Design of a hydraulic turbine-generator set to create a stand-alone power system

Abstract

El presente proyecto trata sobre el diseño de una turbina hidráulica, la cual será usada como único generador en una red eléctrica aislada. Para ello se comenzó con la selección del río y demanda a satisfacer. El río seleccionado fue el Salmon River, en Idaho, EE. UU. El caudal de este, así como la demanda, fueron modelados, pudiéndose seleccionar el caudal de la turbina, así como determinar la demanda. Para obtener la generación, se creó una red modelo y se simuló para obtener la generación requerida junto con un análisis V-Q para determinar sus límites de funcionamiento. A partir de estos datos se obtuvieron las dimensiones principales del generador síncrono y se determinó el tipo de turbina, en este caso una turbina Kaplan, debido a su operación como central de pasada, su caudal y salto medio. La turbina se diseñó a partir de modelos estadísticos para obtener las dimensiones principales y se empleó el análisis diferencial en las secciones de los álabes para modelarlos. El resto de los componentes se modelaron usando el Teorema del Transporte de Reynolds y las ecuaciones de Navier-Stokes. También se diseñaron los mecanismos de control de los álabes y del Distribuidor de Fink. Una vez la turbina fue diseñada, se sometió a un análisis f-P para determinar los límites en la regulación de la frecuencia. Por último, se realizó un análisis económico para determinar su viabilidad económica y una auditoría ecológica para determinar su impacto ambiental y si esta representa una mejor solución a la generación eléctrica actual en el Estado.

This Project was focused on designing a hydraulic turbine to use as the sole generator in a stand-alone power transmission system. The first step was to select the river to use as well as the covered demand. The chosen river was the Salmon River, located in Idaho, USA. The river discharge & electrical demand were modelled, permitting the selection of the turbine’s nominal flow & demand covered. To determine the electrical generation, a model transmission system was created & simulated, and a Q-V analysis was performed to determine the operating limits. Using this data, the synchronous generator’s principal dimensions were selected, as well as the turbine type; a Kaplan turbine as a result of its use in a run-of-the river powerplant; its nominal flow & medium head. The turbine design was based on the principal dimensions obtained from statistical models, which were used along with differential analysis on the blade sections to determine the airfoil profile used. The other turbine components were designed using the Reynolds Transport Theorem & the Navier-Stokes equations. Furthermore, the runner blade & guide vane control mechanisms were designed. Once the turbine was completed, a f-P analysis was conducted to determine the frequency regulation limits. Lastly, an economical study was performed to determine the project’s viability and an eco-audit to quantify its environmental impact to assess if this proposed design was a better generation method than the current mix used in the State.