REVISTA (2018) 5–21, 107-114. ISSN 2395-8510

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CONAMTI(2018!Mecatrónica-Energías Renovables-Sistemas Computacionales-Innovación Agrícola

Selección de un perfil alar para una turbina hidrocinética de generación de energía a baja potencia

Mendoza Fandiño J1, Beltrán Galindo 1,2, Geovo Coronado L1, Castillo Ospina D1, Triana Paternina W1, Ruiz Garcés A2

! 1 Departamento Ingeniería Mecánica. Universidad de Córdoba. Carrera 6 # 76-103. Montería, Colombia. E- mail: *jorge.mendoza@correo.unicordoba.edu.co 2 Departamento Ingeniería Eléctrica. Universidad del Sinú. Carrera 1W # 38-153. Montería, Colombia. E- mail:alejandroruiz@unisinu.edu.co

A R T ÍCULO

Acceptado XX mes 2018

Palabras clave:

Baja potencia, Fineza, NACA 4412, Perfil alar, Turbina hidrocinética

RESUMEN En Córdoba su principal afluente es el rio Sinú, en él se realizaron diferentes estudios de sus velocidades y profundidades, determinando su viabilidad para la producción de energía. Con este proyecto se busca seleccionar un perfil para diseñar una turbina hidrocinética que permita la producción de energía a baja potencia y de bajo costo, para ello se analizaron diferentes perfiles NACA, buscando la mejor relación Fineza – Espesor, dando como resultado la selección del perfil NACA 4412 idóneo para turbinas de baja potencia. Se calculó el diámetro del rotor y se modeló la geometría del álabe mediante la teoría de elemento de pala, obteniendo un diámetro de 1,5 m. Se eligió un rotor de tres alabes permitiendo un coeficiente de potencia de 0,34 y un torque de 32,49 N*m a 78,44 rpm. Se tomó como referencia una velocidad máxima del rio 1,15 m/s desarrollando una potencia de 267 W en el rotor.

1.!INTRODUCCIÓN

Colombia cuenta con una capacidad instalada cerca de 14.4 GW de los cuales un 69.9% es generación hidráulica, 24.8% térmicas a gas, 4.9% térmicas a carbón, 0.4% cogeneradores y 0.1% eólicos [1]. El departamento de Córdoba aproximadamente el 33% de la viviendas no se encuentran en el Sistema de Integración Nacional (SIN) [2], un alternativa para mitigar esta problemática es mediante la producción de energía eléctrica mediante turbinas hidrocinéticas, la cual aprovechan los caudales de los ríos transformando la energía cinética en energía mecánica, está a su vez cuenta con un generador que convierte esta energía mecánica en energía eléctrica, beneficiando a las comunidades cercanas al río dado que mucha no cuenta o es ineficiente el servicio de energía eléctrica dado la topografía de la región, dificultado el acceso de las redes de energía y aumentando los costos de las misma. Este tipo de generación es sostenible con el medio ambiente y una fuente inagotable de energía, siendo una excelente forma de producir energía descentralizada disminuyendo los costos en la generación y transporte de energía, estas ventajas ha permitido la investigación en gran parte del mundo, en Colombia se han realizado varias investigaciones como es el caso mostrado en Referencia [3] donde se diseñó y construyó un prototipo de rotor de eje inclinado utilizando un perfil NACA 4412 para la generación de energía eléctrica a baja potencia, en él realizaron pruebas experimentales en el río Cauca

donde se obtuvo una potencia máxima de 603 W a 1,07 m/s, torque de 68,7 N*m a 1,04 m/s y coeficiente de potencia Cp de 0,51 a 0,8 m/s. Por el departamento de Córdoba pasa el río Sinú el cual presenta velocidades de corriente entre 0,44 y 1,32 m/s en la ciudad de Montería, permitiendo la generación de energía a baja potencia, mediante una alternativa de suministro eléctrico para los hogares beneficiando a las comunidades en sus actividades económicas como el desarrollo de la región, siendo objetivo de este proyecto la selección del perfil alar y diseño de una turbina hidrocinética para la generación de energía eléctrica a baja potencia, adecuándose a las condiciones de corrientes del río Sinú.

2.!MATERIALES Y MÉTODOS

2.1.!Propiedades físicas del río Sinú

Se hicieron investigaciones para determinar las propiedades físicas del río Sinú tales como, la velocidad a distintas profundidades y la profundidad respecto a la orilla, con el fin de establecer los parámetros de entrada para el diseño de la turbina hidrocinética y elegir el lugar idóneo para su alojamiento.

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Se escogió como punto de prueba la estación Mocari en las inmediaciones del centro de investigación piscícola CINPIC de la Universidad de Córdoba, el cual cuenta con un seguimiento del comportamiento del río en los últimos años, siendo un lugar propicio para la creación de un banco de pruebas para la turbina hidrocinética, además beneficie a la comunidad estudiantil de dicha universidad, registrando el caudal y velocidad en distintas épocas del año y suministra el perfil característico de las distintas profundidades del río de acuerdo a la Figura. 1.

Figura 1: Distribución de velocidades del río Sinú

Tomada de: Centro de investigación piscícola CINPIC, 2013 Los datos de velocidad y profundidad encontrados fueron usados para hallar el diámetro del rotor, el modelamiento del álabe y cálculo de potencia de la turbina. Donde se tuvo en cuenta que el flujo se hace cero en las superficies laterales del rio y el fondo debido al no deslizamiento en estas y se hace máxima en la mitad del plano de la superficie libre, o línea de fase entre el agua y aire, en canales rectos la máxima velocidad ocurre debajo de la superficie libre aproximadamente a un 25% de profundidad. [4]

2.2.!Selección del perfil hidrodinámico

Para selección del perfil se tomó la familia NACA dado a los numerosos estudios que presentan como datos experimentales de los números de Reynolds (Re), coeficiente de sustentación y arrastre, siendo indispensables para el diseño analítico además de contar con los diagramas polares, los cuales relacionan el ángulo de ataque con el coeficiente de sustentación y arrastre. Criterios para selección del perfil son las siguientes:

•! Mejor relación de los coeficientes de sustentación-arrastre, se buscó el perfil que soporte los esfuerzos mecánicos sin sacrificar la sustentación.

•! Simplicidad en su forma y facilidad de construcción permitiendo ahorros en los costos. Los perfiles NACA de la serie 00XX son simétricos respecto a la cuerda, son los más simples en su construcción pero presentan pocas prestaciones aerodinámicas, en cambio los perfiles asimétricos con elevado radio en el borde de ataque tienden a ser planos en el intradós permitiendo facilidades en su construcción, presentando mejor relación entre los coeficientes de sustentación-arrastre.

2.3.!Modelamiento de la turbina hidrocinética

El modelamiento de la turbina por medio de la teoría de elemento de pala se realiza mediante los siguientes pasos:

2.3.1.!Cálculo del diámetro del rotor

El diámetro del rotor se calculó a partir de la ecuación (1),

! =#∙%&

'∙(∙)*∙+,∙-.∙-/0 (1)

Dónde: 12= potencia de salida del rotor (W) 3= velocidad del agua (m/s) 45= eficiencia del generador 467= eficiencia de la transmisión 89 = Coeficiente de potencia. Para ello se tuvieron las siguientes consideraciones:

•! Por ser una turbina de baja potencia se trabajó con un valor medio 150 W como primera aproximación a nuestro resultado, teniendo en cuenta las profundidades del río, como restricción al diseño y que ésta varía a lo largo del año.

•! Se calculó el diámetro del rotor en un rango de velocidades de corriente del río entre 0,45 a 1,15 m/s

•! Un rotor tripala ideal alcanza un coeficiente de potencia 89 = 0.4

2.3.2.!Dimensionamiento del álabe. A partir del perfil hidrodinámico seleccionado se dimensionó la geometría del álabe, teniendo en cuenta la teoría de elemento de pala, una vez calculado el diámetro se conoce la longitud del álabe facilitando el cálculo de las propiedades del álabe mediante los siguientes pasos:

•! Determinación de la relación de pala-radio de rotor.

•! Selección del ángulo de ataque optimo CL MAX mediante el diagrama polar.

•! Se halla el ángulo óptimo de incidencia de un elemento de pala

situado a la distancia r/R mediante la ecuación 2:

:;96 =<

=arctanC(

E

F) (2)

•! La determinación del ángulo de calado que es el ángulo entre

la cuerda del perfil y el plano de rotación del rotor, para una mejorar la facilidad de fabricación del alabe, se decide por una pala geométrica recta haciendo al ángulo de calado constante. El valor del ángulo de calado que se hace constante es tomado del radio eficaz de la pala, aproximadamente r/R= 0,72. [5]

•! Para la obtención del contorno óptimo de un elemento de pala se utiliza la ecuación (3).

H;96 = 8 ∗ K ∗ (1 − NOP:;96) (3)

•! Se halla la cuerda óptima del elemento de pala a la distancia r del eje del rotor mediante la ecuación 4.

8;96 =#(∗7

Q∗RS(1 − NOP:;96) (m) (4)

2.3.3.!Cálculo del coeficiente de potencia. Para calcular el coeficiente de potencia del rotor Referencia [6] propone

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una metodología que consiste en calcular el factor de potencia en el radio eficaz de la pala r/R=0,72 aproximándose al coeficiente de potencia máximo de toda la pala, como se muestra a continuación:

•! Primero se determinan los factores de ralentización del fluido "a" y "b" a partir de las ecuaciones (5) y (6) con la función de contorno en el radio eficaz de la pala recta. Siendo “a” el factor de ralentización en dirección del fluido y “b” el factor tangencial. Los factores a y b del elemento de pala que no trabaja de modo óptimo se calculan con las siguientes fórmulas:

T =E

EUV∙WXYZ[\∙&]^_Z

(5)

` =

E

EaV

[\∙WXY Z

(6)

•! Se calcula la celeridad mediante la ecuación (7) tomando como

referencia la Tabla 1.

b; = Cc∙d

7∙e∙fgh i (7)

•! Después se procede a determinar el factor de potencia en el

elemento de radio eficaz usando la ecuación (8), con lo valores hallados en las ecuaciones (5,6 y 7)

N´9 = 4 ∙ bl< ∙

7

c

<∙ T ∙ ` − 1 (8)

•! Utilizamos el diagrama polar del perfil para obtener los

coeficientes de sustentación "C8m " y arrastre "C8n " de cada elemento de pala, a partir del ángulo de ataque y el número de Reynolds, después de obtener estos valores procedemos hallar la fineza (k) mediante la ecuación (9)

o =+SC∗C(C∗Cp

_

q∗C+p_CUC+rC∗C(C∗Cp_C (9)

Dónde: s: Es el área total del álabe m: Es la longitud del álabe

•! Para la determinación del rendimiento en función de la fineza utilizando la ecuación (10).

nt =Ea

uvCwxfy

EUuvCfghy

(10)

•! También tenemos en cuenta la reducción de potencia provocada por el número infinito de palas mediante la ecuación (11)

4e = 1 −E,={

QP|4

<

=T}N~T4

E

F�

<

(11)

•! Por último el coeficiente de potencia entregado por la turbina

hidrocinética haciendo uso de la ecuación (12)

N9 = N´9 ∙ 4q ∙ 4e (12)

2.3.4.!Determinación Torque del rotor y potencia generada. La metodología para el cálculo del torque del rotor y la potencia generada se calculan de la siguiente manera:

•! Primero se determina la celeridad de diseño mediante la ecuación (13)

b = blCCCC

7

c (13)

•! Hallamos la magnitud de la velocidad local de ataque (vector

C) que produce las fuerzas de sustentación y arrastre utilizando la ecuación (14)

N = (T ∙ ÄCC)C< + (` ∙ b ∙ Ä)< [m/s] (14)

•! Se calcula la resultante de éstas en cada elemento de pala y se multiplica por la distancia del elemento al eje del rotor. Se suman las torques producidas y se multiplica este valor por el número álabes y la velocidad de rotación del rotor lo que da como resultado la potencia de la turbina.

•! Se determinan las fuerzas de sustentación con la ecuación (15) y arrastre ecuación (16)

Ç2C = CE

<∙ É ∙ 3< ∙ Ñ ∙ Np [N ] (15)

ÇdC = C

E

<∙ É ∙ 3< ∙ Ñ ∙ NrCCCC [N] (16)

De donde: É = Densidad del fluido [Kg.m-3] 3= Velocidad del fluido [m.s-1] Ñ = Superficie proyectada del elemento [m2] Np = Coeficiente de sustentación Nr= Coeficiente de arrastre

•! Luego determinamos la fuerza de empuje que es la fuerza axial en dirección del fluido y que actúa en un diferencial de la pala expresándose mediante la ecuación (17):

ΔÇÜ = CΔÇ2 ∙ NOP: + ΔÇd ∙ P|4:CC[N] (17)

Dónde β es el ángulo de incidencia entre el vector de velocidad “c” en el borde de ataque y el plano de rotación.

•! Para la determinación del torque total primero se determina el torque producido en el elemento de pala a partir de la ecuación (18):

á =E

<∙ (ΔÇ2 ∙ P|4: − ΔÇd ∙ NOP:) ∙ (} − ∆}) [N•m] (18)

Dónde: } Es el radio del rotor ∆} Es la distancia del diferencial de la pala al eje del rotor El torque total en el rotor se determina mediante la ecuación (19)

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á6;6dp = á ∙ â [N•m] (19) Dónde: Z: Número de álabes

•! A partir de este se determina la velocidad de rotación óptima o de diseño en rads/s utilizando la ecuación (20):

ä;96 =ãl∙Få∙)

(∙çCC [r.p.m] (20)

Dónde: br Celeridad 3 = Velocidad del fluido ! = Diámetro del rotor de la turbina

•! La potencia de salida se determina mediante la ecuación (21) 1O~|4NéTCn|CPTménT = á6;6dp ∙ ä;96 [Watts] (21) Fue necesario realizar estudios de elementos finitos computacionales en el software SolidWorks versión 2015 a la pala, sometiéndola a esfuerzos aerodinámicos en el extremo de ésta para determinar su resistencia. También se realizaron estudios de fatiga para verificar su ciclo de vida. Para la fabricación se utilizó fundición de aluminio dadas sus características de resistencia a la corrosión, baja densidad y al momento de fundir es de fácil manipulación y moldeado con respecto al acero, mayor resistencia mecánica y rigidez que los polímeros. En nuestro entorno cordobés el proceso de manufactura de este tipo de metales no es muy implementado, sin embargo hay microempresas que utilizan el proceso de fundición como alternativa para compensar con las necesidades de los clientes locales a bajo costo comparándolo con la fibra de carbono.

3.!RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1.! Propiedades físicas del rio Sinú

Tabla 1. Características rio Sinú estación Mocarí

Tomada de: MUTC – un modelo de transporte en ríos: aplicación al río Sinú, 2008

De la Figura 1. se escoge una distancia a la orilla de 3 m y se toma como referencia una profundidad de 0 a 2 metros, en estos puntos es donde la velocidad del rio es máxima. 3.2.! Selección del perfil hidrodinámico

Tabla 2. Características de perfiles NACA serie 4 y 5 a Re= 200.000

Perfil NACA

Espesor máximo

Fineza máxima

Sustentación máxima

Ángulo de ataque

óptimo (è°) 0006 6% 34 0,7 4,25 0009 9% 42,2 0,8 5,75 0012 12% 45,9 1,0 6,5 2412 12% 62,6 1,35 5,25 4412 12% 76,6 1,48 6 23012 12,5% 55,4 1,25 8,75 23018 18% 50,8 1,3 7,5

La Tabla 2. Muestra que el perfil NACA 4412 presenta una mayor relación fineza-espesor por lo tanto este sería el perfil seleccionado en la construcción de la turbina. Esto lo podemos corroborar con otras investigaciones como la realizada por [7], donde se estudiaron los perfiles NACA 0012. 4412, 4415 y 23012 para 180 variaciones de rotor el cual se destacaron los rotores diseñados con el perfil NACA 4412 por su alta velocidad de rotación, también fue usado en rotores de baja potencia en las investigaciónes de [8], [9], [10] y [6]. En la Figura 2 se puede observar la forma del perfil NACA 4412

Figura 2. Perfil NACA 4412, Fuente: http://airfoiltools.com/plotter/index 3.3.! Modelamiento del rotor de la turbina hidrocinética

3.3.1.! Cálculo del diámetro del rotor.

Tabla 3. Diámetro del rotor para potencia de 150 W

Velocidad del río (m/s) Diámetro del rotor(m)

0,4 3,84 0,55 2,84 0,65 2,21 0,75 1,78 0,85 1,48 0,95 1,25 1,05 1,08 1,15 0,94

Dados los valores de la Tabla 3. Se tomó un diámetro de 1,5 metros para el diseño del rotor con ello se garantiza el completo sumergimiento en el rio en cualquier época del año, siendo ubicado a 3 m de la orilla del margen izquierdo y a una profundidad de 1,5 m desde el eje del rotor hasta la superficie según la Figura 1. Con el fin de generar el mayor torque posible al poner en contacto la parte más lejana del alabe con las velocidades máximas del rio. 3.3.2.! Dimensionamiento del álabe del rotor

Estación Caudal (ë=/P) Velocidad (ë/P) Profundidad (ë)

Máx Min Máx Min Máx Min

Mocari 692,09 90,18 1,15 0,45 6,16 2,00

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Para el primer caso se diseñó el perfil con los valores óptimos de los cuales resulta un álabe con la curvatura mostrada en la Figura 3. Esto dificulta su fabricación, para nuestro criterio de diseño se prioriza un álabe de fácil construcción, por lo que tomamos como base los resultados obtenidos en la Figura 3. para el modelamiento de un álabe recto, en la Tabla 4 podemos observar los valores del álabe obtenido.

Tabla 4. Álabe óptimamente diseñado

Diferencial de pala ì(î)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Relación r/radio del rotor ï/ì

0,14 0,29 0,43 0,57 0,71 0,86 1

Ángulo de ataque èCóóò(°)

6 6 6 6 6 6 6

Ángulo de incidenciaCCCCôCóóòC(°)

36,3 23,3 16,7 12,9 10,4 8,8 7,5

Ángulo de calado öCóóòC(°)

30,3 17,3 10,7 6,9 4,4 2,8 1,5

Función de contorno õCóóò

4,9 2,1 1,1 0,6 0,4 0,3 0,2

Cuerda úóóò(ùî) 16,3 13,7 10,6 8,4 6,9 5,9 5,0

La cuerda se linializa entre los valores de r/R=0,36 y r/R=0,84 de la Tabla 4, se expresó la cuerda lineal mediante la ecuación (22). 80û= C N=

7

c+ Nü (22)

Figura 3: Linealización de la cuerda del álabe. Tomada de: Elaboración propia En el primer punto tenemos r/R=0,36 y N= 12,8 cm, por lo tanto

12,8 = C N= ∗ 0,36 + Nü

En Segunda instancia r/R=0,84 y N= 6 cm, entonces

6 = C N= ∗ 0,84 + Nü

Resolviendo el sistema tenemos:

N= = −14,16

Nü = 17,9 Tabla 5. Álabe con ángulo de calado constante y cuerda linealizada

Diferencial de pala ì(î)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Relación r/radio del rotor ï/ì

0,14 0,29 0,43 0,57 0,71 0,86 1,0

Ángulo de ataque èC(°)

32,0 19,0 12,3 8,5 6,1 4,4 3,2

Ángulo de incidenciaôCóóòC(°)

36,3 23,3 16,7 12,9 10,4 8,8 7,5

Ángulo de calado CóóòC(°)

4,35 4,35 4.35 4,35 4,35 4,35 4,35

Función de contorno õCóóò

4,9 2,1 1,1 0,6 0,4 0,3 0,2

Cuerda úC(ùî)

18,1 9,3 8,0 6,7 5,8 5,3 5,0

Coeficiente de sustentación ú¶

0,9 1,47 1,32 1,26 1,2 1,1 1,0

En la Figura 4a se mostran las partes del rotor como es el alabe con la cuerda linel y calado constante y en la Figura 4b el soporte del rotor con las medidas respectivas.

a)! b)

Figura 4. a) Plano de álabe de cuerda lineal y calado constante de aluminio 6061. b) Plano de soporte de rotor de aluminio 6061. Medidas en

mm. Tomada de: autoría propía Según Referencia [11] se comparan el desempeño de una pala curvada y una recta diseñada con el perfil NACA 4412, concluyen que el rendimiento aerodinámico es mayor en álabes curvos pero más allá de esto la sustentación y el arrastre son casi los mismos en los álabes rectos. Por lo tanto es válido diseñar una pala recta obteniendo buenas prestaciones aerodinámicas.

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Figura 5. Esfuerzos de Von Mises en la pala recta. Tomada de:

Elaboración propia

Figura 6. Factor de seguridad en la pala recta. Tomada de: Elaboración propia.

Figura 7. Análisis de fatiga en la pala recta. Tomada de: elaboración

propia Por medio de las figuras 5, 6 y 7 se muestran los diferentes análisis de las propiedades mecánicas del aluminio de fundición, material del cual están constituidos los alabes, estas fueron agregadas a la biblioteca del software,

además se implementó una malla estándar de tamaño de elemento máximo de 9,9 mm, con 45159 grados de libertad (GDL) con una verificación jacobiana de 16 puntos gaussianos con un Solver FFEplus preseleccionado. Para los esfuerzos de Von Mises Figura 5. muestra que no supera el límite elástico para una carga máxima de 267 N que representa la fuerza de sustentación presente en todo el álabe, en la Figura 6. muestra el factor de seguridad el cual presenta un valor mínimo de 1.3 aproximadamente y ocurre en la sección de la pala próxima al soporte del rotor por lo tanto este análisis es aceptable y en la Figura 7. Se realizó un análisis de fatiga utilizando el criterio de Soderberg, por su protección contra la fluencia permitiendo determinar que el aseguramiento de la tensión máxima nunca supera el valor de resistencia a la fluencia del material, generando un ciclo de vida mínimo de 300 mil horas. 3.3.3! Coeficiente de potencia y torque generado

Tabla 6. Coeficiente de potencia de diseño de pala

Propiedades Álabe Óptima Álabe con cuerda con

ángulo de calado

constante

ß 0,6687 0,6687

® 1,0171 1,0171

© 5 5

úó′ 0,583 0,583

õ´óò 0,415 0,415

ú¶ 1,48 1,20

ú¨ò´ò 0,061 0,069

≠ 24,30 17,27

ÆØ 0,7706 0,6689

Æ∞ 0,8821 0,8821

úó 0,4 0,34

Tabla7. Torque generado pala recta

© 0,71

42

1,42

81

2,142

2

2,856

3

3,572

8

4,280

1

5,0096

±≤(î

/≥C)

1,08

21

1,80

29

2,576

7

3,371

5

4,178

8

4,981

1

5,8114

¥≤(î

/≥)

0,79

51

0,77

76

0,772

0

0,769

8

0,769

1

0,767

1

0,7691

ùC(î

/≥)

1,34

28

1,96

35

2,689

9

3,458

3

4,249

0

5,039

8

5,8621

µØC(î∂) 0,00

13

0,00

20

0,002

7

0,003

5

0,004

2

0,005

0

0,0059

∑≥C(∏) 1,79

16

5,60

16

14,40

24

30,60

75

56,76

67

94,72

57

149,06

80

∑ßC(∏) 0,27

92

0,68

79

0,952

9

1,614

5

2,665

0

3,762

1

5,1201

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µ∑πC(∏) 1,60

90

5,41

58

14,06

96

30,19

86

56,31

24

94,19

00

148,45

78

∫C(∏.î) 0,02

09

0,11

90

0,402

6

0,916

9

1,722

1

2,942

3

4,7065

Tabla 8. Potencia generada por rotor de palas rectas

ì´ò´ï ∑π

C(∏) ∑πò´ò C(∏)

∫ò´òC (∏ ∗ î)

Æ´óòC (ïóî)

Æ´óòC (ïߨ/≥)

º(Ω)

Álabe recto

350,25 1050,76 32,49 78,44 8,21 266,89

De acuerdo con las condiciones del rio el valor de la turbina (ver Figura 8.) presenta una potencia de 266,89 W, siendo aceptable para las bajas velocidades del caudal, además el diámetro del rotor es relativamente mediano.

Figura 8. Vista isométrica del rotor. Tomada de: autoría propia La diferencia entre el rendimiento (coeficiente de potencia) de un diseño y el otro es de 15% la cual es muy buena, considerando la geometría recta del álabe, aunque el diseño de pala rectangular es aproximadamente 42% inferior al de un rotor ideal (límite de Betz). El rendimiento mostrado por Referencia [6], en comparación con un roto ideal es 47% menor. Las diferencia entre los valores de una investigación y la otra refleja que la teoría de elemento de pala es un método válido para el diseño de rotores, como se muestra también en el trabajo hecho por Referencia [12], donde se comparó un modelo matemático con base a esta teoría y resultados de datos experimentales, permitiéndoles optimizar las prestaciones del rotor, y la investigación realizada por Referencia [13], donde se utilizó un software basado en la teoría de elemento de pala para diseñar una turbina de eje horizontal de 300 kW y validarla con dinámica de fluidos

computacionales donde se verificó que el cálculo mediante el método BEM (moment element blade) es fiable, en la cual se obtuvo un diseño óptimo con una eficiencia del 50,5%.

4. CONCLUSIONES

Se seleccionó el perfil alar NACA 4412 ya que presentó una buena relación fineza-espesor considerable entre un conjunto de contornos de la familia NACA serie 4 y 5 dígitos comparados anteriormente. El estudio se basó considerando la tendencia de mayor fineza a perfiles de espesores aceptables tomando como énfasis una buena resistencia mecánica. La metodología de cálculo de la teoría de elemento de pala combinada con la teoría de momento de pala permitió realizar el diseño del rotor tripala de 1,5 m de diámetro con perfil NACA 4412 a velocidades del rio entre 0,45-1,15 m.s-1. Para obtener una pala de fácil construcción se optó por diseñar el álabe con el ángulo de calado constante y cuerda linealizada permitiendo un coeficiente de potencia de 0,34 que puede llegar a desarrollar una potencia máxima de salida del rotor de 267 W. La potencia generada por la turbina hidrocinética se encuentra en los valores menores de 266,89 W (por efecto de las pérdidas de rozamiento) como para surtir a una gran población, debido a las velocidades fluctuantes de velocidad de corriente del rio Sinú, para esto se necesita mejorar el ángulo de calado para aumentar el aprovechamiento de la energía. El diseño de pala óptima con perfil NACA 4412 y las mismas especificaciones anteriores, dio como resultado un coeficiente de potencia de 0,4, es decir, 15% más eficiente que una pala recta, este valor es muy confiable ya que se usan valores óptimos para su desarrollo y se mantiene una fineza máxima constante a lo largo de toda la pala. La desventaja que este presenta es que el ángulo de calado con el cual se construye el álabe es variable, por lo tanto, da como resultado una pala de geometría torsionada que dificulta su fabricación. El material seleccionado de los ejes son de acero inoxidable AISI 410, éstos poseen una buena resistencia mecánica, sin embargo, se debe tener en cuenta que el eje del rotor al ambiente del río podría generar corrosión de tipo erosivo producto de la interacción de las moléculas del agua en las zonas de contacto del eje con las piezas adyacentes a ésta.

RECONOCIMIENTOS

A la Universidad de Córdoba, a la Vicerrectoria de Investigación y Extensión por el apoyo economico y al Departamento de Ingeniería Mecánica

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