hydraulic energy, explain the operation of a hydroelectric power plant and its classification. And we will detail the hydroelectric power station from which we have taken the data for the design of the Kaplan turbine. Secondly, we will introduce a brief explanation of fluid machines and we will classify them until we reach our type of machine to be studied, which in this case is a hydraulic turbine. Thirdly, we will focus on hydraulic turbines, detailing the classifications that they can receive, the types that exist and we will finish by focusing on the Kaplan type turbine, detailing the different parts of which it is composed. We will continue by explaining the theoretical basis of turbomachines, where the concepts of the speed triangle, the fundamental equation of turbomachines, blade regulation, etc. will appear, focusing on axial turbines. We will continue with an introduction to computational fluid dynamics, which will be the basis for the operation of ANSYS CFX. This software is the one we will use to simulate the flow through our turbine once the geometry has been created with BladeGen and meshed with TurboGrid, programmes that we will see how they work later on. Finally, an Annex is included in which all the calculations of the parameters obtained theoretically for the sizing of the turbine are included.