NDICERESUMEN...31. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.41.1. TEMA DE INVESTIGACIN.52. FORMULACIN DEL PROBLEMA..52.1. PROBLEMA GENERAL.53. OBJETIVOS DE L INVESTIGACIN...63.1. OBJETIVO GENERAL...63.2. OBJETIVO ESPECIFICOS...64. JUSTIFICACIN..64.3. RAZONES QUE MOTIVAN LA INVESTIGACIN.64.2. IMPORTANCIA DEL TEMA DE INVESTIGACIN75. MARCO DE REFERENCIA....85.1. ANTECEDENTES85.2. MARCO TERICO.......125.3. MARCO CONCEPTUAL......24 5.3.1. DEFINICIONES CONCEPTUALES.......24 5.3.2. DEFINICIONES OPERACIONALES.............256. HIPOTESIS.26.1. HIPOTESIS GENERAL...267. DISEO METODOLGICO.261. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 7.1. TIPO DE INVESTIGACIN.26 7.2. NIVEL DE INVESTIGACIN26 7.3. DISEO DE LA INVESTIGACIN26 7.4. POBLACIN Y MUESTRA27 7.5. UNIDAD U OBJETO DE OBSERVACIN..27 7.6. TCNICAS DE RECOLECCIN DE DATOS29 7.7. TCNICAS DE ANLISIS DE DATOS...298. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS..308.1. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES..309. ANEXO....319.1. MATRICES DE FORMULACIN31 9.2. MATRIZ DE CONSISTENCIA..33

RESUMENLos sistemas mini-hidrulicos para la generacin de energa elctrica son opciones muy interesantes para poblaciones que no tienen acceso a la red elctrica convencional y adems son muy atractivos debido al reducido impacto ambiental. Existe una amplia gama de tipos de mini y micro-turbinas que se pueden aplicar a estas condiciones.La modelacin computacional del flujo en el interior de micro-turbinas michell-banki permite analizar y evaluar la incidencia del flujo en labes para diferentes situaciones. A travs de estos resultados se pueden plantear modificaciones en el diseo analizando la energa transferida por parte del fluido a la turbomquina y su eficiencia hidrulica.Los resultados muestran que se puede obtener un incremento en la eficiencia, modificando el tamao de los labes para obtener la mayor eficiencia de la mquina. Los modelos fsicos permiten caracterizar las diferentes situaciones que se puedan presentar en los lugares donde se instalen y realizar investigaciones.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAEn el contexto micro la situacin desmejora debido a que los proyectos de explotacin en pequeas escalas o de micro-aprovechamientos se caracterizan por; primero, relacionarse con una baja rentabilidad, lo que conlleva un bajo inters en la inversin de este tipo de proyectos; segundo, por un desconocimiento de las tecnologas adecuadas para llevar adelante este tipo de explotacin; y tercero por la insuficiencia en la tecnologa especfica adecuada a la regin, lo que ocasiona el uso de tecnologa de importacin con costos elevados y bajos rendimientos, por no ajustarse a la realidad y caractersticas de la zona en estudio, por lo que en el presente estudio se busca mejorar esa situacin.

El presente trabajo se refiere a un tipo de turbina que se utiliza en centrales que se encuentran por debajo de las pequeas, en lo que a potencia se refiere, denominada micro-central, dado que el principal componente de un aprovechamiento hidroelctrico es la turbina hidrulica es necesario abordar los conceptos y diferencias de cada tipo para elegir el ms adecuado para cada caso.

La investigacin planteada por Miguel ngel Vargas Cruz en su tesis Diseo y construccin de un prototipo de generacin elctrica basado en una micro-turbina pelton, nos proporciona una herramienta de estudio y nos da a conocer ms sobre el diseo de las microturbinas y como realizarlas para solucionar diferentes problemas planteados en la sociedad.Dentro de los diferentes tipos de mquinas para mini y micro aprovechamientos hidrulicos se encuentran las turbinas Michell-Banki (Turbina de flujo transversal), fue concebida y patentada por el Ingeniero australiano A. George Maldon Michell en 1903, y posteriormente el profesor Donat Banki de la Universidad Tcnica de Budapest quien la desarroll y difundi entre 1917 y 1919. La turbina fue perfeccionada posteriormente tanto hidrulica como mecnicamente por la casa Osserberg de Baviera (Alemania Occidental), quienes desarrollaron el modelo Michell-Ossberger de la turbina, y as la transformacin de la turbina Michell-Banki se puede ir modificando y transformando de acuerdo al gusto del diseador, y es as como se realizara esta investigacin.

1.1. TEMA DE INVESTIGACINDisear el rotor, el inyector, el eje y la carcasa de una microturbina Michell-Banki para generar energa elctrica en las zonas rurales aisladas.

2. FORMULACIN DEL PROBLEMA2.1. Problema GeneralCmo disear una microturbina Michell-Banki para generar energa elctrica en las zonas rurales aisladas?

3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN3.1. Objetivo GeneralDisear una microturbina Michell-Banki para generar energa elctrica en las zonas rurales aisladas.3.2. Objetivos EspecficosDeterminar las caractersticas de las microturbinas factibles de realizar en la regin.Contribuir a la expansin de la aplicacin de la energas renovables, especficamente en el campo de mini y micro hidrulica como opcin de generacin de energa para zonas rurales aisladas. Revisar las formulaciones existentes, relaciones y supuestos que rigen el funcionamiento de la turbina Michell-Banki.Desarrollar un modelo matemtico empleando el software Ansys CFX de elementos finitos para modelar el comportamiento del flujo en una microturbina Michell-Banki para diferentes situaciones.Instalar una turbina Michell-Banki, disear un banco de pruebas y realizar ensayos preliminares.

4. JUSTIFICACIN4.1. Razones que motivan la investigacinEn Per existe un alto potencial de fuentes energticas renovables y es posible establecer escenarios tecnolgicos y econmicamente factibles, con grandes ventajas ambientales. Las microturbinas hidrulicas pueden ser utilizadas en todas las zonas del pas donde se dispone de arroyos con saltos y condiciones naturales adecuadas para su instalacin.Existen diversas reas rurales marginales que presentan inconvenientes en el suministro elctrico por medio de lneas convencionales de distribucin, esto se debe a que las mismas poseen un alto costo, para una baja densidad de poblacin, lo que conduce a que estos habitantes no gocen de los beneficios que provee la electricidad. La produccin de energa elctrica en las zonas rurales marginales puede realizarse aprovechando la energa disponible en un salto hidrulico con mini turbinas hidrulicas.

4.2. Importancia del tema de investigacinEs importante debido a que es de gran inters el acceso a la energa elctrica en zonas rurales a las que no llega el sistema interconectado de la red elctrica nacional, por lo que el diseo de la microturbina Michell-Banki con mayor rango de funcionamiento es una buena opcin, no solo por su bajo costo y facilidad de construccin, si no para aprovechar y no desperdiciar la energa hidrulica disponible a pequea escala.

5. MARCO DE REFERENCIA 5.1. ANTECEDENTES5.1.1. Tesis: Diseo de un mdulo interactivo de generacin hidrulica de energa elctrica.Presentado por Juan Fernando Lopz Lopz para obtener el ttulo de Ing. Mecnico en la Universidad Tecnolgica de Pereira, Colombia, el 8 de febrero del 2007, la tesis nos presenta lo siguiente: Se utilizaron principios fsicos para la generacin de energa elctrica como la energa hidrulica y la energa mareomotriz. El sistema de funcionamiento del mdulo es un circuito cerrado, que opera con una bomba centrifuga autocebante, la bomba centrifuga toma el agua por el tubo de aspiracin o succin y dependiendo de las revoluciones y potencia del motor acoplado a la bomba, aumenta la presin del fluido y proporciona a este se acopla una tobera al final de la tubera de descarga elevando la energa cintica del chorro para impactar en las cucharas de la turbina hacindolas girar. El proyecto se elabor en cuatro etapas: recopilacin de datos, elaboracin del diseo conceptual y mecnico, costos, elaboracin del proyecto. La turbina dispone de una carcasa para evitar salpicadura de agua y aprovecharla para la conduccin del agua por efecto de la gravedad al mismo depsito de toma de agua de la bomba, siendo un proceso cclico y repetitivo.5.1.2. Tesis: Diseo y construccin de un prototipo de turbina para generacin de energa elctrica en una micro plantaPresentado por Gonzalo Orozco Aceves para obtener el ttulo de Maestro en ciencias en Ingeniera Mecnica en el Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F., el 14 de abril del 2011, la tesis nos presenta lo siguiente: Se realizaron dos propuestas al desarrollar la tesis, el diseo de la turbina para generar energa que satisfaga la demanda total instantnea y el almacenamiento de energa. La finalidad de este trabajo es la propuesta de un dispositivo que aproveche la energa proveniente de un rio en el cual se vierten desechos industriales para la generacin de corriente elctrica. Se hizo el clculo para el eje de transmisin, el acoplamiento y los elementos necesarios para conectar el dispositivo al generador, as como el diseo por resistencia de los alabes por medio de la teora de fatiga para la obtencin de un espesor adecuado que soporte el trabajo continuo a travs de periodos de trabajos largos. Se construy un modelo a escala con medidas y valores obtenidos por medio de las leyes de semejanza para observar su funcionamiento y ampliar el criterio obtenido con el fin de hacer un diseo altamente eficiente.5.1.3. Tesis: Diseo y construccin de un prototipo de generacin elctrica basado en una micro-turbina peltonPresentado por Miguel ngel Vargas Cruz para obtener el ttulo de Ing. Electricista en la Universidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo, en enero del 2011, la tesis nos presenta lo siguiente: Crearon un diseo a escala tomando en cuenta aspectos tericos relevantes como son la geometra de los alabes, numero de alabes, dimetro del rodete, y algunas otras caractersticas lo cual obtuvieron un comportamiento ms cercano a un dispositivo de tamao real. El propsito de ese prototipo fue la de proporcionar una herramienta de estudio as como de pruebas. El prototipo construido fue un sistema de generacin basado en la energa hidrulica cuyo aprovechamiento estar a cargo de una turbina pelton que ser acoplada a un generador elctrico para la produccin de energa elctrica. Se acopla una mquina de corriente directa a la turbina configurada como generador para generar energa elctrica, se realizan mediciones de voltaje generado por el sistema, estos datos son comparados con los q se obtienen utilizando un motor de corriente directa como pri-motor en lugar de la micro-turbina. As con estas pruebas obtuvieron resultados que son reportados en la tesis.

5.1.4. Tesis: Diseo de cajas espirales de seccin circular para turbinas hidrulicas normalizadasPresentado por Lopz S. Ricardo A. para obtener el ttulo de Ing. Mecnico en la Universidad Central de Venezuela, Venezuela, en el 2003, la tesis nos presenta lo siguiente: El objetivo principal de este trabajo fue realizar un diseo de cajas espirales de seccin circular para turbinas hidrulicas normalizadas en funcin del nmero especfico de revoluciones. El mtodo por medio del cual se disea geomtricamente este rgano principal es el mtodo geomtrico del Prof. Stefan Zarea, varindose el tipo de espiral y las condiciones de borde necesarias para definir correctamente la geometra y el comportamiento mecnico de la caja espiral. Entre las variables que fueron objeto de estudio en este trabajo se encuentran las prdidas hidrulicas, esfuerzos, distribucin de velocidades y presiones; obtenindose como resultados que las espirales con mejor comportamiento mecnico fueron las espirales de Galileo. En el presente trabajo se hizo nfasis en el diseo de cajas espirales sin dejar de lado algunos criterios de normalizacin de turbinas Francis ya que en los momentos actuales se recurre a esto para producir turbinas en serie.

5.2. MARCO TERICO5.2.1. EnergaLa energa es una propiedad de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cul ste puede transformarse, modificando su estado o posicin, as como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformacin.La energa puede tener distintos orgenes y, dependiendo de ellos se le denomina de una forma u otra: Energa cintica: Asociada al movimiento de los cuerpos. Energa potencial: Es la posicin dentro de un campo de fuerzas. Energa interna: Temperatura de los cuerpos. Energa luminosa: Radiacin solar. Energa nuclear: Se encuentra en los procesos de fusin (unin de ncleos) o fusin (ruptura de los ncleos) que tienen lugar en el interior de los tomos.

5.2.2. Energa elctricaActualmente en casi todas las actividades que realizamos los seres humanos, utilizamos la energa elctrica para satisfacer nuestras necesidades y para mejorar el nivel de vida.La energa elctrica es una forma de energa basada en la generacin de diferencias de potencial elctrico entre dos puntos, que permiten establecer una corriente elctrica entre ambos.Esta energa es una de las ms utilizadas debidos principalmente a la facilidad de transportarla, para convertirlas en otras energas y para producirla tambin a partir de diversas fuentes.La generacin de energa elctrica se lleva a cabo mediante diferentes tecnologas. Las principales aprovechan un movimiento rotatorio para generar corriente alterna en un alternador o generador elctrico. El movimiento rotatorio puede provenir de una fuente de energa mecnica directa, como la corriente de un salto de agua, el viento, o de un ciclo termodinmico.

5.2.3. Energa hidrulicaSe denomina energa hidrulica o energa hdrica a aquella que se obtiene del aprovechamiento de la energa cintica y la energa potencial de la corriente de ros, saltos de agua o mareas, siendo la energa renovable ms utilizada en todo el mundo.Se le denomina energa renovable ya que no se hace un uso consuntivo del recurso gracias al ciclo hidrolgico natural o ciclo del agua que se rige por el sol, desde el calentamiento del agua de ocanos, mares y ros con su consiguiente evaporacin, hasta las precipitaciones, escorrentas y aguas subterrneas que devuelven el agua a estas masas de agua.El aprovechamiento de la energa hidrulica data de la poca de los griegos, quienes empleaban la rueda hidrulica horizontal de eje vertical llamada noria o molino griego, inventada por Filn de Bizancio en el siglo III a.C, para bombear agua.La palabra hidrulica viene del griego hydrauliks que, a su vez, viene de hydraulos (tubo de agua), palabra compuesta por hydor (agua) y aulos (tubo).Posteriormente los romanos desarrollaron el tipo de molino hidrulico o rueda hidrulica vertical con eje horizontal y que se comenz a construir en el siglo I a. C. por el ingeniero Marco Vitruvio.Durante la edad media, la rueda hidrulica fue ampliamente usada en Europa para una gran variedad de usos industriales como: accionar molinos de cereales y minerales, en aserraderos, molinos con martillos para trabajar el metal, batanadura de la lana, entre otros.Con la Revolucin Industrial, especialmente a partir del siglo XIX, la hidroelectricidad comenz a cobrar mayor importancia, impulsando las industrias textiles, de cuero y los talleres de construccin de mquinas. Las ruedas hidrulicas deben gran parte de su desarrollo al ingeniero civil britnico John Smeaton (1724-1792), quin construy por primera vez grandes ruedas hidrulicas de hierro colado.En 1837 se instalaba la primera turbina hidrulica, construida por el ingeniero francs Bnoit Fourneyron, tras sus mejoras desde que la inventara en 1827. En 1848, el ingeniero britnico James B. Francis perfeccionaba el diseo con un 90% de eficiencia. La Turbina Francis, es de las turbinas hidrulicas la ms utilizada en todo el mundo, principalmente en las grandes centrales hidroelctricas.En 1881, se provea de suministro elctrico pblico por primera vez en el mundo, en la ciudad de Godalming, Surrey, GB, con el Molino Westbrook, que iluminaba sus calles.El sistema funcionaba con una rueda hidrulica en el ro Wey y un alternador de corriente alterna de Siemens.Ese mismo ao, se instalaba una pequea estacin hidroelctrica en las Cataratas del Niagara, EE.UU, que adems de proveer de luz al pueblo, tambin suministraba electricidad a varios molinos.La energa hidrulica volva a resurgir a principios del siglo XX gracias al desarrollo del generador elctrico y el perfeccionamiento de la turbina hidrulica, adems del aumento de la demanda elctrica.En el ao 1920, las centrales hidroelctricas ya generaban parte importante de la produccin total de electricidad, y hasta mediados del siglo XX, la hidrulica era la principal fuente de energa elctrica a gran escala.A principios de la dcada de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canad y Estados Unidos.Las grandes centrales tienen un gran impacto ambiental, aunque en s mismas no son contaminantes pues no emiten CO2, sin embargo, su construccin produce numerosas alteraciones del territorio, de la fauna y de la flora. Es por esto que se deben realizar constantes estudios medioambientales y planificar nuevas medidas para disminuir o reducir el impacto medioambiental.Los proyectos de centrales hidroelctricas implica la inversin de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbn o el petrleo son baratos. Sin embargo, las bajas emisiones de una vez construido el complejo hidrulico, junto con el bajo mantenimiento que precisan, centran la atencin en esta fuente de energa.

5.2.4. Centrales de generacinEl servicio a la demanda energtica de un sistema elctrico se satisface con la aportacin de numerosos centros de generacin de diferentes tipos, capacidades y condiciones operativas.Las centrales de generacin, en las que se transforma la energa primaria en energa elctrica, se pueden clasificar en dos grandes grupos:a) Centrales trmicas (CT), que utilizan como fuente de energa recursos no renovables, como los combustibles fsiles o energa nuclearb) Centrales que utilizan como fuente energtica recursos renovables es decir la energa potencial de las corrientes de aguas, la energa elica o la energa solar.La nica energa renovable que en la actualidad puede satisfacer una parte, minoritario pero significativa, de la demanda es la energa de origen hidrulico, la cual puede ser utilizada con unos costes competitivos con la energa trmica y, contabilizada a escala mundial, existe una amplia disponibilidad de recursos an no utilizados. La produccin anual de energa elctrica en el mundo es de unos 2.600 TWh/ao, lo que representa casi el 95% de la energa generada a partir de recursos renovables y algo ms del 20% de la generacin total de energa electica mundial (Cuesta Diego, y otros, 2000).El agua, bajo la forma lquida o de vapor, es el fluido del que ms se sirve el hombre en los procesos de conversin de energa. Se aprovecha la energa del agua de los ros, transformndola en electricidad en plantas o centrales hidroelctricas; se beneficia tambin su energa, en forma de vapor, en las plantas o centrales termoelctricas (Polo Encinas, 1976).La energa hidroelctrica, adems de renovable y no contaminante, es de excelente calidad, puesto que es de utilizacin muy simple y eficiente y puede ser regulada con facilidad para ajustar la generacin a la demanda.La utilizacin de la energa hidrulica est limitada por su disponibilidad por lo que, en general, este tipo de energa slo puede proporcionar una parte reducida de la demanda total del mercado, entre el 10 y el 30 %.

5.2.5. Utilizacin de la Energa HidrulicaEl calor que el sol irradia sobre la tierra evapora grandes cantidades de agua de los mares, lagos, ros, superficies de tierra, plantas, etc. Este vapor de agua distribuida, por los vientos en la atmosfera, al descender la temperatura de esta, se condensa en gotas de agua, o se solidifica en cristales de hielo, y precipita sobre la tierra en forma de lluvia, nieve o granizo. El ciclo hidrolgico contina con la formacin de arroyos y ros que descienden desde las montaas a las llanuras y al mar, completndose de esta manera el ciclo termodinmico (caldera: sol; condensador: atmsfera).Es posible aprovechar parte de la energa del ciclo hidrolgico en su proceso de transformacin y obtener trabajo til, que de otra manera se perdera en rozamientos, por ejemplo en los sedimentos y las rugosidades del cauce de un ro. El agua que evoluciona en el ciclo, en un punto determinado del mismo , por ejemplo en una estacin determinada de un ro, posee energa cintica y energa potencial; la primera es prcticamente despreciable, porque nunca suele exceder 20 J/Kg (la velocidad de corriente de un ro, incluso en zonas torrenciales no suele exceder los 5 m/s y la altura dinmica sera entonces del orden de 2 m), mientras que la energa potencial puede aprovecharse en una turbina ya que puede superar los 3000 J/Kg (desniveles geodsicos de ms de 300 m).

5.2.6. Turbina Michell-BankiLa turbina se desarroll en forma paralela por el hngaro Donat Banki, por el alemn Fritz Ossberger y el australiano Anthony George Michell Maldon.La turbina fue basada en la teora de Poncelet, ingeniero francs (1788-1867) quien desarroll la clsica rueda hidrulica de eje horizontal (Poncelet, 1938). Esta turbina puede describirse como de accin, de flujo transversal, de doble paso o efecto, de admisin parcial y de flujo radial centrpeto-centrfugo.Su caracterstica principal es que un amplio chorro de agua de seccin rectangular incide dos veces, cruzando por el interior del rotor, sobre los labes. La diferencia fundamental respecto a tras turbinas es que no se reproduce deflexin axial del agua, la que se mueve sobre planos perpendiculares al eje del rotor Es utilizada principalmente para pequeos aprovechamientos hidroelctricos. Sus ventajas principales estn en su sencillo diseo y su fcil construccin, lo que la hace atractiva en el balance econmico de un aprovechamiento a pequea escala. No obstante, esto no impide que la turbina se utilice en grandes instalaciones y actualmente existen mquinas de este tipo de hasta 6 MW.Las principales caractersticas de esta mquina son las siguientes: La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango. Puede operar en amplios rangos de caudal y altura sin variar apreciablemente su eficiencia. El dimetro de la turbina no depende necesariamente del caudal. Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeas turbinas. Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un labe ajustable. Su construccin es sencilla, pudiendo ser fabricada en pequeos talleres.

5.2.6.1 ComponentesA continuacin de describen los componentes de la turbina Michell-Banki:1. CarcasaLa carcasa de la turbinas Michell-Banki es totalmente construida en acero extremadamente robusto y resistente a los impactos, para evitar posibles deformaciones en todo el conjunto. Para obtener una estructura rgida las chapas son ajustadas y abulonadas antes de la soldadura.2. InyectorEl inyector posee una seccin transversal rectangular que va unida a la tubera por una transicin rectangular - circular. El inyector es el que dirige el agua hacia el rotor a travs de una seccin que toma a una determinada cantidad de labes del mismo, y que gua el agua para que entre al rotor con un ngulo determinado obteniendo el mayor aprovechamiento de la energa.Esta conduccin deber poseer una buena aceleracin y una distribucin de velocidades uniforme en la seccin de salida, as como un bajo nivel de prdidas de carga, para lograr la mayor transformacin posible de energa potencial en energa cintica.El inyector puede tener distintas geometras diferenciadas fundamentalmente por el ngulo de admisin y el rgano de regulacin que posea, si es que ste existe.3. RotorSe trata de la pieza ms significativa de esta turbina. Est equipado con una serie de labes de acero lijado y perfectamente pulido. Los labes estn soldados a unos discos laterales mediante un proceso que precisa un especial cuidado. Existen estudios realizados que presentan un nmero ptimo de labes que estn en funcin del dimetro del rotor, stos varan ente 22-28 (Instituto Nacional de Energa, 1986). El perfil curvado de estos labes, hace que se produzca una fuerza axial limitada, de forma que se puede prescindir de un eje axial reforzado, que podra acarrear una complicada fijacin.En rotores anchos los labes son reforzados con varios discos. Antes del montaje final se equilibran los rodetes cuidadosamente y se realiza un control defectoscpico.4. EjeLas turbinas Michell-Banki estn equipadas con un eje horizontal pasante, anclado bilateralmente a dos cojinetes de empuje. Es decir que el flujo pasa a travs de la parte interna del rotor. Esta construccin, por ms que se tomen cuidados, no elimina la interferencia que causa el eje al flujo del agua, lo que disminuye el rendimiento.Los cojinetes absorben todos los esfuerzos axiales derivados de la turbina, para posteriormente transmitirlos a la cimentacin. Al mismo tiempo el rodete est centrado en el eje, y por tanto, entre ambos cojinetes.Otro tipo de eje es el que se llama, eje bridado, que exige un cuidado mayor durante la fabricacin, tanto en el posicionamiento y como en la fijacin de las bridas a los discos laterales del rotor. Estas deben estar alineadas para el montaje de los rodamientos, con el objeto de evitar posibles vibraciones indeseables para la estabilidad del conjunto. En este tipo de eje es importante hacer una comprobacin de la rigidez de la pieza, ya que sta se ve perjudicada por la falta del eje pasante.

5.2.6.2. Principio de funcionamientoLa turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor. El rotor est compuesto por dos discos paralelos a los cuales van unidos los labes curvados en forma de arco circular (Fernandez Mosconi, y otros, 2003).El inyector posee una seccin transversal rectangular que va unida a la tubera de aduccin por una transicin rectangular - circular. Este inyector es el que dirige el agua hacia el rotor a travs de una seccin que abarca una determinada cantidad de labes del mismo, y que gua el agua para que entre al rotor con un ngulo determinado, obteniendo el mayor aprovechamiento de la energa.La energa del agua es transferida al rotor en dos etapas, lo que tambin da a esta mquina el nombre de turbina de doble efecto, y de las cuales la primera entrega un promedio del 70% de la energa total transferida y la segunda alrededor del 30% restante. Finalmente, el agua es restituida mediante una descarga a presin atmosfrica.

5.2.6.3. Campo de aplicacinLa turbina Michell-Banki permite aprovechar econmicamente saltos de baja potencia siendo por esto recomendable para su uso en pequeas centrales, adems de poseer buena eficiencia a cargas parciales.Fundamentalmente su aplicacin se destina a la produccin de energa elctrica en pequea escala, o en otros casos, su eje se acopla por correa a otros dispositivos mecnicos, y la energa mecnica obtenida se utiliza directamente en trabajos de taller.El campo de aplicacin cubre un sector de la demanda que dejan libres otros tipos de mquinas, como se aprecia en los grficos proporcionados por los fabricantes.

5.2.7. Modelo Computacional de la Turbina Michell-Banki5.2.7.1. Dinmica Computacional de Fluidos (CFD)Existen dos mtodos fundamentales para disear y analizar sistemas de ingeniera que son: la experimentacin con la construccin de modelos y el clculo, que implica la resolucin de ecuaciones. Ambos mtodos se complementan entre s, obteniendo propiedades globales (potencia, presin, fuerza de arrastre, etc.) experimentalmente y mediante el clculo, teniendo detalles acerca del campo del flujo como perfiles de presin, velocidad, lneas de corrientes y otros. Las cantidades globales obtenidas mediante el clculo son posteriormente verificadas con los datos experimentales.La Dinmica Computacional de Fluidos, (CFD por sus siglas en in ingls) es el clculo de ecuaciones diferenciales del flujo de fluidos mediante el uso de computadoras que a la vez permiten hacer la representacin del flujo y predecir su comportamiento. Usando CFD es posible construir un modelo computacional que represente el desarrollo del flujo en un sistema o en un equipo que se quiera estudiar. Despus se especifican las condiciones fsicas y qumicas del fluido al prototipo virtual y el software entregar la prediccin de la dinmica del fluido. La herramienta CFD ofrece la capacidad de simular flujos de gases, lquidos, transferencia de masa y calor, cuerpos en movimiento, fsica multifases, reacciones qumicas, interaccin fluido-estructura y acstica a travs de la modelacin en el computador.En el proceso de la dinmica computacional de fluidos se aproxima una variable continua en un nmero finito de puntos, lo que se conoce comnmente discretizacin. Las posibilidades de aplicacin de la CFD a los distintos procesos son innumerables, algunos ejemplos son: Recursos hdricos: flujos de fluidos, turbo maquinara, hidrulica fluvial, costera entre otras. Medio ambiente. Sistemas de calefaccin, ventilacin, climatizacin y refrigeracin Aeroespacial/Defensa: perfiles de alas, misiles y estudios de aerodinmica externa. Industria agroalimentaria: procesado y envasado de alimentos, diseo de equipos. Industria automocin: aerodinmica, combustin en motores, componentes. Energa: petrleo, gas, nuclear, generacin elctrica, clulas de combustible. Industria qumica: combustin, filtracin, mezcla, separadores, reactores Industria electrnica: semiconductores, enfriamiento de elementos Industria biomdica. Industria naval. Industrias del metal. Industria deportiva: automovilismo, vela, estadios. Control de polvos.

5.3. MARCO CONCEPTUAL5.3.1. Definiciones conceptuales5.3.1.1. Microturbina Michell-BankiEsta turbina puede describirse como de accin, de flujo transversal, de doble paso o efecto, de admisin parcial y de flujo radial centrpeto-centrfugo.Su caracterstica principal es que un amplio chorro de agua de seccin rectangular incide dos veces, cruzando por el interior del rotor, sobre los labes. La diferencia fundamental respecto a tras turbinas es que no se reproduce deflexin axial del agua, la que se mueve sobre planos perpendiculares al eje del rotor.Es utilizada principalmente para pequeos aprovechamientos hidroelctricos. Sus ventajas principales estn en su sencillo diseo y su fcil construccin, lo que la hace atractiva en el balance econmico de un aprovechamiento a pequea escala. No obstante, esto no impide que la turbina se utilice en grandes instalaciones y actualmente existen mquinas de este tipo de hasta 6 MW.

5.3.1.2. Energa elctricaSe denominaenerga elctricaa la forma deenergaque resulta de la existencia de unadiferencia de potencialentre dos puntos, lo que permite establecer unacorriente elctricaentre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor elctrico. La energa elctrica puede transformarse en muchas otras formas de energa, tales como la energa lumnicaoluz, laenerga mecnicay laenerga trmica. Tiene como indicadores: voltaje, amperaje y resistencia.5.3.2. Definiciones operacionales5.3.2.1. Microturbina Michell-BankiFuerza motriz: es la fuerza que puede transmitir un medio a un objeto.Presin del agua: La presin del agua es la fuerza que ejerce la misma sobre un objeto determinado.Revoluciones: Vueltas que se dan en un tiempo.5.3.2.2. Energa ElctricaVoltio : El voltio se define como ladiferencia de potenciala lo largo de un conductor cuando unacorrientede un amperioutiliza unvatiodepotencia. Amperaje: Se define como la cantidad de corriente o flujo de electrones q fluyen por un conductor. El amperaje o corriente elctrica es directamente proporcional al voltaje.Resistencia: Es la dificultas o facilidad con la que un material permite el paso de electrones al paso de corriente elctrica.6. HIPTESIS6.1. Hiptesis GeneralSi se disea una microturbina Michell-Banki mediante un modelo computacional y aprovechando el recurso hdrico entonces se obtendr la energa elctrica para las zonas rurales aisladas.7. DISEO METODOLGICO 7.1. Tipo de investigacinEl tipo de investigacin que se implementara es tecnolgico debido a que al disear la microturbina Michell-Banki, esta se pondr en funcionamiento en las zonas rurales aisladas.7.2. NIVEL DE INVESTIGACINEl nivel de la investigacin es experimental debido a que se evaluara el debido funcionamiento correcto de nuestro diseo en las zonas rurales aisladas.7.3. DISEO DE LA INVESTIGACINEl diseo de la investigacin ser cuasi-experimental con el uso de post facto sin grupo de control, el diagrama se muestra a continuacin:GE X O1Dnde: X: diseo de la microturbina Michell-Banki O1: observacin de la energa elctrica en el grupo experimental7.4. POBLACIN Y MUESTRA La poblacin y muestra est constituido por el objeto de estudio que es el diseo de la microturbina Michell-Banki.7.5. UNIDAD U OBJETO DE OBSERVACIN7.5.1. CAJA NEGRA

Carencia de energa Diseo de una microturbina Abastecimiento de elctrica Michell-Banki energa elctrica

7.5.2. CAJA BLANCA

+ Rotor Liquido Equipo ++ GeneradorFluyente + + hidromecnico + Alabes

7.5.3. CUADRO DE FUNCIONESATRIBUTOSFUNCIONES

ROTORSu funcin es generar pulsos o electroimanes que se convierten en ciclaje de voltaje.

GENERADORSu funcin es aportar energa elctrica cuando se carece de un punto de alimentacin.

ALABESSu funcin es la de conducir la corriente fluida al rodete con unavelocidadadecuada enmduloydireccin, transforman parte de la energa de presin en energa cintica y, en aquellos casos en que los labes son orientables, tambin permiten regular el caudal.

EQUIPO HIDROMECNICOSu funcin es la de transformar la energa potencial de la corriente de agua, en energa mecnica giratoria que se transmite por un eje al generador de corriente.

LIQUIDO FLUYENTEEn general son las aguas de los ros, canales, etc. Y su funcin es hacer girar los alabes de la turbina con la presin a la que se le introduce.

7.5.4. SINTESIS DE FUNCIONESATRIBUTOPRINCIPALSECUNDARIO

ROTORX

GENERADORX

ALABESX

EQUIPO HIDROMECNICOX

LIQUIDO FLUYENTEX

7.6. TCNICAS DE RECOLECCIN DE DATOSLa tcnica para la recoleccin de datos que se usara en la investigacin es la emprica, utilizando la observacin debido a que necesitaremos acumular y sistematizar los datos de nuestro objeto de estudio la cual es la Microturbina Michell-Banki.7.7. TCNICAS DE ANLISIS DE DATOSLa tcnica para el anlisis de datos que se usara en la investigacin es la estadstica inferencial, utilizando el anlisis multivariado debido a que necesitaremos saber la relacin entre diferente tipos de turbinas hidrulicas y de la generacin de energa elctrica.

8. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS8.1. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADESActividadesOctubreNoviembreDiciembre

1522291219263417

Tema definidox

Problema y objetivos definidosx

Marco terico definidox

Diseo de la investigacinx

Tcnicas de investigacinx

1er informe de avancex

Operacionalizacin de la investigacin.x

Modelo de observaciones.x

Medicionesx

Interpretacinx

2do informe de avancex

Redaccin de borrador de tesisx

Informe de aprobacin x

9. ANEXO

Alabes de una microturbina Michell-Banki

Microturbina Michell-Banki

9.1. MATRICES DE FORMULACINDiseo de una microturbina Michell-BankiCarencia de energa elctrica en las zonas rurales aisladasGeneracin de energa elctricaVariable independienteindependienteVariable dependientedependiente

9.1.1. Formulacin del ttuloVIEnlaceVDDelimitacin

Diseo de una microturbina Michell-BankiPara generacin de energa elctricaEn las zonas rurales aisladas

9.1.2. Formulacin del temaVerboVIEnlaceVDDelimitacin

Disear

El rotor, los alabes, el equipo hidromecnico, y el generador de una microturbina Michell-Banki parageneracin de energa elctrica En las zonas rurales aisladas

9.1.3. Formulacin del problemaInterroganteVIEnlaceVerboVDDelimitacin

Como

Disear una microturbina Michell-BankiparagenerarEnerga elctricaEn las zonas rurales aisladas

9.1.4. Formulacin del objetivoPropsitosFines

VerboVIEnlaceVerboVDDelimitacin

Disear

microturbina Michell-BankiparagenerarEnerga elctricaEn las zonas rurales aisladas

9.1.5. Formulacin de la hiptesisProceso lgicoVIMediosProceso lgicoVDDelimitacin

Si se diseamicroturbina Michell-BankiProceso computacionalAprovechando el recurso hdricoGenerar Energa elctricaEn las zonas rurales aisladas

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9.2. MATRIZ DE CONSISTENCIAAutor: Solano Llantas Jhon, Percca Yauri EmberTtulo: Diseo de una microturbina Michell-Banki para la generacin de energa elctrica en las zonas rurales aisladas

Formulacin del problemaAntecedentesTipo

Cmo disear una microturbina Michell-Banki para generar energa elctrica en las zonas rurales aisladas?La tesis Diseo de un mdulo interactivo de generacin hidrulica de energa elctrica presentado por Juan Fernando Lopz Lopz en la Universidad Tecnolgica de Pereira, Colombia.El tipo de investigacin que se implementara es tecnolgico debido a que al disear la microturbina Michell-Banki, esta se pondr en funcionamiento en las zonas rurales aisladas.

Nivel

La tesis Diseo y construccin de un prototipo de turbina para generacin de energa elctrica en una microplanta presentada por Gonzalo Orozco Aceves en el Instituto Politcnico Nacional, Mxico D.F.El nivel de la investigacin es experimental debido a que se evaluara el debido funcionamiento correcto de nuestro diseo en las zonas rurales aisladas.

Objetivo generalDiseo

Disear una microturbina Michell-Banki para generar energa elctrica en las zonas rurales aisladas

El diseo de la investigacin ser cuasi-experimental con el uso de post facto sin grupo de control.

Objetivos especficosTeora bsicaVariables

Determinar las caractersticas de las microturbinas factibles de realizar en la regin.Energa: Es una propiedad de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cul ste puede transformarse, modificando su estado o posicin, as como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformacin.Corriente Elctrica: La energa elctrica se manifiesta comocorriente elctrica, es decir, como el movimiento de cargas elctricas negativas, oelectrones, a travs de un cable conductor metlico como consecuencia de la diferencia de potencial que ungeneradorest aplicando en sus extremos.Variable independiente: diseo de una microturbina Michell-Banki.

Contribuir a la expansin de la aplicacin de energas renovables.Variable dependiente: generacin de energa elctrica.

Instalar una microturbina Michell-Banki, realizar un banco de pruebas y realizar ensayos preliminares.Poblacin y muestra

La poblacin y muestra est constituido por el objeto de estudio que es el diseo de la microturbina Michell-Banki.

Hiptesis generalDefinicin conceptual

Si microturbina Michell-Banki mediante un modelo computacional y aprovechando el recurso hdrico entonces se obtendr la energa elctrica para las zonas rurales aisladas.se disea una

Microturbina Michell-Banki: Esta turbina puede describirse como de accin, de flujo transversal, de doble paso o efecto. Tiene como indicadores: la fuerza motriz, presin del agua, revoluciones.Energa elctrica: La energa elctrica es una forma de energa basada en la generacin de diferencias de potencial elctrico entre dos puntos, que permiten establecer una corriente elctrica entre ambos. Tiene como indicadores: amperaje, voltios.

Definicin operacionalTcnicas e instrumentos

Microturbina Michell-Banki:Fuerza motriz: fuerza de un movimientoPresin del agua: es la fuerza que ejerce la misma sobre un objeto determinado.Revoluciones: vueltas que se dan en un tiempo.Energa elctrica:Amperaje: cantidad de energa elctrica que consume un aparato elctrico.Voltios: fuerza que ejercen los electronesLa tcnica para la recoleccin de datos que se usara en la investigacin es la emprica, utilizando la observacin

Tcnicas de procesamiento de datos

La tcnica para el anlisis de datos que se usara en la investigacin es la estadstica inferencial, utilizando el anlisis multivariado