Diseño, fabricación y ensayo de un rodete para una turbina Kaplan

Abstract

Actualmente es mucha la información sobre el funcionamiento de las turbomáquinas, pero no es tanta la que se sabe en cuanto a su diseño. Este proyecto trata de arrojar luz sobre como es este proceso de diseño para las turbinas Kaplan de álabes fijos, y como afecta al diseño final cada condición de partida. Para sacar conclusiones mucho más clarificadoras se compararán los rodetes diseñados y fabricados con los de otros dos proyectos de desarrollo paralelo. Estos rodetes se diferenciarán en que son rodetes para Kaplan rápidos. Uno de ellos tendrá 4 álabes y otro tendrá 6 álabes. Se buscarán condiciones de poca altura y mucho caudal, situaciones típicas en Kaplan, siempre teniendo en cuenta el pequeño tamaño del rodete. Partiendo de unas condiciones iniciales buscadas intencionadamente para poder obtener un Número Específico de Revoluciones propio de una turbina Kaplan lenta. Se harán otras consideraciones iniciales que simplificarán los cálculos y no cambiarán los resultados en exceso. Se diseñará un rodete de 6 álabes. Las medidas del tronco del rodete se tomarán de los que ya se tienen en el laboratorio. El perfil aerodinámico escogido es el Gottingen 428. Se desarrollará todo el proceso de cálculo en 5 diámetros diferentes y las características geométricas halladas se implementarán en el perfil. Estas son la longitud, el espesor y el ángulo de giro. Se dibujará en SolidEdge el rodete y se fabricará mediante impresión 3D en el material ABS-M30. El ensayo del rodete se hará en banco de ensayos del Laboratorio de Fluidos. Se realizarán ensayos en las condiciones más parecidas posibles a las de diseño (aunque nunca será posible por la altura suministrada) y en dos posiciones del distribuidor Fink diferentes. Finalmente se mostrarán en cuadros comparativos las diferencias geométricas entre cada rodete. También se analizarán los resultados de los ensayos del rodete entre ellos, sacando conclusiones diversas.

Currently there is a lot of information about how works the turbomachines, but it is not so much the information that is known in terms of its design. This project tries to show a little bit on how is the design process for Kaplan turbines with fixed blades, and how affects to the final design each condition. To draw much more clarifying conclusions, the runner wheel designed and manufactured will be compared with other two projects very similar. These runner wheels will be fast Kaplan turbines. One of them will have 4 blades and another will have 6 blades. We will look for conditions of low height and high flow, typical situations in Kaplan turbines, always taking into account the small size of the runner wheel. Starting from initial conditions intentionally sought to obtain a Specific Number of Revolutions of a slow Kaplan turbine. Other initial considerations will be made to simplify the design process because the results are not going to change too much. The runner wheel will have 6 blades. The measurements of the runner wheel will be taken from those already in the laboratory. The chosen aerodynamic profile is Gottingen 428. The whole calculation process will be developed in 5 different diameters. The geometric characteristics found are added to the base profile. These characteristics are the cord, the thickness and the angle to rotate the blade. The runner wheel will be draw in SolidEdge and then will be make it in a 3D printer in a material call ABS-M30. The test of the runner wheel is done in a test bench of the Fluids Laboratory. Tests will be carried out in the conditions that are closest to the design conditions (although this will never be possible due to the height supplied by the bench) and in two different positions of the Fink distributor. Finally, the geometric differences between each runner wheel will be shown in comparative tables. The results of the different tests of the runner wheel between them will also be analyzed, getting different conclusions