Análisis computacional del torque en función de la tasa de giro en la turbina Tesla de aire

Abstract

El presente trabajo de título entrega un análisis computacional de fluidos (CFD) sobre una turbina tipo Tesla, máquina que tiene como principal objetivo desarrollar potencia sobre el eje para diversos usos. Las razones principales que motivaron el desarrollo de este trabajo de título, fueron la necesidad de investigar sobre máquinas más económicas y eficientes (en determinadas aplicaciones) que las actuales. La Turbina Tesla, en vista que no posee álabes, sino que discos para transferir la energía al eje, la convierte en una de las máquinas más económicas en su campo, lo que llama la atención de los investigadores y genera la necesidad de conocer el comportamiento del equipo antes de su construcción, con respecto a su torque y rendimiento, siendo estos factores de suma importancia al momento de seleccionar un equipo para una determinada aplicación. Si bien es claro que el fluido de trabajo a utilizar es un factor muy importante para desarrollar el diseño y conocer el desempeño de la máquina, se ha decidido trabajar con un único fluido, el cual es aire. Lo anterior se debe a que es un fluido que puede ser considerado como un gas ideal con respecto a algunas propiedades; además, con el aire la máquina podría alcanzar mayores revoluciones por minuto (RPM) que con vapor o agua (otros dos fluidos interesantes de estudiar), lo que según investigaciones anteriores favorece el rendimiento de la turbina. El desarrollo del presente trabajo comenzó con la recopilación de información sobre la turbina tipo Tesla, abarcando también bombas y compresores tipo Tesla, lo que sirvió de base para el estudio a realizar. Posteriormente se investigó acerca del software utilizado para la modelación en CFD (la herramienta Fluent de ANSYS), de manera de escoger el modelo matemático iterativo más adecuado y las suposiciones oportunas para desarrollar el trabajo en el tiempo establecido para el mismo. En este trabajo, se modeló un único espacio inter-disco representativo de los demás que posee la máquina. Se efectuaron simulaciones para tasas de giro entre 1.000 y 18.000 RPM, logrando así simular distintas cargas en el eje, obteniendo de esta forma el torque, la potencia y el rendimiento, entre otros resultados. Dentro de las conclusiones importantes, se destaca la linealidad del decaimiento del torque, a medida que aumentan las RPM, notándose también un aumento de la potencia y el rendimiento hasta las 13.000 RPM, tasa de giro desde la que éstos comienzan a disminuir. Una vez finalizada la lectura de este trabajo, se espera que el lector no sólo adquiera información acerca de la simulación realizada, sino que también este informe le pueda servir como guía para simulaciones similares en CFD a realizar con el software ANSYS y su interfaz Fluent. Es así como en la sección en la que se explica el ajuste el software, se ha prestado gran atención en representar la mayor cantidad de detalles posibles.